石油钻机发展现状分析(国外)

(2)可使电动机的短时增矩倍数达1．15~2以上，大大提高了钻机的提升能力和处理事故的能力。
(3)由于具有恒功率宽调速特性，故可大大简化钻机的机械结构。
(4)具有转盘扭矩限制功能，可防止钻具或机件扭断。
(5)交流变频技术对电机具有安全保护功能。
由于AC—GTO—AC石油钻机的优越性能，国外钻井承包商纷纷发展AC—GTO—AC石油钻机，仅1997年下半年至1998年9月，英国北海油田的很多海上平台选用了交流变频石油钻机，而且把许多平台的直流驱动装置改造为交流驱动。仅1998年上半年，ALSTON在英国的CEGELEC BAUTAIL DIVISION子公司就承接了斯伦倍尔石油公司5套AC—GTO—AC石油钻机，同时还负责对北海平台AC-SCR-De钻机进行改造。
据美国CTES(美国连续软管工程公司)统计，1991年用连续软管钻井技术钻了4口井，1992年钻了14口井，1993年钻了30口井，1994年钻了150口井，1995年钻了356口井，1996年钻了410口井，1997年钻了600口井，而且1997年壳牌英国勘探与生产公司在北海应用软管钻井技术在垂深3860m处成功地进行了侧钻，创造了利用软管钻井技术侧钻垂深最大的纪录。现在全世界应用软管钻井技术钻井的国家有美国、加拿大、法国、英国、荷兰等国家，其中，美国、加拿大是应用软管钻井技术钻井最多、最活跃的国家。
(3)钻台载荷能力大，能支承两个长液缸和转盘。
(4)钻杆提升和排放都在钻台上的槽里，此槽还具有鼠洞功能。
(5)敞开取放钻杆，并可将立根盒安排在钻台两边。
软管石油钻机
早在20世纪50~70年代国外已开始研制软管钻机和应用软管钻井技术钻井，但真正进行工业应用还是在90年代初期。1991年，美国Oryx能源公司应用2in连续软管和井下马达在美国得克萨斯钻了一口1062m的水平井；1992年，美国道威尔公司用13/4in连续软管和31/16 in泥浆马达在法国巴黎盆地钻了一口总长1274．7m的井。由于软管钻井技术表现出的优越性和相关配套技术装备的发展与进步，90年代以来一直保持着强劲的迅速发展的势头。
(9)容易实现钻机的自动化、智能化和对外界变化的自适应控制。
(10)安装、拆卸、搬迁方便灵活。
激光石油钻机
据资料介绍，美国计划在21世纪使用激光钻井。美国芝加哥天然气研究所(GRI)与美科罗拉多矿业学院、麻省理工学院、雷克伍德公司、菲利普斯及美国空军和陆军合作，联合开展一项激光钻机的研究计划，该计划约于．2000年完成。GRI的主要技术负责人理查德克说：激光钻井将使21世纪的石油天然气钻井发生革命性变化。激光钻井将像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是：可降低钻井成本，提高机械钻速，改善井控，减少钻机平均工作天数、钻头磨损和起下钻时间，激光钻井可精确地控制井眼，并能在井眼周围形成一层坚硬的玻璃化外皮，可最大限度地减少或取消同心套管。
交流变频电驱动石油钻机
交流变频调速电驱动石油钻机(AC—GTO—AC石油钻机)是国外新发展起来的一种先进的电动石油钻机。这种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。这种钻机的核心技术就是采用了交流变频调速技术。交流变频调速技术是一种涉及电动机理论、自动控制理论、电路拓朴理论、电力电子技术、微电子及计算机技术的综合性交叉技术。专家认为交流变频电驱动钻机是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，是当代石油钻机的发展趋势。
顶部驱动装置与常规的一样，只有两个例外，一是提环用链连接，一是进钻井液的鹅管，其面向上，以便软管从上面滑轮进入。
液压系统有4台泵，可通过电动机或柴油机驱动提供提升能力，但仅为恒定速度的1／4，节省动力。刹车由液缸底部的节流阀控制。蓄能器是主循环系统的重要组成，它有足够能力处理容积变化，并具有充分的升压力和立根提升时的最大速度。
另一台是化学氧化碘激光器(COIL)，该激光器是用于空对空防御并能跟踪摧毁导弹的高能激光器。将该激光器用于深度超过4500m的钻井和完井，可以解决井控、侧钻和定向钻井等问题。由于COIL精度高，范围大，具有很高的输出功率，并能在光纤中耦合，故适用于钻很深的油气井，且成本较低。Байду номын сангаасRI称，还有两种激光器：一种是高能放电同轴碘激光器，该激光器是用于研究各种环境下激光束对多种材料的影响；另一种是LDD激光器，该激光器是用于研究强激光与不同软岩石矿物之间的相互关系。LDD已进行了4．5×104s以上的激光一材料试验，且LDD的运作费用相当低。GRI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。
近年来，由于上述技术和可自关断全控技术、脉宽调制技术(PWM)、电机控制技术、矢量控制技术及直接力矩控制技术的飞速发展和应用，促进了交流变频调速技术的迅猛发展，交流变频调遣陛能，已完全达到石油钻井工艺对钻机驱动传动系统调速性能的要求。
为了使油田电网供电的固定工频(50I--Iz)输出后成为可变频率，通常采用整流技术，把工频经过整流变为直流，再通过逆变技术，把直流变成可调的交流。原来采用不可自关断的半控器件，需要强迫换流来实现逆变，而强迫换流则需要辅助直流电源。用于换流的电源器件、电感及电容，造成逆变电路体积庞大、投资增大、换流损耗大、逆变效率低、可靠性差和由于半控器件开关频率低很难采用脉宽调制技术等问题。应用可关断全控技术以后，由于可关断器件不需要辅助换流电路、全控器件开关频率高、可靠性高、电压控制、驱动功率小、驱动电路容易实现等优越性能，克服了采用不可白关断半控器件造成逆变电路的一系列问题。PWM技术的应用，使电机力矩脉动减小，谐波分量减小，满足了交流电机的供电要求。另外，PWM技术在调节频率的同时，通过控制输出电压脉冲的宽度，调节输出交流电压的幅值，实现在逆变桥同时调节输出频率及电压。矢量控制技术通过对三相电机的3／2变换把三相的量，解耦成类似直流电机的励磁分量及转矩分量，并对其量独立控制，再经过2／3变换成交流供电的三相量来控制电机，保证了力矩控制的线性关系，从而达到了直流电机的控制特性。随着微电子技术及计算机技术的发展，法国AL—STON等公司已推出成熟的矢量控制型交流变频器，并成功地应用于石油钻机系统。ALSTON公司生产的交流变频石油钻机代表了当今世界交流变频钻机的一流水平。该钻机控制系统为分布式，其主控系统可以实时处理各种操作指令，监控各子系统的运行，及时处理故障，通过网络同各子系统进行数据交换，通过互联网完成同外界的信息交换。该钻机有以下各子系统：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、钻井泵及能量回馈控制系统等。各子系统同主控系统共同实现高级控制策略。各子系统采用闭环系统控制，每个子系统具有智能化和自适应功能。各子系统通过各算法程序保证钻机在各种复杂工况下实现最佳工作，如扭矩控制系统的结构是：交流电机、交流变频器、可编程控制器(ALSPAl800k光电编码器。当系统闭环后，该控制能保证钻具平稳，减少钻具振动(软扭矩控制)，并能保证钻具在零转速下实现满转矩输出，同时实时与主控制系统进行数据／指令／状态的传输，实现现场控制。该钻机的分布式控制系统具有易操作。高精度、高可靠性、人工智能化、自动化和可控制等性能。当钻机的控制系统运行时，司钻能通过TV显示器(视频，图形化界面)了解各种参数的变化，．并实时自检各系统的工作状态。当发生故障时，能及时报警，在报警的同时，能检测出发生故障的子系统及模块代码，并对故障同时进行智能分级处理。出现严重故障时，能自动启动辅助系统，保证钻机工作正常运行，同时，根据故障代码使系统快速恢复。
8根提升钢丝绳，长度固定，平行排列，一端接顶驱装置(为取消游车)，另一端接钻台上的平衡器总成。该总成用以补偿液缸动作的不平衡。吸收各绳不均匀的弹性，保证各载荷均匀。钢绳的破断安全系数为4.0~4.5。
液缸导向器取代了塔式(或轻便)井架。此架只起导向作用，不供提升，外形为正方中空截面，用搭接焊焊成，导轨也在导向架上，故不需留安全空隙，也不存在过去游车游动到天车或钻台上的问题。
该钻机的优点是：
(1)重量大大减轻(可减重200--4000t以上)。
(2)允许钻台台面升高，但并不影响总重量和重心，还可将钻杆立根盒移到钻台下面。立根盒位置降低以后可取消钻杆排放设备，钻杆排放从水平到竖直只用简单设备即可。如采用机械化钻杆排放设备只需一人操作，不用井架工。
双作用的液缸由钻台上可分开的凸缘支承着，凸缘移走后，台上的孔洞可让液缸下降通过或进行检修。活塞杆涂有防腐抗磨、经久耐用的陶瓷层。
游动轭是由轭主体、4个直径为2．8m的滑轮和2个导向座组成。导向滚筒在液缸导架的导轨上移动，活塞杆固定在导向座最顶部。游动轭主体装有滑轮，用销子钉在导向座高处，滑轮上的轴则定位在轭主体底处，以保证整个总成平衡，即使在加速或减速时，甚至冲程速度不均时，也能保证活塞杆引导稳定，这就允许液缸力在不均匀的情况下仍能使轭主体在新位置上保持平衡。4个大直径滑轮在轴的双滚柱轴承上滑动，滑轮槽可装2根钢绳，还有一个槽可装供顶驱装置用的软管或电缆。这不仅解决了软管悬挂在井架上的问题，而且在立管和鹅颈管取消后仍可改善钻井液的水力条件。
采用交流变频调速技术的AG—GTO—AC石油钻机与机械驱动石油钻机和AC—SCR—DC石油钻机相比，具有以下突出的特点：
(1)钻机的绞车、转盘可实现无级变速，调速范围宽；能以极低的速度恒扭矩输出，对井下钻具的事故处理、侧钻、修井、小钻井液排量作业、优选参数钻井作业十分有利。
(6)负载功率因素高，接近于1，具有软起动性能，可降低供电电源的容量。
(7)在带载情况下，可平稳启动、制动和调速；在下钻时，可实现对电网能量反馈，减少制动装置损耗，节约能源。
(8)交流电机体积小，单机容量大，价格便宜，没有碳刷换向器，不需制成防爆型，维护费用低，使用安全可靠，易于操作管理。
新型液压石油钻机
20世纪90年代初期，挪威Mari Time液压装置公司与英国石油公司联合研制成功一种新型液压石油钻机。该钻机采用液缸作为提升机构，取消了传统的绞车、井架和游车等常规设备。整台钻机由双液缸、游动轭、提升钢丝绳、平衡器总成、液缸导向架、顶部驱动装置和液压系统等部件组成。