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國內(nèi)外石油鉆機新技術(shù)及發(fā)展趨勢
21世紀以來,國內(nèi)外研究改進、開發(fā)創(chuàng)新了多種新型石油鉆機,涌現(xiàn)了許多新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)。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(nèi)外在頂部驅(qū)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(shù)方面發(fā)展很快,一些技術(shù)已進入實用階段。

1頂部驅(qū)動裝置

頂部驅(qū)動鉆井裝置TDS(TOPDRIVEDRILLINGSYSTEM),是美國、法國、挪威近20年來相繼研制成功的一種頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng),取代了轉(zhuǎn)盤帶動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,沿專用導軌向下送鉆具,完成鉆桿旋轉(zhuǎn)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(chǎn)品。頂部驅(qū)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(zhuǎn)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(qū)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(qū),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(qū),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(qū)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25％的泥漿藥品來講,無疑節(jié)約了不少鉆井成本。

4)設(shè)備安全
頂部驅(qū)動鉆井裝置采用馬達旋轉(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)蹩鉆扭矩超過設(shè)定范圍時馬達會自動停止旋轉(zhuǎn),待調(diào)整鉆井參數(shù)后再正常鉆進,避免設(shè)備超負荷長時間運轉(zhuǎn)。

212000m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(chǎn)權(quán)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(shù) 先進的特深井陸地石油鉆機。該鉆機采用國際 先進的全數(shù)字化交流變頻控制技術(shù),作業(yè)全部實現(xiàn)了智能化控制,其特深井鉆機技術(shù)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(guān)制造工藝保障,鉆機其他設(shè)備采用了相應的防低溫措施,能保證在-40℃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(shè)計的掛合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計,有效地解決了調(diào)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(shè)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(zhuǎn)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(guān)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(qū)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(shù),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(shù)方案和集成技術(shù)屬國際領(lǐng)先水平。

3套管鉆機

套管鉆井是一種全新的鉆井工藝技術(shù)，被譽為是21世紀的前沿鉆井技術(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(qū)動的頂驅(qū)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(zhuǎn)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(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(jié)構(gòu)，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(guān)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(nèi),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(shù)、環(huán)空上返速度和清洗井筒的狀況得到大大改善。
7)鉆機鉆井可大大降低鉆井成本，據(jù)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(jīng)濟效益十分明顯。

套管鉆井技術(shù)是一項正在迅速發(fā)展的技術(shù),有著廣闊的應用前景。套管鉆機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(shù)的迅速發(fā)展,交流變頻電驅(qū)動石油鉆機會取代可控硅直流電驅(qū)動鉆機,該型鉆機具有現(xiàn)用機械驅(qū)動鉆機和直流電驅(qū)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(chǎn)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(shù)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(qū)、盤式剎車技術(shù)逐步成熟,電動控制技術(shù)、液壓驅(qū)動技術(shù)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(shè)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, 終達到提高鉆井效率，大大降低鉆井成本的目的。