石油钻井装备新技术

②从20世纪90年代中期起，相继研发应用了LWD、 PWD、IWD、NRWD等，形成了随钻地质导向钻井和 随钻工程服务技术，适应了复杂地质与环境条件 下钻复杂结构井、特殊工艺井实时处理井下复杂 情况和不确定性难题，以及实时控制三维井身轨 迹入窗中靶等高难技术的要求。而SWD还能探测钻 头前方地层参数，起到了“车前灯、探照灯”作用。
2007年11月20日，我国首台1.2万米特深井石油钻 机在中国石油宝鸡石油机械成功下线出厂，在中石 化川科一井正式投入使用。是目前全球最先进的陆 上超深井钻机，其主要技术指标均比此前全球仅有 的一台美国产12000米钻机先进。这台钻机能在55摄 氏度高温的赤道和零下40摄氏度的极地环境下正常 工作，并能根据工况自动加减速、刹车、报警，使 钻井作业的智能化水平和安全系数大大提高。 12000米钻机负荷超大等一系列难题，对设计思 路、加工工艺和金属材等方面提出了挑战。这个厂 对12000米钻机技术拥有完全知识产权。 纵观石油勘探史，钻机每一次升级都会带来勘探 的新发现。在我国，1200米、3200米机型成为主打 钻机时，发现了大庆、胜利、辽河等油田；5000米 钻机投产后，发现了吐哈鄯善油田、四川广安气 田；7000米钻机登场，又有塔里木、大庆徐家围子 等一批油气田被先后发现。 12000米钻机的诞生，将为石油地质家神往已久 的我国超深层油气勘探开发，提供有力的装备保障。
专题二
石油钻井装备
一、自动化钻井技术
人类在进入第21世纪之交时，石油钻 井系统正由机械化和科学化钻井阶段向 半自动化再到自动化钻井阶段进展，这 是发展大趋势。
Байду номын сангаас
新 技 术
西南石油大学 郭昭学 2009.11
钻杆接卸管理系统
1.自动化钻井阶段的关键技术
由机械化和科学化钻井阶段发
展到自动化钻井阶段的关键技术有六 个方面，它们是钻井重大革命的里程 碑和标志。
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1.2随钻测量与地质导向钻井技术
①1979年首次应用了MWD。被誉之为：MWD is the eye of drilling。是把钻后有线测量 及传输井下参数的方法改变为随钻无线测量 及传输的方法，随钻测量是一个重大进步。 无线传输方法主要有泥浆脉冲法和电磁波法 。但它们目前仍有很多缺点：传输参数数目 少、传输速率低（10bps±）、传输距离小（ 应用井深小）以及循环流体性能受限等。
3、连续软管石油钻机从90年代初进
行工业应用以来一直保持着强劲的发展势头，钻 井数量逐年增加，美国、加拿大是应用软管钻井 技术钻井最多、最活跃的国家。
5、小井眼石油钻机
小井眼钻井技术在降低油气勘探和开发成本、 提高经济效益、减轻环境污染等方面比常规钻井 具有十分突出的优越性，加之原来一起困扰小井 眼钻井技术发展的录井、机械钻速、采油、钻压 等技术障碍已被解决，因此瑞典、英国、美国、 加拿大等国的数家石油公司都积极研制小井眼石 油钻机。
钻井技术的持续突破。
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1.4电子/智能 钻柱技术
美国Grant公司研制的智能钻杆用铜导线输 送电能，可以根据井下硬件用电量大小的要 求来确定输电功率的大小。智能钻柱的数据
智能钻柱系统在井下采用分布式传感器短 节，将微处理器分别安装在传感器内部，然 后通过耦合元件将微处理器信号耦合到电力
传 输 速 率 可 达 104bps （ 电 导 钻 杆 Electric
⑦顶驱系统：20世纪70年代Brown公司开发了电 驱水龙头，现在以美Varco公司生产的TDS系列为
最好，可以不开转盘而用顶驱钻进，例如荷兰市
区作业等； ⑧信息与数据采集、处理、决策、贮存、传输、 通讯、管理等功能的软硬件装备； ⑨海洋：半潜式/浮式钻井平台及其专用装备；
⑩钻具、管具、钻头等的相应进展。
1.3 旋转导向钻井与随钻测控制传贮技术
从20世纪90年代初国际上就开始研究旋转导 向钻井工具及其系统（RSS）。1990～1995德国首 先研究和成功应用了世界上第一个自动垂直旋转 钻井系统（VDS）,钻成了井深为9101m的KTB井。 90年代中期，斯伦贝谢（Slb）等多家大公司先后 研究成功了PD等系列RST/RSS。它能在一趟钻井中 完成造斜、增斜、稳斜、降斜及准确控制三维井 身轨迹的作用，在北海Watch farm等油田钻成了 井深12200多米的超大位移井。
1、交流变频调速电驱动石油钻机
交流变频调速电驱动石油钻机（AC-GTOAC石油钻机）是国外新发展起来的一种先进 的电动石油钻机，它与机械驱动石油钻机和 直流电驱动石油钻机（AC-SCR-DC石油钻机）
此外，这种钻机还具有电机体积小，
价格便宜，安装、拆卸、搬迁方便等突出 的特点。专家认为这种新型石油钻机是现 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。
地 质 参 数
井下数据 信号处理 格式变换 低频滤波 信号上传 付立叶变换 智能钻柱 计算转换 集成平均值 量化分级
地面 综合录井 测量 泥浆录井
随钻实时确定地 质条件 地面 导向控制决策分 信息 析及可视化控制 处理 、监 BHA、导向工具 控、 、钻头力学行为 分析 可视 化、 随钻动态诊断与 预报钻井复杂情 决策 况 系统 钻井过程优化决 策和智能决策
相比，具有调速范围宽，绞车、转盘可实现
无级变速，可大大简化钻机的机械结构，提 高钻机的提升能力和处理事故的能力。
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2、激光石油钻机的问世，将使21世
纪的石油天然气钻井发生革命性变革，其最大优 点是：可大幅度降低钻井成本，提高机械钻速， 改善井控，减少钻机平均工作天数，减少钻头磨 损和起下钻时间，实现井眼轨迹的精确控制。
4、套管钻机
套管钻井技术是一种全
新的钻井工艺技术，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，它
可大量节省钻井器材，缩短钻井和完井时间，大
大减少钻井费用，其经济效益十分显著，将是未 来钻井工程的一个重要发展方向，有着广泛的应 用前景。套管钻机随着套管钻井工艺技术的完善 和推广，必将会得到进一步的发展。
（一）我国石油钻机技术发展现状 2、钻机的移运性能基本满足了高移运性或不 同作业区域的要求。 在钻机的移运性上，常规陆地钻机的设计已引入 模块化设计理念，减少了对现场起吊设备的要求，减 少了运输车次。此外还开发了2000米到4000米车装钻 机，1000米到5000米拖挂钻机，进一步提高了钻机的 移运性能，实现了产品的集成化或模块化安装及运 输，满足了丘陵、戈壁、沙漠等特殊地区作业的需要。 特别是4000米和5000米拖挂钻机，正为我国钻井工程 服务参与国际市场竞争发挥重要作用。
自动化石油钻机都是“机电仪计”一体的智 能化、信息化、自动化钻机，具有完善的性 能，集先进性、可靠性、适应性（恶劣环境 与地质条件）和经济性于一体。主要产品有： ①德国Prostar-2000型自动化钻机（钻深 7000m）是当代水平较高的，已商业化应用 ；
②美国NSCO及Apache、Pool等公司生产的 A10-32型等自动化钻机（钻深6100m）； ③英国S&R公司生产的RD-D型自动化钻机（ 钻深6100m）； ④挪威、法国等也研制了中深井用自动化 钻机； ⑤我国宝石厂生产的ZJ70、ZJ90钻机及广 汉生产的钻机也都在向自动化钻机进展。
利，20世纪40年代气动送钻控制，1955年有了第
一个液压动力水龙头和水力卷扬机，有恒钻压模 式、恒给进（钻速）模式、智能优化模式； ②刹车系统：离合（盘式/带式）片，比例控制 电磁刹车等；
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③井口铁钻工（Iron Roughneck）：“三吊一卡” 机械化； ④井口－二层台的井架（管架）机械手：起下立 根（钻柱）拉入/推出—扣/摘； ⑤循环系统—固控系统：全自动监控密闭循环— 净化系统； ⑥井控－防喷及应急系统：井口装置、防喷器组 、电液井控（可控硅、音频声控）、节流管汇系 统；
数据库 知识库 专家系统 EPROM 存 储 器 (井 下 存 储 )
井下执 行系统
智能钻头 导向工具 电动钻具
智能钻柱
信号下传
决策控制指令
1.6信息、网络与远程自动化钻井
信息技术和网络技术以及通信技术是自动
化钻井的重要组成部分。令人高兴的是： 2004.11.19 Slb与M/D Totco合作自剑桥Slb 研究中心（SCR）在网上发送变泵排量的遥控 指令达8000Km远程遥控着横跨大西洋的德 州Cameron试验中心的钻机成功地执行命令， 第一次实现了远程自动化钻井作业，这是重 大的创新。
石油钻井设备是石油天然气勘探开发所 需的核心设备。20世纪90年代末以来，国外 在电驱动钻机、小井眼石油钻机、套管石油 钻机、液压石油钻机、交流变频石油钻机、 连续软管石油钻机、激光石油钻机、自动化 石油钻机及钻井泵、固控设备、井控设备、 井下动力钻具、顶部驱动钻井设备、闭环钻 井配套检测控制设备、石油钻头与工具等方 面有较大的发展。
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1.5最优化钻井与智能SOD集成技术
这套工作可以概括为“模型－预测 值－指令”的实时闭环钻进系统和软件系 统。下图为智能SOD总体结构设计方案 。
电阻率、近钻头电阻 率、自然伽马、方位 密度、补偿中子密度 、中子孔隙度、声波 井下数 据监测 井 下 轨 井斜角、方位角、工 参 迹 具面角、井斜变化率 A/D转 换 测 数 、方位变化率等 量 钻 井底钻压、井底转速 换 · · 算 进 、井底扭矩、井底温 系 参 度、井底压力、钻杆 标· · 定 数 内压等 统 评 钻柱弯矩、钻柱振动 校 · · 正 价 、钻柱扭振、钻头磨 参 损、井径、机械钻速 数 等
RSS被誉为“对地钻井导弹与制导技术”，“是人类 继实现空间和水域制导技术之后的又一个重要里 程碑”。第21世纪之交国际上又提出了“PV”等钻垂 直井工具（我国克拉2气田和四川黑池1井以日服 务费高达1.5万美元租用“PV”）。RSS还成功地应 用于小尺寸油管（98.4～114mm）的过油管侧钻和 套管钻进。RSS本身并依靠RSS的相关技术取得了
Drillpipe）、105bps（导线式智能钻杆，
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线上，从而传输到地面传感器。该系统采用
传输直流电，如井下硬件需用交流电，可在 井下硬件上增设逆变器DC/AC。
1.5610 wired Intellipipe）和106bps（光纤式智能钻杆
，Intellipipe with fibre optic cables），最大已 达1.56*106 bps。智能油管用光纤为主。
自动送钻 无 级 变 速 电驱顶驱 密闭循环
钻机
智 能 井 架 井控 铁钻工 机械手
自动化装备
通讯网络 自动化钻井
地质导向钻井
特殊工艺井 复杂结构井 超深井、深井 地质 恶劣 地理 环境
电子钻柱 智能钻井
信息 软件 智能站
旋钻导向 闭环钻井
海洋深水钻井
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1.1钻机和装备的智能化、自动化：
①自动给进（送钻）：从19世纪60年代就开始研 究，1935年Westing house公司第一个自动送钻专
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二、石油钻机
20世纪90年代末以来，随着石油天然气勘探 开发技术的发展，石油装备技术与新产品开发引 起世界各国的高度重视。各石油公司依靠科技进 步与创新，采用先进科学技术发展新的石油装 备，提高了石油天然气设备在适应性、可靠性、 品种多样化、集成化、自动化、智能化等方面的 总体水平。同时加大发展先进石油装备的投资力 度，使石油天然气装备技术得到快速发展。
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（一）我国石油钻机技术发展现状 3、钻机的传动技术达到国外同类产品先进水平。 我国已开发了机械传动、直流电传动、交流变频 电传动、机电复合传动及交、直流电复合传动钻机。 交流变频电传动钻机代表了我国石油钻机技术的最高 水平，它应用了交流变频调速技术，使绞车、转盘、 泥浆泵都实现了无级调速。由于调速范围大，绞车设 计为单轴，经减速箱驱动。体积小，质量轻，故障 少，可实现极低速及恒扭矩输出，还可实现数控恒钻 压自动送钻。其司钻控制系统控制精确，操作简单， 使司钻摆脱了繁重的体力劳动。我国生产交流变频电 驱动钻机数量为全球之最。
三、我国石油钻机技术的 现状及发展趋势
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（一）我国石油钻机技术发展现状
（一）我国石油钻机技术发展现状 1、钻机的钻深能力满足了我国目前勘探开发 工作的普遍需要。
目前我国已形成已成为全球最大的钻机制 造国。我国石油钻机技术及制造能力的发展为 我国石油工业实施低成本战略，参与国际市场 竞争及保证我国石油安全奠定了良好的基础。 我国石油钻机制造厂已先后开发了 钻深能力达1000米至12000米的各型钻 机，满足了目前我国石油工业勘探开发 工作的普遍需要，并且已批量出口。