油田5000米钻机选型分析

油田5000米钻机选型分析

吴福才1 , 卢群辉2

（1、江苏石油勘探局生产协调处，扬州 225009；2、江苏石油勘探局装备处，扬州 225009；）

摘要：文章着重从油田生产和经验的角度，对几种5000米钻机的方案结构、传动及动力配置、可靠性、适用性、投资、维护维修等方面对其优缺点进行分析和探讨，以便于钻机的用户在5000米钻机选型时提供参考。

关键词：油田钻机选型分析

Analyses and choice of 5000m rig for oilfield

WU Fu-cai1 , LU Qun-hui2

(1、D epartment of production harmony, Jiangsu Petroleum Exploration Bureau;2、Department of equipment

management, Jiangsu Petroleum Exploration Bureau;)

Abstract:Analyze the structure, transmission of power and admeasuring power, characteristic, reliability, applicability, investment, and maintenance of the 50000m rig on the view of user is benefit for choice of rig of oilfield.

Key words: Analyses; choice; rig

目前， 5000米钻机在各油田占有一定的比例，由于其方案较多，在选型时就比较复杂。各个钻机制造厂主要生产的新钻机由ZJ50L链传动钻机、ZJ50D直流电驱动钻机、ZJ50DB交流变频驱动钻机和ZJ50LDB复合驱动钻机等。这几种钻机技术参数都符合SY/T5609-1999石油行业标准，但其对于不同的油田和地区或不同的项目和经营的理念，选择的思路应当是不同的，必须对这几种钻机的情况作认真分析，才能确定决策的依据。现就针对这一问题，本文着重从几种钻机的方案结构、可靠性、适用性、投资、维护维修等方面对其优缺点进行分析和探讨。

一、钻机方案分析

1、ZJ50L链传动钻机方案

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作者简介：吴福才（1952-），男，山东德州人，工程师，从事钻机调度和钻井工程协调工作。

ZJ50L钻机是柴油机统一机械驱动钻机，采用液力传动、整体链条箱并车方案。由三台12V190柴油机与750液力变矩器正车减速器直接连接、正车减速器与并车箱(两者之间采用万向轴)组成的动力机组传动总成布置在0.8m高的后台底座上。通过五轴整体链条箱并车后，由万向轴分别驱动两台1300泥浆泵，通过传动链条箱驱动绞车，绞车布置在1.4m高的后台底座上。钻台高7.5m，布置有转盘、转盘驱动箱、猫头绞车等，绞车动力通过直角箱—万向轴—直角箱爬台装置输入到转盘驱动箱。

动力配备：3台190柴油机，2台300KW发电机。

钻机井架为K型井架，可满足安装顶驱装置的要求；块装式底座，井架采用低位安装、整体起升方式。

2、ZJ50D钻机方案

钻机采用3台1000-1200kw柴油发电机组作为主动力，发出的600V（或690V）50HZ交流电经SCR柜整流后变为0-750V可调直流电分别驱动绞车、泥浆泵和转盘的串励（或并励）直流电动机。绞车由2台电机驱动，2台钻井泵各分别由2台电机通过窄V皮带驱动，转盘由1台电机驱动或通过绞车联合驱动。绞车主刹车可采用液压盘式刹车或带刹车。前开口井架，双升式底座，均利用绞车动力起升。动力配备：3台1200KW柴油发电机组，1台400KW发电机。

3、ZJ50DB变频驱动钻机方案

●全变频驱动方案（ZJ50DB）。钻机采用3台（CAT3512B）柴油发电机组作为主动力，发出的600V（690V） 50Hz交流电经变频单元(VFD)变频后分别驱动带绞车、转盘和泥浆泵的交流变频电动机。绞车电机通过一部高速齿轮减速箱驱动单滚筒绞车工作。绞车主刹车采用液压盘式刹车，辅助刹车采用电机能耗制动。配1台300KW 辅助发电机，在停钻时使用。电传系统主要由8个变频柜和MCC组成，实现一对一控制。前开口井架，双升式底座，利用绞车动力起升。动力配备：3台1200KW柴油发电机组，1台300KW发电机。

●转盘变频驱动方案（ZJ50LDB）。

ZJ50LDB钻机方案是在3台柴油机并车后统一机械驱动的基础上，转盘采用变频电动机单独驱动[2]。供交流发电机组的原动机由两种形式，一是由整体链条箱驱动的

发电机，发出的600V三相交流电经过交流变频器后供到驱动转盘的变频电机，另外，配配2台发电机供380V交流电；二是由单独的柴油机驱动发电机，构成独立的800KW 柴油发电机组，发出的600V三相交流电一路经过变压器后供到380V交流母排，另一路经过交流变频器后供到驱动转盘的变频电机。机械驱动部分与ZJ50L链传动钻机方案相同。动力配备：1台800KW机械驱动发电机，3台190柴油机，2台300KW发电机组。或1台800KW柴油发电机组，3台190柴油机，2台300KW发电机组。井架型式基本相同。

●半变频半机械驱动方案（ZJ50DBF）。采用2台（CAT3512B或3000系列190）柴油发电机组作为主动力，发出的600V 50Hz交流电经变频单元(VFD)变频后分别驱动带绞车和转盘的交流变频电动机。绞车电机通过一部高速齿轮减速箱驱动单滚筒绞车工作。绞车主刹车采用液压盘式刹车，辅助刹车采用电机能耗制动。2台泥浆泵各由1台12V190柴油机+液力偶合器驱动。配1台300KW辅助发电机，在停钻时使用。电传系统主要由2-3个变频柜和MCC组成，实现一对一控制。动力配备：2台1200KW 柴油发电机组，2台190柴油机，1台300KW发电机。井架型式基本相同。

二、三类钻机优缺点分析

1、ZJ50L链条机械驱动钻机优缺点

该钻机的优点主要体现在以下几方面：

1）功率利用率高，正常钻进开两台柴油机和一台发电机，起下钻一般开一台柴油机和一台发电机即可，相对比较节能。

2）可靠性相对较高。由于其方案特点与ZJ40L差不多，其主要部件都经过近十年的现场检验，总体质量是可靠的，同时，使用和管理人员对其有清楚的认识，有一套相应的管理和维护办法，确保了钻机的可靠运行。根据钻机可靠性评定指标和在用钻机故障分析[3]，其钻机主要部件大修周期MTTR都在规定的范围内，高危害度故障极少发生。

3）操作简单。井队工人对其结构、原理、安装拆卸、使用要求比较清楚，操作上有一定的经验。

4）维修及维护保养比较方便简单。一般情况下井队工人可以完成维护保养和小

修工作。

5）投资相对少。全部配套在2000万元左右，包括钻机主体、动力、传动、泵、净化系统、防喷器、仪表等。

主要缺点：

1）技术性能和调速特性相对较差。表现在转盘、泥浆泵转速调节范围小，不能较好地满足钻井工艺的要求，特别是在固井、处理复杂情况或处理事故的情况时，需要设备具有良好的调速和控制特性。此时，只能通过拆阀或控制柴油机转速来调整排量，其效果也不理想，同时使泵和柴油机的工况恶化。

2）由于是机械传动，设备在硬特性工况下运行，工作平稳性差，对设备的使用寿命也有影响。

3）钻机安装和拆卸时间长，运输车次多。由于后台底座和机械传动机组构件较多，增加了安装、拆卸和运输的工作量。初步测算每口井约增加1天拆卸时间，运输车次增加8-10车。

4）对于4000米以上的深井适应性相对较差。特别是大井眼、大斜度、复杂地层、探井等特殊井，由于钻机提升能力、扭矩、控制特性等差距，使其适应性下降。

2、ZJ50D直流电驱动钻机优缺点

相对机械传动钻机而言，该钻机的优点主要是：

1）调速特性相对较好。扭矩和转速可以在较大范围内进行无级变化调整，特别是转盘的转速和泥浆泵的排量可以得到最大的满足，提高了工艺性和工作效果。这是钻井工艺对钻机提出的最重要的要求之一。

2)传动平稳，变速冲击负荷小，有利于起下钻作业，同时也改善了设备的工况，减少了设备的磨损。

3）直流电机扭矩大，并且具有较大的过载能力，进一步满足了现代钻井工艺的要求。

4）电传动系统与机械传动相比，维修工作量减少，设备大修寿命延长。

5）电传动钻机整体结构简单，搬家安装时间少，运输车次也相对减少，节约了运行成本。

6）动力配备合理，正常工作时开1-2台1000KW发电机组。

7）在对外市场的竞争中，具有较强的优势。

主要缺点：

1）投资大。一台钻机至少需要3500万元以上，与机械钻机相比，每年成本需要增加约150万元，在国内打井使用，性价比相对差。

2）钻机的使用和维护保养对井队工人的素质要求较高，并且要求配备2名专门的电气工程师，确保电传系统运行和维护。

3）与交流变频驱动钻机相比，技术特性和可控性差。

3、ZJ50（DB、DBF、LDB）交流变频电驱动钻机优缺点

目前，交流变频电驱动包含了全变频驱动、半变频驱动和转盘变频驱动三种型式。交流变频电驱动钻机与直流电驱动钻机相比，几乎具备了直流电驱动钻机全部优点，同时克服了它的缺点，下面主要与直流电驱动钻机相比，分析其优缺点。

主要优点：

1）钻机绞车为单轴齿轮传动，一档无级调速，机械传动简单、可靠，传动效率高。主刹车采用液压盘式刹车，辅助刹车采用电机能耗制动，取代广泛使用的辅助刹车装置，同时，能通过计算机定量控制制动扭矩。绞车采用主电机和独立电机自动送钻技术，对起下钻工况和钻井工况进行实时监控。

2）交流电动机与直流电动机相比，便于向高压、高转速和大容量方向发展，因此采用高速、大功率、宽频交流电动机和交流变频系统完全实现了一档单轴齿轮传动绞车0-100%范围的无级调速。而直流SCR电传动系统根本无法实现。

3）变频器网侧功率因数较高，可以达到0.9，变频器控制交流变频异步电机传动系统的综合功率因数远高于直流系统（约0.6左右），因此系统能耗小，运行经济性好。

4）交流电动机结构简单，运行可靠，维护费用低。交流异步电机无换向器，不产生电火花，可以实现防爆功能，更适合油气田使用。

5）钻机绞车变频制动系统采用了矢量控制和直接扭矩控制[1]，便于实现智能化操作，稳速精度高，极大地提高了钻机控制的水平，实现了自动送钻。运行可靠，参

数稳定，调试简便，维护方便。

6）配备合理，功率利用率高，经济性好。ZJ50DB正常工况带泵开2台发电机组，起下钻开1台发动机组即可。

7）对于ZJ50LDB转盘变频驱动钻机和ZJ50DBF半变频驱动钻机而言，是花费少量的资金使机械驱动钻机得到转盘或前台设备性能的改善和提高。

主要缺点：

1）投资大。一台全变频钻机至少需要4000万元以上，与机械驱动钻机相比，每年成本需要增加约200万元；一台半变频钻机至少需要3400万元以上，每年成本需要增加约140万元，在国内打井使用，性价比相对差。

2）机械驱动钻机相比，钻机的使用和维护保养对井队工人的素质要求较高，并且要求配备至少1名专门的电气工程师，确保电传系统运行和维护。

3）半变频方案中，泥浆泵为机械驱动，不具备电驱动的优点，而且，190柴油机驱动的单机泵组，柴油机功率偏小，相对联合驱动而言，工况较差，柴油机寿命短。转盘变频方案，在机械驱动的基础上，只是转盘性能略有提高，但整体性能没有变化。

三、结论

1、钻机的选择首先必须考虑是否满足现代钻井工艺及其发展的要求。随着钻井工艺的发展，丛式井、水平井、多把点定向井、复杂地层特殊工艺井以及科学探井等所占的比例不断提高，现代钻井工艺强调钻井工程的经济性、时效性、科学性和HSE 的要求，其中许多要求要通过钻机来实现，涉及到钻机的提升能力、扭矩、控制水平、钻井参数的监测、动力配置的经济性、HSE的防护能力、钻井液的供给和处理能力、钻机整体运行的经济性等。

2、在国内使用，特别是在本油田油区使用，对于地层和钻井的类型及工艺比较了解，选用ZJ50L或ZJ50LDB型钻机经济性较好。这种钻机在机械驱动钻机中属于国内最先进水平。

3、在需要开拓外部市场、参与市场竞争情况下，不同地区和国家的甲方对钻机的认识和要求不同，但是，对于钻机的先进性普遍要求较高，选择交流变频钻机比较合理。ZJ50DB交流变频钻机由于其先进性突出，代表着今后发展的方向，已经受到

各国钻井承包商和业主钻井监督的重视，在不远的将来将得到普遍的应用。

参考文献：

[1] 赵淑兰，朱其先.钻机绞车矢量变换变频调速机械特性和工作原理[M].石油矿场机械，2004.33(4):8-9.

[2]陈俊，赵淑兰.我国交流变频钻机的技术水平和发展趋势[M].石油矿场机械，2005.34(1):11.

[3]陈如恒.钻机的可靠性设计及评定基础[M].石油矿场机械，2004.33(5):7-8.