现代钻机发展现状概要

现代钻机发展现状

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。可以毫不夸张地说，钻机是油气田的设备之王。随着石油工业的发展，钻机也在不断发展，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。

进入21世纪以来，石油钻机自动化，数字化，智能化，信息化水平快速发展。钻机整体向着交流变频电驱钻机方向发展。随着交流变频技术的迅速发展，交流变频驱动钻机取代可控硅直流电驱动钻机，该型号钻机具有现用机械驱动钻机和直流电驱钻机无法比拟的优越性能，将成为陆地和海洋石油钻机发展的换代产品。

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，所以与国际技术接轨，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发展很快，交流变频电驱动已经广泛使用，顶驱发展也十分迅速。

一、国外石油钻机发展现状

（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发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、自动控制理论、电路拓扑理论、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，是现代石油钻机的发展趋势。

2．发展情况

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接驱动绞车，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。司钻通过计算机遥控钻机工作，可自动控制游车上、下行程，自动钻进及自动实现绞车各种保护。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发展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。

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，是采用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。

（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保护功能。

（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。

（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。

（二）、激光石油钻机

据资料介绍，美国计划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计划。该项计划实验室研究中使用了美国国防部星球大战计划开发的两台强大、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，可以解决井控、侧钻和定向钻井等问题。特点：精度高，范围大，具有很高的输出功率，并能在光纤中耦合，且成本低。

适用：钻很深的油气井

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发展。GRI的主要负责人理查德·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彻底的技术突破。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间；

减轻磨损；

可以精确地控制井眼；

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，特别是比例插装阀技术水平的提高，挪威MH公司采用其特长的液压技术，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，一端接钻台上的平衡器总成）、平衡器总成（补偿液压缸动作的不平衡）、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）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；

（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）敞开取放钻杆，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接提升钻具，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况下，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发展趋势。

（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、发展进程

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发展较快，在钻机、钻具、钻井液设计和钻井理论等方面都有很大的进展。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