钻机设计第一章

1、v1 学习背景 v2 钻机概况v3 钻机分类和特点 v4 钻机参数和驱动为什么学钻机设计 清华大学清华大学（石油工程系）（石油工程系） 北京大学北京大学 天津大学天津大学 大连理工大学大连理工大学 北京石油学院北京石油学院 研究生院研究生院 华东石油学院华东石油学院 石油大学石油大学中国石油大学中国石油大学 石油工程学院石油工程学院 化学化工学院化学化工学院 地球科学与技术学院地球科学与技术学院 储运与建筑工程学院储运与建筑工程学院 信息与控制工程学院信息与控制工程学院 计算机与通讯工程学院计算机与通讯工程学院 机电工程学院机电工程学院 2.12.1 什么是钻井什么是钻井 v钻井（钻井（dri

2、lling）：利用机械设备，将地层钻成具）：利用机械设备，将地层钻成具有一定深度的圆柱形孔眼的工程。有一定深度的圆柱形孔眼的工程。v要点要点：（1）钻机组成钻机组成 （2）井身结构井身结构 （3）固井）固井看影片钻井看影片钻井3D （1）石油钻机的组成 钻具起升系统钻具起升系统 旋转钻进系统旋转钻进系统 钻井液循环系统钻井液循环系统 动力驱动系统动力驱动系统 传动系统传动系统 控制监测系统控制监测系统 钻机井架和底座钻机井架和底座 辅助设备辅助设备 （2）井身结构 v油井特点：油井特点： 细细百毫米百毫米 长长几千米几千米 刚刚钢管壁钢管壁v井身结构：井身结构： 导管导管 表层套管表层套管 技

3、术套管技术套管 油层套管油层套管套管规格 v A A、导管：导管：井身结构中下入的第一层套管叫导管。其作用是保持井口井身结构中下入的第一层套管叫导管。其作用是保持井口附近的地表层。附近的地表层。v B B、表层套管：表层套管：井身结构中第二层套管叫表层套管，一般为几十至几井身结构中第二层套管叫表层套管，一般为几十至几百米。下入后，用水泥浆固井返至地面。其作用是封隔上部不稳定的百米。下入后，用水泥浆固井返至地面。其作用是封隔上部不稳定的松软地层和水层。松软地层和水层。v C C、技术套管：技术套管：表层套管与油层套管之间的套管叫技术套管。是钻井表层套管与油层套管之间的套管叫技术套管。是钻井中途遇

4、到高压油气水层、漏失层和坍塌层等复杂地层时为钻至目的地中途遇到高压油气水层、漏失层和坍塌层等复杂地层时为钻至目的地层而下的套管，其层次由复杂层的多少而定。作用是封隔难以控制的层而下的套管，其层次由复杂层的多少而定。作用是封隔难以控制的复杂地层，保持钻井工作顺利进行。复杂地层，保持钻井工作顺利进行。v D D、油层套管：油层套管：井身结构中最内的一层套管叫油层套管。油层套管的井身结构中最内的一层套管叫油层套管。油层套管的下入深度取决于油井的完钻深度和完井方法。一般要求固井水泥返至下入深度取决于油井的完钻深度和完井方法。一般要求固井水泥返至最上部油气层顶部最上部油气层顶部100100150150米

5、。其作用封隔油气水层，建立一条供长米。其作用封隔油气水层，建立一条供长期开采油气的通道。期开采油气的通道。v E E、水泥返高：水泥返高：是指固井时，水泥浆沿套管与井壁之间和环形空间上是指固井时，水泥浆沿套管与井壁之间和环形空间上返面到转盘平面之间的距离返面到转盘平面之间的距离。v A A、下套管：下套管：就是在已经钻成的井眼中按规定深度就是在已经钻成的井眼中按规定深度下下入入一一定定直径、由某种或几种不同钢级及壁厚的套管组成的套管直径、由某种或几种不同钢级及壁厚的套管组成的套管柱。柱。v B B、注水泥：注水泥：就是再地面上将水泥浆通过套管柱注入到井就是再地面上将水泥浆通过套管柱注入到井眼与

6、套管柱之间的环形空间中的过程。眼与套管柱之间的环形空间中的过程。 水泥水泥将套管柱与井壁岩石牢固固结在一起，可以将油将套管柱与井壁岩石牢固固结在一起，可以将油、气、水层及复杂层位封固起来以利于进一步钻进或开采、气、水层及复杂层位封固起来以利于进一步钻进或开采。（3）固 井 2.22.2 石油钻机组成石油钻机组成 各系统各系统 作作 用用 设设 备备 过过 程程 熟熟 记记 了解了解 了解了解 起升系统 v作用：起升和下放钻具、下套管以及控制钻压、作用：起升和下放钻具、下套管以及控制钻压、送进钻具。送进钻具。v设备：起升系统包括绞车、辅助刹车、天车、游设备：起升系统包括绞车、辅助刹车、天车、游车

7、、大钩、钢丝绳以及吊环、吊卡、吊钳、卡瓦车、大钩、钢丝绳以及吊环、吊卡、吊钳、卡瓦等各种工具。等各种工具。循环系统 v 作用：作用：清洗井底、携清洗井底、携带岩屑、平衡井压、带岩屑、平衡井压、保护井壁，冷却钻头保护井壁，冷却钻头，井下动力，地质信，井下动力，地质信息息。v 设备：设备：钻井泵，地面钻井泵，地面管汇、泥浆罐、泥浆管汇、泥浆罐、泥浆净化设备等，其中地净化设备等，其中地面管汇包括高压管汇面管汇包括高压管汇、立管、水龙带，泥、立管、水龙带，泥浆净化设备包括震动浆净化设备包括震动筛、除砂器、除泥器筛、除砂器、除泥器、离心机等、离心机等。旋转系统 v作用：转动井中钻具，带动钻头破碎岩石作用

8、：转动井中钻具，带动钻头破碎岩石v设备：常规钻机配备转盘、水龙头，井中配备有杆设备：常规钻机配备转盘、水龙头，井中配备有杆钻柱（包括方钻杆、钻杆柱、钻铤等）和钻头。钻柱（包括方钻杆、钻杆柱、钻铤等）和钻头。 钻钻 杆杆方钻杆方钻杆加重钻杆加重钻杆钻钻 铤铤l钻具组合：钻具组合：l方钻杆（传输扭矩）方钻杆（传输扭矩）l钻杆钻杆 （延长井深）（延长井深）l钻铤钻铤 （稳定井眼）（稳定井眼） 动力钻具动力钻具l钻头钻头 （破碎岩石）（破碎岩石）l连接接头连接接头动力驱动系统 v 起升系统、循环系统和旋转系统起升系统、循环系统和旋转系统是钻机的三大工是钻机的三大工作机组，用来提供动力，它们协调工作即可

9、完成钻井作机组，用来提供动力，它们协调工作即可完成钻井作业，为了向这些工作机组提供动力，钻机需要配备作业，为了向这些工作机组提供动力，钻机需要配备动力设备。动力设备。v 钻机的动力设备有钻机的动力设备有柴油机、交流电机、直流电机柴油机、交流电机、直流电机。v 柴油机适应于在柴油机适应于在没有电网的偏远地区打井没有电网的偏远地区打井，交流电机，交流电机依赖于依赖于工业电网或者是需要柴油机发出交流电工业电网或者是需要柴油机发出交流电，直流，直流电机需要电机需要柴油机带动直流发电机发出直流电柴油机带动直流发电机发出直流电，目前更，目前更常用的情况是柴油机带动交流发电机发出交流电，再常用的情况是柴油机

10、带动交流发电机发出交流电，再经可控硅整流，将交流电变成直流电。经可控硅整流，将交流电变成直流电。传动系统 v 连接动力机与工作机，实现从驱动设备到工作机连接动力机与工作机，实现从驱动设备到工作机组的组的能量传递、分配及运动方式的转换能量传递、分配及运动方式的转换。v 传动系统一般包括传动系统一般包括减速机构、变速机构、正倒车机构减速机构、变速机构、正倒车机构以及多动力机之间的并车机构以及多动力机之间的并车机构等。等。v 由柴油机直接驱动的钻井多采用统一驱动的形式，传由柴油机直接驱动的钻井多采用统一驱动的形式，传动系统相对复杂，由交直流电动机驱动的钻机多采用动系统相对复杂，由交直流电动机驱动的钻

11、机多采用各机组单独或分组驱动的形式，传动系统得到了很大各机组单独或分组驱动的形式，传动系统得到了很大的简化。的简化。控制系统 v 为了保证钻机的三大工作机组协调的工作为了保证钻机的三大工作机组协调的工作，以满足钻井工艺的要求，钻机配备有控制系，以满足钻井工艺的要求，钻机配备有控制系统。统。v 控制方式有控制方式有机械控制、气控制、电控制和机械控制、气控制、电控制和液控制液控制等。等。v 目前，钻机上常用的控制方式是目前，钻机上常用的控制方式是集中气控集中气控制制。司钻通过钻机上司钻控制台可以完成几乎。司钻通过钻机上司钻控制台可以完成几乎所有的钻机控制：如总离合器的离合；各动力所有的钻机控制：如

12、总离合器的离合；各动力机的并车；绞车、转盘和钻井泵的起、停；绞机的并车；绞车、转盘和钻井泵的起、停；绞车的高低速控制等。车的高低速控制等。井架和底座 v 井架和底座用来支撑和安装各钻井设备和工具、提供钻井井架和底座用来支撑和安装各钻井设备和工具、提供钻井操作场所。井架用来安装天车、悬挂游车、大钩、水龙头操作场所。井架用来安装天车、悬挂游车、大钩、水龙头和钻具，承受钻井工作载荷，排放立根；底座用来安装动和钻具，承受钻井工作载荷，排放立根；底座用来安装动力机组、绞车、转盘、支撑井架，借助转盘悬持钻具，提力机组、绞车、转盘、支撑井架，借助转盘悬持钻具，提供转盘和地面之间的高度空间，以安装必要的防喷器

13、和便供转盘和地面之间的高度空间，以安装必要的防喷器和便于泥浆循环。于泥浆循环。辅助设备 v 为了保证钻井的安全和正常进行，钻机还包括其他的辅助为了保证钻井的安全和正常进行，钻机还包括其他的辅助设备，如防止井喷的防喷器组，为钻井提供照明和辅助用设备，如防止井喷的防喷器组，为钻井提供照明和辅助用电的发电机组，提供压缩空气的空气压缩设备以及供水、电的发电机组，提供压缩空气的空气压缩设备以及供水、供油设备等。供油设备等。思考题 起升系统起升系统 钻进系统钻进系统 循环系统循环系统 动力驱动系统动力驱动系统 传动系统传动系统 控制监测系统控制监测系统 井架和底座井架和底座 辅助设备辅助设备 l3.1 3

14、.1 钻机分类钻机分类 根据需要，石油钻机有各种不同的分类方法。根据需要，石油钻机有各种不同的分类方法。 (1)(1)按钻井深度分按钻井深度分 l 浅井钻机：钻井深度浅井钻机：钻井深度1500m1500m；l 中深井钻机：钻井深度为中深井钻机：钻井深度为150015003000m3000m；l 深井钻机：钻井深度为深井钻机：钻井深度为300030005000m5000m；l 超深井钻机：钻井深度超深井钻机：钻井深度5000m5000m。 (2)(2)按使用地区和用途分按使用地区和用途分 海洋钻机；浅海钻机（适用与海洋钻机；浅海钻机（适用与0 05m5m水深或水深或沼泽地区）；陆地常规钻机；丛式

15、井钻机；沙沼泽地区）；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；连续漠钻机；直升机吊运钻机；小井眼钻机；连续柔管钻机等。柔管钻机等。 (3)(3)按驱动设备类型分按驱动设备类型分 柴油机驱动、电驱动和液压驱动。其中电柴油机驱动、电驱动和液压驱动。其中电驱动又分为：交流电驱动、直流电驱动、交流驱动又分为：交流电驱动、直流电驱动、交流变频电驱动。变频电驱动。 (1) (1)功率大，动力传递复杂功率大，动力传递复杂。钻机是大功率、多工作。钻机是大功率、多工作机联合工作的重型矿业机械，由多台柴油机提供动力。机联合工作的重型矿业机械，由多台柴油机提供动力。 (2) (2)钻井过程不

16、连续，功率要求也不相同钻井过程不连续，功率要求也不相同。正常钻进。正常钻进时，转盘驱动钻柱，泥将泵循环泥浆。起下钻作业时，时，转盘驱动钻柱，泥将泵循环泥浆。起下钻作业时，则是起升系统需要功率。则是起升系统需要功率。 (3)(3)工作地区广阔（平原、山地、沙漠、沼泽、海工作地区广阔（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、环境的能力和便捷的业，要求钻机有很强的适应地区、环境的能力和便捷的移运性能。移运性能。3.2 3.2 钻机钻机特点特点 （1 1）在钻进过程中在钻进过程中，井由浅到深

17、，岩层性质宏观看由，井由浅到深，岩层性质宏观看由软变硬，但局部井段岩性变化无规律，因而钻压跳跃式变软变硬，但局部井段岩性变化无规律，因而钻压跳跃式变化极不稳定，旋转扭矩和功率也作随机性变化。化极不稳定，旋转扭矩和功率也作随机性变化。 （2 2）循环系统的压力由低到高循环系统的压力由低到高，每更换一次缸套和钻，每更换一次缸套和钻头水眼则阶梯变化一次，不过每一阶梯内都是线性增压，头水眼则阶梯变化一次，不过每一阶梯内都是线性增压，泵的扭矩和功率也作阶梯增长变化。泵的扭矩和功率也作阶梯增长变化。 （3 3）在起下钻操作过程中在起下钻操作过程中，起钻载荷由重到轻线性递，起钻载荷由重到轻线性递减，下钻载荷

18、由轻变重线性递增，属于有规律变化的循环减，下钻载荷由轻变重线性递增，属于有规律变化的循环载荷。起钻要付出很大能量，然而下钻所产生的巨大能量载荷。起钻要付出很大能量，然而下钻所产生的巨大能量却不能回收，转变成主辅刹车的热能逸散掉。却不能回收，转变成主辅刹车的热能逸散掉。3.3 3.3 钻机载荷特点钻机载荷特点 3.4 3.4 钻机基本参数钻机基本参数 反映钻机工作性能的数量指标称为基本参数反映钻机工作性能的数量指标称为基本参数。如名义钻井深度，最大钩载等，表明了钻机的基本如名义钻井深度，最大钩载等，表明了钻机的基本工作性能，是钻机的基本参数。基本参数是设计、工作性能，是钻机的基本参数。基本参数是

19、设计、选用钻机选用钻机, ,对钻机进行技术改造的依据，是钻机标对钻机进行技术改造的依据，是钻机标准系列的组成元素。准系列的组成元素。 国家标准国家标准GB/T23505-2009GB/T23505-2009石油钻机和修井机石油钻机和修井机规定了石油钻机的基本参数。该标准给出了钻机的规定了石油钻机的基本参数。该标准给出了钻机的8 8个基本参数个基本参数，根据钻机的基本参数，将钻机分成，根据钻机的基本参数，将钻机分成的的1010个级别个级别。GB/T23505-2009GB/T23505-2009石油钻机和修井机石油钻机和修井机 主要参数说明如下：主要参数说明如下： （1）最大钩载）最大钩载Qma

20、x v定义：在规定的最大绳数下，起下管柱、在规定的最大绳数下，起下管柱、处理事故或进行其它特殊作业时处理事故或进行其它特殊作业时( (包括动包括动/ /冲击冲击载荷在内载荷在内) )，大钩不允许超过的载荷极限值。，大钩不允许超过的载荷极限值。v Qmax值要符合有关标准（值要符合有关标准（ISO、API、GB）v Qmax决定钻机下套管和处理事故的能力决定钻机下套管和处理事故的能力v Qmax是钻机静强度和刚度计算的依据是钻机静强度和刚度计算的依据（2）名义钻深范围名义钻深范围 v定义：在规定的钻井绳数下，使用在规定的钻井绳数下，使用一定的一定的钻柱时的深度范围。钻柱时的深度范围。v名义钻深范

21、围的名义钻深范围的下限是一个经济合理值下限是一个经济合理值，与前，与前一级的上限有重叠；名义钻深范围的一级的上限有重叠；名义钻深范围的上限为该上限为该级钻机的最大钻井深度级钻机的最大钻井深度L L。v钻机的名义钻井深度和使用的钻柱有关，我国钻机的名义钻井深度和使用的钻柱有关，我国推荐使用推荐使用114mm114mm（4-1/24-1/2”）钻杆。）钻杆。v同时也给出了使用同时也给出了使用 127 mm127 mm（5 5”）钻杆时可钻达）钻杆时可钻达的井深。的井深。（3）绞车额定）绞车额定/输入功率输入功率Ndrv定义：钻井绞车输入轴输入功率的最大钻井绞车输入轴输入功率的最大值。值。v1起升一

22、档大钩速度起升一档大钩速度Q1起升一档起重量起升一档起重量G游游游动系统重量（游车、大钩、吊环吊卡与游动系统重量（游车、大钩、吊环吊卡与钢绳的固定重量）钢绳的固定重量）vQN11绞游缠绞游柱GQQ1（4）游动）游动系统系统绳数绳数Z，Zmax 定义：指用于正常起下钻及钻进时的指用于正常起下钻及钻进时的有效有效绳数绳数（不包括绞车快绳和死绳不包括绞车快绳和死绳），），为游轮数为游轮数的的2倍倍。指钻机配备的轮系所提供的最大指钻机配备的轮系所提供的最大有效绳数，只用于下重套管和解卡作业有效绳数，只用于下重套管和解卡作业，目目的是为了降低每根钢绳承受的载荷的是为了降低每根钢绳承受的载荷。（5）钻井钢

23、丝绳公称直径）钻井钢丝绳公称直径 定义：钢绳直径指绳两个对称股的外圆距离钢绳直径指绳两个对称股的外圆距离（而不是六股包络六角形的对边距离）。（而不是六股包络六角形的对边距离）。v安全系数：安全系数：所选用纲丝绳应保证在游动系统所选用纲丝绳应保证在游动系统最多绳数和最大钩载的情况下安全系数不小最多绳数和最大钩载的情况下安全系数不小于于2，在钻井绳数和最大钻柱载荷情况下安，在钻井绳数和最大钻柱载荷情况下安全系数不小于全系数不小于3。(SY/T5609-1999)钢丝绳型号钢丝绳型号:6S19 6S19+77 v66股股vS外粗型（西鲁型，外粗型（西鲁型，Seale），），线接触钢丝绳线接触钢丝绳v

24、19每股钢丝数（每股钢丝数（1+9+9）普通：）普通：1+6+12v77钢绳芯结构钢绳芯结构v所选用纲丝绳应保证在游动系统最多绳数和最大所选用纲丝绳应保证在游动系统最多绳数和最大钩载的情况下安全系数钩载的情况下安全系数不小于不小于2 2，在钻井绳数和最，在钻井绳数和最大钻柱载荷情况下安全系数大钻柱载荷情况下安全系数不小于不小于3 3。vP 快绳拉力快绳拉力vP断断钢丝绳破断拉力钢丝绳破断拉力3PP断2max断PP游ZQP1游maxmaxmaxZQP钻井钢丝绳选择钻井钢丝绳选择(API Spec 9A)(API Spec 9A)v钢丝绳钢丝绳v钢丝绳钢丝绳v钢丝绳钢丝绳（6）钻井泵单台功率）钻井泵单台功率Np v一般钻机配一般钻机配23台钻井泵台钻井泵v如如3NB-1300三缸单作用泥浆泵，三缸单作用泥浆泵，1300马力马力泵minmaxQpNppmax钻井泵最高泵压钻井泵最高泵压（7）转盘开口直径）转盘开口直径Drv定义：定义：转盘取出大方补心后转台转盘取出大方补心后转台内的通孔直径，内的通孔直径，可根据各级钻机可根据各级钻机最大井深开钻用的大钻头直径决最大井深开钻用的大钻头直径决定。约大定。约大10mm左右左右。v需要大的转盘开口直径的