国内外石油钻机新技术及发展趋势

摘要：本文重点介绍了国内外钻机的先进技术:意大利全液压钻机和小井眼、顶部驱动钻机、套管钻机及宝鸡石油机械有限责任公司研制成功的12000米特深井石油钻机等,如代表了石油钻机的最新技术。最后介绍石油钻机的发展趋势。

21世纪以来,国内外研究改进、开发创新了多种新型石油钻机,涌现了许多新结构、新技术。近年来,为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵等不同地带油气藏的勘探和开发,美国、中国、德国、法国、加拿大、意大利、墨西哥和罗马尼亚等国先后开发了各种类型的石油钻机。国内外在顶部驱动钻机、小井眼石油钻机、套管钻机、液压钻机、自动化钻机及钻机配套技术方面发展很快,一些技术已进入实用阶段。

1、 顶部驱动装置

顶部驱动钻井装置TDS(TOP DRIVE DRILLING SYSTEM),是美国、法国、挪威近2 0年来相继研制成功的一种顶部驱动钻井系统,取代了转盘带动方钻杆钻井的钻井技术。它可从井架上部空间直接旋转钻杆,沿专用导轨向下送钻具,完成钻杆旋转钻进,循环钻井液,接立柱,上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。该系统显著提高了钻井作业的能力和效率,并已成为石油钻井行业的标准产品。顶部驱动钻机之所以得到较快发展,因为其具有以下几个方面的优势:

1) 立柱钻井,节约了三分之二的接单根时间。

利用转盘带动方钻杆钻井时,受方钻杆的限制,每钻完9米左右就需要停泵接一个单根。而顶部驱动装置实现了立柱钻井,直接接上一根立柱就可以实现继续钻进,节约了三分之二的接单根时间。

2) 下钻划眼,不必再接方钻杆。

在下钻过程中,如果遇到砂桥和缩径点,有了顶驱,就省去了接水龙头和方钻杆的准备时间,而且不需要把立柱甩成单根来划眼,在井架的任意高度,都可以坐上卡瓦,接上顶驱,随时开泵循环划眼,节约了钻井时间,减少了井下事故的发生。

3) 节约钻井成本。

由于顶部驱动装置可以及时方便的处理井下事故,所以它允许钻井过程中使用较少、较便宜的钻井液和添加剂,这对占钻井成本近2 5%的泥浆药品来讲,无疑节约了不少钻井成本。

4) 设备安全

顶部驱动钻井装置采用马达旋转上扣,上扣平稳,并可从扭矩表上观察上扣扭矩,避免上扣扭矩过盈或不足。钻井最大扭矩的设定,使钻井中出现蹩钻扭矩超过设定范围时马达会自动停止旋转,待调整钻井参数后再正常钻进,避免设备超负荷长时间运转。

2、 12000m特深石油钻机

2007年11月16日,国家“863”计划重点课题项目??我国首台具有自主知识产权的12000m特深井石油钻机,在中国宝鸡石油机械有限责任公司研制成功。此台12000米钻机是目前全球技术最先进的特深井陆地石油钻机。该钻机采用国际最先进的全数字化交流变频控制技术,作业全部实现了智能化控制,其特深井钻机技术自主创新在我国实现了多项重大突破:该钻机井架、底座等主要承载件采用了高强度耐低温材料,并有相关制造工艺保障,钻机其他设备采用了相应的防低温措施,能保证在-4 0℃环境条件下进行正常钻井作业,钻机适应环境能力强。

首次研制开发了功率为4400kW(6000hp)绞车,采用单滚筒齿轮传动,创新设计的挂合结构实现了绞车滚筒的快速离合,提高了安全性,便于维修,并可降低运行成本,绞车采用模块化结构设计,有效地解决了调运、安装和维护问题；首次采用液缸起升人字架,绞车低位工作,起升方便安全,整体设计合理。

自行研制的52MPa、1640kW(2200hp)高压钻井泵,缸套、活塞等易损件研究取得突破,提高了整机的可靠性；首次研制开发了开口直径1257mm转盘及承载能力72t的死绳固定器等部件与钻机配套,大钩与水龙头的攻关也取得重大突破,解决了特深井钻机的集成配套问题；钻机的电控系统解决了绞车四台电机驱动时电机负荷的均衡分配,采用电机无冲击切入切出及气、电、液、钻井仪表一体化等控制技术,该系统具有双冗余控制和完善的保护功能,提高了钻机的先进性、可靠性和智能化水平；首次研制开发了承载能力900t的井架、底座、天车、游车、大钩、吊环,实现了低位安装,靠绞车的动力一次性整体起升；首次研制开发了承载能力675t,适应-40℃环境温度要求的水龙头。钻机的总体技术方案和集成技术属国际领先水平。

3、 套管钻机

套管钻井是一种全新的钻井工艺技术,被誉为是2 1世纪的前沿钻井技术之一。与套管钻井工艺相配套的套管钻机取消了常规的钻杆,用套管代替钻杆进行钻井。钻机安装在拖车上,采用电?液驱动的顶驱装置,通过套管传递扭矩,并带动安装在套管底部钻具组上的钻头旋转钻进。

钻头固定在一个专用钻具组的前部,钻具组锁定在套管的底部,并用钢丝绳与钻台上起下钻头的专用绞车相连,当需要换钻头时,将锁定装置打开,利用绞车将钻具起出,更换新钻头后再用绞车将钻具送入井底,锁定在套管底部,操作非常方便迅速。

套管钻井中的钻头直径小于套管内径,若需钻出大于套管外径的井眼,则需在钻头上部的钻具上安装一可以收缩的扩孔钻头,钻进时,扩孔钻头张开,这样就可以钻出大于套管外径的井眼。钻机的钻进过程也就是下套管的过程,套管下到井里不再提起,完钻后即可进行固井。套管钻机钻井具有以下优点:

1) 简化了钻机结构,减小了钻机尺寸,降低了钻机成本,钻机更轻便,且容易操作和搬迁。 2) 套管钻井节省了大量的钻井管材,节约了大量与钻杆、钻铤有关的采购、运输、检验、维护和更换的费用。 3) 采用钢丝绳起钻比传统的钻杆起钻快5～10倍,减少了起下钻时间。 4) 由于套管自始至终留在井内,大大减少了地层膨胀、井壁坍塌、键槽、台阶和意外事故的发生,而且不再有抽吸作用和压力波动,从而使井控状况得到大大改善。 5) 套管钻机在起下钻更换钻头或测井时,可继续循环钻井液,防止钻屑沉积,减少卡钻和井涌发生。 6) 套管钻机钻井,可以使钻井液水力参数、环空上返速度和清洗井筒的状况得到大大改善。 7) 钻机钻井可大大降低钻井成本,据估计,一口井深3000m的井,与常规钻机钻井相比,所需费用可节省30%以上,其经济效益十分明显。

套管钻井技术是一项正在迅速发展的技术,有着广阔的应用前景。套管钻机是一种新型的钻井设备,随着套管钻井工艺技术的完善和推广,套管钻机也必将会得到进一步的发展。

4 、石油钻机发展趋势

随着交流变频技术的迅速发展,交流变频电驱动石油钻机会取代可控硅直流电驱动钻机,该型钻机具有现用机械驱动钻机和直流电驱动钻机无可比拟的优越性能,将成为陆地和海洋石油钻机发展的换代产品。

今后,石油钻机发展特点是: 1) 专业化钻机得到快速发展。如适应各种环境和工艺技术发展的沙漠钻机、海洋钻机、斜井钻机、小井眼钻机、特深井钻机、连续管钻机等。 2) 规模向两极化方向发展。深井石油钻机趋向大型化(1500m,MAX12500kN)、轻便钻机趋向小型化(车载为主)。 3) 钻机控制实现自动化、智能化。顶驱、盘式刹车技术逐步成熟,电动控制技术、液压驱动技术和可靠性逐步提高。 4) 大力发展新型石油钻机,采用人性化的设计,先进的机械自动化,高效的钻机操作和监控系统,装置模块化,以提高钻机运移性,最终达到提高钻井效率,大大降低钻井成本的目的。

地声探秘和声波测井

地球上除了大气层和海洋外，其余绝大部分是固体。固体地球除了是声音传播的介质外，也蕴藏着丰富的声音，这就是地声。

通常把地层岩石中每秒钟振动20次以上（频率为20赫兹）的纵波（介质质点振动方向与声波传播方向一致的波动），称为地声。人听到的地声主要来自地壳，如地震发生前可以听到的类似于雷鸣、撕裂、轰鸣的声音就是地震地声。另外，火山喷发，泥石流，山体滑坡，矿井的崩塌，油气井井下有石油、天然气或水涌出，都会发出声音。人在承受力达到极限，吃不消或感到疲劳时，往往会大吼一声或者发出呻吟。固体也有这种现象。固体在发生破裂前发出声音的现象叫声发射，这种现象最早是在岩石中发现的。

现在，科学家已经根据固体在破裂或损坏前会发出声音的原理，研制了材料的探伤仪器，例如，检查铁路钢轨内部是否有裂缝、缺陷，是否会断裂等。在石油天然气井下，则可以根据井下钢套管或岩石发出的声音的测量记录，预测套管或岩层是否有断裂、破损的征兆，避免事故（如套管断裂）发生，还可以检查作业效果（如岩石被钻头破碎或压裂的情况）。另外，钻头在破碎岩石时发出的声音也会因岩石的种类不同而异，根据对这种声音的测量记录，可以识别井下岩层的性质和变化。

在井下测量记录到的地声，可分为三类：岩层自然发出的声音，对这种声音的测量记录，是“被动”的；由于井下机械作业引起的声音；测量记录由井下专门的发声器件（声学探头）发出的、经过要研究分析的岩层时的声音。后两种声音都是“主动”测量记录的，最后一种则是现代应用最广泛的井下岩石声学性质测量方法，即声波测井。