石油鉆機新技術介紹及發(fā)展前景

王文云

摘 要：本世紀以來，國內外石油鉆機技術不斷改進，開發(fā)研制了多種新機型，涌現(xiàn)了許多新結構、新技術。近年來，為了適應淺海、海灘、沙漠和丘陵等不同地帶油氣藏的勘探和開發(fā)，美國、中國、德國、法國、加拿大、意大利、墨西哥和羅馬尼亞等國先后開發(fā)了各種類型的石油鉆機。國內外在頂部驅動鉆機、小井眼石油鉆機、套管鉆機、液壓鉆機、自動化鉆機及鉆機配套技術方面發(fā)展很快，一些技術已進入實用階段。

關鍵詞：石油鉆機；新技術；發(fā)展

1.頂部驅動裝置

頂部驅動鉆井裝置，是近些年來研制成功的一種頂部驅動鉆井系統(tǒng)，取代了轉盤帶動方鉆桿鉆井的鉆井技術。它可從井架上部空間直接旋轉鉆桿，沿專用導軌向下送鉆具，完成鉆桿旋轉鉆進，循環(huán)鉆井液，接立柱，上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作。該系統(tǒng)顯著提高了鉆井作業(yè)的能力和效率，并已成為石油鉆井行業(yè)的標準產品。其具有以下幾個方面的優(yōu)勢：

1） 立柱鉆井，節(jié)約了三分之二的接單根時間。

利用轉盤帶動方鉆桿鉆井時，受方鉆桿的限制，每鉆完9米左右就需要停泵接一個單根。而頂部驅動裝置實現(xiàn)了立柱鉆井，直接接上一根立柱就可以實現(xiàn)繼續(xù)鉆進，節(jié)約了三分之二的接單根時間。

2） 下鉆劃眼，不必再接方鉆桿。

在下鉆過程中，如果遇到砂橋和縮徑點，有了頂驅，就省去了接水龍頭和方鉆桿的準備時間，而且不需要把立柱甩成單根來劃眼，在井架的任意高度，都可以坐上卡瓦，接上頂驅，隨時開泵循環(huán)劃眼，節(jié)約了鉆井時間，減少了井下事故的發(fā)生。

3） 節(jié)約鉆井成本。

由于頂部驅動裝置可以及時方便的處理井下事故，所以它允許鉆井過程中使用較少、較便宜的鉆井液和添加劑，這對占鉆井成本近2 5%的泥漿藥品來講，無疑節(jié)約了不少鉆井成本。

4） 設備安全。

頂部驅動鉆井裝置采用馬達旋轉上扣，上扣平穩(wěn)，并可從扭矩表上觀察上扣扭矩，避免上扣扭矩過盈或不足。鉆井最大扭矩的設定，使鉆井中出現(xiàn)蹩鉆扭矩超過設定范圍時馬達會自動停止旋轉，待調整鉆井參數后再正常鉆進，避免設備超負荷長時間運轉。

2.12000m特深石油鉆機

我國首臺具有自主知識產權的12000m特深井石油鉆機，在中國寶雞石油機械有限責任公司研制成功，它是目前全球技術最先進的特深井陸地石油鉆機。該鉆機采用國際最先進的全數字化交流變頻控制技術，作業(yè)全部實現(xiàn)了智能化控制，其特深井鉆機技術自主創(chuàng)新在我國實現(xiàn)了多項重大突破：該鉆機井架、底座等主要承載件采用了高強度耐低溫材料，并有相關制造工藝保障，鉆機其他設備采用了相應的防低溫措施，能保證在-4 0℃環(huán)境條件下進行正常鉆井作業(yè)，鉆機適應環(huán)境能力強。

首次研制開發(fā)了功率為4400kW（6000hp）絞車，采用單滾筒齒輪傳動，創(chuàng)新設計的掛合結構實現(xiàn)了絞車滾筒的快速離合，提高了安全性，便于維修，并可降低運行成本，絞車采用模塊化結構設計，有效地解決了調運、安裝和維護問題；首次采用液缸起升人字架，絞車低位工作，起升方便安全，整體設計合理。

自行研制的52MPa、1640kW（2200hp）高壓鉆井泵，缸套、活塞等易損件研究取得突破，提高了整機的可靠性；首次研制開發(fā)了開口直徑1257mm轉盤及承載能力72t的死繩固定器等部件與鉆機配套，大鉤與水龍頭的攻關也取得重大突破，解決了特深井鉆機的集成配套問題；鉆機的電控系統(tǒng)解決了絞車四臺電機驅動時電機負荷的均衡分配，采用電機無沖擊切入切出及氣、電、液、鉆井儀表一體化等控制技術，該系統(tǒng)具有雙冗余控制和完善的保護功能，提高了鉆機的先進性、可靠性和智能化水平；首次研制開發(fā)了承載能力900t的井架、底座、天車、游車、大鉤、吊環(huán)，實現(xiàn)了低位安裝，靠絞車的動力一次性整體起升；首次研制開發(fā)了承載能力675t，適應-40℃環(huán)境溫度要求的水龍頭。鉆機的總體技術方案和集成技術屬國際領先水平。

3.套管鉆機

套管鉆井是一種全新的鉆井工藝技術，被譽為是21世紀的前沿鉆井技術之一。與套管鉆井工藝相配套的套管鉆機取消了常規(guī)的鉆桿，用套管代替鉆桿進行鉆井。鉆機安裝在拖車上，采用電？液驅動的頂驅裝置，通過套管傳遞扭矩，并帶動安裝在套管底部鉆具組上的鉆頭旋轉鉆進。

鉆頭固定在一個專用鉆具組的前部，鉆具組鎖定在套管的底部，并用鋼絲繩與鉆臺上起下鉆頭的專用絞車相連，當需要換鉆頭時，將鎖定裝置打開，利用絞車將鉆具起出，更換新鉆頭后再用絞車將鉆具送入井底，鎖定在套管底部，操作非常方便迅速。

套管鉆井中的鉆頭直徑小于套管內徑，若需鉆出大于套管外徑的井眼，則需在鉆頭上部的鉆具上安裝一可以收縮的擴孔鉆頭，鉆進時，擴孔鉆頭張開，這樣就可以鉆出大于套管外徑的井眼。鉆機的鉆進過程也就是下套管的過程，套管下到井里不再提起，完鉆后即可進行固井。套管鉆機鉆井具有以下優(yōu)點：

1） 簡化了鉆機結構，減小了鉆機尺寸，降低了鉆機成本，鉆機更輕便，且容易操作和搬遷。

2） 套管鉆井節(jié)省了大量的鉆井管材，節(jié)約了大量與鉆桿、鉆鋌有關的采購、運輸、檢驗、維護和更換的費用。

3） 采用鋼絲繩起鉆比傳統(tǒng)的鉆桿起鉆快5～10倍，減少了起下鉆時間。

4） 由于套管自始至終留在井內，大大減少了地層膨脹、井壁坍塌、鍵槽、臺階和意外事故的發(fā)生，而且不再有抽吸作用和壓力波動，從而使井控狀況得到大大改善。

5） 套管鉆機在起下鉆更換鉆頭或測井時，可繼續(xù)循環(huán)鉆井液，防止鉆屑沉積，減少卡鉆和井涌發(fā)生。

6） 套管鉆機鉆井，可以使鉆井液水力參數、環(huán)空上返速度和清洗井筒的狀況得到大大改善。

7） 鉆機鉆井可大大降低鉆井成本，據估計，一口井深3000m的井，與常規(guī)鉆機鉆井相比，所需費用可節(jié)省30%以上，其經濟效益十分明顯。

4.石油鉆機發(fā)展前景

隨著交流變頻技術的迅速發(fā)展，交流變頻電驅動石油鉆機會取代可控硅直流電驅動鉆機，該型鉆機具有現(xiàn)用機械驅動鉆機和直流電驅動鉆機無可比擬的優(yōu)越性能，將成為陸地和海洋石油鉆機發(fā)展的換代產品。

今后，石油鉆機發(fā)展特點是：

1） 專業(yè)化鉆機得到快速發(fā)展。如適應各種環(huán)境和工藝技術發(fā)展的沙漠鉆機、海洋鉆機、斜井鉆機、小井眼鉆機、特深井鉆機、連續(xù)管鉆機等。

2） 規(guī)模向兩極化方向發(fā)展。深井石油鉆機趨向大型化（1500m，MAX12500kN）、輕便鉆機趨向小型化（車載為主）。

3） 鉆機控制實現(xiàn)自動化、智能化。頂驅、盤式剎車技術逐步成熟，電動控制技術、液壓驅動技術和可靠性逐步提高。

4） 大力發(fā)展新型石油鉆機，采用人性化的設計，先進的機械自動化，高效的鉆機操作和監(jiān)控系統(tǒng)，裝置模塊化，以提高鉆機運移性，以提高鉆井效率，降低鉆井成本。endprint