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國(guó)內(nèi)外石油鉆機(jī)新技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

21世紀(jì)以來(lái),國(guó)內(nèi)外研究改進(jìn)、開(kāi)發(fā)創(chuàng)新了多種新型石油鉆機(jī),涌現(xiàn)了許多新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)。近年來(lái),為了適應(yīng)淺海、海灘、沙漠和丘陵等不同地帶油氣藏的勘探和開(kāi)發(fā),美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、加拿大、意大利、墨西哥和羅馬尼亞等國(guó)先后開(kāi)發(fā)了各種類型的石油鉆機(jī)。國(guó)內(nèi)外在頂部驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)、小井眼石油鉆機(jī)、套管鉆機(jī)、液壓鉆機(jī)、自動(dòng)化鉆機(jī)及鉆機(jī)配套技術(shù)方面發(fā)展很快,一些技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用階段。

1頂部驅(qū)動(dòng)裝置

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置TDS(TOPDRIVEDRILLINGSYSTEM),是美國(guó)、法國(guó)、挪威近20年來(lái)相繼研制成功的一種頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng),取代了轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)方鉆桿鉆井的鉆井技術(shù)。它可從井架上部空間直接旋轉(zhuǎn)鉆桿,沿專用導(dǎo)軌向下送鉆具,完成鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn),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(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。頂部驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)之所以得到較快發(fā)展,因?yàn)槠渚哂幸韵聨讉€(gè)方面的優(yōu)勢(shì):

1)立柱鉆井,節(jié)約了三分之二的接單根時(shí)間。
利用轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)方鉆桿鉆井時(shí),受方鉆桿的限制,每鉆完9米左右就需要停泵接一個(gè)單根。而頂部驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)了立柱鉆井,直接接上一根立柱就可以實(shí)現(xiàn)繼續(xù)鉆進(jìn),節(jié)約了三分之二的接單根時(shí)間。

2)下鉆劃眼,不必再接方鉆桿。
在下鉆過(guò)程中,如果遇到砂橋和縮徑點(diǎn),有了頂驅(qū),就省去了接水龍頭和方鉆桿的準(zhǔn)備時(shí)間,而且不需要把立柱甩成單根來(lái)劃眼,在井架的任意高度,都可以坐上卡瓦,接上頂驅(qū),隨時(shí)開(kāi)泵循環(huán)劃眼,節(jié)約了鉆井時(shí)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(qū)動(dòng)裝置可以及時(shí)方便的處理井下事故,所以它允許鉆井過(guò)程中使用較少、較便宜的鉆井液和添加劑,這對(duì)占鉆井成本近25％的泥漿藥品來(lái)講,無(wú)疑節(jié)約了不少鉆井成本。

4)設(shè)備安全
頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置采用馬達(dá)旋轉(zhuǎn)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(guò)盈或不足。鉆井大扭矩的設(shè)定,使鉆井中出現(xiàn)蹩鉆扭矩超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)馬達(dá)會(huì)自動(dòng)停止旋轉(zhuǎn),待調(diào)整鉆井參數(shù)后再正常鉆進(jìn),避免設(shè)備超負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。

212000m特深石油鉆機(jī)

2007年11月16日,國(guó)家“863”計(jì)劃重點(diǎn)課題項(xiàng)目??我國(guó)首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的12000m特深井石油鉆機(jī),在中國(guó)寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制成功。此臺(tái)12000米鉆機(jī)是目前全球技術(shù) 先進(jìn)的特深井陸地石油鉆機(jī)。該鉆機(jī)采用國(guó)際先進(jìn)的全數(shù)字化交流變頻控制技術(shù),作業(yè)全部實(shí)現(xiàn)了智能化控制,其特深井鉆機(jī)技術(shù)自主創(chuàng)新在我國(guó)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)重大突破:該鉆機(jī)井架、底座等主要承載件采用了高強(qiáng)度耐低溫材料,并有相關(guān)制造工藝保障,鉆機(jī)其他設(shè)備采用了相應(yīng)的防低溫措施,能保證在-40℃環(huán)境條件下進(jìn)行正常鉆井作業(yè),鉆機(jī)適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)。

　　首次研制開(kāi)發(fā)了功率為4400kW(6000hp)絞車,采用單滾筒齒輪傳動(dòng),創(chuàng)新設(shè)計(jì)的掛合結(jié)構(gòu)實(shí)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(yùn)行成本,絞車采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),有效地解決了調(diào)運(yùn)、安裝和維護(hù)問(wèn)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(shè)計(jì)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(jī)的可靠性；首次研制開(kāi)發(fā)了開(kāi)口直徑1257mm轉(zhuǎn)盤及承載能力72t的死繩固定器等部件與鉆機(jī)配套,大鉤與水龍頭的攻關(guān)也取得重大突破,解決了特深井鉆機(jī)的集成配套問(wèn)題；鉆機(jī)的電控系統(tǒng)解決了絞車四臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)負(fù)荷的均衡分配,采用電機(jī)無(wú)沖擊切入切出及氣、電、液、鉆井儀表一體化等控制技術(shù),該系統(tǒng)具有雙冗余控制和完善的保護(hù)功能,提高了鉆機(jī)的先進(jìn)性、可靠性和智能化水平；首次研制開(kāi)發(fā)了承載能力900t的井架、底座、天車、游車、大鉤、吊環(huán),實(shí)現(xiàn)了低位安裝,靠絞車的動(dòng)力一次性整體起升；首次研制開(kāi)發(fā)了承載能力675t,適應(yīng)-40℃環(huán)境溫度要求的水龍頭。鉆機(jī)的總體技術(shù)方案和集成技術(shù)屬國(guó)際領(lǐng)先水平。

3套管鉆機(jī)

套管鉆井是一種全新的鉆井工藝技術(shù)，被譽(yù)為是21世紀(jì)的前沿鉆井技術(shù)之一。與套管鉆井工藝相配套的套管鉆機(jī)取消了常規(guī)的鉆桿，用套管代替鉆桿進(jìn)行鉆井。鉆機(jī)安裝在拖車上,采用電?液驅(qū)動(dòng)的頂驅(qū)裝置,通過(guò)套管傳遞扭矩，并帶動(dòng)安裝在套管底部鉆具組上的鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

鉆頭固定在一個(gè)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(tái)上起下鉆頭的專用絞車相連,當(dāng)需要換鉆頭時(shí)，將鎖定裝置打開(kāi)，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(nèi)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(kuò)孔鉆頭，鉆進(jìn)時(shí)，擴(kuò)孔鉆頭張開(kāi)，這樣就可以鉆出大于套管外徑的井眼。鉆機(jī)的鉆進(jìn)過(guò)程也就是下套管的過(guò)程,套管下到井里不再提起，完鉆后即可進(jìn)行固井。套管鉆機(jī)鉆井具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)簡(jiǎn)化了鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，減小了鉆機(jī)尺寸，降低了鉆機(jī)成本，鉆機(jī)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(guān)的采購(gòu)、運(yùn)輸、檢驗(yàn)、維護(hù)和更換的費(fèi)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(shí)間。
4)由于套管自始至終留在井內(nèi),大大減少了地層膨脹、井壁坍塌、鍵槽、臺(tái)階和意外事故的發(fā)生,而且不再有抽吸作用和壓力波動(dòng),從而使井控狀況得到大大改善。
5)套管鉆機(jī)在起下鉆更換鉆頭或測(cè)井時(shí)，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(jī)鉆井，可以使鉆井液水力參數(shù)、環(huán)空上返速度和清洗井筒的狀況得到大大改善。
7)鉆機(jī)鉆井可大大降低鉆井成本，據(jù)估計(jì)，一口井深3000m的井，與常規(guī)鉆機(jī)鉆井相比，所需費(fèi)用可節(jié)省30％以上，其經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

套管鉆井技術(shù)是一項(xiàng)正在迅速發(fā)展的技術(shù),有著廣闊的應(yīng)用前景。套管鉆機(jī)是一種新型的鉆井設(shè)備,隨著套管鉆井工藝技術(shù)的完善和推廣,套管鉆機(jī)也必將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

4石油鉆機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

隨著交流變頻技術(shù)的迅速發(fā)展,交流變頻電驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)會(huì)取代可控硅直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī),該型鉆機(jī)具有現(xiàn)用機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)和直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)無(wú)可比擬的優(yōu)越性能,將成為陸地和海洋石油鉆機(jī)發(fā)展的換代產(chǎn)品。

今后,石油鉆機(jī)發(fā)展特點(diǎn)是：
1)專業(yè)化鉆機(jī)得到快速發(fā)展。如適應(yīng)各種環(huán)境和工藝技術(shù)發(fā)展的沙漠鉆機(jī)、海洋鉆機(jī)、斜井鉆機(jī)、小井眼鉆機(jī)、特深井鉆機(jī)、連續(xù)管鉆機(jī)等。
2)規(guī)模向兩極化方向發(fā)展。深井石油鉆機(jī)趨向大型化(1500m,MAX12500kN)、輕便鉆機(jī)趨向小型化(車載為主)。
3)鉆機(jī)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化。頂驅(qū)、盤式剎車技術(shù)逐步成熟,電動(dòng)控制技術(shù)、液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)和可靠性逐步提高。
4)大力發(fā)展新型石油鉆機(jī),采用人性化的設(shè)計(jì)，先進(jìn)的機(jī)械自動(dòng)化，高效的鉆機(jī)操作和監(jiān)控系統(tǒng),裝置模塊化,以提高鉆機(jī)運(yùn)移性, 終達(dá)到提高鉆井效率，大大降低鉆井成本的目的。