石油钻机 (1)

为了寻找石油和天然气的储藏，除了采用地球物理方法进行勘探外，还必须钻各种探井。通过钻井、测井、取心和试油等，可进一步了解地质剖面，确定地层构造中是否含有石油和天然气，掌握油、气层的位置、厚度、岩层性质以及油、气层的面积和储量。投入开发的油田，必须按照开发方案钻一批生产井、注水井、观察井和加密井。 用来进行石油与天然气勘探、开发的成套钻井设备就是石油钻机，它是一套庞大的联合机组，由若干系统和设备组成。钻机的种类很多，转盘钻机是成套钻井设备中的一种基本形式，也称为常规钻机。此外，为适应各种地理环境和地质条件、加快钻井速度、降低钻井成本、提高钻井综合经济效益，其钻井方法和钻井技术也必须随之不断地发展、变化和改善，近年来世界各国在转盘钻机的基础上研制了各种类型的具有特殊用途的钻机，如沙漠钻机、丛式井钻机、顶驱钻机、小井眼钻机、连续柔管钻机等特种钻机。本章以常规钻机为例，从整体上简要介绍关于钻机的主要概念和基本知识。 2. 1. 1石油钻机的组成 1．石油钻机的组成 目前，世界各国通用的常规钻机是一套大型的综合型机组，整套钻机是由动力系统(为整套钻机提供能量的设备)、传动系统(为工作机组传递、输送、分配能量的设备)、工作系统(按工艺的要求进行工作的设备)、控制系统(控制各系统、设备按工艺要求工作的设备)和辅助系统(协助主系统工作的设备)等若干系统和相应的设备所组成。 根据钻井工艺中钻井、洗井、起下钻具各工序以及处理钻井事故的要求及现代化技术水平的条件，整套石油钻机必须具备下列八大系统设备，如图2—l所示。 (1) 旋转系统设备 为了旋转钻具破碎岩石，钻机必须配备钻盘、水龙头等地面旋转设备，以及方钻杆、钻杆、钻铤、钻头等井下旋转设备。 (2) 循环系统设备 为了随时清除井底已破碎的岩屑和正常连续钻进，钻机 图2-1 钻机组成示意图 1―人字架；2―天车；3―井架；4―游车；5―水龙头提环；6―水龙头；7― 保险链；8―鹅颈管；9―立管；10―水龙带；11―井架大腿；12―小鼠洞；13―钻台；14―脚架；15―转盘传动；16―填充钻井液管；17―扶梯；18―坡板；19―底座；20―大鼠洞；21―水刹车；22―缓冲室；23―绞车底座；24―并车箱；25―发动机平台；26―泵传动；27―钻井泵；28―钻井液管线；29―钻井液配置系统；30―供水管；31―吸入管；32―钻井液池；33―固定钻井液枪；34―连接软管；35―空气包；36―沉沙池；37―钻井液枪；38―振动筛；39―动力机组；40―绞车传动装置；41―钻井液槽；42―钻井绞车；43―转盘；44―井架横梁；45―方钻杆；46―斜撑；47―大钩；48―二层平台；49―游绳；50―钻井液喷出口；51―井口装置；52―防喷器；53―换向闸门 必须配备有全套洗井液的循环设备。如钻井泵、地面管汇、钻井液和钻井液槽等，有的钻机还配备有钻井液净化设备、调配钻井液设备。在涡轮钻井中它还担负给涡轮钻具传递动力的任务。 (3) 起升系统设备 为了起下钻具、更换钻头、控制钻头送进、下套管等，钻机还必须配备一套起升系统设备，它主要由以下设备组成：主绞车、辅助绞车(或猫头)、辅助刹车、游动系统(包括钢丝绳、天车、游动滑车和大钩)以及悬挂游动系统的井架组成。另外，还有起下钻操作使用的工具及设备(吊环、吊卡、卡瓦、大钳、立根移动机构等)。 (4) 动力驱动系统设备 为了使工作机获得足够的动力进行运转，必须配备动力设备及其辅助设备，如柴油机及其供油设备，或交流、直流电动机及其供电、保护、控制设备等。 (5) 传动系统设备 传动设备的主 要任务是联接发动机与前三个工作机组， 把发动机的能量传递并分配给各工作机。 为了解决发动机与工作机二者之间存在 的运动特性上的矛盾，要求传动系统应 包括减速、并车、倒车、变速机构等。 根据能量传递形式与传动所用的介质不 同，传动系统又可分为：机械传动、液 力传动(涡轮传动)、液压传动等。 (6) 控制系统设备 为了指挥各机组 协调进行工作，在整套钻机中还装备各种 控制设备，如机械控制设备(手柄、踏板、 杠杆等)、气动或液动控制设备(开关、调 压阀、工作缸等)、电控制设备(开关、变 阻器、启动器、继电器等)以及集中控制 台和观察记录仪表等。 (7) 机底座 包括钻台底座、机房底 座和钻井泵底座等，车装钻机的底座就是汽车或拖车底盘。为了钻机的安装、运移方便，重型钻机多采用整体安装托运底座，即将动力、传动机构和绞车等设备都安装在一起进行托运。钻台上要装井架和转盘以及绞车的一部分或全部，钻台下要能容纳井口装置，所以底座需要一定的高度和面积。 (8)辅助设备 成套钻机还必须具备供气设备、供水设备、钻鼠洞设备、井 口防喷设备、辅助发电设备及辅助起重设备，在寒冷地区钻进时还需要配备保温设备。 2．钻机各主要部件的相互关系 整套钻机除了地面设备外，还要有很多井下设备和部件，将这些设备部件按工艺要求安装连接，才成为一套完整的钻机。图2—2所示是一台转盘旋转钻机各主要部件的相互关系图。 以上便是适应钻井工艺的要求而形成的钻机各系统和部件，它们有机地结合成一整套钻机，协调地完成生产任务。 2. 1. 2钻机的类型及特点 世界各国的各大石油公司、各钻机制造厂家按照各自的特点，对石油钻机的分类不尽相同。一般来说，可按以下方法对石油钻机进行分类。 1．按钻井方法分类 (1)冲击钻机 如钢绳冲击钻机(也称为顿钻钻机)、地面发动振动钻机、爆 炸钻井钻机、电火花钻井钻机。 (2)地面发动旋转钻机 如转盘旋转钻机(也成为常规钻机，是目前世界各国通用的钻机)、顶部驱动水龙头旋转钻机等。 (3)井底发动钻机 如井底冲击振动钻具、井底旋转钻具(涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具)。 2．按驱动钻头旋转的动力来源分类 (1)转盘驱动旋转钻机 也就是用转盘驱动钻具旋转的常规钻机。 (2)井底驱动旋转钻机 即转盘旋转钻机加井底动力钻具所组成的钻机。 (3)顶部驱动旋转钻机 即转盘旋转钻机加顶部驱动钻井装置所组成的钻机。 3．按驱动设备类型分类 (1)柴油机驱动钻机 以柴油机为动力通过机械传动(柴油机驱动—机械传动)或液力传动(柴油机驱动—液力传动)的钻机。 (2)电驱动钻机 电驱动钻机又可分为直流电驱动钻机和交流电驱动钻机。直流电驱动钻机是指工作机用直流电动机驱动。用柴油机或燃汽轮机带动发电机供电，或从电力网供电。这种型式的钻机适用于海上钻井。 交流电驱动钻机包括：交流发电机(或工业电网)—交流电动机驱动钻机和正在发展中的交流变频电驱动钻机，即交流发电机—变频调速器交流电动机驱动钻机o 4．按工作机分组分类 (1)统一驱动钻机 绞车、转盘及钻井泵三个工作机由统一动力机组驱动。统驱钻机的功率利用率高，发动机有故障时可以互济，但其传动复杂，安装调整费事，传动效率低。 (2)单独驱动钻机 各工作机单独选择大小不同的发电机驱动。单驱钻机多用于电驱动，其传动简单、安装容易，但功率利用率低、设备笨重。 (3)分组驱动钻机 动力的组合介于前两者之间，将三个工作机分成两组，绞车、转盘两个工作机由统一动力机驱动，钻井泵由另一动力机组驱动。与单独驱动钻机相比，这种钻机的功率利用率较高，传动较简单，还可将两组工作机安装在不同高度和分散的场地上。 5．按主传动副类型分类 (1)V带钻机 V带钻机是指采用V形胶带作为钻机主传动副，多台柴油机并车、各工作机组及辅助设备的驱动及钻井泵的传动均采用V带完成o (2)链条钻机 链条钻机是指采用链条作为主传动副，2～4台柴油机用链条并车，统一驱动各工作机组，用V带传动驱动钻井泵。 (3)齿轮钻机 齿轮钻机采用齿轮为主传动副，配合万向轴驱动绞车和转盘，或采用圆锥齿轮—万向轴并车驱动绞车、转盘和钻井泵。 6．按钻井深度分类 (1)浅井钻机 钻井深度在1500m以下。 (2)中深井钻机 钻井深度为1500-3000m。 (3)深井钻机 钻井深度为3000—5000m。 (4)超深井钻机 钻井深度为5000-9000m。 (5)特深井钻机 钻井深度在9000m以上。 7．按使用地区和用途分类 (1)陆地钻机 也称为常规钻机，用于正常陆地勘探、钻井。 (2)海洋钻机 用于海上钻井平台。 (3)浅海钻机 用于0~5m水深或沼泽地区钻井。 (4)丛式井钻机 用于在一个井场或平台上钻出若干口井。 (5)沙漠钻机 用于在沙漠地区勘探、钻井。 (6)直升机吊运钻机 用于将钻机吊运到偏远的山地、丛林、岛屿或沙漠腹地等无地面公路，不适合地面行驶的油区钻井。 (7)小井眼钻机 用于钻探井口直径较小的油、气井，井眼直径为85．73mm，这种钻机由于井场面积小、井眼小、钻屑少，不需废泥浆池，所需装机功率低，因此，不仅可大幅度降低钻井成本，而且安全、环保。 (8)柔杆钻机 柔杆钻机是一种新型的钻探设备。它包括以环链牵引器为主体的地面设备、柔杆及储存装置、钻探电机三大部分。这种钻机是用电动机作为井底动力直接带动钻头旋转切削岩石和割取岩芯。用连续的柔性钻杆(简称柔杆)代替普通的刚性钻杆，由若干液压夹持器组成的环链牵引器夹持柔杆实现连续起下钻。 石油钻机均具有如下明显的特点：第一，传动效率低，机械化自动化程度低；第二，钻井操作是不连续的，其中辅助生产的起下作业耗费能量颇大；第三，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，因此，要求钻机有很强的适应地区、环境的能力和便捷的运移性能。

2．2地面旋转设备 地面旋转设备是旋转钻机的重要组成部分，其主要功用是旋转钻柱、钻头、破碎岩石、形成井眼。它主要包括转盘、水龙头和顶驱钻井系统三大部分。 2. 2. 1 转盘 转盘是旋转钻机的关键设备，也是钻机的三大工作机之一。转盘实质上是一个大功率的圆锥齿轮减速器。在钻进过程中，转盘的作用是把发动机的动力通过方瓦传给方钻杆、钻杆、钻铤和钻头，驱动钻头旋转，从而实现进尺，钻出井眼。在起下钻和下套管过程中，需要把管柱卡在转盘上进行卸扣。因此，始终保持转盘处于良好的工作状态，是快速优质钻井的必备条件之一。 1．钻井工艺对转盘的要求 (1)具有足够大的扭矩和多挡的转速。转矩用于转动钻柱带动钻头破碎岩石；高挡转速用于快速钻进，低挡转速是为了满足打捞、对扣、倒扣、造扣或磨铣落于井底的刮刀片、牙轮或其他物件等特殊作业的要求。 (2)具有足够抗震、抗冲击和抗钻井液腐蚀的能力，尤其是上轴承应有足够的强度和寿命，并要求其承载能力不小于钻机的最大钩载。 (3)能正、反转，且具有可靠的制动机构。 (4)转盘中心孔的直径应能满足通过最大号钻头。但也不能过大，否则会造成钻盘体积过大和井口操作不便，一般在525~600mm之间。 (5)转台面直径应根据中心孔直径、操作是否方便及吊卡尺寸等因素确定，一般以~,1000mm左右为宜。 (6)在结构上应具有良好的密封、润滑和散热性能，以防止外界的泥浆、污物进入转盘内部损坏主辅轴承。 2．转盘的结构组成