现代石油钻机新发展

现代石油钻机新发展
钻机是石油钻井用的成套重型机械设备，是油田上各种机械设备中最大、最重并具有不可或缺重大作用的装备。

能够毫不夸张地说，钻机是油气田的设备之王。

随着石油工业的进展，钻机也在不断进展，钻井能力越来越强，功率越来越大，传动越来越先进，机械化、自动化程度越来越高。

为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵等不同地带油气藏的勘探和开发，美国、德国、法国、加拿大、意大利、墨西哥和罗马尼亚等国先后开发可各种类型的石油钻机。

其中美国的钻机技术和销售业绩在世界上稳居首位，因此与国际技术接轨，实际上是与以美国为代表的钻机技术及API规范接轨。

近年来国外钻机在传动方式和结构形式方面进展专门快，交流变频电驱动差不多广泛使用，顶驱进展也十分迅速。

一、交流变频电驱动石油钻机（AC-GTO-AC石油钻机）
交流变频电驱动石油钻机是国外新进展起来的一种先进的电驱动石油钻机。

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交流电驱动钻机无可比拟的优越性能。

1．核心技术——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、自动操纵理论、电路拓扑理论、电力电子技术、微电子及运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，是现代石油钻机的进展趋势。

2．进展情形
早在1994年National公司生产了一台TAed000型交流变频驱动绞车。

该绞车由1台2210kW交流变频电动机通过一个两速齿轮箱直截了当驱动绞车，省去了传动链、离合器、带刹车、超越离合器及电磁涡流刹车。

其上配备的盘式刹车仅作为停住钻柱和紧急刹车使用。

司钻通过运算机遥控钻机工作，可自动操纵游车内、下行程，自动钻进及自动实现绞车各种爱护。

由于上述设计大大减少了绞车的空间尺寸及质量，使交流变频驱动绞车在海上得到广泛应用。

后来，国外钻机承包商纷纷进展AC-GTO-AC石油钻机。

1）1997下半年至1998年9月，英国北海油田的专门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。

2）1998年上半年，ALSTON在英国的子公司CEGELEC BAUTAIL DIVISION 就承接了斯伦倍尔石油公司5套石油钻机，同时还负责对北海平台AC-SCR-DC 钻机进行改造。

3）在TA-3000绞车基础上，TPC公司于2000年推出了包括动态钻井系统、扭矩安全系统、泵同步系统、起下钻能量监控系统、防倒扣系统在内的智能化电驱动钻机，是采纳信息技术对传统电驱动钻机改造的典范。

3．突出特点
（1）钻机的绞车、转盘可实现无级变速，调速范畴宽；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。

（2）可使电动机的短时增矩倍数达1.5-2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）具有限制钻盘钻速扭矩功能，可防止钻具或机件扭断。

（5）交流变频技术对电机具有安全爱护功能。

（6）负载功率因数高，接近于1，具有软起动功能，可降低供电电源的容量。

（7）在带载情形下，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，价格廉价，没有碳刷换向器，不需制成防爆型，爱护费用低，使用安全可靠，易于操作治理。

（9）容易实现钻机的自动化、智能化和对外界变化的自适应操纵。

（10）安装、拆卸、搬迁方便灵活。

二、激光石油钻机
据资料介绍，美国打算在本世纪使用激光钻井技术。

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、菲利普斯公司及美国空军和陆军合作，联合开展了一项激光钻机的研究打算。

该项打算实验室研究中使用了美国国防部星球大战打算开发的两台强大、有效高能的激光器：1、中红外高级化学兆瓦级激光器(MIRACL)
菲利普斯公司利用该激光器进行钻孔试验，激光束在1秒钟内可穿透600毫米厚的砂岩-页岩-砂岩夹层，其穿透速度至少是目前常规钻机的100倍。

2、化学氧化碘激光器（COIL）
该激光器用于深度超过4500m的钻井和完井，能够解决井控、侧钻和定向钻井等问题。

特点：精度高，范畴大，具有专门高的输出功率，并能在光纤中耦合，且成本低。

适用：钻专门深的油气井
GRI专家认为，对激光钻井的研究，将促进井下激光钻井机械、钻常规井和小井眼钻机的激光钻头、激光射孔工具、侧钻及定向激光钻具的进展。

GRI的要紧负责人理查德·帕克说：激光钻井将使21世纪的石油天然气钻井发生革命性变化。

激光钻机将象20世纪初的旋转钻井替代顿钻一样带来完全的技术突破。

激光钻井技术的优点：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和起下钻时刻；
减轻磨损；
能够精确地操纵井眼；
可在井眼周围形成一层坚硬的玻璃化外皮；
最大限度地减少或取消同心套管。

三、新型液压石油钻机
进人20世纪90年代以来，随着大功率液压元器件可靠性的提高，专门是比例插装阀技术水平的提高，挪威MH公司采纳其特长的液压技术，推出了全液压驱动的绞车、转盘、钻井泵。

与此前已推出的全液压顶驱、管子排放系统、液压机械手及天车型液压升沉补偿器，构成了海洋钻机的机械化、智能化操作系统。

1、组成
双作用液压缸、游动轭（轭主体、4个直径为2.8m的滑轮、2个导向座）、提升钢丝绳（8根长度固定、平行排列，一端接顶驱装置，一端接钻台上的平稳
器总成）、平稳器总成（补偿液压缸动作的不平稳）、液压缸导向架、顶部驱动装置、液压系统等部件。

2、优点
与机械驱动相比，液压驱动有着明显的优势。

（1）重量大大减轻；
（2）承诺钻台台面升高，但并不阻碍总重量和重心，还可将钻杆立根盒移到钻台下面；
（3）钻台载荷能力大，能支撑两个长液缸和转盘；
（4）钻杆提升和排放都放在钻台上的槽里，此槽还具有鼠洞功能；
（5）放开取放钻杆，并可将立根盒排在钻台两边。

比如，一台MH-500-20绞车输入功率为1985～2940kW，质量为30.8t，而National 公司与其相当输入功率为2210kW的绞车（1625UE）质量为37.93t。

一台输出功率为1420kW液压钻井泵质量为8.7t，仅为常规三缸泵的1/3。

挪威MH公司最近生产的用液缸直截了当提升钻具，取代传统功能的绞车，将其装备在钻深能力为10000m的半潜式钻井平台上。

液压驱动具有运动方式转换容易及体积小、质量轻的长处，在大功率液压元器件可靠性提高的情形下，在对钻机体积、质量要求严格的场合，如海上平台及高移运性钻机上成为一种进展趋势。

四、连续柔管石油钻机
连续柔管（Coiled Tubing），又称挠性管或软管，简称CT，是一种高强度连续制造的钢管。

目前制造的连续长度已达914.4~7620m。

1、进展进程
20世纪50-70年代，国外开始研制软管钻机并应用连续管钻井技术钻井，而连续管钻井技术真正应用在工业上始于上世纪90年代初。

近几年连续管钻井技术进展较快，在钻机、钻具、钻井液设计和钻井理论等方面都有专门大的进展。

这些新进展使连续管钻井技术向成熟化迈进了一大步，并进一步拓宽了连续管钻井的服务市场。

2003年，全世界用连续管打了7000口井，每年约递增750～850口。

用连续管打井最多的国家是加拿大。

多数井是周密钻井公司打的，该公司拥有11台连续管钻机，年钻井能力为500～1000口。

据3000口井的统计，加拿大常规钻井的成本为43美元/ft，而连续管钻井的成本为33美元/ft。

另外，2002年加拿大用连续管对800口井的3200多层进行了压裂作业。

美国利用连续管钻井的数量不到钻井总数的1%。

其中阿拉斯加地区利用连续管钻井的数量最多，约占总钻井数量的4%。

在阿拉斯加，连续管侧钻井的成本为利用常规钻井技术钻新井的1/3。

而在美国的本土48州，用连续管共打了300口井。

2、连续柔管钻井技术的优越性
（1）节约费用，与常规钻机钻井相比可节约25%~40%。

（2）节约钻井时刻，加快钻井速度，缩短钻井周期，幸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。

（缘故：在正常钻井中不用停泵接钻杆，在起下钻过程中可连续循环钻井液）
（3）可内置电缆，改善信号的随钻传输，能够实现随钻测量和闭环钻井。

（4）对老井重钻、加深钻或侧钻作业中，因柔管直径小可在不取出油管等设备的情形下边采边钻，节约作业费用
（5）在欠平稳钻井作业中，可确保井下始终处于欠平稳状态，保证作业安全，减少钻井液漏失，防止地层损害。

（6）井场占地面积小，专门适合于海洋平台，地面条件受限制的边远地区勘探和边际油田开发。

（7）由于柔管尺寸小，专门适合钻小井眼井。

（8）井场地面设备占地少，钻井废弃物少，噪音小，有益于环境爱护。

（9）钻井设备安装、拆卸、搬运相对简便快速。

连续柔管技术的应用还受到一些因素的限制。

目前的连续柔管作业机还只能用于钻井，而钻井前期的预备时期、下套管、下尾管、完井等都要用常规钻机。

井眼尺寸小；连续柔管本身寿命较短。

3、连续柔管钻井系统的组成
包括作业机及其辅助装置、循环系统等地面设备、连续柔管和井下工具。

（1）连续柔管作业机
连续柔管注入头（牵引起下设备）：克服浮力和摩阻力将柔管下入井筒内；悬挂连续柔管并操纵其下放和提升速度；底部装有载荷传感器，在操纵台处显示柔管柱重量和提升力。

卷筒：用于绕连续柔管，筒芯直径大小取决于要卷绕的柔管直径和长度。

（2）连续柔管
材料：碳钢（482.58MPa）、调质合金钢（551.5MPa）、钛钢（967MPa）、玻璃纤维、碳素纤维
（3）井下钻具组合
连续柔管钻井用钻头、井下动力钻具、钻铤与测量仪与常规钻井所用的相同，但连续柔管接头、定向工具、紧急断开接头等则是专门设计的工具。

连续柔管接头用于联接连续柔管和井下工具组合，并幸免井下钻具振动冲击对连续柔管造成损害。

紧急断开接头的作用是：当钻头或钻铤在井眼中卡住时，能使连续柔管与井下钻具断开。

4、近年来连续管钻井技术和设备的最新进展
（1）数据和动力传输热塑复合连续管
壳牌国际勘探和生产公司研制出数据和动力传输热塑复合连续管。

这种连续管由热塑衬管和缠绕在别处的碳或玻璃热塑复合物层组成，并把光导纤维或铜导线埋在复合连续管的管体中。

这种动力和数据传输连续管可负荷1.5kV的电压，输出功率为20kW，输出距离为7km，耐温为150℃。

（2）增加连续管钻井位移的新工具
大位移技术公司研制成功降摩阻器。

降摩阻工具是一种由机械阀驱动的双作用液压缸，这种降摩阻器可使钻具进行微小的往复运动。

使用时把降摩阻器连接在钻具总成的上方。

在降摩阻器的作用下使连续管产生纵向振动。

活塞长度为50～100mm，振动频率为2～8Hz。

产生振动的钻井液排量与活塞的长度成反比，一样为100～150L/min，使用旁通阀后可使排量大幅度上升。

（3）混合钻机
继Tuboscope’s CT/PC集团公司研制出混合钻机后，贝克休斯公司也研制出混合钻机。

这种钻机在修井和安装套管时能够接单根。

混合钻机具有自动操纵系统。

贝克休斯公司的混合钻机为模块结构，因此容易搬迁而且井场占地面积小。

钻机配备了密闭的钻井液循环系统，能够使用常规的钻井液进行欠平稳钻井。

（4）威德福公司的连续管钻井马达系列
威德福公司为进展连续管钻井技术，最近研制出连续管钻井马达系列（CTDR马达）。

系列中包括2 1/8in、2 3/8in 、2 7/8in和3 1/8in连续管钻
井马达。

这些马达的共同特点是能够增加钻压，进行磨铣和钻井作业。

另外这些马达的输出功率大，钻速高。

连续管钻井马达系列的问世使连续管钻具在尺寸、规格和性能上趋于完善。

为连续管在钻井领域的应用和推广拓宽了道路。

（5）贝克休斯公司的CoilTracR系统
贝克休斯公司研制出的CoilTracR系统是连续管钻井和评判系统，它把LWD 和闭环自动导向结合在一起。

能够钻2 3/4～3 1/2in井眼。

（6）斯伦贝谢公司的连续管补偿系统
斯伦贝谢公司通过2年的努力研制成功CT TComp连续管补偿系统。

在海上作业期间，CT Tcomp连续管补偿系统能补偿井口的水平和垂直运动，能够爱护井口免受冲击和磨损。

CT TComp连续管补偿系统的安装速度快。

CT TComp连续管补偿系统可用于筒式平台和张力腿平台。

据Spear&Associsates公司统计，除俄罗斯和中国外，目前投入服务市场的连续管钻机为800多台。

而这些连续管钻机要紧为美国和加拿大的一些大的技术服务公司拥有，其中斯伦贝谢公司拥有200台，哈里伯顿公司为105台。

表1是美国和加拿大一些大石油技术服务公司拥有的连续管钻机数量。

五、套管石油钻机
套管钻井是一种全新的钻井工业技术，被誉为是21世纪的前沿钻井技术之一。

与套管钻井工艺相配套的套管钻机取消了常规的钻杆，用套管代替钻杆进行钻井。

1、进展情形
1995年，Tesco公司开始研制套管钻机，并于1998年6月用新型的套管钻机成功地进行了钻井试验，并获得两项美国专利。

2、结构特点
安装在拖车内，采纳电—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进。

钻头固定在一个专用钻具组的前部，钻具组锁定在套管的底部，并用钢丝绳与钻台上起下钻头的专用绞车相连，当需要更换钻头时，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，锁定在套管的底部，操作专门方便迅速。

钻机的钻进过程也确实是下套管的过程，套管下到井里不再提起，完钻后即可进行固井。

3、优点
（1）简化了钻机结构，减小了钻机尺寸，降低了钻机成本，钻机更轻便，且容易操作和搬迁。

（2）节约了大量的钻井管材，节约了大量与钻杆、钻铤有关的采购、运输、检验、爱护和更换的费用。

（3）采纳钢丝绳起钻，比传统的钻杆起钻快5-10倍，减少了起下钻时刻。

（4）由于套管自始至终留在井内，大大减少了地层膨胀、井壁坍塌等意外事故的发生，而且不再有抽吸作用和压力波动，从而使井控状况得到大大改善。

（5）套管钻机钻井在起下钻或测井时，可连续循环钻井液，防止钻屑沉积，减少卡钻和井涌发生。

（6）套管钻机钻井，能够使钻井液水力参数、环形空间上返速度和清洗井筒的状况得到大大改善。

（7）可降低钻井成本，据估量，一口井深3000m的井，与常规钻机钻井相比，所需要的费用可节约30%，其经济效益十分明显。

六、细井筒石油钻机
国外研究细井筒（小井眼）钻井的技术比较早，但这一钻井技术真正引起世界石油界的普遍关注和对小井眼钻机的技术开发依旧近十来年的事。

世界产油国家都面临已开发油田的老化，从而导致可采储量下降的局面。

众多边际油田多属低渗透油藏，美国能源部主动出面组织、资助细井筒钻采工艺的研发，这确实是一项寓意深远的科技决策和能源进展战略。

美国能源部预期，这套正在进展、改进和深化的工艺，将有望用于经济地开发美国本土剩余557.5亿吨石油资源，其中有298.6亿吨石油资源埋深不到1524米，正是这套工艺适应的油藏开发深度目标。

1、细井筒定义
关于细井筒的定义，目前各国尚无统一定论，美国细井筒的定义是：对直井来说，全井90%以上井筒的直径小于7in或70%的井筒直径小于5in的井称为细井筒井；关于水平井来说，水平段井筒直径小于6in的井称为细井筒井。

细井筒钻采工艺则是指以连续柔管技术装备为中心进展起来的一套集钻井、测试、采油等功能装备和技术于一身的集成技术。

2、结构特点
细井筒工艺设备全部安装在一台双排轮的拖车内，由一台标准货运汽车牵引，连续柔管缠绕在滚筒上，在连续管的端部连接马达、钻头或井下工具。

3、优点
（1）减少材料消耗和经费支出；减少钻屑和场地；提高钻井和起下钻速度；
（2）可减少钻机的体积和重量，节约钢材，减少拆装、修路、运输等费用；
整个系统占据空间只有常规钻机的1/20，重量为一样钻机的1/10，成本不到标准钻机的90％。

（3）可大大减少在高风险、高成本作业情形下的资金投入；可发觉老油层下面的新油藏；可降低投资成本；
（4）装机功率和钻井泵功率小，燃油消耗和排放的废气少，对空气的污染和噪声级别小，所用钻井液、产生的钻屑和废物少。

4、关键技术
井下钻井系统、井下测井系统、完井设备、固相操纵和连续油管装置。

5、适用井类
要紧用于浅层开发井、油藏数据监测井和深探井尾部的钻井。

第一轮同意资助的公司及正在研发的６套技术：
①斯伦贝谢公司承担研发连续管用超小型钻机；
②贝克休斯公司承担用于2 3/8in的小型地质导向工具；
③西方井下工具公司承担研发往水平方向钻入的推拉机具；
④班德拉公司负责开发的零排放泥浆系统；
⑤斯托拉研究公司承担雷达导向系统；
⑥采气专业公司负责研发的超小型电潜泵；
6、已投入使用的小井眼钻机
（1）Foraslim小井眼钻机
1994年4月开始使用，在法国巴黎盆地和威沙里城堡的阿伯拉特姆钻了两批井，井眼直径为85.73mm（33/8 in）。

造价500万美元。

（2）全液压小井眼钻机
意大利Soilmec公司生产，已形成系列，共有9个品种
（3）Kenting小井眼钻机
美国20世纪90年代初研制，初期投资仅相当于常规钻机的20%，包括钻井泵和取心装置在内成本280万美元。

参考文献：
1.李继志．石油钻采机械概论．中国石油大学出版社．2005
2.张阳春等．国内外石油钻采设备技术水平分析．石油工业出版社．2001
3.陈朝达．顶部驱动钻井系统．石油工业出版社．2000
4.苏义脑．螺杆钻具研究及应用．石油工业出版社．2001
5.万仁薄．现代钻井工程．石油工业出版社．2000
6.刘海浪．小井眼和连续油管技术的进展与应用．石油工业出版社．1998
7.杨敏嘉．石油钻采设备系统设计．石油工业出版社．2000
8.郝俊芳．平稳钻井与井控．石油工业出版社．1992
9.2007-2008年中国石油勘探业进展趋势与策略分析。