石油钻机概论

石油钻机概论
钻机是用于油气勘探、开发的一整套钻井设备。

第一节钻机的组成
一、地面旋转设备
主要组成：转盘、水龙头、钻具，顶驱钻机配备有顶驱装置。

作用：转动钻具，带动钻头破碎岩石。

1. 转盘（参见图2-1）
（1）转盘的作用
钻进时—转动钻具；井底动力时—承受反扭矩；
起下钻、下套管时—承托钻杆或套管重量；
处理事故时，造扣、倒扣(上提)。

（2）转盘的结构
①水平轴总成—传递动力
水平轴；小伞齿轮；轴承；输入链轮；制动装置(制动棘轮)
②转台总成—驱动方钻杆
转台；大伞齿轮；主轴承；防跳轴承；方瓦；方补心；泥浆密宫密封装置。

③壳体—连接，储油润滑（靠小锥轮旋转带油）
2. 水龙头
（1）水龙头的作用
①承重—承受钻柱重量
②旋转—支承旋转的钻具
③耐压—输送高压泥浆
（2）结构组成与特点
①承重部分：提环；壳体
②旋转部分：中心管总成
主轴承，防跳轴承；扶正轴承（2个）
③轴承布置
两扶正轴承分置于主轴承两边（图2-2间距大，扶正好）。

④耐压：鹅颈管；冲管总成
冲管总成为快卸密封结构（易损件）
浮动冲管（工作时不转动，有轴向窜动。

），Y形液压自密封、快卸结构（参见图3-14）。

二、循环系统设备
主要有：钻井泵，钻井液净化、处理调配装置。

作用：清洗井底，携带岩屑，保护井壁，冷却钻头。

为井下动力钻具提供高压动力液。

三、起升系统设备
主要有：绞车、天车、游车、大钩、钢绳、井架。

作用：起下钻具、下套管，控制钻压。

上述三大系统是钻机的三大工作机。

四、动力驱动系统
有：柴油机组、发动机组、电动机组。

作用：提供动力。

五、传动系统设备
联动机组—动力并车。

作用：传递、分配动力。

六、控制系统和监测仪表
司钻台、液、气、电控制、仪表
各种钻井仪表及随钻测量系统（MWD）。

七、钻机底座
安装钻井设备。

钻台底座用于安装井架、转盘，放置立根盒及井口工具及司钻控制台，安装绞车，下方应能容纳必要的井口装置。

应有足够的高度、面积和刚性。

机房底座用于安装动力机组及传动系统设备。

八、辅助设备
有供气、水、油、暖设备、井口防喷设备。

钻机是所有钻井设备，包括八大（系统）设备：
旋转、循环、起升、动力、传动、控制、底座、辅助。

八大部件：绞车；转盘；水龙头；大钩；游车；天车；钻井泵；柴油机；十大部件：加—井架；联动机组。

第二节钻机分类与特点
一、分类
1．按井深分
①浅井（≤1500m）；
②中深井（1500~3000m）；
③深井（3000~6000m）；
④超深井>6000m。

2．按驱动设备类型分
机械驱动钻机（MD）；电驱动钻机（ED）。

3.按驱动方式分
单独驱动（各主要机组单独驱动）；统一驱动。

4．按主传动副类型分（从动力并车角度分类）
①胶带并车传动—胶带钻机；J
②链条并车传动—链条钻机；L
③锥齿轮—万向轴并车传动—齿轮钻机C。

5．按地区和用途分
海洋钻机；浅海钻机（适用与0~5m水深或沼泽地区）；
陆地常规钻机；丛式井钻机；沙漠钻机；直升机吊运钻机；
小井眼钻机（指90%井身直径小于7”或70%井身直径小于5”的井。

小钻机易运、钻速高、套管小、成本低。

液压驱动、配顶驱钻井装置、自动化高）；
连续柔管钻机（连续柔管代替单根钻杆，有绕管的卷筒。

成功地用于作业机，如冲洗、人工举升、测井和射孔、挤水泥、井下扩孔、防砂及酸化增产。

钻井配合井下动力钻具。

）
二、钻机特点(II-4)(III-4)
1.大功率、传动复杂，多工作机联合工作。

（例JC45绞车，功率1100kW相当于：
10个车间×25台机床×一台车床4kW≈JC45的功率）
2.绞车、泵、转盘三大机组不同时工作。

3.钻井过程不连续
钻进时间短，起下钻时间长，原因换钻头。

4.工作地区广阔（平原、山地、沙漠、沼泽、海洋），自然环境恶劣（风、沙、雨、雪），野外流动作业，要求钻机有很强的适应地区、环境的能力和很高的移运性能。

二、钻机特点(II-4)(III-4)
1.大功率、传动复杂，多工作机联合工作。

（例JC45绞车，功率1100kW相当于：
10个车间×25台机床×一台车床4kW≈JC45的功率）
2.绞车、泵、转盘三大机组不同时工作。

3.钻井过程不连续
钻进时间短，起下钻时间长，原因换钻头。

4.工作地区广阔（平原、山地、沙漠、沼泽、海洋），自然环境恶劣（风、沙、雨、雪），野外流动作业，要求钻机有很强的适应地区、环境的能力和很高的移运性能。

第三节钻机基本参数
一、基本参数
反映钻机工作性能的数量指标称为基本参数。

钻机基本参数十个：
L（名义井深）；
Qmax（最大钩载）；Qds（最大钻柱重）；
Ndr（绞车功率）；
Z（Zmax）有效绳数；dw（钢绳直径）；
Np（泵功率）；Dr（转盘通径）；
Hr（底座）；H架。

1．名义井深L，主参数。

(I-4,)
推荐钻深范围，上限为名义井深。

（Lmin～Lmax=L）
旧系列15、20、32、45、60、80（使用5”钻杆井深）
新系列10、15、20、30、45、50、70、90、120（使用”钻杆井深）。

2. 最大钩载Qmax
在标准规定的最大绳数下，下套管或进行解卡等其它特殊作业时，大钩上不允许超过的最大载荷。

Qmax决定钻机下套管和处理事故的能力，是核算起升系统零件静强度及计算转盘、水龙头主轴承静载荷的依据。

3. 最大钻柱重量Qds
在标准规定的最大绳数下，正常钻进或进行起下作业时，大钩所允许承受的最大钻柱在空气中的重量（质量）【也称额定载荷】。

Qds＝10 q.L kN
q—钻柱线密度（单位长度质量），10≈9.8＝g；
L-最大井深，km 。

二、主参数与钻机型号
1. 主参数
① 能直接反映钻机的主要性能；
② 能用以标定钻机型号，并作为设计、选用钻机的依据； ③ 能影响和决定其它参数。

我国钻机新标准规定名义钻井深度L 为主参数。

第一， L 直接表明了钻机的最大钻井深度；
第二， L 影响和决定其它参数的大小；
符合我国以钻机钻井深度定型名和井队编号的习惯用法。

我国以前用Qds （最大钻柱重量）为主参数。

前苏联和罗马尼亚，钻机标准采用最大钩载Qmax 作为主参数。

美国钻机没有统一的国家标准，各大公司生产的钻机基本上以名义钻深范围（Lmin~Lmax ）为主参数。

（1320M 型钻机，指钻深13000～20000英尺，钻深6100m ，NSCO 国家供应公司，National Supply CO.）
1. 已知，某一直井所用的钻具为7寸钻铤（D=178mm ，d=70mm ），5.5寸钻杆（D=127mm ，d=108mm ），钻井液密度为m ρ=1.2g/3cm ,钻铤和钻杆单位长度密度为ρ=7.8g/3cm ，钻压b p =6t ，钻具由井深H=500m 钻至1000m 时，要确保钻柱的中和点和轴向应力零点均落在7寸钻铤上。

（1）试设计钻铤最小长度；（2）若每根钻铤为9m ，需组配几根？。