第一節(jié) 市場概述

石油鉆機自21世紀以來,國內外 研究 改進、開發(fā)創(chuàng)新了多種新型石油鉆機,涌現(xiàn)了許多新結構、新技術。

石油鉆機近年來,為了適應淺海、海灘、沙漠和丘陵等不同地帶油氣藏的勘探和開發(fā),美國、中國、德國、法國、加拿大、意大利等國先后開發(fā)了各種類型的石油鉆機。

石油鉆機在國內外在頂部驅動鉆機、小井眼石油鉆機、套管鉆機、液壓鉆機、自動化鉆機及鉆機配套技術方面發(fā)展很快,一些技術已進入實用階段。

圖表 21  2009-2014年7月全球石油鉆機 行業(yè) 市場規(guī)模 分析

第二節(jié) 主要國家發(fā)展概述

圖表 22  2009-2014年7月美國石油鉆機 行業(yè) 市場規(guī)模 分析

圖表 23  2009-2014年7月歐盟石油鉆機 行業(yè) 市場規(guī)模 分析

圖表 24  2009-2014年7月日本石油鉆機 行業(yè) 市場規(guī)模 分析

第三節(jié) 主要鉆機

1）套管石油鉆機

套管鉆井是一種全新的鉆井工藝技術，被譽為是21世紀的前沿鉆井技術之一。與套管鉆井工藝相配套的套管鉆機取消了常規(guī)的鉆桿，用套管代替鉆桿進行鉆井。1995年以來Tesco公司研制了一種用于套管鉆井的新型鉆井裝備——套管鉆機。鉆機安裝在拖車上，采用電一液驅動的頂驅裝置，通過套管傳遞扭矩，并帶動安裝在套管底部鉆具組上的鉆頭旋轉鉆進。鉆頭固定在一個專用鉆具組的前部，鉆具組鎖定在套管的底部，并用鋼絲繩與鉆臺上起下鉆頭的專用絞車相連，當需要換鉆頭時，將鎖定裝置打開，利用絞車將鉆具起出，更換新鉆頭后再用絞車將鉆具送入井底，鎖定在套管底部，操作非常方便迅速。套管鉆井中的鉆頭直徑小于套管內徑，若需鉆出大于套管外徑的井眼，則需在鉆頭上部的鉆具上裝一可以收縮的擴孔鉆頭，鉆進時，擴孔鉆頭張開，這樣就可以鉆出大于套管外徑的井眼。鉆機的鉆進過程也就是下套管的過程，套管下到井里不再提起，完鉆后即可進行固井。1998年6月Tesco公司用新型的套管鉆機成功地進行了鉆井試驗，并獲得了兩項美國專利。

套管鉆井技術是一項正在迅速發(fā)展的技術，有著廣闊的應用前景。套管鉆機是一種新型的鉆井設備，隨著套管鉆井工藝技術的完善和推廣，套管鉆機也必將會得到進一步的發(fā)展。

2）小井眼石油鉆機

國外 研究 小井眼石油鉆井技術的歷史比較早，但這一鉆井技術真正引起世界石油界的普遍關注和對小井眼鉆機的技術開發(fā)還是近十來年的事。20世紀80年代以來，由于國際油氣價格持續(xù)低迷，整個世界石油工業(yè)很不景氣，加上世界各國環(huán)境保護意識的增強，各國對環(huán)境保護的呼聲和要求越來越高，許多國家制定了保護環(huán)境的法律法規(guī)，嚴格限制包括石油工業(yè)在內的污染、排放和噪音，從而大大增加了對石油鉆井工程中的環(huán)保壓力和環(huán)保費用。各大石油公司和鉆井公司為了生存，為了獲取更大的經濟效益，千方百計尋找降低勘探開發(fā)成本、提高經濟效益與自身競爭力的方法和途徑。進入90年代以后許多石油公司投入很大的力量開展小井眼鉆井技術的 研究 和實際應用，進而促進了小井眼石油鉆機在世界上的迅速發(fā)展。

由于小井眼鉆井技術在降低油氣勘探和開發(fā)成本、提高經濟效益、減輕環(huán)境污染等方面比常規(guī)鉆井具有十分突出的優(yōu)越性，另外，原來一直困撓小井眼鉆井技術發(fā)展的錄井、鉆速、采油、鉆壓等技術障礙已被解決，故瑞典勘探石油集團、比利時、澳大利亞、英國的BP公司、法國的TEP公司、加拿大CS資源公司、美國AMOCO公司等許多國家的石油公司積極研制小井眼石油鉆機。

3）重型石油鉆機

T160型重型石油鉆機。

該鉆機的主要性能指標：

鉆井深度5800m

裝機功率4780kW

發(fā)動機功率4x1195kW

最大鉆柱重量375t

最大鉤載580t

頂驅裝置功率735.5kW

絞車功率1838.7kW

鉆井泵功率2×1618kW

轉盤開口直徑950mm

井架高度61m

鉆臺高度11m

該鉆機的主要性能特點：

(1)整個鉆機是由現(xiàn)代化的操作臺控制；司鉆可以坐著操作；各重要鉆井設備的參數(shù)由操作臺上的鉆壓表、鉆速表、壓力表的數(shù)字顯示系統(tǒng)顯示。

(2)鉆機的動力由4臺CAT3512型B系列12缸渦輪增壓柴油機提供，每臺發(fā)動機驅動一臺不萊梅ZeppelAch’tm公司提供的Leroy—Somer交流發(fā)電機。電動直接噴油較常規(guī)預燃室的燃料消耗減少約12％；發(fā)動機放在一個3m×3m×12m，重28t的箱體內，最大限度地減少了噪音。通過SCR電橋將電流分配給鉆井泵、絞車和頂驅裝置的直流電動機并驅動各鉆井設備。

(3)鉆機的絞車型號為GH一2500EG，由兩臺GE一752高扭矩電動機驅動。該絞車取消了帶式剎車，另裝有電磁渦流剎車和緊急剎車及停機時用的制動盤。渦流剎車的型號為Wlmagco一7838。絞車上還裝有自動送鉆裝置，當大鉤載荷為250t，機械鉆速不超過60m／h時可以自動調節(jié)，當主驅動裝置失靈時還可起下全部鉆井設備。絞車結構緊湊，全部置于3m×3m×12m，重63t的隔音箱體內。為了增加鉆臺的工作面積與視野，為了作業(yè)時的安全性和減少噪音，絞車放在鉆臺后邊冷卻罐的上邊。

(4)鉆井泵為兩臺National14一P一220三缸單作用泵，每臺泵由兩臺GE一752高扭矩電動機驅動，每臺泵重55t。由于泵的功率大，可滿足鉆井新技術提高機械鉆速的要求。由于泵有足夠的功率儲備，故可以大大減少泵的磨損。深井清水高壓循環(huán)泵壓可達51．7MPa(75001bf／in2)，立管、水龍帶、頂部驅動等高壓系統(tǒng)的工作壓力為50MPa(72521bf／in2)。

(5)鉆機的頂驅裝置為電動式，型號為DDM650LV，挪威生產。由一臺GE一752電動機驅動。

(6)該鉆機配有一臺型號為1898型的液壓遙控的鐵鉆工，可以上卸3．5～9．5in鉆桿和加重鉆桿，從而保證了起下鉆作業(yè)的安全。該鐵鉆工上扣扭矩十分精確，對鉆柱有良好的保護作用。

(7)井架各節(jié)連接為插接組合式，不是螺紋連接，故井架的安裝拆卸十分方便省時。llm×llm的鉆臺周圍有一15cm厚的隔墻。井架與底座總重420t。除井架與底座外，其他設備沒有超過3m×3m×14m的大件，故運輸十分方便。

4）科研用石油鉆機

新設計的第11號科研鉆機和試驗基地具有以下特點：

(1)該鉆機在設計上有帶樞軸的導軌系統(tǒng)，鉆機可沿一半圓軌道滑動搬遷，搬遷時間由原來的2～3d縮短到2～3h。

(2)該鉆機的起下鉆速度比“藍色鉆機”提高了75％，利用一個輔助小鼠洞能用18m立根鉆進。

(3)該鉆機配有小井眼的41/2in鋁質鉆桿和27/8m鋼質鉆桿。

(4)該鉆機的井架高32．6m，液壓動力水龍頭在250r／min時的額定扭矩約為5kN?m。

(5)該鉆機有兩個轉盤，其卡瓦座尺寸分別為171/2in和271/2in。

(6)該鉆機提升系統(tǒng)的額定載荷能力為89×104N。

(7)該鉆機的鉆井液系統(tǒng)由6個罐組成，總容積為48m3；鉆機配有一臺三缸鉆井泵，泵送能力為490～2650L／min；考慮試驗中采用低排量的需要，還配有幾臺小型鉆井泵。

(8)鉆機的固控系統(tǒng)包括兩臺超細振動篩及相關配套設備。

(9)試驗基地備有鉆小井眼井和短半徑井用的修井機，其額定鉆深能力600m，額定大鉤載荷18×104N。

(10)試驗基地有一套阿莫科高速鉆井技術試驗設備，這套高速鉆井系統(tǒng)包括：鉆井和完井試驗設備、鉆井水參數(shù)試驗閉環(huán)系統(tǒng)、固控試驗設備、鉆井／模擬系統(tǒng)室內鉆機等。

(11)該試驗基地的地質條件具有多樣性；且各種地層埋藏淺，有365m賓夕法尼亞系地層、121m泥盆系/密西西比系層段和701m寒武系／奧陶系地層。

5）超高壓射流鉆井設備

二種雙管鉆井系統(tǒng)，從鉆桿內中心高壓管中輸入IOOMPa的高壓鉆井液，井底噴嘴的射流速度高達200m／s，壓力降達80MPa；在硬巖石中的鉆速比常規(guī)旋轉鉆井法提高405倍。這一超高壓射流鉆井法已用于工業(yè)淺井鉆井，用80一IOOMPa的高壓液流可以鉆破巖石。這一雙管高壓射流鉆井系統(tǒng)專家認為只能用于淺井鉆井。

二、主要產品對比 分析

21世紀以來，海內外 研究 改進、開發(fā)立異了多種新型石油鉆機，涌現(xiàn)了很多新結構、新技術。近年來，為了適應淺海、海灘、沙漠和丘陵等不同地帶油氣藏的勘探和開發(fā)，美國、中國、德國、法國、加拿大、意大利、墨西哥和羅馬尼亞等國先后開發(fā)了各種類型的石油鉆機。海內外在頂部驅動鉆機、小井眼石油鉆機、套管鉆機、液壓鉆機、自動化鉆機及鉆機配套技術方面發(fā)展很快，一些技術已進入實用階段。

1、頂部驅動裝置

頂部驅動鉆井裝置TDS(TOP DRIVE DRILLING SYSTEM)，是美國、法國、挪威近2 0年來接踵研制成功的一種頂部驅動鉆井系統(tǒng)，取代了轉盤帶動方鉆桿鉆井的鉆井技術。它可從井架上部空間直接旋轉鉆桿，沿專用導軌向下送鉆具，完成鉆桿旋轉鉆進，輪回鉆井液，接立柱，上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操縱。該系統(tǒng)明顯進步了鉆井功課的能力和效率，并已成為石油鉆井 行業(yè) 的尺度產品。頂部驅動鉆機之所以得到較快發(fā)展，由于其具有以下幾個方面的上風:

1)立柱鉆井，節(jié)約了三分之二的接單根時間。

利用轉盤帶動方鉆桿鉆井時，受方鉆桿的限制，每鉆完9米左右就需要停泵接一個單根。而頂部驅動裝置實現(xiàn)了立柱鉆井，直接接上一根立柱就可以實現(xiàn)繼承鉆進，節(jié)約了三分之二的接單根時間。

2)下鉆劃眼，不必再接方鉆桿。

在下鉆過程中，假如碰到砂橋和縮徑點，有了頂驅，就省去了接水龍頭和方鉆桿的預備時間，而且不需要把立柱甩成單根來劃眼，在井架的任意高度，都可以坐上卡瓦，接上頂驅，隨時開泵輪回劃眼，節(jié)約了鉆井時間，減少了井下事故的發(fā)生。

3)節(jié)約鉆井本錢。

因為頂部驅動裝置可以及時利便的處理井下事故，所以它答應鉆井過程中使用較少、較便宜的鉆井液和添加劑，這對占鉆井本錢近2 5％的泥漿藥品來講，無疑節(jié)約了不少鉆井本錢。

4)設備安全

頂部驅動鉆井裝置采用馬達旋轉上扣，上扣平穩(wěn)，并可從扭矩表上觀察上扣扭矩，避免上扣扭矩過盈或不足。鉆井最大扭矩的設定，使鉆井中泛起蹩鉆扭矩超過設定范圍時馬達會自動休止旋轉，待調整鉆井參數(shù)后再正常鉆進，避免設備超負荷長時間運轉。

2、12000m特深石油鉆機

2007年11月16日，國家“８６３”計劃重點課題項目，我國首臺具有自主知識產權的12000m特深井石油鉆機，在中國寶雞石油機械有限責任公司研制成功。此臺12000米鉆機是目前全球技術最提高前輩的特深井陸地石油鉆機。該鉆機采用國際最提高前輩的全數(shù)字化交流變頻控制技術，功課全部實現(xiàn)了智能化控制，其特深井鉆機技術自主立異在我國實現(xiàn)了多項重大突破：該鉆機井架、底座等主要承載件采用了高強度耐低溫材料，并有相關制造工藝保障，鉆機其他設備采用了相應的防低溫措施，能保證在-4 0℃環(huán)境前提下進行正常鉆井功課，鉆機適應環(huán)境能力強。

首次研制開發(fā)了功率為4400kW(6000hp)絞車，采用單滾筒齒輪傳動，立異設計的掛合結構實現(xiàn)了絞車滾筒的快速離合，進步了安全性，便于維修，并可降低運行本錢，絞車采用模塊化結構設計，有效地解決了調運、安裝和維護題目；首次采用液缸起升人字架，絞車低位工作，起升利便安全，整體設計公道。

自行研制的52MPa、1640kW(2200hp)高壓鉆井泵，缸套、活塞等易損件 研究 取得突破，進步了整機的可靠性；首次研制開發(fā)了啟齒直徑1257mm轉盤及承載能力72t的死繩固定器等部件與鉆機配套，大鉤與水龍頭的攻關也取得重大突破，解決了特深井鉆機的集成配套題目；鉆機的電控系統(tǒng)解決了絞車四臺電機驅動時電機負荷的均衡分配，采用電機無沖擊切入切出及氣、電、液、鉆井儀表一體化等控制技術，該系統(tǒng)具有雙冗余控制和完善的保護功能，進步了鉆機的提高前輩性、可靠性和智能化水平；首次研制開發(fā)了承載能力900t的井架、底座、天車、游車、大鉤、吊環(huán)，實現(xiàn)了低位安裝，靠絞車的動力一次性整體起升；首次研制開發(fā)了承載能力675t，適應-40℃環(huán)境溫度要求的水龍頭。鉆機的總體技術方案和集成技術屬國際領先水平。

3、套管鉆機

套管鉆井是一種全新的鉆井工藝技術，被譽為是2 1世紀的前沿鉆井技術之一。與套管鉆井工藝相配套的套管鉆機取消了常規(guī)的鉆桿，用套管代替鉆桿進行鉆井。鉆機安裝在拖車上，采用電?液驅動的頂驅裝置，通過套管傳遞扭矩，并帶動安裝在套管底部鉆具組上的鉆頭旋轉鉆進。

鉆頭固定在一個專用鉆具組的前部，鉆具組鎖定在套管的底部，并用鋼絲繩與鉆臺上起下鉆頭的專用絞車相連，當需要換鉆頭時，將鎖定裝置打開，利用絞車將鉆具起出，更換新鉆頭后再用絞車將鉆具送入井底，鎖定在套管底部，操縱非常利便迅速。

套管鉆井中的鉆頭直徑小于套管內徑，若需鉆出大于套管外徑的井眼，則需在鉆頭上部的鉆具上安裝一可以收縮的擴孔鉆頭，鉆進時，擴孔鉆頭張開，這樣就可以鉆出大于套管外徑的井眼。鉆機的鉆進過程也就是下套管的過程，套管下到井里不再提起，完鉆后即可進行固井。套管鉆機鉆井具有以下長處:

1)  簡化了鉆機結構，減小了鉆機尺寸，降低了鉆機本錢，鉆機更輕便，且輕易操縱和搬遷。

2)  套管鉆井節(jié)省了大量的鉆井管材，節(jié)約了大量與鉆桿、鉆鋌有關的采購、運輸、檢修、維護和更換的用度。

3)  采用鋼絲繩起鉆比傳統(tǒng)的鉆桿起鉆快5～10倍，減少了起下鉆時間。

4)  因為套管自始至終留在井內，大大減少了地層膨脹、井壁坍塌、鍵槽、臺階和意外事故的發(fā)生，而且不再有抽吸作用和壓力波動，從而使井控狀況得到大大改善。

5)  套管鉆機在起下鉆更換鉆頭或測井時，可繼承輪回鉆井液，防止鉆屑沉積，減少卡鉆和井涌發(fā)生。

6)  套管鉆機鉆井，可以使鉆井液水力參數(shù)、環(huán)空上返速度和清洗井筒的狀況得到大大改善。

7)  鉆機鉆井可大大降低鉆井本錢，據(jù)估計，一口井深3000m的井，與常規(guī)鉆機鉆井比擬，所需用度可節(jié)省30％以上，其經濟效益十分顯著。

套管鉆井技術是一項正在迅速發(fā)展的技術，有著廣闊的應用遠景。套管鉆機是一種新型的鉆井設備，跟著套管鉆井工藝技術的完善和推廣，套管鉆機也必將會得到進一步的發(fā)展。

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