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　　1、石油钻采机械新技术 1 钻井机械新技术 90年代以来 ， 国外在小井眼钻机 、 套管石油钻机 、 液压钻机 、 交流变频石油钻机 、 连续软管石油钻机 、 激 光石油钻机 、 自动化石油钻机及钻井泥浆泵 、 固控设备 、 井控设备 、 井下动力钻具 、 顶部驱动钻井设备等设备和 技术方面有了较大发展 ， 并取得显著成效 。 1.1 国外石油钻机发展现状 1.1.1 交流变频电驱动钻机 在满足石油钻井工艺要求方面具有现用机械驱动钻机 和直流电驱动钻机无可比拟的优越性能 。 其核心技术为交流 变频调速技术 。 涉及：电动机理论 、 自动控制理论 、 电路拓扑理论 、 电力电子技术 、 微电子及计算

　　2、机技术 现代高新技术与石油钻井机械的有机结合 ， 具有强大 的生命力 ， 是当代石油钻机米博体育 米博平台的发展趋势 。 ALSTON公司生产的交流变频钻机 代表了当今世界交流变频钻机的一流水平 。 采用分布式控制系统 ， 具有易操作 、 高精度 、 高可 靠性 、 人工智能化 、 自动化和可视化等功能 。 包括 ：扭矩控制系统 （ 顶驱或转盘控制系统 ） ； 刹车控制系统； 平衡控制系统； 游车控制系统； 灌注控制系统； 泥浆泵及能量回馈控制系统； 各子系统采用闭环系统控制 ， 具有智能化和自适应功能 。 与机械驱动钻机、直流电驱动钻机相比具有如下特点： 绞车、转盘可实现无级调速，调速范围宽； 电机短时增矩达

　　3、 1.52倍以上，提高提升能力和处 理事故能力； 具有恒功率宽调速特性，大大简化了钻机机械结构； 具有转盘扭矩限制功能，防止钻具扭断； 交流变频技术对电机具有安全保护功能； 具有软启动功能，可降低供电电源容量； 带载情况下可平稳启动、制动和调速；下钻时可实 现对电网的能量反馈，减少制动装置损耗，节约能源； 易于实现钻机的自动化、智能化和对外界变化的自 适应控制； 价格便宜；维护费用低；使用安全可靠，易于操作 管理； 体积小、容量大，安装、拆卸、搬迁方便灵活。 1.1.2 激光石油钻机 激光钻井将象本世纪初的旋转钻井替代顿钻一样带 来彻底的技术突破。 激光钻井技术的优点： 可降低钻井成本，提高机

　　4、械钻速，改善井控，减少 钻机平均工作天数、钻头磨损和起下钻时间，可精确控制 井眼，并能在井眼周围形成一层坚硬的玻璃化外皮，可最 大限度的减少或取消同心套管。 MIRACL激光器发出的能量能洞穿数英里外的战术战 略目标。 菲利普斯公司用兆瓦级 MIRACL激光器进行钻孔实验， 激光束在 1s钟内可穿透 60mm厚的砂岩 -页岩 -砂岩夹层， 至少是目前常规钻井的 100倍。 化学氧化碘 COIL激光器，用于空对空防御，并能跟踪 摧毁导弹。 COIL激光器精度高，范围大，具有很高的输出功率， 并能在光纤中耦合，故适用于钻很深的井，用于深度超过 4500m的钻井和完井，可解决井控、侧钻和定向钻井等问

　　5、 题，且成本较低。 专家认为：对激光钻井的研究，将促进井下激光钻井 机械、钻常规井和小井眼井（连续油管）的激光钻头、激 光射孔工具、侧钻及定向激光钻具的发展。 1.1.2 激光石油钻机 1.1.3 新型液压石油钻机 组成：双液缸、游动轭、提升钢丝绳、平衡器总成、 液缸导向架、顶部驱动装置、液压系统等。 导向架取代井架。 优点：重量大大减轻（可减去 2004000t以上）； 允许钻台台面升高，还可将钻杆立根盒移到钻台下； 钻台承载能力大，能支撑两个长液缸和转盘； 敞开取放钻杆，并可将立根盒安排在钻台两边； 1.1.4 软管石油钻机 1991年开始工业应用，并打出了 1062米水平井。 1997年

　　6、壳牌公司在北海应用软管钻井技术在垂深 3860米处成功进行了侧钻，创造了利用软管钻井技术侧钻 垂深的最大记录。 优越性：与常规钻机钻井相比，节约费用 25%40%； 不停泵接钻杆，起下钻可连续循环泥浆，节省 了钻井时间，加快了钻井速度，缩短了钻井周期，避免了 因接钻杆可能引起的卡钻、井喷等事故，提高了钻井作业 的安全性； 连续软管可内置电缆，实现随钻测量和闭环钻 井； 占用场地面积小； 软管尺寸小，特别适用于钻小井眼井； 钻井设备安装、拆卸、搬运相对简便快捷。 1.1.5 套管石油钻机 钻机安装在拖车上，采用电 -液驱动的顶驱装置，通 过套管传递扭矩，并带动安装在套管底部钻具组上的钻 头旋转钻

　　7、进。钻头固定在一个专用钻具组的前部，钻具 组锁定在套管底部，并用钢丝绳与钻台上起下钻头的专 用绞车相连，当需要换钻头时，将锁定装置打开，利用 绞车将钻具起出，更换新钻头后，再用绞车将钻具送入 井底，锁定在套管底部。操作非常方便迅速。 钻头为可以收缩的扩孔钻头，钻进时扩孔钻头张开， 这样就可以钻出大于套管内径的井眼。钻机的钻进过程 就是下套管的过程，套管下到井里不再提起，完钻后即 可进行固井。 优点：简化了钻机结构；节省材料费用；起下钻速 度快；套管始终留在井内，减少了井壁坍塌、键槽等事 故的发生； 3000米井可节省成本 30%以上。 1.1.6 小井眼石油钻机 小井眼钻井可降低油气勘探和开发

　　8、成本、提高经济 效益、减小环境污染。 小井眼：全井 90%以上的井段直径小于 7in，或 70%以上的井段直径小于 5in；对水平井为水平段直径小 于 6in。 优点：节省泥浆、钻头、钻杆、套管、柴油等费用； 减小场地，提高钻井和起下钻速度；减小装机功率，减 轻环境污染；用于打加密井，可采储量将增加 50%。 1.1.7 重型石油钻机 最大钩载 580t。 1.1.8 科研用石油钻机 1.1.9 超高压射流钻井设备 1.1.10 交流变频电驱动钻机绞车 1.1.11 大功率三缸单作用钻井泵 最大输入功率 2200hp，最大水功率 1980hp。 1.2 国内石油钻机发展现状 1.2.1 再次修

　　10、意见： 2000m及以下级别钻机，要大力提高运移性； 3000m及以下级别钻机，发展机械驱动钻机为主； 4000m级别钻机，发展电驱动和机械驱动两种级别的钻机； 6000m及以上级别钻机，发展电驱动钻机为主。 先后研制出各种级别的钻机约 25个品种。 ZJ20(25)JD型、 ZJ20J型、 ZJ32J型 (正车减速器传动型 ) 、 ZJ60L型、 ZJ10B型轻便钻机、 ZJ15X型斜井钻机、 ZJ15型钻、 ZJ20B型机（液力传动变速箱）、 ZJ20DY型电液 驱动钻机、 GW-M1000型沙漠钻机（宝石厂 -长城公司） 1.2.2 研制和开发了一批新型钻机 ZJ32J改型、 ZJ32-

　　12、 钻台高度技术指标略低于美国 Ideco公司的钻机； 绞车输入功率、钻井泵功率 2个技术指标与美国两 公司钻机相同； 其余技术指标均高于或优于美国两公司钻机。 1.3.2 与国外石油钻机技术水平的差距 与国外钻机的整体水平相比，我国还存在很大差距： 品种较少、型号单一、规格不全、适应性差、产品 结构不合理； 在用钻机普遍老化，更新速度慢，严重影响我国新 型石油钻机的发展； 在用钻机中先进的电驱动钻机太少， 90%多为机械 驱动钻机；中型钻机模块化程度很低，钻机搬家占用的 车次和时间很多，与国外钻机差距较大； 国产钻机的链条、传动带、轴承、气控元件、橡胶 键、缸套、活塞、泵阀及柴油机等基础键、易

　　13、损件的寿 命、可靠性等仍需下功夫提高。 1.3.3 发展我国石油钻机的建议 21世纪是天然气的世纪，建议大力开展与天然气勘 探、开发、储运、液化、转化等有关的各类技术和设备 的研究和开发工作； 系列化发展我国的交流变频石油钻机，更新改造大 批严重老化的石油钻机； 加速各型钻机的模块化设计，提高模块化水平； 加大发展先进石油钻机的投资力度，再上新水平； 尽快将先进的盘式刹车和自动送钻新技术应用到深 井钻机上； 2 井下单螺杆钻具 单螺杆钻具具有零部件少 、 结构简单 、 维修 工作量小的特点 ， 性能上具有低速大扭矩的特征 ， 单头螺杆钻具输出转速小于 400rpm， 多头螺杆钻 具输出转速为

　　14、90150 rpm， 适合与牙轮钻头配套 钻井 。 2.1 国外螺杆钻具发展情况 70年代后期 ， 定向钻井技术仍以转盘钻井为主 ， 即用井下动力钻具 -弯接头组合造斜 ， 然后用转盘 钻增斜 、 稳斜 、 降斜 ， 并在必要时用井下动力钻 具 -弯接头组合扭方位 。 每改变一次定向作业 （ 造 斜 、 增斜 、 稳斜 、 降斜或扭方位 ） 都需要起下钻 更换下部钻具组合 。 2.1.1 导向及水平井用螺杆钻具 PDC钻头的问世和随钻测量 （ MWD） 系统的 推广 ， 促进了螺杆钻具的广泛应用 。 据统计 ， 1985年以来 ， 美国墨西哥湾的 60%的定向井都是 用螺杆钻具导向系统完成的

　　15、。 在水平井和大斜度 井中 ， 螺杆钻具的使用量更是剧增 ， 几乎 90%的 大 、 中半径水平井的下部定向造斜井段和水平井 段 ， 都是由螺杆钻具完成的 。 1977年 Tenneco公司在阿布扎比的一口定向 井中试用了一种带偏心稳定器的涡轮钻具 。 由于 偏心稳定器使钻头产生的偏移距离较小 ， 因而这 套下部钻具组合可选择性的采用滑动钻井方式 （ 钻柱不旋转 ） 和旋转钻井方式 ， 减少了起下钻 次数 ， 提高了钻速和轨迹控制精度 ， 降低了钻井 费用 ， 将井眼轨迹控制技术发展到了一个新的阶 段 连续控制井眼轨迹技术 。 导向螺杆钻具 常规的“弯接头 +螺杆钻具”组合，由于弯接头位 于螺

　　16、杆钻具上方，距钻头较远，使钻头和螺杆受到的侧 向力较大；弯曲角度固定，不能在旋转钻柱的情况下稳 斜钻进，因而只能用于造斜和扭方位，是定向作业不能 连续进行。作为导向钻井系统核心的导向螺杆钻具，可 克服这一不足，在一定程度上实现了水平井钻进和井眼 轨迹控制的连续性。 反向双弯螺杆钻具和单弯螺杆钻具 万向节外壳在同一平面内呈反向双弯或只呈一次弯 曲，使钻头轴线相对于井眼轴线稍微倾斜。由于弯曲部 位距钻头很近，所以钻头偏移距和侧向力较小。采用旋 转方式时，钻头便稳斜钻进（稳斜段井径略大于钻头外 径，但在允许范围内）。 导向螺杆钻具 可变弯接头 +螺杆钻具 普通弯接头加螺杆钻具在定向井和水平井使用了多

　　17、 年，但其起下钻阻力较大，下钻时钻头有泥包的可能性， 需要改变弯曲角度时，必须起出整个钻柱更换弯接头。 可变弯接头包括电动式和机械式两种。 电动式弯接头靠电缆传递的信号改变弯曲角度。 机械式弯接头靠投球改变弯曲角度。 现场实验取得好的效果，具有减少起下钻次数、提 高轨迹控制效率与精度、降低钻井成本等优点。 缺点：不能与各种测量工具（如 MWD）配合使用； 电动式弯接头不能旋转钻柱，即不能稳斜钻进；机械式 弯接头改变角度的次数优先，最多只能投 20个球。 液压式可变弯接头 增加泥浆流量改变弯角值。 2.1.2 螺杆钻具新技术 抗疲劳传动轴 采用新的高强度传动轴材料，改 进结构设计，消除应力米博体育 米博平台集中；

　　18、 径向轴承 以前的轴承带有碳化钨硬质合金嵌块， 耐磨但易碎。新材料在坚韧的坯体内带有较小的硬质合 金颗粒，有优良的耐磨性，可避免大冲击负荷下破碎； 止推轴承 开发出金刚石止推轴承，其占用空间 略小于球轴承，承载能力明显提高； 定子材料 多年来定子材料一直采用丁腈橡胶。 以开发出新型定子材料 氢化腈。化学上更稳定；高温 下及暴露于酸气、柴油及水时具有更强的抗变能力； 定子温度 测定各种温度下的定子形态，并将其 用于确定转子尺寸，使定、转子在京下循环温度下保持 良好配合； 可调节部件 壳体允许在 00-30的角度范围内调节。 2.2 国内螺杆钻具发展情况 世界水平井钻井技术的成熟，国内水平井钻井装

　　19、备 得到充分发展，适用于大中半径水平井的单弯、双弯钻 具、导向钻具等都具备了相当的设计和制造能力，且能 够生产可调角度的双弯导向马达，配备各种形状的扶正 器和弯接头供井队选择；螺杆钻具寿命已达 150小时以上。 国产高温钻具可以在 150度以上的深井作业中保持 良好的性能和机械钻速； 具有转子中空分流装置的大排量钻具，不仅有利于 随钻测量仪器的工作，而且泥浆上返速度大，清洗井底 效果好； 国内油田主要依靠国产螺杆钻具完成水平井和定向 井钻井任务；并已出口中东地区。 2.2 国内螺杆钻具发展情况 差距： 适用于短半径水平井的螺杆钻具国内尚属空白。用 于短半径水平井的铰接马达，国内虽有研究，但仍存

　　20、在 诸多技术难题； 新技术、新工艺的采用及专业研究方面，缺少资金 和技术人才的投入，新产品开发速度慢，与我国钻井技 术的发展不协调。 3 顶部驱动设备 顶部驱动技术是转盘钻机问世以来的几项重大变革之一。 液压盘式刹车、液压钻井泵、交流变频驱动、顶部驱动 1981年 12月 Varco-BJ公司研制的 Top Drive System投 入使用，以后逐渐被石油钻井界所采用。目前海上平台或 钻井船几乎全部装备了顶驱，陆地钻机正陆续装备顶驱。 3.1 结构组成 动力驱动装置 电动或液压，经齿轮减速，提供动力 ； 倾斜装置 气动或液动，接单根、取立根 ； 管子处理装置 由扭矩钳、内防喷控制阀、执行机构

　　21、组 成，扭矩钳在液压作用下，可在任何时候及位置完成上卸扣 ； 扭矩管、平衡系统、冷却系统 扭矩管即导轨，扶正 并将反扭矩传递给井架底座；平衡系统采用双液压平衡液缸，作用 类似于大钩弹簧；冷却系统提供冷却空气 ； 控制系统； 钻井液循环系统。 3.2 顶驱系统的优点 安全的操作系统 （ 人身和钻井安全 采用立根钻进，接 单根次数减少，倾斜装置可使吊环吊卡摆至小鼠洞或二层台指梁， 减少了作业者的危险程度；起下钻遇阻，可以开泵循环、旋转钻柱 进行划眼作业；下套管遇阻可迅速接上大小头，边循环边旋转变下 放；顶驱内的防喷阀及执行机构，发现井涌时可立即执行井控动作； 设备安全 上扣平稳，避免上扣过盈或不足

　　22、；设定钻井最大扭矩， 超过此值，马达立即停止，调整参数后再正常钻进。 ） 节约辅助钻进时间，提高钻井效率 （ 立根钻井节约辅 助时间，减少了每次接单根后重新调整工具面角的时间，提高了取 芯收获率，可减少钻井时间 1030%） 特别适用于定向井、水平井 （ 定向井、水平井提钻时阻 力大，可倒划眼 ） 安装维护简单、操作方便灵活 3.3 顶驱系统的发展动向 向陆地钻机发展 向静液传动和交流变频电机驱动方向发展 3.4 国内顶驱系统发展现状 引进、吸收消化、自主设计制造 1989年引进第一台， 1995年生产出第一台国产顶驱 装置 DQ-60D，成为继美国、挪威、加拿大、法国之后第 五个生产顶驱的国

　　23、家。 以后又相继研制出了 DQ60P、 DQ20H顶驱装置。 DQ60P为轻便顶驱装置 DQ20H为液压顶驱装置 4 抽油机 我国机械采油井约占油井总数的 90%以上，其中由抽 油机 抽油杆 抽油泵组成的三抽井占 80%左右，产量占 75%以上。 4.1 游梁式抽油机 双驴头抽油机、摆杆式游梁抽油机、曲游梁抽油机 4.2 无游梁抽油机 链条抽油机 （ ROTAFLEX抽油机、 9899工厂直线抽油 机、无换向架链条抽油机） 滚筒式抽油机 （钢带抽油机、摩擦轮抽油机、电机换 向滚筒抽油机） 天轮式抽油机 摆杆式游梁抽油机 曲游梁抽油机 链条抽油机的两种换向机构 a无换向架链条抽油机； b普通链条

　　24、抽油机 天轮式抽油机机构简图 4.3 液压抽油机 4.4 连续抽油杆抽油机 4.5 车载抽油机 5.1 刚性抽油杆 超高强度抽油杆（国产杆的某些指标已超过国外） 玻璃钢抽油杆 电加热抽油杆 空心抽油杆 不锈钢抽油杆（国内尚无） 喷涂不锈钢抽油杆（国内尚无） 铝合金抽油杆（国内尚无） 5 抽油杆 5.2.1 国外发展情况 钢带抽油杆 原苏联、瑞典等国研制成功钢带抽油 杆：厚 23.5mm，宽 45mm。与其配套的为钢带抽油机。 碳纤维抽油杆 美国 80年代初研制出碳纤维抽油杆， 厚 1.85.38mm，宽 35.636.83mm。重量轻；柔性好、摩 擦小、减小负荷、节省动力；强度高、弹性模量大、

　　25、抗疲 劳、耐腐蚀。 半刚性连续金属抽油杆 加拿大艾尔伯达 Corod公 司研制出截面为椭圆形的半刚性连续金属抽油杆，重量比 常规杆减轻 818%，抽油机负荷减轻 25.8%；抽油杆起下 作业快；缠绕抽油杆的滚筒直径很大。 5.2 柔性抽油杆 5.2.2 国内发展情况 异型钢丝绳连续抽油杆 宁夏恒力集团公司于 90 年代中期研制成功异型钢丝绳连续抽油杆，强度极限达 到 1470MPa。主要问题出现在接头上。 半刚性连续金属抽油杆 胜利高原公司研制出截 面为椭圆形的半刚性连续金属抽油杆，现已在油田使用。 碳纤维抽油杆 近年来国内多家公司研制碳纤维 抽油杆，现处于试验阶段。 6 抽油泵 整筒抽油泵取

　　26、代衬套式抽油泵是抽油泵方面最主要的 技术进步之一，整筒抽油泵显著提高了泵的容积效率（比 衬套式抽油泵约提高 20%），延长了柱塞泵筒副的使用寿 命，并可节约 40%左右的优质钢材。 为适应多种油井条件的需要，除了标准抽油泵以外， 出现了许多特殊类型的抽油泵。例如，用于大排液量的双 作用泵和套管泵，适用于高油气比井的防气泵，适用于稠 油开采的流线型泵和液压反馈泵，适用于多砂油井的防砂 泵（如自润滑式防砂泵、伸缩式三管防砂泵等），在定向 井中采用的悬挂泵，可用于深井采油的过桥泵等。 6 抽油泵 泵筒采用了多种原材料和热处理工艺： 渗氮；碳氮共渗；复合涂层；镀硬铬（在高矿化度 介质中，可能是较好的处

　　27、理方法）等工艺。 柱塞： 镀硬铬；喷焊镍基合金；正在试验喷涂陶瓷等工艺。 在提高柱塞 泵筒副的耐久性上： 泵筒材料和柱塞材料的合理匹配； 泵筒 柱塞副材料与油井条件相匹配。不同含砂量、 不同油井介质，应选用不同的泵筒 柱塞副材料。为了 提高阀组件的抗腐蚀性，用高碳铬不锈钢和铸钴等材料 替代一般的不锈钢。此外，正在研制不同密度的耐腐蚀、 抗冲刷的阀球，以满足开采不同密度、不同粘度原油的 需要。 6.1 国外发展现状 俄罗斯新型有杆泵 活塞式有杆泵 (内部装有带一组刚性密 封环（根据压降的要求数量为 20 36个）的新型组装式活塞，用它 来代替光滑的柱塞。密封环与泵筒轴线偏心地装配在橡胶活塞外圈

　　28、上，并借助于另一个弹性元件将其互相卡紧。这样安装的密封环可 以最大限度地封堵液流通过密封装置 ) “ 真空 ” 腔室式双柱塞抽油泵 （ 用来开采粘油和稳定粘性的油 水乳化液。当抽油机驴头下冲程时利用 “ 真空 ” 腔室造成对抽油杆 和柱塞的向下作用力，以使它们产生向下的强迫运动 ） 俄罗斯隔膜式抽油泵 （ 利用隔膜将抽油泵的工作元件加以保护， 防止与含砂、含盐和含腐蚀性介质的地层液相接触，延长抽油泵的 使用寿命 ） 特殊结构的长冲程抽油泵 （ 多节泵筒结构保证了柱塞的最大冲 程长度达 20m ） 6.1 国外发展现状 吸入阀强制工作的有杆泵 配置旋转柱塞的杆式抽油泵 双作用泵送系统 （ 在井下

　　29、就地将部分地层水回注 ） 钢带式超长冲程特种抽油泵 （ 抽油柱塞的冲程长度很大，可达几 百米。柱塞是固定在专门管子上的由弹簧压紧的多节密封元件，管子 内装有普通抽油泵的阀件 ） 喷涂柱塞陶瓷； 陶瓷球； 6.2 国内发展现状 双柱塞反馈抽油泵 （ 有助于柱塞克服阻力作下冲程 ） 增压抽油泵 （能量补偿装置）（ 增加泵吸入口压力 ） 液压反馈式增压抽油泵 （ 增加泵的进油阀吸入口处的压力，提 高泵的充满度 ） HLB型空心环流稠油抽油泵 （ 解决稠油粘度高，摩擦阻力大， 容易出现原油不进泵、抽油杆柱下行困难和油管结蜡等问题 ） 浸入式抽稠油泵 （ 在上下冲程过程中，稠油均可进入泵筒，进油 时间是

　　30、普通泵的两倍，泵的充满程度高，因而可大大提高泵效 ） 防喷式稠油抽油泵 （ 井喷发生时，只需轻便操作，缓慢下放柱塞 至完全进入泵工作筒，便能立即制止井喷 ） 机械强制阀式抽油泵、有杆射流增压抽油泵、动筒式杆 式抽油泵、斜井抽油泵等。 6.3 国内外发展水平比较 从国内外抽油泵研究方面的情况来看，我国的研究水 平与国外基本相当，都研制出了多种适应不同使用场合 的抽油泵产品。但从胜利油田的现场调研情况来看，国 产抽油泵的使用寿命比进口抽油泵的使用寿命短。主要 原因是国外抽油泵的材料和热处理工艺优于国产抽油泵， 而这方面的技术恰恰属于国外保密的范围，也是我们的 差距之一。 此外，在长冲程抽油泵的研究方面我国落后于外国， 目前还没有冲程长度超过 8米的抽油泵，而国外已有几百 米冲程长度的抽油泵。当然，抽油泵的发展必须与抽油 机的发展同步，没有长冲程抽油机，长冲程抽油泵是没 有市场的。 6.4 我国今后的发展建议 加大对抽油泵材料和热处理工艺的研究力度，努力 提高抽油泵的使用寿命； 大力发展整筒抽油泵，同时要优化整筒泵的表面处 理工艺，在提高泵效的同时，提高抽油泵的寿命； 研究长冲程抽油泵，并将其与长冲程抽油机的研究 结合起来。长冲程抽油泵是利用油管作为泵筒，因此其 关键技术是如何研制特殊结构的柱塞（封隔器）； 结束

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