国内外石油钻机技术发展现状及趋势

(一)总体设计技术

石油钻机是完成石油钻井任务的主要工具。从其出现之日起，就与钻井工艺密不可分。相互促进，共同发展。随着科学技术的不断发展，国内外钻井技术和装备也得到了长足的发展。回顾钻井技术和装备发展的历史，可以看到促进钻井技术及装备的发展的动力主要有：提高劳动生产率，降低劳动强度；降低消耗；提高可靠性、安全性和环保要求；以及经济性要求——将成本降到最低。对钻机的要求可从钻井工艺的发展需求上看出：

※钻井速度更快

1、起升系统能力不断加大

随着钻井工艺的不断完善，特别是随着定向井、水平井钻井工艺的不断成熟，钻井深度不断加大，或有一些大斜度井、水平井，虽然垂直深度并不大，但水平位移大。这就要求钻机的起升能力不断加大。更由于海洋深水钻井作业的需要，使钻机的起升能力达到空前的高度。如今，钻井深度为7000m的钻机已很普遍，9000m～15000m钻机也已出现，15000m以至更大钻机的出现也是指日可待的。随着钻机起升能力的加大，也伴随着如顶驱、钻井泵等装置的不断加大，从而引起钻机设计、制造上的不断突破。

2、绞车、钻井泵功率不断加大

在起升能力加大的同时，要提高钻井效率，必须要提高绞车和钻井泵的功率。绞车功率已从2205kW（3000hp）到2941kW（4000hp）以至出现了4412kW（6000hp）的绞车。钻井泵也从735kW～956kW（1000hp～1300hp）到1176kW（1600hp）以至出现了1618kW（2200hp）的钻井泵。同时，钻井泵的最高泵压也从20MPa升高到35MPa。钻井泵功率的加大和配置台数的增多，以及最高泵压的加大，也使得实现深井和超深井的高压喷射钻井工艺成为可能。也就提高了钻井的效率。

3、控制参数不断增多

为不断提高钻井速度和钻井效率，特别是随钻测量系统的不断成熟，钻进过程中司钻要监视和控制的参数也不断增多。从原有的钻压、转速、泵压三个主要参数，增加到8～10个之多。这就要求钻机的测量控制系统有更高的能力。在加装多参数测量仪的基础上，又出现了数字化钻机，以至智能化钻机。当然，计算机技术和现代通讯技术的不断完善和全面普及，无疑是促进钻机向数字化，以至智能化方向发展的强有力的推动力。

4、辅助设备不断增多

为不断提高钻井速度和钻井效率，减少工人的劳动强度，井场辅助设备也不断增多。主要体现在：

(1)钻井液固相控制设备的增多：钻井液固相控制设备由原有的振动筛、除砂器、除泥器、除气器，增加了离心分离机，（真空）除气器。钻井液配置设备也增加了如剪切泵，出现了密封的添加剂加入装置等。

(2)气液分离设备和油水分离设备的增多。

(3)井口机械化程度不断提高：液压套管扶正机、二层台液压机械手、钻柱机械化上下台设备。

(4)气源净化和强制冷却设备等专用辅助设备。

※适应性更广

1、钻机分档合理

2、驱动方式多样化

3、机械化程度不断提高

4、自动化程度不断提高

5、智能化程度不断提高

6、新型钻井方式不断出现

※消耗降低

1、功率分配更合理

2、结构设计更巧妙

3、占地面积小

4、短距离整体移动

5、完井方式的改变

※可靠性、安全性、环保要求不断提高

1、部件、整机的可靠性要求不断提高，故障停机时间有严格要求。

2、部件、整机的可维护性提高，在规定的时间内可修复。

3、HSE（健康、安全、环保）要求提高。包括HSE设计理念和HSE管理体系的形成。

※经济性要求不断提高

1、钻机配套更灵活。

2、钻机根据不同环境需求专门设计、制造。

3、转盘、钻井泵要求独立驱动

※灵活性提高

1、配套更灵活

2、运移方式多样化

3、井架形式多样化

4、底座形式多样化

◎概括起来，钻机设计、制造的趋势如下：

1、全面规划、合理布局

制订标准，使绞车按功率合理分级，钻机按钻井深度合理分级，常规钻机严格按标准设计、制造，使用户更方便的选择，更灵活、经济的使用钻机。

2、部件标准化设计制造

钻机大部件，如：绞车、大钩、游车、水龙头、钻井泵等，按标准分级成标准化的部件，钻机设计时像搭积木式的选用即可。

3、钻进驱动方式多样化

现有转盘驱动、底部驱动、顶部驱动和复合驱动等驱动方式，可供用户根据需要选择。

4、测量控制系统进一步加强

测控系统从井口控制到井底测量多点测控，安全监控，信息自动测控传递，直到智能化钻机、数字化钻机。

5、辅助设备机械化程度进一步提高

如配备钻柱自动排放和上下台装置、钻井液处理设备、防喷器吊装装置等。

6、适应新工艺的发展

新型钻机不断出现，如小井眼钻井钻机、套管钻井钻机、连续管钻井钻机、膨胀管钻井钻机等。还有如欠平衡钻井钻机、空气钻井钻机、泡沫钻钻井钻机等。

◎目前各级钻机的发展趋势

1、对3 000 m以下的钻机，由于钻井载荷小、钻井周期短、搬家频繁，要求钻机要具有良好的移运性、经济性、技术先进性和可靠性。根据地域条件和运输条件的要求，可分为车装钻机和撬装钻机两种形式，应大力推广车装钻机，同时发展撬装钻机，电力供应充足的地区，使用电驱动钻机。今后需要开发高速柴油机、阿里逊传动箱和小节距传动链条。

2、4 000 m钻机是当前乃至今后一个时期内在国内使用的主力机型钻机，市场需求量较大。该级别钻机要充分体现结构紧凑、运输单元少、拆装方便、移运快捷、可靠性高、价格适中等特点。对于该级别钻机应以机械驱动钻机为主，其重点是发展机电复合型钻机、适当发展交流变频电驱动钻机。

3、5 000—9 000 m钻机，由于多用于钻探井、深井和开发井，对该级别钻机要求技术含量高、性能先进、质量可靠、操作维修简便、机械化、自动化、智能化程度高，并具有良好的移运性。

4、提高钻机集装化程度和高移运性能，是今后亟待解决的重点。大型钻机应采用轮式运输方式；中、小型钻机应采用独立驱动大模块运输形式或车载形式。要实现的关键是必须对模块合理组合，简化传动结构、减小设备外形尺寸和减轻设备重量等方面下功夫。

5、10000 m级钻机在国内尚属空白，为适应向更广阔领域及更深层埋藏油气资源勘探开发的需要，应积极进行前期开发。

(二)钻机主机

经过50多年的努力，特别是改革开放后20多年的发展，目前国产石油钻机已经形成了比较完整的系列，在品种和质量上基本能够满足在国内不同地区、不同井深和不同环境条件进行油气资源勘探，开发的需要。近年来还有相当数量的国产钻机在国外承担钻井服务。宝鸡石油机械厂、兰州兰石国民油井石油工程有限公司、南阳二机厂、江汉四机厂等钻井设备制造厂已开发和生产了2 000～9 000 m机械驱动钻机、机电复合驱动钻机和整拖式、轮式半拖挂整体移运式钻机；研制了4 000～9 000m各型直流电驱动钻机、交流变频电驱动钻机和3 000 m以下各种车装及撬装钻机。发展方向主要有：

1、提高钻机的钻深能力

目前，我国石油钻机最大钻深能力为9000 m(4-1/2英寸钻杆)，满足不了胜利、塔里木等油田超深井陆上油田钻井的需要，更满足不了陆上及海上钻超深水平井及大位移井的需要，也满足不了我国工程技术服务队伍出国作业的特殊需要。目前，我国钻机绞车的最大功率为1471 kW，而美国Varco 公司的交流变频绞车功率已达5220kW，德国Wirth公司生产的交流变频钻机绞车已达4922kW，钻深能力可达15 000m。

2、研制大型拖挂钻机

拖挂钻机的主要优点是移运性好，搬家车次少、时间短，节约成本，适于在沙漠、平坦地区作业。特别在沙漠地区，如用陆上常规钻机钻井，其运输将成为主要问题。我国拖挂钻机最大钻深能力为5000 m，而在美国7000m拖挂钻机的技术已很成熟，显然我国拖挂钻机满足不了工程技术