1,2,钻井机械现状及发展 中国石油大学（华东） 机电工程学院 齐明侠 18266639307 qmxia,3,提 纲,井下控制工程,钻井机械及发展,钻井新方法,石油钻机标准,钻井工程与钻井机械,4,井下控制工程,钻井机械及发展,钻井新方法,石油钻机标准,钻井工程与钻井机械,钻井机械现状及发展,5,1.1 我国的钻井形势 目前，我国的钻井工作量已位居世界第三，仅次于美国、加拿大两国，并且已经掌握了常规的定向井、水平井、老井侧钻、丛式井及深井钻井等系列技术，基本上能满足国内油气勘探开发的一般需求，并缩小了与国际先进水平的差距。 国内钻井行业在围绕持续提速，提高探井发现率，保护、发现油气藏等领域展开研究。,1.钻井工程与钻井机械,6,剩余石油资源（2005年）,7,1.2 钻井工程 钻井工程含方法和装备两个方面 软件：钻井方法，钻井工艺 过程监测地面，井下状态 硬件：钻机 钻井工具 辅助设备,1.钻井工程与钻井机械,8,软件： 各种钻井方法 常规、斜井、水平井、小曲率、 欠平衡、侧钻、 井下控制工程学 钻井状态监测 地面参数监测 井下状态检测 随钻测量（MWD） 随钻测井（LWD）,1.钻井工程与钻井机械,9,硬件： （1）钻机（钻井设备） 发展： 机械、液力、DC、AC（交流变频） 顶部驱动 液控盘式刹车 液压钻机,1.钻井工程与钻井机械,10,（2）钻井工具 钻头 常规、喷射 钻具 单螺杆、电机、涡轮 钻柱 常规、小井眼、铝合金 仪表 钻井测量仪表，数字传输 井下测量工具，信号传输设备,1.钻井工程与钻井机械,11,（3）辅助设备 钻井液及固控设备（泥浆处理） （空气压缩机气体钻井） 防喷器与压井设备 固井设备 完井设备 测井设备,1.钻井工程与钻井机械,12,苏义脑 井下控制工程学 摸着钻 算着钻 看着钻 变着钻 自动钻,1.钻井工程与钻井机械,13,顾心怿 钻机的自动化 与节能 液压修井机 （液压钻机）,1.钻井工程与钻井机械,14,沈忠厚 高压水射流 加长喷嘴钻头,1.钻井工程与钻井机械,15,井下控制工程,钻井机械及发展,钻井新方法,石油钻机标准,钻井工程与钻井机械,钻井机械现状及发展,16,2.1 钻井方法 2.2 钻机的组成与型式 2.3 钻机的近代技术 2.4 钻机的自动化与数字化技术,2.钻井机械及发展,17,2.1 钻井方法 油井特点： 细百毫米 长几千米 刚钢管壁 井身结构： 导管 表层套管 技术套管 油层套管,2.钻井机械及发展,18,钻具组合： 方钻杆（传输扭矩） 钻杆 （延长井深） 钻铤 （稳定井眼） 动力钻具 钻头 （破碎岩石） 连接接头,2.钻井机械及发展,19,钻进过程： 破岩破碎岩石，以形成井眼 排屑清洗井底，以继续钻进 钻井方法： 顿钻钻井钻进过程不连续 旋转钻井钻进过程连续 转盘驱动 井下动力驱动 顶部驱动,2.钻井机械及发展,20,顿钻钻井 破岩矛形钻头 排屑捞砂筒 两者交替进行， 钻进过程不连续,2.钻井机械及发展,21,四川自贡市 盐业历史博物馆 燊海井(兴海井) （1833-1835）, 1001.42m。 竣工初期，日产卤14m3，天然气8500m3，烧盐锅80余口。 小桥井 约凿于清乾隆三十七年（ 1772年），历时六年。曾日产天然气200多m3，烧盐锅数口。 井深304.92m,井径7.26cm，固井导管长49.33m，用楠竹制成 。,2.钻井机械及发展,22,旋转钻井 （以转盘驱动为例） 破岩旋转钻头 钻杆部分自重加载 排屑循环泥浆 破岩和排屑同时进行， 钻进过程连续,2.钻井机械及发展,23,旋转钻井： 转盘驱动旋转动力在底座上，驱动方钻杆、钻杆带动钻头。 井下动力驱动旋转动力在钻铤下方，直接驱动钻头。 顶部驱动旋转动力在水龙头上，驱动水龙头中心管、钻杆，带动钻头。,2.钻井机械及发展,24,2.2 钻机的组成与型式 （1）组成（八大系统） 起升系统 旋转系统 循环系统 动力驱动系统 传动系统 控制监测系统 钻机底座 辅助设备,2.钻井机械及发展,25,（2）钻机的特点 1）功率大，动力传递复杂。钻机是大功率、多工作机联合工作的重型矿业机械，由多台柴油机提供动力. 2）钻井过程不连续，功率要求也不相同。正常钻进时，转盘驱动钻柱，泥将泵循环泥浆。起下钻作业时，则是起升系统需要功率。 3）工作地区广阔（平原、山地、沙漠、沼泽、海洋），自然环境恶劣（风、沙、雨、雪），野外流动作业，要求钻机有很强的适应地区、环境的能力和便捷的移运性能。,2.钻井机械及发展,26,（3）驱动形式 1）机械驱动型式 皮带并车钻机 链条并车钻机 齿轮并车钻机 2）电驱动型式 AC-AC交流电驱动 DC-DC直流电驱动 AC-SCR-DC直流电驱动 AC-VFM-AC交流变频电驱动 3）液压驱动型式 4）混合驱动型式 液电、机电,2.钻井机械及发展,27,1）机械驱动型式 皮带并车钻机,ZJ32J-2钻机传动系统,2.钻井机械及发展,28,优点 不受地域限制； 动力配置方便； 转速可平稳调节； 结构紧凑，体积小，重量轻，便于搬迁移运，适于野外流动作业。 缺点 适应性系数小，过载能力有限； 转速调节范围窄； 噪声大； 传动效率低，维护使用费较高。,2.钻井机械及发展,链条并车钻机,ZJ32L钻机传动系统（宝石厂1998）,2.钻井机械及发展,30,优点 自动无级变速、变矩，提高钻机起升工效； 调速范围变宽，传动平稳柔和，吸收冲击振动，延长了机械设备寿命； 减少并车损失。 缺点 效率偏低，且随涡轮轴转速变化； 液力变矩器结构比较复杂，需要一套补偿和散热冷却系统。,2.钻井机械及发展,31,齿轮并车钻机,ZJ20-2钻机传动系统,2.钻井机械及发展,32,优点 传动柔和，可吸收振动与冲击； 移运迅速，安装方便； 涡轮轴可随外载变化而自动变速，可防止工作机过载。 缺点 液力耦合器只能在高转速比工况下工作，否则效率过低，功率损失大； 只能传递扭矩，不能变矩。,2.钻井机械及发展,33,2）电驱动型式 AC-AC驱动,2.钻井机械及发展,34,优点 短时过载能力强； 采用单轴驱动，传动效率高，维护保养简单； 工作安全，噪音小。 缺点 工作转速不可调节； 载荷速度特性为硬特性。,2.钻井机械及发展,35,DC-DC驱动,2.钻井机械及发展,36,优点 无级调速，且调速范围广； 适应性强； 操作方便，变速快、时间短； 简化了传动系统，提高传动效率； 具有较好的运行经济性。 缺点 DC-DC电驱动钻机采用单独驱动方式，可靠性较差。,2.钻井机械及发展,37,AC-SCR-DC驱动,AC-SCR-DC驱动系统,2.钻井机械及发展,38,AC-SCR-DC驱动,ZJ45D丛式井钻机传动系统,2.钻井机械及发展,39,ZJ70/4500D钻机传动系统,2.钻井机械及发展,40,特点 AC-SCR-DC驱动钻机具有DC-DC电驱动钻机的全部优点； 采用并联运行方式，功率利用率高； 一次性投资费用较高，运行费用低； 钻机运行可靠性高； 交流公共母线上的功率因数较低。,2.钻井机械及发展,41,AC变频驱动,AC变频驱动控制系统,2.钻井机械及发展,42,AC变频驱动,ZJ50DB传动系统,2.钻井机械及发展,43,特点 能精确控制转速和扭矩； 转速调节方便且范围广； 具有全扭矩； 启动电流小、工作效率高； 过载能力强； 可实现回馈制动刹车； 使用安全方便、噪音低、维护简便。 自动送钻装置功能较多， 档数少。,2.钻井机械及发展,44,3）液压驱动型式 早在20世纪50年代，石油钻机中就采用了液压驱动转盘，随后发展到采用液压驱动绞车进行钻井作业和起下钻作业。 美国研制了全液压驱动石油钻机，采用了液压驱动的顶部驱动钻井系统，其绞车是一组多级同心液缸，取消了常规石油钻机结构型式的绞车和提升系统。 自动化石油钻机中也采用了液压驱动型式，如顶部驱动采用液压驱动型式。,2.钻井机械及发展,46,液压驱动石油钻机性能： 钻机发动机功率：500 hp 最大输出扭矩：3600 kg.m （在50 r/min情况下） 两台泥浆泵发动机功率：500 hp 最大泵排量：2300 l/min 最大泵压： 4200 psi（294 bar） 最大静载：91 000 kg,2.钻井机械及发展,47,顾心怿 液压修井机,2.钻井机械及发展,48,4）混合驱动型式,2.钻井机械及发展,ZJ40LD钻机传动,49,石油钻机驱动型式由机械、液力向电驱动方向发展。 电驱动钻机由直流电向交流变频方向发展。 钻机混合驱动形式液电、机电,2.钻井机械及发展,50,2.3 钻机的近代技术 （1）液控盘式刹车 （2）交流变频驱动 （3）顶部驱动系统 （4）液压驱动钻机,2.钻井机械及发展,51,（1）液控盘式刹车 周向制动改为径向制动 摩擦力均匀 手动控制改为液压控制 可自动控制,2.钻井机械及发展,52,ZJ70DB钻机控制系统,2.钻井机械及发展,53,未来的研究及发展方向 海洋钻机盘式刹车 刹车副的摩擦特性研究 盘式刹车使用可靠性的提高,2.钻井机械及发展,54,（2）交流变频驱动 交流变频控制的特点 交流变频电机特点： 功率密度大； 可靠性高； 防爆性能好。 交流变频控制的特点： 控制精确； 便于监测； 远程控制。,2.钻井机械及发展,55,主要发展方向 系列化、大功率 人机一体化、自动化、智能化 远程作业指导和诊断（数字化油田）,2.钻井机械及发展,56,国内交流变频钻机的发展概况 第一阶段(19972000)研制 ZJ15DB、ZJ30DB、ZJ10DBT,ZJ15DB钻机主要技术参数,2.钻井机械及发展,57,第二阶段(20012004)研发 2002年：ZJ70DB、ZJ50DBS ZJ40DB、ZJ50DBT、ZJ30DBT,ZJ40/2250DB钻机主要技术参数,2.钻井机械及发展,58,第三阶段(2005) 发展 ZJ90/6750DB、ZJ120/9000DB ZJ70/4500DB人工岛环形轨道模块钻机,ZJ70,ZJ90,ZJ120,2.钻井机械及发展,59,（3）顶部驱动钻井系统 顶部驱动钻井系统（Top drive drilling system）简称顶驱，是在钻柱上端直接驱动钻柱旋转钻进、循环泥浆、上卸扣、IBOP控制等具有多种功能的设备，是集机电液技术一体化的结构较为复杂的装置。,2.钻井机械及发展,60,顶驱装置的结构组成及其功能 结构组成： 顶驱主体 管子处理装置 导轨 液压传动与控制系统 其他： 井口扶正器、下套管装置、测井装置、 检测工具与仪表等,2.钻井机械及发展,61,2,2.钻井机械及发展,62,顶驱主体 动力水龙头： 驱动主轴旋转钻进,2.钻井机械及发展,63,导轨 承受顶驱主体反扭矩,2.钻井机械及发展,64,液压传动与控制系统 控制柜 顶驱司钻台 液压控制系统,2.钻井机械及发展,65,液压系统,液压油滤子,平衡系统储能器,上IBOP延时储能器,齿轮油滤子,系统储能器,IBOP 压力开关,主液压系统阀块,2.钻井机械及发展,66,管子处理装置 抓放钻杆 上卸扣 控制IBOP,2.钻井机械及发展,67,其他 井口扶正器 下套管装置 测井装置 检测工具与仪表等,2.钻井机械及发展,68,顶驱钻井优势 节省接单根时间 倒划眼防止卡钻 下钻划眼 节约泥浆 人员、井下、设备安全,顶驱钻井方式,转盘钻井方式,2.钻井机械及发展,69,国内外顶驱发展概况 美国： NOV 、Bowen 加拿大：TESCO、Canrig 挪威：MH 法国：Acb 中国：中国石油勘探开发研究院设计 北石厂、华北石油机械厂制造 辽河天意有限公司,2.钻井机械及发展,70,美国NOV公司 NOV( Varco)公司是世界上最早开发和生产顶驱的公司，自1982年生产TDS-3以来，现已销售800多台顶驱，其中交