现代钻井机械概论.ppt

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1、现代钻井机械概论,2,目 录总论第一章 现代石油钻机第二章 顶部驱动钻机第三章 现代固控设备第四章 现代井控设备第五章 钻井井下动力钻具第六章 海洋钻井设备的发展,3,教材与主要参考资料,张阳春等国内外石油钻采设备技术水平分析石油工业出版社2001李继志石油钻采机械概论中国石油大学出版社2005陈朝达顶部驱动钻井系统石油工业出版社2000苏义脑螺杆钻具研究及应用石油工业出版社2001万仁薄现代钻井工程石油工业出版社2000刘海浪小井眼和连续油管技术的进展与应用石油工业出版社1998郝俊芳平衡钻井与井控石油工业出版社1992,4,总论,钻井机械 用来进行油气勘探、开发的整套钻井设备（石油钻机）。

2、钻机是石油钻井用的成套重型机械设备，是油田上各种机械设备中最大、最重并具有不可或缺重大作用的装备。可以毫不夸张地说，钻机是油气田的设备之王。随着石油工业的发展，钻机也在不断发展，钻井能力越来越强，功率越来越大，传动越来越先进，机械化、自动化程度越来越高。,5,总论,钻机随某种钻井方法、钻井工艺的出现而产生，又随着钻井技术不断的发展而发生相应的变化。一、钻井方法 从地面钻一孔道直达油气层，即钻井。1）顿钻钻井法（冲击钻井法）顿钻钻机或钢绳冲击钻机 2）旋转钻井法 地面驱动转盘旋转钻井法 顶部驱动旋转钻井法 井下动力钻具旋转钻井法,6,总论,图1-1 井的示意图,图1-2 顿钻钻井示意图,7,总论

3、,图1-3 转盘旋转钻机,8,总论,3）试验研究中的新钻井方法 熔化及气化法、热涨裂法、化学反应法、机械诱导应力法 共同特点：摒弃了用钻头加压旋转破碎岩石的原理。当前，广泛采用的仍然是旋转钻井法，常规的钻井机械也就是转盘旋转钻机。,9,总论,二、钻井工艺过程 1、井身结构 指下入井中套管层数、尺寸、规格和长度以及各层套管相应的钻头直径。开钻前拟定,10,总论,图1-4 井身结构示意图1-导管；2-表层套管；3-表层套管水泥环；4-技术套管；5-技术套管水泥环；6-高压气层；7-高压水层；8-易塌地层；9-井眼；10-油层套管；11-主油层；12-油层套管水泥环,11,总论,1）导管 下入目的：

4、防止地表土层坍塌，引导钻头入井，并导引上返的的钻井液进入净化系统。下入深度：通常为3050m。2）表层套管 下入目的：加固上部疏松岩层的井壁，封住淡水砂层、砾石层或浅气层；安装井控设备并支撑后下入的技术套管重量。下入深度：一般深度100m，最深300400m。,12,总论,3）技术套管 位于表层套管以内的套管 下入目的：隔绝上部的高压油、气、水层或漏失层及坍塌层。注：若钻深井、超深井，或者说地层情况复杂的情况下，需要下若干层技术套管。,13,总论,4）油层套管 下入井内的最后一层套管 下入目的：形成坚固的井筒，使生产层的油或气由井底沿这层套管流至井口。在各层套管与井壁的环形空间，都应注入水泥加

5、固（固井）。,14,总论,2、钻前准备 1）定井口位置 2）修路及平整井场 3）打水泥基础 4）备足各种钻井器材（如钻杆、钻铤、钻头及钻井泵配件）,15,总论,3、钻进取得进尺的唯一手段 1）全井钻进过程 第一次开钻下表层套管 第二次开钻在表层套管内用小一些的钻头往下钻进 第三次开钻在技术套管内再用小一些的钻头往下钻进 钻完井深，下油层套管，固井，完井。,16,总论,2）钻进作业 a.下钻 将由钻头、钻铤、钻杆、方钻杆组成的钻杆柱下入井中，使钻头接触井底，准备钻进。b.正常钻进（纯钻进）启动转盘（或井底动力钻具）通过钻杆柱带动井底钻头旋转，借助手刹车，给钻头施加适当的压力（钻压）以破碎岩石。同

6、时，开动钻井泵循环泥浆，冲洗井底，携出岩屑，保护井壁，冷却钻头。,17,总论,c.接单根 随着正常钻进的继续进行，井眼深度不断加深，需要不断地接长钻杆柱，每次接入一根钻杆，称为接单根。采用顶驱钻井系统时，每次接入一立根（3根单根）。d.起钻 需要更换新钻头时，将井中全部钻柱取出。e.换钻头 起钻结束，将钻头提出井口，用专用工具卸下旧钻头，换上新钻头。,18,总论,换完钻头，便又开始下钻，重复上述作业，构成正常钻进作业的大循环：下钻正常钻进接单根起钻换钻头下钻，直至钻达预定井深。4、固井 在井眼内下入一层套管后需在套管与井壁之间的环形空间里灌注水泥浆进行封固，称为固井。根据井身结构的不同，钻井过

7、程中有时仅需下一层套管（油层套管），有时需要下多层套管（如表层套管、技术套管、油层套管），最终形成一串轴心线重合的套管柱，因此，一口井从开始到完成，有时需要进行数次固井作业。,19,总论,5、完井 当下油层套管固井后，油层为水泥和套管封固，必须设法使油层与井筒相通。射孔完井法、裸眼完井法、贯眼完井法、衬管完井法,20,总论,三、钻机组成 钻机是由多种机器设备组成，具有多种功能的联合工作机组，为了满足钻井工艺要求，整套钻机必须具备下列八大系统和设备：1、地面旋转送进设备 为了转动井中钻具，带动钻头破碎岩石，常规钻机配备有转盘和水龙头，顶驱钻机配备有顶驱钻井装置。,21,总论,图1-5 钻机组成,

8、22,总论,1-人字架；2-天车；3-井架；4-游车；5-水龙头提环；6-水龙头；7-保险链；8-鹅颈管；9-立管；10-水龙带；11-井架大腿；12-小鼠洞；13-钻台；14-架脚；15-钻盘传动；16-填充钻井液管；17-扶梯；18-破板；19-底座；20-大鼠洞；21-水刹车；22-缓冲室；23-绞车底座；24-并车箱；25-发动机平台；26-泵传动；27-钻井泵；-钻井液管线；29-钻井液配制系统；30-供水管；31-吸入管；32-钻井液池；33-固定钻液枪；34-连接软管；35-空气包；36-沉砂池；37-钻液枪；38-振动筛；39-动力机组；40-绞车传动装置；41-钻井液槽；42

9、-钻井绞车；43-钻盘；44-井架横梁；45-方钻杆；46-斜撑；47-大钩；48-二层平台；49-游绳；50-钻井液喷出口；51-井口装置；52-防喷器；53-换向阀门,23,总论,2、循环系统设备 为了及时清洗井底，携带岩屑，保护井壁，钻机配备有全套钻井液的循环设备。包括钻井泵、地面高压管汇、钻井液净化及调配设备（固控设备）等。当采用井下动力钻具钻进时，本系统提供高压钻井液，以驱动井下涡轮钻具或螺杆钻具。,24,总论,3、起升系统设备 为了起下钻具，下套管，控制钻压及钻头钻进等，钻机配备有一套起升设备，以辅助完成钻井生产。主要由钻井绞车、辅助刹车、游动系统（包括钢丝绳、天车、游车、大钩）和

10、井架组成。相当于一台重型起重机。另外，还有用于起下操作的井口工具及机械化设备（吊卡、卡瓦、动力大钳、立根移运机构等）以上三大系统设备是直接服务于钻井生产的，是钻机的三大工作机组。,25,总论,4、动力驱动设备 为了供应三大工作机及其他辅助机组的动力，钻机必须配备动力驱动设备及其辅助装置，可以是柴油机及其供油设备，或者是交流、直流电动机及其供电、保护、控制设备等。,26,总论,5、传动系统设备 连接发动机与工作机，实现从驱动设备到工作机组的能量的传递、分配及运动方式的转换。包括减速、并车、转向、倒转及变速机构等。现代钻机传动系统常用传动副有链条、三角胶带、齿轮及万向轴。此外，还有液力传动、液压传

11、动、电传动等形式。,27,总论,6、控制系统和监测显示仪表 为了指挥各机组协调地进行工作，整套钻机配备有各种控制装置，常用的有机械控制、气控、电控、液控和电、气、液混合控制。现代机械驱动钻机，普遍采用集中的气控制。为适应打定向井、丛式井条件，实现最优化钻井，现代钻机配备有随钻测量系统（MWD）和各种钻井仪表，实现测量井底参数，监测显示地面有关系统设备工作状况，测量井下参数实现井眼轨迹控制。,28,总论,7、钻机底座 钻机底座包括钻台底座和机房底座，用来安装钻井设备，方便钻井设备的移运。8、辅助设备 成套钻机还必须具有供气设备、辅助发电设备、井口防喷设备、钻鼠洞设备与辅助起重设备，在寒冷地带钻井

12、时还必须配备保温设备。钻机八大件 井架、转盘、绞车、水龙头、大钩、天车、游车、钻井泵（泥浆泵）,29,总论,四、钻机分类 1、按钻井深度分 浅井钻机：钻井深度1500m 中深井钻机：钻井深度为15003000m 深井钻机：钻井深度为30005000m 超深井钻机：钻井深度5000m 2、按驱动设备类型分 机械驱动钻机MD 电驱动钻机ED,30,总论,3、按采用的主传动副分 胶带并车传动的胶带钻机 链条并车传动的链条钻机 圆锥齿轮-万向轴并车传动的齿轮钻机 4、按使用地区和用途分 海洋钻机；浅海钻机；陆地常规钻机；丛式井钻机；沙漠钻机；直升机吊运钻机；小井眼钻机；连续柔管钻机等。,31,第一章

13、现代石油钻机1.1 国外现代石油钻机发展现状,为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵等不同地带油气藏的勘探和开发，美国、德国、法国、加拿大、意大利、墨西哥和罗马尼亚等国先后开发可各种类型的石油钻机。其中美国的钻机技术和销售业绩在世界上稳居首位，所以与国际技术接轨，实际上是与以美国为代表的钻机技术及API规范接轨。近年来国外钻机在传动方式和结构形式方面发展很快，交流变频电驱动已经广泛使用，顶驱发展也十分迅速。,32,1.1 国外现代石油钻机发展现状,一、交流变频电驱动石油钻机（AC-GTO-AC石油钻机）电驱动钻机发展历程：交流电驱动钻机（AC-AC）直流电驱动钻机（DC-DC）可控硅整流直流电驱动钻机

14、（AC-SCR-DC）交流变频电驱动钻机（AC-GTO-AC）：交流发电机-变频调速器-交流电动机 这是国外新发展起来的一种先进的电驱动石油钻机。,33,1.1 国外现代石油钻机发展现状,1核心技术交流变频调速技术 交流变频调速技术是一种涉及电动机理论、自动控制理论、电路拓扑理论、电力电子技术、微电子及计算机技术的综合性交叉技术。专家认为交流变频电驱动钻机是现代高新技术与石油钻井机械的有机结合，具有强大的生命力，是现代石油钻机的发展趋势。,34,1.1 国外现代石油钻机发展现状,2发展情况 早在1994年National公司生产了一台TAed000型交流变频驱动绞车。该绞车由1台2210kW交

15、流变频电动机通过一个两速齿轮箱直接驱动绞车，省去了传动链、离合器、带刹车、超越离合器及电磁涡流刹车。其上配备的盘式刹车仅作为停住钻柱和紧急刹车使用。司钻通过计算机遥控钻机工作。上述设计大大减少了绞车的空间尺寸及质量，使交流变频驱动绞车在海上得到广泛应用。,35,1.1 国外现代石油钻机发展现状,图1-6 挪威 Hitec公司和美国National Oilwell公司联合研制绞车,36,1.1 国外现代石油钻机发展现状,后来，国外钻机承包商纷纷发展AC-GTO-AC石油钻机。1）1997下半年至1998年9月，英国北海油田的很多海上平台选用了交流变频石油钻机，而且把许多平台的直流驱动装置改造为交

16、流驱动。2）1998年上半年，ALSTON在英国的子公司CEGELEC BAUTAIL DIVISION就承接了斯伦倍尔石油公司5套石油钻机，同时还负责对北海平台AC-SCR-DC钻机进行改造。3）TPC公司于2000年推出了智能化电驱动钻机，包括动态钻井系统、扭矩安全系统、泵同步系统、起下钻能量监控系统、防倒扣系统等，是采用信息技术对传统电驱动钻机改造的典范。,37,1.1 国外现代石油钻机发展现状,3突出特点（1）钻机的绞车、转盘可实现无级变速，调速范围宽；能以极低的速度恒扭矩输出，对井下钻具的事故处理、侧钻、修井、钻井液小排量作业、优选参数钻井作业十分有利。（2）电动机的超载能力强，大大

17、提高了钻机的提升能力和处理事故的能力。（3）可大大简化钻机的机械结构（恒功率宽调速）。（4）具有限制转盘扭矩功能，可防止钻具或机件扭断。,38,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（5）交流变频技术对电机具有安全保护功能。（6）负载功率因数接近于1，具有软起动功能，可降低供电电源的容量。（7）可带载平稳启动、制动和调速；在下钻时，可实现对电网能量反馈，减少制动装置损耗，节约能源。（8）交流电机体积小，单机容量大，价格便宜，维护费用低，使用安全可靠，易于操作管理。,39,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（9）容易实现钻机的自动化、智能化和对外界变化的自适应控制。（10）安装、拆卸、搬迁方便灵活。

18、二、激光石油钻机 据资料介绍，美国计划在20世纪末使用激光钻井技术。美国芝加哥天然气研究所（GRI）与美科罗拉多矿业学院、麻省理工学院、雷克伍德公司、菲利普斯公司及美国空军和陆军合作，联合开展了一项激光钻机的研究计划。,40,1.1 国外现代石油钻机发展现状,该项计划在实验室研究中使用了美国国防部星球大战计划开发的两台强大、有效高能的激光器：1、中红外高级化学兆瓦级激光器(MIRACL)菲利普斯公司利用该激光器进行钻孔试验，激光束在1秒钟内可穿透60mm厚的砂岩-页岩-砂岩夹层，其穿透速度至少是目前常规钻机的100倍。2、化学氧化碘激光器（COIL）该激光器用于深度超过4500m的钻井和完井，

19、可以解决井控、侧钻和定向钻井等问题。,41,1.1 国外现代石油钻机发展现状,特点：精度高，范围大，具有很高的输出功率，并能在光纤中耦合，适用于钻很深的油气井，且成本低。GRI专家认为，对激光钻井的研究，将促进井下激光钻井机械、钻常规井和小井眼钻机的激光钻头、激光射孔工具、侧钻及定向激光钻具的发展。GRI的主要负责人理查德帕克说：激光钻井将使21世纪的石油天然气钻井发生革命性变化。激光钻机将象20世纪初的旋转钻井替代顿钻一样带来彻底的技术突破。,42,1.1 国外现代石油钻机发展现状,激光钻井技术的优点：提高机械钻速；减少钻机平均工作天数和起下钻时间，降低钻井成本；改善井控；减轻钻头磨损；可以

20、精确地控制井眼，并可在井眼周围形成一层坚硬的玻璃化外皮；最大限度地减少或取消同心套管。,43,1.1 国外现代石油钻机发展现状,三、新型液压石油钻机 进人20世纪 90年代以来，随着大功率液压元器件可靠性的提高，特别是比例插装阀技术水平的提高，挪威MH公司采用其特长的液压技术，推出了全液压驱动的绞车、转盘、钻井泵。与此前已推出的全液压顶驱、管子排放系统、液压机械手及天车型液压升沉补偿器，构成了海洋钻机的机械化、智能化操作系统。,44,1.1 国外现代石油钻机发展现状,1、组成 双作用液压缸 游动轭（轭主体、4个直径为2.8m的滑轮、2个导向座）提升钢丝绳（8根，长度固定、平行排列，一端接顶驱装

21、置，一端接钻台上的平衡器总成）平衡器总成（补偿液压缸动作的不平衡）液压缸导向架、顶部驱动装置、液压系统等部件。,45,46,1.1 国外现代石油钻机发展现状,2、优点 与机械驱动相比，液压驱动有着明显的优势。（1）重量大大减轻；比如，一台MH-500-20绞车输入功率为19852940kW，质量为30.8t，而National公司与其相当输入功率为2210kW的绞车（1625UE）质量为 37.93t。一台输出功率为1420kW液压钻井泵质量为 8.7t，仅为常规三缸泵的1/3。（2）允许钻台台面升高，但并不影响总重量和重心，还可将钻杆立根盒移到钻台下面；,47,1.1 国外现代石油钻机发展现

22、状,（3）钻台载荷能力大，能支撑两个长液缸和转盘；（4）钻杆提升和排放都放在钻台上的槽里，此槽还具有鼠洞功能；（5）敞开取放钻杆，并可将立根盒排在钻台两边。,48,1.1 国外现代石油钻机发展现状,挪威MH公司最近生产的用液缸直接提升钻具，取代传统功能的绞车，将其装备在钻深能力为10000m的半潜式钻井平台上。液压驱动具有运动方式转换容易及体积小、质量轻的长处，在大功率液压元器件可靠性提高的情况下，在对钻机体积、质量要求严格的场合，如海上平台及高移运性钻机上成为一种发展趋势。四、连续柔管石油钻机 连续柔管（Coiled Tubing），又称挠性管或软管，简称CT，是一种高强度连续制造的钢管。目

23、前制造的连续长度已达914.47620m。,49,1.1 国外现代石油钻机发展现状,1、发展进程 20世纪50-70年代，国外开始研制软管钻机并应用连续管钻井技术钻井，而连续管钻井技术真正应用在工业上始于上世纪90年代初。近年来连续管钻井技术发展较快，在钻机、钻具、钻井液设计和钻井理论等方面都有很大的进展。这些新进展使连续管钻井技术向成熟化迈进了一大步，并进一步拓宽了连续管钻井的服务市场。,50,1.1 国外现代石油钻机发展现状,2003年，全世界用连续管打了7000口井，每年约递增750850口。用连续管打井最多的国家是加拿大。多数井是精密钻井公司打的，该公司拥有11台连续管钻机，年钻井能力

24、为5001000口。据3000口井的统计，加拿大常规钻井的成本为43美元/ft，而连续管钻井的成本为33美元/ft。另外，2002年加拿大用连续管对800口井的3200多层进行了压裂作业。,51,1.1 国外现代石油钻机发展现状,美国利用连续管钻井的数量不到钻井总数的1%。其中阿拉斯加地区利用连续管钻井的数量最多，约占总钻井数量的4%。而在美国的本土48州，用连续管共打了300口井。在阿拉斯加，连续管侧钻井的成本为利用常规钻井技术钻新井的1/3。2、连续柔管钻井技术的优越性（1）节约费用，与常规钻机钻井相比可节约25%40%。,52,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（2）节省钻井时间，加快钻

25、井速度，缩短钻井周期，避免了因接钻杆可能引起的卡钻、井喷等事故，提高了钻井作业的安全性。（原因：在正常钻进中不用停泵接钻杆，在起下钻过程中可连续循环钻井液）（3）可内置电缆，改善信号的随钻传输，可以实现随钻测量和闭环钻井。（4）对老井重钻、加深钻或侧钻作业中，因柔管直径小可在不取出油管等设备的情况下边采边钻，节约作业费用。,53,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（5）在欠平衡钻井作业中，可确保井下始终处于欠平衡状态，保证作业安全，减少钻井液漏失，防止地层伤害。（6）井场占地面积小，特别适合于海洋平台，地面条件受限制的边远地区勘探和边际油田开发。（7）由于柔管尺寸小，特别适合钻小井眼井。（8）

26、井场地面设备占地少，钻井废弃物少，噪音小，有益于环境保护。（9）钻井设备安装、拆卸、搬运相对简便快速。,54,1.1 国外现代石油钻机发展现状,缺点 连续柔管技术的应用还受到一些因素的限制。目前的连续柔管作业机还只能用于钻井，而钻井前期的准备阶段、下套管、下尾管、完井等都要用常规钻机。另外，井眼尺寸小；连续柔管本身寿命较短。,55,1.1 国外现代石油钻机发展现状,3、连续柔管钻井系统的组成,56,1.1 国外现代石油钻机发展现状,包括作业机及其辅助装置、循环系统等地面设备、连续柔管和井下工具。（1）连续柔管作业机 连续柔管注入头（牵引起下设备）克服浮力和摩阻力将柔管下入井筒内；悬挂连续柔管并

27、控制其下放和提升速度；底部装有载荷传感器，在控制台处显示柔管柱重量和提升力。,57,1.1 国外现代石油钻机发展现状,卷筒 用于绕连续柔管，筒芯直径大小取决于要卷绕的柔管直径和长度。（2）连续柔管 材料：碳钢（482.58MPa）、调质合金钢（551.5MPa）、钛钢（967MPa）、玻璃纤维、碳素纤维,58,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（3）井下钻具组合 连续柔管钻井所用钻头、井下动力钻具、钻铤与测量仪器与常规钻井所用的相同，但连续柔管接头、定向工具、紧急断开接头等则是专门设计的工具。连续柔管接头 联接连续柔管和井下工具组合，并避免井下钻具振动冲击对连续柔管造成损害。紧急断开接头 当钻

28、头或钻铤在井眼中卡住时，能使连续柔管与井下钻具断开。,59,1.1 国外现代石油钻机发展现状,4、近年来连续管钻井技术和设备的最新进展（1）数据和动力传输热塑复合连续管 壳牌国际勘探和生产公司研制出数据和动力传输热塑复合连续管。这种连续管由热塑衬管和缠绕在外面的碳或玻璃热塑复合物层组成，并把光导纤维或铜导线埋在复合连续管的管体中。这种动力和数据传输连续管可负荷1.5kV的电压，输出功率为20kW，输出距离为7km，耐温为150。,60,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（2）增加连续管钻井位移的新工具 大位移技术公司研制成功降摩阻器。降摩阻工具是一种由机械阀驱动的双作用液压缸，这种降摩阻器可使

29、钻具进行微小的往复运动。使用时把降摩阻器连接在钻具总成的上方。在降摩阻器的作用下使连续管产生纵向振动。活塞长度为50100mm，振动频率为28Hz。产生振动的钻井液排量与活塞的长度成反比，一般为100150L/min，使用旁通阀后可使排量大幅度上升。,61,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（3）混合钻机 继Tuboscopes CT/PC集团公司研制出混合钻机后，贝克休斯公司也研制出混合钻机。优点主要体现在下列方面：在修井和安装套管时可以接单根；具有自动控制系统；为模块结构，所以容易搬迁而且井场占地面积小；钻机配备了密闭的钻井液循环系统，可以使用常规的钻井液进行欠平衡钻井。,62,1.1 国

30、外现代石油钻机发展现状,（4）威德福公司的连续管钻井马达系列 威德福公司为发展连续管钻井技术，最近研制出连续管钻井马达系列（CTDR马达）。系列中包括2 1/8in、2 3/8in、2 7/8in和3 1/8in连续管钻井马达。这些马达的共同特点是可以增加钻压，进行磨铣和钻井作业。另外这些马达的输出功率大，钻速高。连续管钻井马达系列的问世使连续管钻具在尺寸、规格和性能上趋于完善。为连续管在钻井领域的应用和推广拓宽了道路。,63,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（5）贝克休斯公司的CoilTracR系统 贝克休斯公司研制出的CoilTracR系统是连续管钻井和评价系统，它把LWD和闭环自动导向

31、结合在一起。可以钻2 3/43 1/2in井眼。（6）斯伦贝谢公司的连续管补偿系统 斯伦贝谢公司通过2年的努力研制成功CT TComp连续管补偿系统。在海上作业期间，CT Tcomp连续管补偿系统能补偿井口的水平和垂直运动，可以保护井口免受冲击和磨损；安装速度快。可用于筒式平台和张力腿平台。,64,1.1 国外现代石油钻机发展现状,据Spear&Associsates公司统计，除俄罗斯和中国外，目前投入服务市场的连续管钻机为800多台。而这些连续管钻机主要为美国和加拿大的一些大的技术服务公司拥有，其中斯伦贝谢公司拥有200台，哈里伯顿公司为105台。表1是美国和加拿大一些大石油技术服务公司拥有

32、的连续管钻机数量。,65,1.1 国外现代石油钻机发展现状,表1 几家大服务公司拥有的连续管钻机,66,1.1 国外现代石油钻机发展现状,交流变频电驱动石油钻机激光石油钻机新型液压石油钻机连续柔管石油钻机,上午好！,67,1.1 国外现代石油钻机发展现状,五、套管石油钻机 套管钻井是一种全新的钻井工业技术，被誉为是21世纪的前沿钻井技术之一。与套管钻井工艺相配套的套管钻机取消了常规的钻杆，用套管代替钻杆进行钻井。1、发展情况 1995年，Tesco公司开始研制套管钻机，并于1998年6月用新型的套管钻机成功地进行了钻井试验，并获得两项美国专利。,68,1.1 国外现代石油钻机发展现状,图6 用

33、于套管或钻杆钻井的LOC250钻机可装在17个国际标准集装箱内运输。,69,1.1 国外现代石油钻机发展现状,2、结构特点 安装在拖车上，采用电液驱动的顶驱装置，通过套管传递扭矩，并带动安装在套管底部钻具组上的钻头旋转钻进。钻头固定在一个专用钻具组的前部，钻具组锁定在套管的底部，并用钢丝绳与钻台上起下钻头的专用绞车相连。当需要更换钻头时，将锁定装置打开，利用绞车将钻具起出，更换新钻头后再用绞车将钻具送入井底，锁定在套管的底部，操作非常方便迅速。,70,1.1 国外现代石油钻机发展现状,注意：钻机的钻进过程也就是下套管的过程，套管下到井里不再提起，完钻后即可进行固井。3、优点（1）简化了钻机结构

34、，减小了钻机尺寸，降低了钻机成本，钻机更轻便，且容易操作和搬迁。（2）节省了大量的钻井管材，节约了大量与钻杆、钻铤有关的采购、运输、检验、维护和更换的费用。（3）采用钢丝绳起钻，比传统的钻杆起钻快5-10倍，减少了起下钻时间。,71,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（4）由于套管自始至终留在井内，大大减少了地层膨胀、井壁坍塌等意外事故的发生，而且不再有抽吸作用和压力波动，从而使井控状况得到大大改善。（5）套管钻机钻井在起下钻或测井时，可继续循环钻井液，防止钻屑沉积，减少卡钻和井涌发生。（6）套管钻机钻井，可以大大改善钻井液水力参数、环形空间上返速度和清洗井筒的状况。,72,1.1 国外现代石

35、油钻机发展现状,（7）可降低钻井成本.据估计，一口井深3000m的井，与常规钻机钻井相比，所需要的费用可节省30%以上，其经济效益十分明显。,73,1.1 国外现代石油钻机发展现状,六、细井筒石油钻机 国外研究细井筒（小井眼）钻井的技术比较早，但这一钻井技术真正引起世界石油界的普遍关注和对小井眼钻机的技术开发还是近十来年的事。世界产油国家都面临已开发油田的老化，从而导致可采储量下降的局面，众多边际油田多属低渗透油藏。美国能源部主动出面组织、资助细井筒钻采工艺的研发，这是一项寓意深远的科技决策和能源发展战略。,74,1.1 国外现代石油钻机发展现状,美国能源部预期，这套正在发展、改进和深化的工艺

36、，将有望用于经济地开发美国本土剩余557.5亿吨石油资源，其中有298.6亿吨石油资源埋深不到1524米，正是这套工艺适应的油藏开发深度目标。,75,1.1 国外现代石油钻机发展现状,1、细井筒定义 关于细井筒的定义，目前各国尚无统一定论，美国细井筒的定义是：对直井来说，全井90%以上井筒的直径小于7in或70%的井筒直径小于5in的井称为细井筒井；对于水平井来说，水平段井筒直径小于6in的井称为细井筒井。细井筒钻采工艺则是指以连续柔管技术装备为中心发展起来的一套集钻井、测试、采油等功能装备和技术于一身的集成技术。,76,1.1 国外现代石油钻机发展现状,2、结构特点 细井筒工艺设备全部安装在

37、一台双排轮的拖车上，由一台标准货运汽车牵引，连续柔管缠绕在滚筒上，在连续管的端部连接马达、钻头或井下工具。,77,1.1 国外现代石油钻机发展现状,78,1.1 国外现代石油钻机发展现状,3、优点（1）减少材料消耗和经费支出；减少钻屑和场地；提高钻井和起下钻速度；（2）可减少钻机的体积和重量，节省钢材，减少拆装、修路、运输等费用；整个系统占据空间只有常规钻机的1/20，重量为一般钻机的1/10，成本不到标准钻机的90。,79,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（3）可大大减少在高风险、高成本作业情况下的资金投入；可发现老油层下面的新油藏；可降低老井再钻的投资成本；（4）装机功率和钻井泵功率小，

38、燃油消耗和排放的废气少，对空气的污染和噪声级别小。4、关键技术 井下钻井系统 井下测井系统 完井设备 固相控制 连续柔管装置。,80,5、适用井类 主要用于浅层开发井、油藏数据监测井和深探井尾部的钻井。,1.1 国外现代石油钻机发展现状,81,1.1 国外现代石油钻机发展现状,第一轮接受资助的公司及正在研发的套技术：斯伦贝谢公司承担研发连续管用超小型钻机；贝克休斯公司承担用于2 3/8in的小型地质导向工具；西方井下工具公司承担研发往水平方向钻入的推拉机具；班德拉公司负责开发的零排放泥浆系统；斯托拉研究公司承担雷达导向系统；采气专业公司负责研发的超小型电潜泵；,82,1.1 国外现代石油钻机发

39、展现状,6、已投入使用的小井眼钻机（1）Foraslim小井眼钻机 1994年4月开始使用，在法国巴黎盆地和威沙里城堡的阿伯拉特姆钻了两批井，井眼直径为85.73mm（33/8 in）。钻速与常规钻机一样，可大幅度降低钻井费用，而且满足环保要求，造价500万美元。（2）全液压小井眼钻机 意大利Soilmec公司生产，已形成系列，共有9个品种，适用于在已开发地区打井。,83,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（3）Kenting小井眼钻机 美国20世纪90年代初研制，初期投资仅相当于常规钻机的20%，包括钻井泵和取心装置在内成本280万美元。钻机承载能力100t，钻深3500m，可钻斜直井和直径

40、171/2in的常规井，也可用大型装置连续取芯。,84,1.1 国外现代石油钻机发展现状,七、重型石油钻机 1997年8月，德国石油化工公司研制成功一种T160型重型石油钻机。1、性能指标 钻井深度：5800m 钻井泵功率：2X1618kW 装机功率：4780kW 转盘开口直径：950mm 发动机功率：4X1195kW 最大钻柱重量：375t 井架高度：61m 最大钩载：580t 钻台高度：11m 顶驱装置功率：735.5kW 绞车功率：1838.7kW,85,1.1 国外现代石油钻机发展现状,2、性能特点（1）由现代化的操作台控制；司钻可以坐着操作；重要钻井设备的参数直接由操作台上的钻压表、

41、钻速表、压力表的数字显示系统显示。（2）动力由四台CAT3512型B系列12缸涡轮增压柴油机提供，通过SCR电桥将电流分配给钻井泵、绞车和顶驱装置的直流电动机并驱动各钻井设备。,86,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（3）绞车型号为GH-2500EG，由两台GE-752高扭矩电动机驱动，该绞车取消了带式刹车，装有电磁涡流刹车和紧急刹车及停机时用的制动盘，还装有自动送钻装置，结构紧凑，放置在钻台后边冷却罐的上边。（4）钻井泵为两台National 14-P-220三缸单作用泵，每台泵有两台GE-752高扭矩电动机驱动，每台泵重55t。（5）钻机的顶驱装置为电动式，型号：DDM 650LV，挪威

42、生产。由一台GE-752高扭矩电动机驱动。,87,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（6）钻机配有型号为1898的液压遥控的铁钻工，可以上卸3.59.5in钻杆和加重钻杆，从而保证了起下钻作业的安全。（7）井架各节连接为插接组合式，而不是螺纹连接，所以安装拆卸十分方便省时，运输也十分方便。,88,1.1 国外现代石油钻机发展现状,八、科研用石油钻机 据资料介绍，美国阿莫科公司新设计了一种用于钻井技术和岩石物理技术试验的第11号科研钻机。该钻机已经在美国俄克拉何马州阿莫科公司试验基地投入使用，并取代了原来的“蓝色钻机”。（1）设计上有带枢轴的导轨系统，钻机可沿一半圆轨道滑动搬迁，搬迁时间缩短（2

43、-3天缩短到2-3小时）。（2）起下钻速度提高（75%），利用一个小鼠洞能用18m立根钻进。,89,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（3）配有小井眼的41/2in铝质钻杆和27/8in钢质钻杆。（4）井架高32.6m，液压动力水龙头在250r/min时的额定扭矩约为5kNm。（5）有两个转盘，其卡瓦尺寸分别为171/2in和271/2in。（6）提升系统的额定载荷能力为890kN。（7）钻井液系统由6个罐组成，总容积48立方米;配有一台三缸钻井泵（4902650L/min）;另外考虑低排量的需要，还配有几台小型钻井泵。,90,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（8）固控系统包括两套超细振动筛

44、及相关配套设备。（9）试验基地备有钻小井眼井和短半径井的修井机，其额定钻深能力600m，额定大钩载荷180kN。（10）试验基地有一套阿莫科高速钻井技术试验设备，这套高速钻井系统包括：钻井和完井实验设备、钻井水参数试验闭环系统、固控实验设备、钻井/模拟系统室内钻机等。（11）试验基地的地质条件具有多样性，且各种地层埋藏浅，有365m宾夕法尼亚系地层、121m泥泥盆系/密西西比系层段和701m高武系/奥陶系地层。,91,1.1 国外现代石油钻机发展现状,九、超高压射流钻井设备 美国Flowdrill公司研制出一种双管钻井系统，从钻杆内中心高压管中输入100MPa的高压钻井液，井底喷嘴的射流速度高

45、达200m/s，压力降达80MPa，在硬岩石中的钻速比常规旋转钻井法提高45倍。这一超高压射流钻井法已经用于工业浅井钻井，用80100MPa的高压液流就可以钻破岩石，但专家认为这一钻井系统只能用于浅井钻井。,92,1.1 国外现代石油钻机发展现状,总的来说，从国外石油钻机发展的现状来看，在将来的一段时间内，石油钻机的发展趋势出现四化：多样化、两极化、自动化和人性化。1、类型趋于多样化：根据井位环境差异和钻井工艺需要，开发出不同类型的石油钻机：如适应各种环境的沙漠钻机、海洋钻机、浅海或海滩钻机、极地钻机、城市钻机、地震区钻机、全地形钻机、直升机吊运钻机和陆地钻机等；适应各种钻机工艺的丛式井钻机、

46、斜井钻机、细井筒钻机、特深井钻机、自走式钻机、自动化钻机、连续柔管钻机、模块化钻机等。,93,1.1 国外现代石油钻机发展现状,2、规模趋于两极化 1）深井钻机趋向大型化（钻深能力已达15000m，最大钩载达12500kN）2）轻便石油钻机趋向小型化 3、控制趋于自动化 顶驱、盘式刹车技术的逐步成熟，以及电动控制技术、液压驱动技术和可靠性的逐步提高，为实现钻机的自动化提供了可能，再加上海洋及深井等复杂工况下，钻井工艺及成本对钻井装备的要求使得钻机控制自动化成为钻机发展的一个重要趋势。,94,1.1 国外现代石油钻机发展现状,4、设计趋于人性化 新型钻机充分体现以人为本的思想，最大限度满足HSE

47、要求：1）护栏、梯子要满足安全规定。比如，上下井架有助力器，二层台有逃生器，钻台上有逃生滑道；钻机本身设有天车防碰和紧急刹车装置，避免游车大钩碰撞天车，并能在任何情况下迅速制动大钩和绞车。2）选用无公害的摩擦盘（片）、刹车块、油漆，保证员工健康。3）刹车毂、辅助刹车的冷却水循环使用，柴油机排放满足环保要求。,95,1.2 国内石油钻机发展现状,发展战略：利用国内外两种资源和开发国内外两个市场。指导方针：稳定东部，发展西部、油气并举，向气倾斜、开发蓝色国土，发展海洋石油 我国的石油钻机在标准化水平、技术和制造水平及研究开发能力、产品质量和品种等方面有了较大的提高和发展。,96,1.2 国内石油钻

48、机发展现状,一、我国石油钻机标准的再次修订 1999年，修订GB1806-86国家石油钻机标准，制订了我国新的石油天然气行业标准SY/T 5609-1999石油钻机型式与基本参数。1、石油钻机的级别由6级增加到9级 每个级别代号用双项参数表示，前者乘以100为钻机名义钻深范围的上限数值，后者是以kN为单位计的最大钩载数值。ZJ10/600、ZJ15/900、ZJ20/1350、ZJ30/1700、ZJ40/2250、ZJ50/3150、ZJ70/4500、ZJ90/6750、ZJ120/9000,97,1.2 国内石油钻机发展现状,2、绞车设计名义钻深范围的标定问题 为了与国外的通行做法一致，

49、在新标准中采用了114mm（41/2in）钻杆，以钻柱名义平均重量30kg/m来计算和标定各级钻机的名义钻深范围。新标准也保留了原标准中以127mm（5in）钻杆标定名义井深范围的做法。3、取消了原标准中“最大钻柱重量”参数,98,1.2 国内石油钻机发展现状,4、关于转盘开口直径的规格问题 考虑不同井深的需要，15、20、32三级钻机均增加两种规格，其余各级钻机增加到三种规格，便于油田用户有充分的选择余地。5、关于钻井泵功率问题 只规定了各级钻机的钻井泵配备单台泵的功率不小于某一基本功率值，扩大了油田的选配范围，能更好的满足油田钻井的需要。6、关于钻台高度的问题 增加了钻台高度的品种数。,9

50、9,1.2 国内石油钻机发展现状,7、为提高120/9000级别钻机的起下钻速度，推荐采用能起下4个单根连接成37m立柱的井架。8、关于石油钻机型式和型号的表示Y液压钻机 DJ交流电动钻机DZ直流电动钻机 DB交流变频电动钻机L链条并车 J三角胶带并车C齿轮传动 Z自行式车装钻机T半拖挂车装钻机 9、取消了关于柴油机转速的推荐做法,100,1.2 国内石油钻机发展现状,二、新型石油钻机的研制和开发 我国生产石油钻机的主要企业：兰州石油化工机器总厂 宝鸡石油机械厂 兰州石油机械研究所 大庆钻井二公司 江汉第四石油机械厂 20世纪90年代以来，这些企业先后研制出各种型式的石油钻机约25个品种。,1