石油钻采机械新技术中国石油大学机电工程学院——刘猛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、延续软管石油钻机、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开展，并获得显著效果。1.1国外石油钻机开展现状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较的优越性能。其中心技术为交流变频调速技术。涉及：电动机实际、自动控制实际、电路拓扑实际、电力电子技术、微电子及计算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，是当代石油钻机的开展趋势。ALSTON公司消费的交流变频钻机代表了当今世界交流变频钻机的一流程度。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，具有智能化和自顺应功能。与机械驱动钻机、直流电驱动钻机相比具有如下特点：绞车、转盘可米博体育平台实现无级调速，调速范围宽；电机短时增矩达1.5~2倍以上，提高提升才干和处置事故才干；具有恒功率宽调速特性，大大简化了钻机机械构造；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平安维护功能；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响，减少制动安装损耗，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顺应控制；价钱廉价；维护费用低；运用平安可靠，易于操作管理；体积小、容量大，安装、装配、搬迁方便灵敏。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：可降低钻井本钱，提高机械钻速，改善井控，减少钻机平均任务天数、钻头磨损和起下钻时间，可准确控制井眼，并能在井眼周围构成一层巩固的玻璃化外皮，可最大限制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的。菲利普斯公司用兆瓦级MIRACL激光器进展钻孔实验，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，用于深度超越4500m的钻井和完井，可处理井控、侧钻和定向钻井等问题，且本钱较低。专家以为：对激光钻井的研讨，将促进井下激光钻井机械、钻常规井和小井眼井〔延续油管〕的激光钻头、激光射孔工具、侧钻及定向激光钻具的开展。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、顶部驱动安装、液压系统等。导向架取代井架。优点：分量大大减轻〔可减去200~4000t以上〕；允许钻台台面升高，还可将钻杆立根盒移到钻台下；钻台承载才干大，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年开场工业运用，并打出了1062米程度井。1997年壳牌公司在北海运用软管钻井技术在垂深3860米处胜利进展了侧钻，发明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，起下钻可延续循环泥浆，节省了钻井时间，加快了钻井速度，缩短了钻井周期，防止了因接钻杆能够引起的卡钻、井喷等事故，提高了钻井作业的平安性；延续软管可内置电缆，实现随钻丈量和闭环钻井；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、装配、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-液驱动的顶驱安装，经过套管传送扭矩，并带动安装在套管底部钻具组上的钻头旋转钻进。钻头固定在一个公用钻具组的前部，钻具组锁定在套管底部，并用钢丝绳与钻台上起下钻头的公用绞车相连，当需求换钻头时，将锁定安装翻开，利用绞车将钻具起出，改换新钻头后，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，完钻后即可进展固井。优点：简化了钻机构造；节省资料费用；起下钻速度快；套管一直留在井内，减少了井壁坍塌、键槽等事故的发生；3000米井可节省本钱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本钱、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；对程度井为程度段直径小于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，可采储量将添加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国内石油钻机开展现状1.2.1再次修订了我国石油钻机规范GB1806-1979：ZJ20、ZJ32、ZJ45、ZJ60、ZJ80SY/T5609-1993：15、20、32、45、60、80SY/T5609-1999：10/600、15/900、20/0、30/1700、40/2250、50/3150、1.2.2研制和开发了一批新型钻机根据油田要求和境外石油勘探开发的需求，1995年中石油胜利油田钻机方案定型会议关于我国开展钻机的意见：2000m及以下级别钻机，要大力提高运移性；3000m及以下级别钻机，开展机械驱动钻机为主；4000m级别钻机，开展电驱动和机械驱动两种级别的钻机；6000m及以上级别钻机，开展电驱动钻机为主。先后研制出各种级别的钻机约25个种类。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-SL1型、 ZJ32L(宝)型、 ZJ32L(兰)型、 ZJ15D型、ZJ15DB型、ZJ40/2250DB型、ZJ45L型、 ZJ50D (兰)型、ZJ50D (宝)型、ZJ60DS型、ZJ70D (兰)型、 ZJ70D (宝)型 1.2.3 研制出几种新型钻井泥浆泵 新型5缸钻井泥浆泵、 双缸单作用液压泥浆泵、 高压隔膜泥浆泵 1.3 国内外钻机技术开展程度分析 1.3.1 我国钻机技术程度有了很大提高 与美国Ideco、Emsco两公司的钻机 相比较，在14种主要技术目的中： 钻井深度、最大钩载、钻台高度等3 个技术目的略低于美国Emsco公司的钻机； 钻台高度技术目的略低于美国Ideco 公司的钻机； 绞车输入功率、钻井泵功率2个技术 目的与美国两公司钻机一样； 其他技术目的均高于或优于美国两公 1.3.2 与国外石油钻机技术程度的差距 与国外钻机的整体程度相比，我国还存在很大差距： 种类较少、型号单一、规格不全、顺应性差、产品 构造不合理； 在用钻机普遍老化，更新速度慢，严重影响我国新 型石油钻机的开展； 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、泵阀及柴油机等根底键、易损件的寿 命、可靠性等仍需下功夫提高。 1.3.3 开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 的研讨和开发任务； 系列化开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，提高模块化程度； 加大开展先进石油钻机的投资力度，再上新程度； 尽快将先进的盘式刹车和自动送钻新技术运用到深 井钻机上； 2 井下单螺杆钻具 单螺杆钻具具有零部件少、构造简单、维修 任务量小的特点，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90~150 rpm，适宜与牙轮钻头配套 钻井。 2.1 国外螺杆钻具开展情况 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。每改动一次定向作业〔造 斜、增斜、稳斜、降斜或扭方位〕都需求起下钻 改换下部钻具组合。 2.1.1 导向及程度井用螺杆钻具 PDC钻头的问世和随钻丈量〔MWD〕系统的 推行，促进了螺杆钻具的广泛运用。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。在程度井和大斜度 井中，螺杆钻具的运用量更是剧增，几乎90%的 大、中半径程度井的下部定向造斜井段和程度井 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间隔较小，因此这 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开展到了一个新的阶 段——延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 螺杆钻具上方，距钻头较远，使钻头和螺杆遭到的侧向 力较大；弯曲角度固定，不能在旋转钻柱的情况下稳斜 钻进，因此只能用于造斜和扭方位，是定向作业不能延 续进展。作为导向钻井系统中心的导向螺杆钻具，可抑 制这一缺乏，在一定程度上实现了程度井钻进和井眼轨 迹控制的延续性。 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略微倾斜。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程度井运用了多 年，但其起下钻阻力较大，下钻时钻头有泥包的能够性， 需求改动弯曲角度时，必需起出整个钻柱改换弯接头。 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送的信号改动弯曲角度。 机械式弯接头靠投球改动弯曲角度。 现场实验获得好的效果，具有减少起下钻次数、提 高轨迹控制效率与精度、降低钻井本钱等优点。 缺陷：不能与各种丈量工具〔如MWD〕配合运用； 电动式弯接头不能旋转钻柱，即不能稳斜钻进；机械式 弯接头改动角度的次数优先，最多只能投20个球。 液压式可变弯接头——添加泥浆流量改动弯角值。 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资料，改 良构造设计，消除应力集中； 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。新资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，可防止大冲击负荷下破碎； 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，承载才干明显提高； 定子资料——多年来定子资料不断采用丁腈橡胶。 以开发出新型定子资料——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才干； 定子温度——测定各种温度下的定子形状，并将其 用于确定转子尺寸，使定、转子在京下循环温度下坚持 良好配合； 可调理部件——壳体允许在00-30的角度范围内调理。 2.2 国内螺杆钻具开展情况 世界程度井钻井技术的成熟，国内程度井钻井配备 得到充分开展，适用于大中半径程度井的单弯、双弯钻 具、导向钻具等都具备了相当的设计和制造才干，且可 以消费可调角度的双弯导向马达，配备各种外形的扶正 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坚持