國內外石油鉆機新技術及發展趨勢

21世紀以來,國內外研究改進、開發創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,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(TOPDRIVEDRILLINGSYSTEM),是美國、法國、挪威近20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的能力和效率,并已成為石油鉆井行業的標準產品。頂部驅動鉆機之所以得到較快發展,因為其具有以下幾個方面的優勢:

1)立柱鉆井,節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鉆進,節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,隨時開泵循環劃眼,節約了鉆井時間,減少了井下事故的發生。

3)節約鉆井成本。
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25％的泥漿藥品來講,無疑節約了不少鉆井成本。

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,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。

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先進的特深井陸地石油鉆機。該鉆機采用國際先進的全數字化交流變頻控制技術,作業全部實現了智能化控制,其特深井鉆機技術自主創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-40℃環境條件下進行正常鉆井作業,鉆機適應環境能力強。

　　首次研制開發了功率為4400kW(6000hp)絞車,采用單滾筒齒輪傳動,創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；首次研制開發了承載能力900t的井架、底座、天車、游車、大鉤、吊環,實現了低位安裝,靠絞車的動力一次性整體起升；首次研制開發了承載能力675t,適應-40℃環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)套管鉆井節省了大量的鉆井管材，節約了大量與鉆桿、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，可繼續循環鉆井液，防止鉆屑沉積，減少卡鉆和井涌發生。
6)套管鉆機鉆井，可以使鉆井液水力參數、環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，與常規鉆機鉆井相比，所需費用可節省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展。

4石油鉆機發展趨勢

隨著交流變頻技術的迅速發展,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越性能,將成為陸地和海洋石油鉆機發展的換代產品。

今后,石油鉆機發展特點是：
1)專業化鉆機得到快速發展。如適應各種環境和工藝技術發展的沙漠鉆機、海洋鉆機、斜井鉆機、小井眼鉆機、特深井鉆機、連續管鉆機等。
2)規模向兩極化方向發展。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控系統,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。