摘要：本文重點介紹了國內外鉆機的先進技術:意大利全液壓鉆機和小井眼、頂部驅動鉆機、套管鉆機及寶雞石油機械有限責任公司研制成功的12000米特深井石油鉆機等,如代表了石油鉆機的最新技術。最后介紹石油鉆機的發(fā)展趨勢。

      2 1世紀以來,國內外研究改進、開發(fā)創(chuàng)新了多種新型石油鉆機,涌現了許多新結構、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。

1  頂部驅動裝置 

        頂部驅動鉆井裝置TDS(TOP DRIVE DRILLING SYSTEM),是美國、法國、挪威近2 0年來相繼研制成功的一種頂部驅動鉆井系統,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。頂部驅動鉆機之所以得到較快發(fā)展,因為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了立柱鉆井,直接接上一根立柱就可以實現繼續(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 

        2007年11月16日,國家“863”計劃重點課題項目??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。此臺12000米鉆機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)全部實現了智能化控制,其特深井鉆機技術自主創(chuàng)新在我國實現了多項重大突破: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2 1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。

       套管鉆井技術是一項正在迅速發(fā)展的技術,有著廣闊的應用前景。套管鉆機是一種新型的鉆井設備,隨著套管鉆井工藝技術的完善和推廣,套管鉆機也必將會得到進一步的發(fā)展。

4   石油鉆機發(fā)展趨勢 

       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,裝置模塊化,以提高鉆機運移性,最終達到提高鉆井效率,大大降低鉆井成本的目的。