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石油钻采机械新技术中国石油大学机电工程学院——刘猛1 钻井机械新技术 90年代以来，国外在小井眼钻机、套管石油钻机、液压钻机、交流变频石油钻机、连续软管石油钻机、激光石油钻机、自动化石油钻机及钻井泥浆泵、固控设备、井控设备、井下动力钻具、顶部驱动钻井设备等设备和技术方面有了较大发展，并取得显著成效1.1 国外石油钻机发展现状1.1.1 交流变频电驱动钻机 在满足石油钻井工艺要求方面具有现用机械驱动钻机和直流电驱动钻机无可比拟的优越性能其核心技术为交流变频调速技术 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 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，是当代石油钻机的发展趋势ALSTON公司生产的交流变频钻机 代表了当今世界交流变频钻机的一流水平 采用分布式控制系统，具有易操作、高精度、高可靠性、人工智能化、自动化和可视化等功能包括：扭矩控制系统（顶驱或转盘控制系统）； 刹车控制系统； 平衡控制系统； 游车控制系统； 灌注控制系统； 泥浆泵及能量回馈控制系统； 各子系统采用闭环系统控制，具有智能化和自适应功能。

与机械驱动钻机、直流电驱动钻机相比具有如下特点： 绞车、转盘可实现无级调速，调速范围宽； 电机短时增矩达1.5~2倍以上，提高提升能力和处理事故能力； 具有恒功率宽调速特性，大大简化了钻机机械结构； 具有转盘扭矩限制功能，防止钻具扭断； 交流变频技术对电机具有安全保护功能； 具有软启动功能，可降低供电电源容量； 带载情况下可平稳启动、制动和调速；下钻时可实现对电网的能量反馈，减少制动装置损耗，节约能源； 易于实现钻机的自动化、智能化和对外界变化的自适应控制； 价格便宜；维护费用低；使用安全可靠，易于操作管理； 体积小、容量大，安装、拆卸、搬迁方便灵活1.1.2 激光石油钻机 激光钻井将象本世纪初的旋转钻井替代顿钻一样带来彻底的技术突破 激光钻井技术的优点： 可降低钻井成本，提高机械钻速，改善井控，减少钻机平均工作天数、钻头磨损和起下钻时间，可精确控制井眼，并能在井眼周围形成一层坚硬的玻璃化外皮，可最大限度的减少或取消同心套管。

MIRACL激光器发出的能量能洞穿数英里外的战术战略目标 菲利普斯公司用兆瓦级MIRACL激光器进行钻孔实验，激光束在1s钟内可穿透60mm厚的砂岩-页岩-砂岩夹层，至少是目前常规钻井的100倍 化学氧化碘COIL激光器，用于空对空防御，并能跟踪摧毁导弹 COIL激光器精度高，范围大，具有很高的输出功率，并能在光纤中耦合，故适用于钻很深的井，用于深度超过4500m的钻井和完井，可解决井控、侧钻和定向钻井等问题，且成本较低 专家认为：对激光钻井的研究，将促进井下激光钻井机械、钻常规井和小井眼井（连续油管）的激光钻头、激光射孔工具、侧钻及定向激光钻具的发展1.1.2 激光石油钻机1.1.3 新型液压石油钻机组成：双液缸、游动轭、提升钢丝绳、平衡器总成、 液缸导向架、顶部驱动装置、液压系统等 导向架取代井架优点：重量大大减轻（可减去200~4000t以上）； 允许钻台台面升高，还可将钻杆立根盒移到钻台下； 钻台承载能力大，能支撑两个长液缸和转盘； 敞开取放钻杆，并可将立根盒安排在钻台两边；1.1.4 软管石油钻机 1991年开始工业应用，并打出了1062米水平井。

1997年壳牌公司在北海应用软管钻井技术在垂深3860米处成功进行了侧钻，创造了利用软管钻井技术侧钻垂深的最大记录优越性：与常规钻机钻井相比，节约费用25%~40%； 不停泵接钻杆，起下钻可连续循环泥浆，节省了钻井时间，加快了钻井速度，缩短了钻井周期，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； 连续软管可内置电缆，实现随钻测量和闭环钻井； 占用场地面积小； 软管尺寸小，特别适用于钻小井眼井； 钻井设备安装、拆卸、搬运相对简便快捷 1.1.5 套管石油钻机 钻机安装在拖车上，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，锁定在套管底部操作非常方便迅速。

钻头为可以收缩的扩孔钻头，钻进时扩孔钻头张开，这样就可以钻出大于套管内径的井眼钻机的钻进过程就是下套管的过程，套管下到井里不再提起，完钻后即可进行固井 优点：简化了钻机结构；节省材料费用；起下钻速度快；套管始终留在井内，减少了井壁坍塌、键槽等事故的发生；3000米井可节省成本30%以上1.1.6 小井眼石油钻机 小井眼钻井可降低油气勘探和开发成本、提高经济效益、减小环境污染 小井眼：全井90%以上的井段直径小于7in，或70%以上的井段直径小于5in；对水平井为水平段直径小于6in 优点：节省泥浆、钻头、钻杆、套管、柴油等费用；减小场地，提高钻井和起下钻速度；减小装机功率，减轻环境污染；用于打加密井，可采储量将增加50%1.1.7 重型石油钻机 最大钩载580t 1.1.8 科研用石油钻机1.1.9 超高压射流钻井设备1.1.10 交流变频电驱动钻机绞车1.1.11 大功率三缸单作用钻井泵 最大输入功率2200hp，最大水功率1980hp1.2 国内石油钻机发展现状1.2.1 再次修订了我国石油钻机标准 GB1806-1979：ZJ20、 ZJ32、 ZJ45、 ZJ60、 ZJ80 SY/T5609-1993： 15、20、 32、 45、 60、 80 SY/T5609-1999：10/600、15/900、 20/1350、 30/1700、 40/2250、50/3150、 70/4500、90/6750(90/5850)、 120/9000 新增加三种钻机型号： 10/600、 30/1700、120/9000 1.2.2 研制和开发了一批新型钻机 根据油田要求和境外石油勘探开发的需要，1995年中石油胜利油田钻机方案定型会议关于我国发展钻机的意见： 2000m及以下级别钻机，要大力提高运移性； 3000m及以下级别钻机，发展机械驱动钻机为主； 4000m级别钻机，发展电驱动和机械驱动两种级别的钻机； 6000m及以上级别钻机，发展电驱动钻机为主。

先后研制出各种级别的钻机约25个品种ZJ20(25)JD型、ZJ20J型、ZJ32J型(正车减速器传动型) 、ZJ60L型、ZJ10B型轻便钻机、ZJ15X型斜井钻机、ZJ15型钻、 ZJ20B型机（液力传动变速箱）、ZJ20DY型电液驱动钻机、GW-M1000型沙漠钻机（宝石厂-长城公司）1.2.2 研制和开发了一批新型钻机ZJ32J改型、 ZJ32-SL1型、 ZJ32L(宝)型、 ZJ32L(兰)型、ZJ15D型、ZJ15DB型、ZJ40/2250DB型、ZJ45L型、ZJ50D (兰)型、ZJ50D (宝)型、ZJ60DS型、ZJ70D (兰)型、ZJ70D (宝)型1.2.3 研制出几种新型钻井泥浆泵新型5缸钻井泥浆泵、双缸单作用液压泥浆泵、高压隔膜泥浆泵1.3 国内外钻机技术发展水平分析1.3.1 我国钻机技术水平有了很大提高 与美国Ideco、Emsco两公司的钻机相比较，在14种主要技术指标中： 钻井深度、最大钩载、钻台高度等3个技术指标略低于美国Emsco公司的钻机； 钻台高度技术指标略低于美国Ideco公司的钻机； 绞车输入功率、钻井泵功率2个技术指标与美国两公司钻机相同； 其余技术指标均高于或优于美国两公司钻机。

1.3.2 与国外石油钻机技术水平的差距 与国外钻机的整体水平相比，我国还存在很大差距： 品种较少、型号单一、规格不全、适应性差、产品结构不合理； 在用钻机普遍老化，更新速度慢，严重影响我国新型石油钻机的发展； 在用钻机中先进的电驱动钻机太少，90%多为机械驱动钻机；中型钻机模块化程度很低，钻机搬家占用的车次和时间很多，与国外钻机差距较大； 国产钻机的链条、传动带、轴承、气控元件、橡胶键、缸套、活塞、泵阀及柴油机等基础键、易损件的寿命、可靠性等仍需下功夫提高1.3.3 发展我国石油钻机的建议 21世纪是天然气的世纪，建议大力开展与天然气勘探、开发、储运、液化、转化等有关的各类技术和设备的研究和开发工作； 系列化发展我国的交流变频石油钻机，更新改造大批严重老化的石油钻机； 加速各型钻机的模块化设计，提高模块化水平； 加大发展先进石油钻机的投资力度，再上新水平； 尽快将先进的盘式刹车和自动送钻新技术应用到深井钻机上； 2 井下单螺杆钻具 单螺杆钻具具有零部件少、结构简单、维修工作量小的特点，性能上具有低速大扭矩的特征，单头螺杆钻具输出转速小于400rpm，多头螺杆钻具输出转速为90~150 rpm，适合与牙轮钻头配套钻井。

2.1 国外螺杆钻具发展情况 70年代后期，定向钻井技术仍以转盘钻井为主，即用井下动力钻具-弯接头组合造斜，然后用转盘钻增斜、稳斜、降斜，并在必要时用井下动力钻具-弯接头组合扭方位每改变一次定向作业（造斜、增斜、稳斜、降斜或扭方位）都需要起下钻更换下部钻具组合2.1.1 导向及水平井用螺杆钻具 PDC钻头的问世和随钻测量（MWD）系统的推广，促进了螺杆钻具的广泛应用据统计，1985年以来，美国墨西哥湾的60%的定向井都是用螺杆钻具导向系统完成的在水平井和大斜度井中，螺杆钻具的使用量更是剧增，几乎90%的大、中半径水平井的下部定向造斜井段和水平井段，都是由螺杆钻具完成的 1977年Tenneco公司在阿布扎比的一口定向井中试用了一种带偏心稳定器的涡轮钻具由于偏心稳定器使钻头产生的偏移距离较小，因而这套下部钻具组合可选择性的采用滑动钻井方式（钻柱不旋转）和旋转钻井方式，减少了起下钻次数，提高了钻速和轨迹控制精度，降低了钻井费用，将井眼轨迹控制技术发展到了一个新的阶段——连续控制井眼轨迹技术导向螺杆钻具 常规的“弯接头+螺杆钻具”组合，由于弯接头位于螺杆钻具上方，距钻头较远，使钻头和螺杆受到的侧向力较大；弯曲角度固定，不能在旋转钻柱的情况下稳斜钻进，因而只能用于造斜和扭方位，是定向作业不能连续进行。

作为导向钻井系统核心的导向螺杆钻具，可克服这一不足，在一定程度上实现了水平井钻进和井眼轨迹控制的连续性反向双弯螺杆钻具和单弯螺杆钻具 万向节外壳在同一平面内呈反向双弯或只呈一次弯曲，使钻头轴线相对于井眼轴线稍微倾斜由于弯曲部位距钻头很近，所以钻头偏移距和侧向力较小采用旋转方式时，钻头便稳斜钻进（稳斜段井径略大于钻头外径，但在允许范围内）导向螺杆钻具可变弯接头+螺杆钻具 普通弯接头加螺杆钻具在定向井和水平井使用了多年，但其起下钻阻力较大，下钻时钻头有泥包的可能性，需要改变弯曲角度时，必须起出整个钻柱更换弯接头 可变弯接头包括电动式和机械式两种 电动式弯接头靠电缆传递的信号改变弯曲角度 机械式弯接头靠投球改变弯曲角度 现场实验取得好的效果，具有减少起下钻次数、提高轨迹控制效率与精度、降低钻井成本等优点 缺点：不能与各种测量工具（如MWD）配合使用；电动式弯接头不能旋转钻柱，即不能稳斜钻进；机械式弯接头改变角度的次数优先，最多只能投20个球 液压式可变弯接头——增加泥浆流量改变弯角值。

2.1.2 螺杆钻具新技术 抗疲劳传动轴——采用新的高强度传动轴材料，改进结构设计，消除应力集中； 径向轴承——以前的轴承带有碳化钨硬质合金嵌块，耐磨但易碎新材料在坚韧的坯体内带有较小的硬质合金颗粒，有优良的耐磨性，可避免大冲击负荷下破碎； 止推轴承——开发出金刚石止推轴承，其占用空间略小于球轴承，承载能力明显提高； 定子材料——多年来定子材料一直采用丁腈橡胶以开发出新型定子材料——氢化腈化学上更稳定；高温下及暴露于酸气、柴油及水时具有更强的抗变能力； 定子温度——测定各种温度下的定子形态，并将其用于确定转子尺寸，使定、转子在京下循环温度下保持良好配合； 可调节部件——壳体允许在00-30的角度范围内调节2.2 国内螺杆钻具发展情况 世界水平井钻井技术的成熟，国内水平井钻井装备得到充分发展，适用于大中半径水平井的单弯、双弯钻具、导向钻具等都具备了相当的设计和制造能力，且能够生产可调角度的双弯导向马达，配备各种形状的扶正器和弯接头供井队选择；螺杆钻具寿命已达150小时以上。

国产高温钻具可以在150度以上的深井作业中保持良好的性能和机械钻速； 具有转子中空分流装置的大排量钻具，不仅有利于随钻测量仪器的工作，而且泥浆上返速度大，清洗井底效果好； 国内油田主要依靠国产螺杆钻具完成水平井和定向井钻井任务；并已出口中东地区 2.2 国内螺杆钻具发展情况差距： 适用于短半径水平井的螺杆钻具国内尚属空白用于短半径水平井的铰接马达，国内虽有研究，但仍存在诸多技术难题； 新技术、新工艺的采用及专业研究方面，缺少资金和技术人才的投入，新产品开发速度慢，与我国钻井技术的发展不协调3 顶部驱动设备顶部驱动技术是转盘钻机问世以来的几项重大变革之一液压盘式刹车、液压钻井泵、交流变频驱动、顶部驱动 1981年12月Varco-BJ公司研制的Top Drive System投入使用，以后逐渐被石油钻井界所采用目前海上平台或钻井船几乎全部装备了顶驱，陆地钻机正陆续装备顶驱 3.1 结构组成 动力驱动装置——电动或液压，经齿轮减速，提供动力； 倾斜装置——气动或液动，接单根、取立根； 管子处理装置——由扭矩钳、内防喷控制阀、执行机构组成，扭矩钳在液压作用下，可在任何时候及位置完成上卸扣； 扭矩管、平衡系统、冷却系统——扭矩管即导轨，扶正并将反扭矩传递给井架底座；平衡系统采用双液压平衡液缸，作用类似于大钩弹簧；冷却系统提供冷却空气； 控制系统； 钻井液循环系统。

3.2 顶驱系统的优点 安全的操作系统（人身和钻井安全——采用立根钻进，接单根次数减少，倾斜装置可使吊环吊卡摆至小鼠洞或二层台指梁，减少了作业者的危险程度；起下钻遇阻，可以开泵循环、旋转钻柱进行划眼作业；下套管遇阻可迅速接上大小头，边循环边旋转变下放；顶驱内的防喷阀及执行机构，发现井涌时可立即执行井控动作；设备安全——上扣平稳，避免上扣过盈或不足；设定钻井最大扭矩，超过此值，马达立即停止，调整参数后再正常钻进 节约辅助钻进时间，提高钻井效率（立根钻井节约辅助时间，减少了每次接单根后重新调整工具面角的时间，提高了取芯收获率，可减少钻井时间10~30%） 特别适用于定向井、水平井（定向井、水平井提钻时阻力大，可倒划眼） 安装维护简单、操作方便灵活3.3 顶驱系统的发展动向 向陆地钻机发展 向静液传动和交流变频电机驱动方向发展3.4 国内顶驱系统发展现状 引进、吸收消化、自主设计制造 1989年引进第一台，1995年生产出第一台国产顶驱装置DQ-60D，成为继美国、挪威、加拿大、法国之后第五个生产顶驱的国家。

以后又相继研制出了DQ60P、DQ20H顶驱装置 DQ60P为轻便顶驱装置 DQ20H为液压顶驱装置4 抽油机 我国机械采油井约占油井总数的90%以上，其中由抽油机—抽油杆—抽油泵组成的三抽井占80%左右，产量占75%以上4.1 游梁式抽油机 双驴头抽油机、摆杆式游梁抽油机、曲游梁抽油机4.2 无游梁抽油机 链条抽油机（ROTAFLEX抽油机、9899工厂直线抽油机、无换向架链条抽油机） 滚筒式抽油机（钢带抽油机、摩擦轮抽油机、电机换向滚筒抽油机） 天轮式抽油机摆杆式游梁抽油机 曲游梁抽油机 链条抽油机的两种换向机构 a—无换向架链条抽油机； b—普通链条抽油机 天轮式抽油机机构简图 4.3 液压抽油机4.4 连续抽油杆抽油机4.5 车载抽油机5.1 刚性抽油杆超高强度抽油杆（国产杆的某些指标已超过国外）玻璃钢抽油杆电加热抽油杆空心抽油杆不锈钢抽油杆（国内尚无）喷涂不锈钢抽油杆（国内尚无）铝合金抽油杆（国内尚无）5 抽油杆5.2.1 国外发展情况 钢带抽油杆——原苏联、瑞典等国研制成功钢带抽油杆：厚2~3.5mm，宽45mm。

与其配套的为钢带抽油机 碳纤维抽油杆——美国80年代初研制出碳纤维抽油杆，厚1.8~5.38mm，宽35.6~36.83mm重量轻；柔性好、摩擦小、减小负荷、节省动力；强度高、弹性模量大、抗疲劳、耐腐蚀 半刚性连续金属抽油杆——加拿大艾尔伯达Corod公司研制出截面为椭圆形的半刚性连续金属抽油杆，重量比常规杆减轻8~18%，抽油机负荷减轻25.8%；抽油杆起下作业快；缠绕抽油杆的滚筒直径很大5.2 柔性抽油杆5.2.2 国内发展情况 异型钢丝绳连续抽油杆——宁夏恒力集团公司于90年代中期研制成功异型钢丝绳连续抽油杆，强度极限达到1470MPa主要问题出现在接头上 半刚性连续金属抽油杆——胜利高原公司研制出截面为椭圆形的半刚性连续金属抽油杆，现已在油田使用 碳纤维抽油杆——近年来国内多家公司研制碳纤维抽油杆，现处于试验阶段 6 抽油泵 整筒抽油泵取代衬套式抽油泵是抽油泵方面最主要的技术进步之一，整筒抽油泵显著提高了泵的容积效率（比衬套式抽油泵约提高20%），延长了柱塞泵筒副的使用寿命，并可节约40%左右的优质钢材。

为适应多种油井条件的需要，除了标准抽油泵以外，出现了许多特殊类型的抽油泵例如，用于大排液量的双作用泵和套管泵，适用于高油气比井的防气泵，适用于稠油开采的流线型泵和液压反馈泵，适用于多砂油井的防砂泵（如自润滑式防砂泵、伸缩式三管防砂泵等），在定向井中采用的悬挂泵，可用于深井采油的过桥泵等6 抽油泵 泵筒采用了多种原材料和热处理工艺： 渗氮；碳氮共渗；复合涂层；镀硬铬（在高矿化度介质中，可能是较好的处理方法）等工艺 柱塞： 镀硬铬；喷焊镍基合金；正在试验喷涂陶瓷等工艺 在提高柱塞—泵筒副的耐久性上： 泵筒材料和柱塞材料的合理匹配； 泵筒—柱塞副材料与油井条件相匹配不同含砂量、不同油井介质，应选用不同的泵筒—柱塞副材料为了提高阀组件的抗腐蚀性，用高碳铬不锈钢和铸钴等材料替代一般的不锈钢此外，正在研制不同密度的耐腐蚀、抗冲刷的阀球，以满足开采不同密度、不同粘度原油的需要6.1 国外发展现状俄罗斯新型有杆泵——活塞式有杆泵(内部装有带一组刚性密封环（根据压降的要求数量为20～36个）的新型组装式活塞，用它来代替光滑的柱塞密封环与泵筒轴线偏心地装配在橡胶活塞外圈上，并借助于另一个弹性元件将其互相卡紧。

这样安装的密封环可以最大限度地封堵液流通过密封装置 ) “真空”腔室式双柱塞抽油泵（用来开采粘油和稳定粘性的油水乳化液当抽油机驴头下冲程时利用“真空”腔室造成对抽油杆和柱塞的向下作用力，以使它们产生向下的强迫运动 ）俄罗斯隔膜式抽油泵 （利用隔膜将抽油泵的工作元件加以保护，防止与含砂、含盐和含腐蚀性介质的地层液相接触，延长抽油泵的使用寿命 ）特殊结构的长冲程抽油泵 （多节泵筒结构保证了柱塞的最大冲程长度达20m ）6.1 国外发展现状吸入阀强制工作的有杆泵配置旋转柱塞的杆式抽油泵双作用泵送系统（在井下就地将部分地层水回注 ）钢带式超长冲程特种抽油泵（抽油柱塞的冲程长度很大，可达几百米柱塞是固定在专门管子上的由弹簧压紧的多节密封元件，管子内装有普通抽油泵的阀件）喷涂柱塞陶瓷；陶瓷球；6.2 国内发展现状双柱塞反馈抽油泵（有助于柱塞克服阻力作下冲程 ）增压抽油泵（能量补偿装置）（增加泵吸入口压力）液压反馈式增压抽油泵（增加泵的进油阀吸入口处的压力，提高泵的充满度）HLB型空心环流稠油抽油泵（解决稠油粘度高，摩擦阻力大，容易出现原油不进泵、抽油杆柱下行困难和油管结蜡等问题 ）浸入式抽稠油泵（在上下冲程过程中，稠油均可进入泵筒，进油时间是普通泵的两倍，泵的充满程度高，因而可大大提高泵效 ）防喷式稠油抽油泵（井喷发生时，只需轻便操作，缓慢下放柱塞至完全进入泵工作筒，便能立即制止井喷）机械强制阀式抽油泵、有杆射流增压抽油泵、动筒式杆式抽油泵、斜井抽油泵等。

6.3 国内外发展水平比较 从国内外抽油泵研究方面的情况来看，我国的研究水平与国外基本相当，都研制出了多种适应不同使用场合的抽油泵产品但从胜利油田的现场调研情况来看，国产抽油泵的使用寿命比进口抽油泵的使用寿命短主要原因是国外抽油泵的材料和热处理工艺优于国产抽油泵，而这方面的技术恰恰属于国外保密的范围，也是我们的差距之一 此外，在长冲程抽油泵的研究方面我国落后于外国，目前还没有冲程长度超过8米的抽油泵，而国外已有几百米冲程长度的抽油泵当然，抽油泵的发展必须与抽油机的发展同步，没有长冲程抽油机，长冲程抽油泵是没有市场的 6.4 我国今后的发展建议 加大对抽油泵材料和热处理工艺的研究力度，努力提高抽油泵的使用寿命； 大力发展整筒抽油泵，同时要优化整筒泵的表面处理工艺，在提高泵效的同时，提高抽油泵的寿命； 研究长冲程抽油泵，并将其与长冲程抽油机的研究结合起来长冲程抽油泵是利用油管作为泵筒，因此其关键技术是如何研制特殊结构的柱塞（封隔器）； 。