石油钻井行业钻机概论考试精华知识点

《电驱动钻机》

第二章石油钻机概论

（中原油田石油工程专升本，第二次课2005.3.3）钻机是用于油气勘探、开发的一整套钻井设备。

第一节钻机的组成

一、地面旋转设备

主要组成：转盘、水龙头、钻具，顶驱钻机配备有顶驱装置。

作用：转动钻具，带动钻头破碎岩石。

1.转盘（参见图2-1）

（1）转盘的作用

钻进时—转动钻具；井底动力时—承受反扭矩；

起下钻、下套管时—承托钻杆或套管重量；

处理事故时，造扣、倒扣(上提)。

（2）转盘的结构

①水平轴总成—传递动力

水平轴；小伞齿轮；轴承；输入链轮；制动装置(制动棘轮)

②转台总成—驱动方钻杆

转台；大伞齿轮；主轴承；防跳轴承；方瓦；方补心；泥浆密宫密封装置。

③壳体—连接，储油润滑（靠小锥轮旋转带油）

2. 水龙头

（1）水龙头的作用

①承重—承受钻柱重量

②旋转—支承旋转的钻具

③耐压—输送高压泥浆

（2）结构组成与特点

①承重部分：提环；壳体

②旋转部分：中心管总成

主轴承，防跳轴承；扶正轴承（2个）

③轴承布置

两扶正轴承分置于主轴承两边（图2-2正轴承间距大，扶正效果好）。

④耐压：鹅颈管；冲管总成

冲管总成为快卸密封结构（易损件）

浮动冲管（工作时不转动，有轴向窜动。），Y形液压自密封、快卸结构（参见图3-14）。

二、循环系统设备

主要有：钻井泵，钻井液净化、处理调配装置。

作用：清洗井底，携带岩屑，保护井壁，冷却钻头。

为井下动力钻具提供高压动力液。

三、起升系统设备

主要有：绞车、天车、游车、大钩、钢绳、井架。

作用：起下钻具、下套管，控制钻压。

上述三大系统是钻机的三大工作机。

四、动力驱动系统

有：柴油机组、发动机组、电动机组。

作用：提供动力。

五、传动系统设备

联动机组—动力并车。

作用：传递、分配动力。

六、控制系统和监测仪

表

司钻台、液、气、电控

制、仪表

各种钻井仪表及随钻

测量系统（MWD）。

七、钻机底座

安装钻井设备。

钻台底座用于安装井

架、转盘，放置立根盒及井

口工具及司钻控制台，安装

绞车，下方应能容纳必要的

井口装置。应有足够的高度、面积和刚性。机房底座用于安装动力机组及传动系统设备。

八、辅助设备

有供气、水、油、暖设备、井口防喷设备。

钻机是所有钻井设备，包括八大（系统）设备：旋转、循环、起升、动力、传动、控制、底座、辅助。

八大件：绞车；转盘；水龙头；大钩；游车；天车；钻井泵；柴油机；十大件：加—井架；联动机组。

图2-2 水龙头总成

第二节钻机分类与特点

一、分类

1．按井深分

①浅井（≤1500m）；

②中深井（1500~3000m）；

③深井（3000~6000m）；

④超深井>6000m。

2．按驱动设备类型分

机械驱动钻机（MD）；电驱动钻机（ED）。

3.按驱动方式分

单独驱动（各主要机组单独驱动）；统一驱动。

4．按主传动副类型分（从动力并车角度分类）

①胶带并车传动—胶带钻机；J

②链条并车传动—链条钻机；L

③锥齿轮—万向轴并车传动—齿轮钻机C。

5．按地区和用途分

海洋钻机；浅海钻机（适用与0~5m水深或沼泽地区）；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（指90%井身直径小于7”或70%井身直径小于5”的井。小钻机易运、钻速高、套管小、成本低。液压驱动、配顶驱钻井装置、自动化高）；

连续柔管钻机（连续柔管代替单根钻杆，有绕

管的卷筒。成功地用于作业机，如冲洗、人工举升、测井和射孔、挤水泥、井下扩孔、防砂及酸化增产。钻井配合井下动力钻具。）

二、钻机特点

1.大功率、传动复杂，多工作机联合工作。

（例JC45绞车，功率1100kW相当于：

10个车间×25台机床×一台车床4kW≈JC45的功率）

2.绞车、泵、转盘三大机组不同时工作。

3.钻井过程不连续

钻进时间短，起下钻时间长，原因换钻头。

4.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、环境的能力和很高的移运性能。

第三节钻机基本参数

一、基本参数

反映钻机工作性能的数量指标称为基本参数。

钻机基本参数十个：

L（名义井深）；

Q max（最大钩载）；Q ds（最大钻柱重）；

N dr（绞车功率）；

Z （Z max ）有效绳数；d w （钢绳直径）；

N p （泵功率）；D r （转盘通径）；

H r （底座）；H 架。

1．名义井深L ，主参数。

推荐钻深范围，上限为名义井深。（L min ～L max =L ）

旧系列15、20、32、45、60、80（使用5”钻杆井深）。

新系列10、15、20、30、45、50、70、90、120（使用214”钻杆井深）。

2. 最大钩载Q max

在标准规定的最大绳数下，下套管或进行解卡

等其它特殊作业

Q ma x 决定钻机下套管和处理事故的能力，是核算起升系统零件静强度及计算转盘、水龙头主轴承静载荷的依据。

3. 最大钻柱重量Q ds

在标准规定的最大绳数下，正常钻进或进行起

下作业时

质量）【也称额定载荷】。

Q ds＝10 q.L kN

q—钻柱线密度（单位长度质量），10≈9.8＝g；

L-最大井深，km。

二、主参数与钻机型号

1. 主参数

①能直接反映钻机的主要性能；

②能用以标定钻机型号，并作为设计、选用钻机

的依据；

③能影响和决定其它参数。

我国钻机新标准规定名义钻井深度L为主参数。

第一，L直接表明了钻机的最大钻井深度；

第二，L影响和决定其它参数的大小；

第三，符合我国以钻机钻井深度定型名和井队编号的习惯用法。

我国以前用Q ds（最大钻柱重量）为主参数。

前苏联和罗马尼亚，钻机标准采用最大构载Q max作为主参数。

美国钻机没有统一的国家标准，各大公司生产的钻机基本上以名义钻深范围（L min~L max）为主参数。（1320M型钻机，指钻深13000～20000英尺，钻深6100m，NSCO国家供应公司，National Supply CO.）

2.钻机型号

我国石油钻机国家标准规定了石油钻机的型式与基本参数，适用于石油、天然气勘探开发用钻机。

我国钻机型号意义如下：

号号（厂家代号用一个汉

表示；改型序号用啊拉伯数字表示）

并车无或为L；胶带并车钻机为J；

传动钻机为C；电驱钻机为D；

车装钻机为Z；半拖挂车装钻机为T

液压钻机；DJ-交流电驱动钻机；

直流电驱动钻机；DB-交流变频电驱

钻机

计的钻机名义钻深范围的上限。

例，ZJ32J-2；ZJ45；ZJ60D；

ZJ70LDB ：兰石厂04年生产，04年8月在胜利钻井四公司安装试车，之后准备到四川打气井（L 链条并车、DB 交流变频电驱，转盘电驱，其他机驱。）。

三、起升系统参数

1. 绞车输入功率 N dr

输入轴最大功率，也称额定功率，绞车主参数。

dr b t dr V Q N ηηη1

1= kW

V 1—起升I 档速度，（0.4～0.6m/s ）；

t η—游动系统效率；

b η—滚筒轴传动与缠绳效率；

dr η—输入轴至滚筒前，传动效率。

Q 1—起升I 档游系载荷kN 。

Q 1= Q ds +10 G t

G t —游车、大钩、吊环、吊卡、钢绳的固定重量。

总之，绞车功率取决于I 档起升速度和I 档起升载荷。

2. 起升系统发动机功率

N 发＝k N .N dr ，k N —储备系数1.1～1.2

3. 游动系统结构

指游车和天车及有

效绳数Z ，Z max 。

钻井绳数Z ，指钻

井时采用的有效提升绳

数。Z max 指钻机配备的

提升轮系所提供的最大

有效绳数，用于下套管

或解卡作业。

例，5×6, 游车（轮

数）×天车（轮数），Z=5×2=10,死绳、快绳去掉，为有效绳数。

正常用5×6，解卡用6×7（Z max ＝6×2=12）,不同钻机结构不同。

4．钢绳直径d w

根据Q max （最大钩载）的P fmax （Z max 时快绳拉力）决定。

快绳拉力：t

t f Z Q P η?= t ds

t G Q Q +='

t Q —游系总载荷

'

ds Q —任意井深时钻柱重'

L q ? t G —游系重

最大钩载时，t f Z Q P η?=max max max

max f b nP P ≥ ，n=2（安全系数）

b P 破断拉力，由b P 选d w 。

5. 井架高

取决于立根高度。新标准规定井架高能提升28m 立根井架。41～53m 安全高度，大庆—130, H 架＝41m ；ZJ45, H 架＝43m 。

6. 钻台高度

取决于安装井口装置的高度。

安装套管头、防喷器、泥浆返出管。

例，ZJ45，有4.5m ，6m ，7.5m 。

美国电驱钻机钻台高9.6m ，安装双闸板、万能防喷器。

【2003年12月23日，重庆开县发生天然气井喷事故，受硫化氢中毒，死亡243人。事故之后，要求井队必须安装防喷器，生产防喷器的厂家效益看好。】

四、旋转系统

1. 转盘名义直径

为转盘主参数D r ，取出大方瓦后，转盘内通径，最大号钻头能通过。

2. 转速：250～300r/min ，有倒档。

3. 转盘功率（用经验式计算）

nW L N r 36.0= 马力 （1马力＝0.735kW ）

n —转速,r/min ；W —单位钻压（t/英寸钻头直径）；L —井深（m ）；0.36经验系数。

五、钻井泵功率 N p

输入轴功率，额定功率。

3min max 10-??=p

p Q p N η kW max p —最大泵压，Pa ；

min Q —对应流量，m 3/s ；（钻井泵最大流量为：15～25L/s ，15~25×10-3m 3/s ） p η—泵效，(0.8~0.85).

泵工作时

max p 对应min Q ：最大压力对应最小流量（缸径最小）；

min p 对应max Q ：最小压力对应最大流量（缸径最大）。

改变泵排量：变缸径（换缸套）。