钻井机械现状及发展2011

1、123井下控制工程井下控制工程2钻井机械及发展钻井机械及发展钻井新方法钻井新方法1435 石油钻机标准石油钻机标准钻井工程与钻井机械钻井工程与钻井机械4井下控制工程井下控制工程2钻井机械及发展钻井机械及发展钻井新方法钻井新方法1435 石油钻机标准石油钻机标准钻井工程与钻井机械钻井工程与钻井机械51.1 1.1 我国的钻井形势我国的钻井形势 目前，我国的钻井工作量已位居世界目前，我国的钻井工作量已位居世界第三，仅次于美国、加拿大两国，并且已第三，仅次于美国、加拿大两国，并且已经掌握了常规的定向井、水平井、老井侧经掌握了常规的定向井、水平井、老井侧钻、丛式井及深井钻井等系列技术，基本钻、丛式井及

2、深井钻井等系列技术，基本上能满足国内油气勘探开发的一般需求，上能满足国内油气勘探开发的一般需求，并缩小了与国际先进水平的差距。并缩小了与国际先进水平的差距。 国内钻井行业在围绕持续提速，提高国内钻井行业在围绕持续提速，提高探井发现率，保护、发现油气藏等领域展探井发现率，保护、发现油气藏等领域展开研究。开研究。1.1.钻井工程与钻井机械钻井工程与钻井机械6剩余石油资源（剩余石油资源（20052005年）年）71.2 钻井工程钻井工程钻井工程含方法和装备两个方面钻井工程含方法和装备两个方面软件：钻井方法，钻井工艺软件：钻井方法，钻井工艺 过程监测过程监测地面，井下状态地面，井下状态硬件：钻机硬件：

3、钻机 钻井工具钻井工具 辅助设备辅助设备 1.1.钻井工程与钻井机械钻井工程与钻井机械8软件：软件： 各种钻井方法各种钻井方法 常规、斜井、水平井、小曲率、常规、斜井、水平井、小曲率、 欠平衡、侧钻、欠平衡、侧钻、 井下控制工程学井下控制工程学 钻井状态监测钻井状态监测 地面参数监测地面参数监测 井下状态检测井下状态检测 随钻测量（随钻测量（MWD） 随钻测井（随钻测井（LWD）1.1.钻井工程与钻井机械钻井工程与钻井机械9硬件：硬件：（1）钻机（钻井设备）钻机（钻井设备）发展：发展： 机械、液力、机械、液力、DC、AC（交流变频）（交流变频） 顶部驱动顶部驱动 液控盘式刹车液控盘式刹车 液压

4、钻机液压钻机1.1.钻井工程与钻井机械钻井工程与钻井机械10（2）钻井工具）钻井工具 钻头钻头 常规、喷射常规、喷射 钻具钻具 单螺杆、电机、涡轮单螺杆、电机、涡轮 钻柱钻柱 常规、小井眼、铝合金常规、小井眼、铝合金 仪表仪表 钻井测量仪表，数字传输钻井测量仪表，数字传输 井下测量工具，信号传输设备井下测量工具，信号传输设备1.1.钻井工程与钻井机械钻井工程与钻井机械11（3）辅助设备）辅助设备 钻井液及钻井液及固控设备（泥浆处理）固控设备（泥浆处理） （空气压缩机（空气压缩机气体钻井）气体钻井） 防喷器与压井设备防喷器与压井设备 固井设备固井设备 完井设备完井设备 测井设备测井设备1.1.钻

5、井工程与钻井机械钻井工程与钻井机械12苏义脑苏义脑井下控制工程学井下控制工程学摸着钻摸着钻算着钻算着钻看着钻看着钻变着钻变着钻自动钻自动钻1.1.钻井工程与钻井机械钻井工程与钻井机械13顾心怿顾心怿钻机的自动化钻机的自动化 与节能与节能液压修井机液压修井机（液压钻机）（液压钻机）1.1.钻井工程与钻井机械钻井工程与钻井机械14沈忠厚沈忠厚高压水射流高压水射流加长喷嘴钻头加长喷嘴钻头1.1.钻井工程与钻井机械钻井工程与钻井机械15井下控制工程井下控制工程2钻井机械及发展钻井机械及发展钻井新方法钻井新方法1435 石油钻机标准石油钻机标准钻井工程与钻井机械钻井工程与钻井机械162.1 钻井方法钻井

6、方法2.2 钻机的组成与型式钻机的组成与型式2.3 钻机的近代技术钻机的近代技术2.4 钻机的自动化与数字化技术钻机的自动化与数字化技术2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展172.1 钻井方法钻井方法油井特点：油井特点： 细细百毫米百毫米 长长几千米几千米 刚刚钢管壁钢管壁井身结构：井身结构： 导管导管 表层套管表层套管 技术套管技术套管 油层套管油层套管2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展18钻具组合：钻具组合：方钻杆（传输扭矩）方钻杆（传输扭矩）钻杆钻杆 （延长井深）（延长井深）钻铤钻铤 （稳定井眼）（稳定井眼） 动力钻具动力钻具钻头钻头 （破碎岩石）（破碎岩石）连接接头连接接头2.2.钻

7、井机械及发展钻井机械及发展19钻进过程：钻进过程： 破岩破岩破碎岩石，以形成井眼破碎岩石，以形成井眼 排屑排屑清洗井底，以继续钻进清洗井底，以继续钻进钻井方法：钻井方法： 顿钻钻井顿钻钻井钻进过程不连续钻进过程不连续 旋转钻井旋转钻井钻进过程连续钻进过程连续 转盘驱动转盘驱动 井下动力驱动井下动力驱动 顶部驱动顶部驱动2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展20顿钻钻井顿钻钻井 破岩破岩矛形钻头矛形钻头 排屑排屑捞砂筒捞砂筒两者交替进行，两者交替进行，钻进过程不连续钻进过程不连续2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展21四川自贡市四川自贡市盐业历史博物馆盐业历史博物馆u燊海井燊海井(兴海井兴海井)（

8、1833-1835）, 1001.42m。竣工初期，日产卤竣工初期，日产卤14m3，天然，天然气气8500m3，烧盐锅，烧盐锅80余口。余口。 u小桥井小桥井 约凿于清乾隆三十七年约凿于清乾隆三十七年（ 1772年），历时六年。曾年），历时六年。曾日产天然气日产天然气200多多m3，烧盐锅，烧盐锅数口。数口。 井深井深304.92m,井径井径7.26cm，固井导管长固井导管长49.33m，用楠竹制，用楠竹制成成 。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展22旋转钻井旋转钻井 （以转盘驱动为例）（以转盘驱动为例）破岩破岩旋转钻头旋转钻头 钻杆部分自重加载钻杆部分自重加载排屑排屑循环泥浆循环泥浆破岩和

9、排屑同时进行，破岩和排屑同时进行，钻进过程连续钻进过程连续2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展23旋转钻井：旋转钻井： 转盘转盘驱动驱动旋转动力在底座上，驱旋转动力在底座上，驱动方钻杆、钻杆带动钻头。动方钻杆、钻杆带动钻头。 井下动力井下动力驱动驱动旋转动力在钻铤下旋转动力在钻铤下方，直接驱动钻头。方，直接驱动钻头。 顶部驱动顶部驱动旋转动力在水龙头上，旋转动力在水龙头上，驱动水龙头中心管、钻杆，带动钻头。驱动水龙头中心管、钻杆，带动钻头。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展242.2 钻机的组成与型式钻机的组成与型式（1）组成（八大系统）组成（八大系统） 起升系统起升系统 旋转系统旋转系统

10、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 钻机底座钻机底座 辅助设备辅助设备2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展25（2）钻机的特点）钻机的特点 1）功率大，动力传递复杂。钻机是大功率、）功率大，动力传递复杂。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油机提供动力. 2）钻井过程不连续，功率要求也不相同。正）钻井过程不连续，功率要求也不相同。正常钻进时，转盘驱动钻柱，泥将泵循环泥浆。常钻进时，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。起下钻作业时，则是起升系统需

11、要功率。 3）工作地区广阔（平原、山地、沙漠、沼泽、）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），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、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移运性能。环境的能力和便捷的移运性能。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展26（3）驱动形式）驱动形式1）机械驱动型式）机械驱动型式 皮带并车钻机皮带并车钻机 链条并车钻机链条并车钻机 齿轮并车钻机齿轮并车钻机2）电驱动型式）电驱动型式 AC-AC交流电驱动交流电驱动 DC-DC直流电驱动直流电驱动 AC-SCR-DC直流电驱动

12、直流电驱动 AC-VFM-AC交流变频电驱动交流变频电驱动3）液压驱动型式）液压驱动型式4）混合驱动型式）混合驱动型式 液电、机电液电、机电2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展271）机械驱动型式）机械驱动型式u 皮带并车钻机皮带并车钻机 ZJ32J-2钻机传动系统2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展28u 优点优点 不受地域限制；不受地域限制； 动力配置方便；动力配置方便； 转速可平稳调节；转速可平稳调节； 结构紧凑，体积小，重量轻，便于搬迁结构紧凑，体积小，重量轻，便于搬迁移运，适于野外流动作业。移运，适于野外流动作业。u 缺点缺点 适应性系数小，过载能力有限；适应性系数小，过载能力有限；

13、 转速调节范围窄；转速调节范围窄； 噪声大；噪声大； 传动效率低，维护使用费较高。传动效率低，维护使用费较高。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展u链条并车钻机链条并车钻机ZJ32L钻机传动系统（宝石厂1998）2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展30u 优点优点 自动无级变速、变矩，提高钻机起升自动无级变速、变矩，提高钻机起升工效；工效； 调速范围变宽，传动平稳柔和，吸收调速范围变宽，传动平稳柔和，吸收冲击振动，延长了机械设备寿命；冲击振动，延长了机械设备寿命； 减少并车损失。减少并车损失。u 缺点缺点 效率偏低，且随涡轮轴转速变化；效率偏低，且随涡轮轴转速变化； 液力变矩器结构比较复杂，需

14、要一套液力变矩器结构比较复杂，需要一套补偿和散热冷却系统。补偿和散热冷却系统。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展31u 齿轮并车钻机齿轮并车钻机ZJ20-2钻机传动系统2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展32u 优点优点 传动柔和，可吸收振动与冲击；传动柔和，可吸收振动与冲击； 移运迅速，安装方便；移运迅速，安装方便； 涡轮轴可随外载变化而自动变速，可涡轮轴可随外载变化而自动变速，可防止工作机过载。防止工作机过载。u 缺点缺点 液力耦合器只能在高转速比工况下工液力耦合器只能在高转速比工况下工作，否则效率过低，功率损失大；作，否则效率过低，功率损失大； 只能传递扭矩，不能变矩。只能传递扭矩，不

15、能变矩。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展332）电驱动型式）电驱动型式u AC-AC驱动驱动 2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展34u 优点优点 短时过载能力强；短时过载能力强； 采用单轴驱动，传动效率高，维护保采用单轴驱动，传动效率高，维护保养简单；养简单； 工作安全，噪音小。工作安全，噪音小。u 缺点缺点 工作转速不可调节；工作转速不可调节； 载荷速度特性为硬特性。载荷速度特性为硬特性。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展35u DC-DC驱动驱动2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展36u 优点优点 无级调速，且调速范围广；无级调速，且调速范围广； 适应性强；适应性强； 操作方便，变

16、速快、时间短；操作方便，变速快、时间短； 简化了传动系统，提高传动效率；简化了传动系统，提高传动效率； 具有较好的运行经济性。具有较好的运行经济性。u 缺点缺点 DC-DCDC-DC电驱动钻机采用单独驱动方式，电驱动钻机采用单独驱动方式，可靠性较差。可靠性较差。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展37uAC-SCR-DC驱动驱动AC-SCR-DC驱动驱动系统2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展38 AC-SCR-DC驱动驱动ZJ45D丛式井钻机传动系统2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展39ZJ70/4500D钻机传动系统2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展40u特点特点 AC-SCR-DCA

17、C-SCR-DC驱动钻机具有驱动钻机具有DC-DCDC-DC电驱动电驱动钻机的全部优点；钻机的全部优点； 采用并联运行方式，功率利用率高；采用并联运行方式，功率利用率高； 一次性投资费用一次性投资费用较较高高，运行费用低；，运行费用低； 钻机运行可靠性高钻机运行可靠性高； 交流公共母线上的功率因数较低交流公共母线上的功率因数较低。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展41uAC变频驱动变频驱动AC变频驱动控制系统变频驱动控制系统2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展42AC变频驱动变频驱动ZJ50DB传动系统2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展43u 特点特点 能精确控制转速和扭矩；能精确控制转速

18、和扭矩； 转速调节方便且范围广；转速调节方便且范围广； 具有全扭矩；具有全扭矩； 启动电流小、工作效率高；启动电流小、工作效率高； 过载能力强；过载能力强； 可实现回馈制动刹车可实现回馈制动刹车； 使用安全方便、噪音低、维护简便使用安全方便、噪音低、维护简便。 自动送钻装置功能较多，自动送钻装置功能较多， 档数少。档数少。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展443）液压驱动型式）液压驱动型式 早在早在20世纪世纪50年代，石油钻机中就采用年代，石油钻机中就采用了液压驱动转盘，随后发展到采用液压驱了液压驱动转盘，随后发展到采用液压驱动绞车进行钻井作业和起下钻作业。动绞车进行钻井作业和起下钻作业。

19、 美国研制了全液压驱动石油钻机，采用美国研制了全液压驱动石油钻机，采用了液压驱动的顶部驱动钻井系统，其绞车了液压驱动的顶部驱动钻井系统，其绞车是一组多级同心液缸，取消了常规石油钻是一组多级同心液缸，取消了常规石油钻机结构型式的绞车和提升系统。机结构型式的绞车和提升系统。 自动化石油钻机中也采用了液压驱动型自动化石油钻机中也采用了液压驱动型式，如顶部驱动采用液压驱动型式。式，如顶部驱动采用液压驱动型式。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展46液压驱动石油钻机液压驱动石油钻机性能：性能： 钻机发动机功率：钻机发动机功率：500 hp 最大输出扭矩：最大输出扭矩：3600 kg.m （在在50 r/

20、min情况下）情况下） 两台泥浆泵发动机功率：两台泥浆泵发动机功率：500 hp 最大泵排量：最大泵排量：2300 l/min 最大泵压：最大泵压： 4200 psi（294 bar） 最大静载：最大静载：91 000 kg2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展47顾心怿顾心怿液压液压修井机修井机2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展484）混合驱动型式）混合驱动型式2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展ZJ40LD钻机传动钻机传动49 石油钻机驱动型式由机械、液力向电石油钻机驱动型式由机械、液力向电驱动方向发展。驱动方向发展。 电驱动钻机由直流电向交流变频方向电驱动钻机由直流电向交流变频方向发展。

21、发展。 钻机混合驱动形式钻机混合驱动形式液电、机电液电、机电2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展502.3 钻机的近代技术钻机的近代技术（1 1）液控盘式刹车）液控盘式刹车（2 2）交流变频驱动）交流变频驱动（3 3）顶部驱动系统）顶部驱动系统（4 4）液压驱动钻机）液压驱动钻机2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展51（1）液控盘式刹车液控盘式刹车u周向制动改为径向制动周向制动改为径向制动 摩擦力均匀摩擦力均匀u手动控制改为液压控制手动控制改为液压控制 可自动控制可自动控制2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展52ZJ70DB钻机控制系统钻机控制系统2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展53未来的

22、研究及发展方向未来的研究及发展方向u 海洋钻机盘式刹车海洋钻机盘式刹车u 刹车副的摩擦特性研究刹车副的摩擦特性研究u 盘式刹车使用可靠性的提高盘式刹车使用可靠性的提高2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展54（2 2）交流变频驱动交流变频驱动u交流变频控制的特点交流变频控制的特点 交流变频电机特点：交流变频电机特点： 功率密度大；功率密度大； 可靠性高；可靠性高； 防爆性能好。防爆性能好。 交流变频控制的特点：交流变频控制的特点： 控制精确；控制精确； 便于监测；便于监测； 远程控制。远程控制。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展55u主要发展方向主要发展方向 系列化、大功率系列化、大功率 人机

23、一体化、自动化、智能化人机一体化、自动化、智能化 远程作业指导和诊断（数字化油田）远程作业指导和诊断（数字化油田）2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展56国内交流变频钻机的发展概况国内交流变频钻机的发展概况u 第一阶段第一阶段(1997(19972000)2000)研制研制ZJ15DBZJ15DB、ZJ30DBZJ30DB、ZJ10DBT ZJ10DBT ZJ15DB钻机主要技术参数2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展57u 第二阶段第二阶段(2001(20012004)2004)研发研发 2002 2002年：年：ZJ70DBZJ70DB、ZJ50DBSZJ50DBS ZJ40DB ZJ40

24、DB、ZJ50DBTZJ50DBT、ZJ30DBTZJ30DBT ZJ40/2250DB钻机主要技术参数2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展58u 第三阶段第三阶段(2005(2005) ) 发展发展 ZJ90/6750DB ZJ90/6750DB、ZJ120/9000DBZJ120/9000DB ZJ70/4500DB ZJ70/4500DB人工岛环形轨道模块钻机人工岛环形轨道模块钻机ZJ70ZJ90ZJ1202.2.钻井机械及发展钻井机械及发展59（3 3）顶部驱动钻井系统顶部驱动钻井系统 顶部驱动钻井系统顶部驱动钻井系统（Top drive drilling Top drive dril

25、ling systemsystem）简称顶驱，是）简称顶驱，是在钻柱上端直接驱动钻在钻柱上端直接驱动钻柱旋转钻进、循环泥浆、柱旋转钻进、循环泥浆、上卸扣、上卸扣、IBOPIBOP控制等具控制等具有多种功能的设备，是有多种功能的设备，是集机电液技术一体化的集机电液技术一体化的结构较为复杂的装置。结构较为复杂的装置。 2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展60顶驱装置的结构组成及其功能顶驱装置的结构组成及其功能结构组成：结构组成：u顶驱主体顶驱主体u管子处理装置管子处理装置u导轨导轨u液压传动与控制系统液压传动与控制系统 u其他：其他： 井口扶正器、下套管装置、测井装置、井口扶正器、下套管装置、测井

26、装置、 检测工具与仪表等检测工具与仪表等2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展6122.2.钻井机械及发展钻井机械及发展62u顶驱主体顶驱主体动力水龙头：动力水龙头： 驱动主轴旋转钻进驱动主轴旋转钻进2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展63u导轨导轨 承受顶驱主体反扭矩承受顶驱主体反扭矩2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展64u液压传动与控制系统液压传动与控制系统 控制柜控制柜 顶驱司钻台顶驱司钻台 液压控制系统液压控制系统2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展65液压系统液压油滤子平衡系统储能器上IBOP延时储能器齿轮油滤子油压开关系统储能器IBOP 压力开关上IBOP执行液缸平衡系统阀块主液压

27、系统阀块吊环阀块吊环液缸平衡液缸液压油箱旋转头马达和锁销总成电机和泵总成液压电机10hp, 1,800rpm油箱容量25 加仑特性2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展66u管子处理装置管子处理装置 抓放钻杆抓放钻杆 上卸扣上卸扣 控制控制IBOP 2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展67u其他其他 井口扶正器井口扶正器 下套管装置下套管装置 测井装置测井装置 检测工具与仪表等检测工具与仪表等2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展68顶驱钻井优势顶驱钻井优势u 节省接单根时间节省接单根时间u 倒划眼防止卡钻倒划眼防止卡钻u 下钻划眼下钻划眼u 节约泥浆节约泥浆u 人员、井下、设备安全人员、井下、设

28、备安全顶驱钻井方式顶驱钻井方式转盘钻井方式转盘钻井方式2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展69国内外顶驱发展概况国内外顶驱发展概况u 美国：美国： NOV 、Bowen u 加拿大：加拿大：TESCO、Canrigu 挪威：挪威：MHu 法国：法国：Acbu 中国：中国石油勘探开发研究院设计中国：中国石油勘探开发研究院设计 北石厂、华北石油机械厂制造北石厂、华北石油机械厂制造 辽河天意有限公司辽河天意有限公司2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展70美国美国NOV公司公司 NOV( Varco)公司是世界上最早开发和生产顶驱的公司，自1982年生产TDS-3以来，现已销售800多台顶驱，其中交流

29、变频130多台。主要的品种有： IDS-1 TDS-4H TDS-4S TDS-6S TDS-8SA TDS-9SA TDS-10SA TDS-11SA 我国陆上引进有四种规格：IDS-1、TDS-9SA、TDS-11SA及TDS-10S。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展NOV公司公司产品产品71NOV公司公司产品产品7273TDS-11SA顶驱钻井系统与井架的关系TDS-11SA技术参数：技术参数： u API提升载荷：提升载荷：500吨吨u 整体式水龙头整体式水龙头u 双交流电机：双交流电机：2350马力马力u 减速箱齿轮传动比：减速箱齿轮传动比：10.5u 连续工作扭矩：连续工作扭矩

30、：51.75kNmu 间歇工作扭矩：间歇工作扭矩：67.34kNmu 适用钻杆尺寸：适用钻杆尺寸：3 5 inu 静音斜齿轮传动静音斜齿轮传动2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展74Tesco 顶顶 驱驱2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展75500 or 650 ECIS500 or 650 HCIS500 or 650 HS TOP DRIVE2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展76 200 HMIS TOP DRIVE500 HC TOP DRIVE2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展77 2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展78 挪威挪威MH公司公司2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展

31、79挪威挪威MH公司公司2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展80国内顶驱装置国内顶驱装置u 中国石油勘探开发研究院自1989年开始，先后研制出直流、交流、液压驱动的系列顶驱，适应20009000米井深。填补国内空白。u 交流变频顶驱已在北石厂产业化，已生产顶驱120台以上，其中绝大多数在国外钻井，出口美国13台；总订货量达到150台。u 现与华北石油机械厂合作开发了DQ20Y液压多功能动力水龙头，已进行现场工业应用3口井以上。u 辽河天意公司已生产50台顶驱以上。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展81 2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展82 6750kN4500kN2250kN6.1m5.

32、9m5.3mkW）368 2 295 2400175kN.m52kN.m40kN.m125kN.m78kN.m60kN.m68kN.m68kN.m68kN.m35MPa35MPa35MPa89mm76.2mm76.2mmr/min）020002200180交流变频驱动：交流变频驱动：转速范围宽，过载能力强，功率利用充分，电机可靠性高转速范围宽，过载能力强，功率利用充分，电机可靠性高2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展83管子处理装置管子处理装置旋转头IBOP 环形背钳 导入环吊卡 倾斜机构2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展84钻杆夹紧背钳钻杆夹紧背钳2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展85电

33、控系统网络结构电控系统网络结构2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展86主电控系统主电控系统2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展87顶驱司钻操作台顶驱司钻操作台2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展88（4 4）液压钻机）液压钻机u 液压钻机结构简单，系统质量小，承载能力液压钻机结构简单，系统质量小，承载能力高，钻台底座可利用空间大，功率利用率高，高，钻台底座可利用空间大，功率利用率高，钻井成本低，且容易实现自动化作业。钻井成本低，且容易实现自动化作业。u 近几年来，加拿大、德国、意大利、美国和近几年来，加拿大、德国、意大利、美国和挪威等国许多以液压技术见长的公司，研制出挪威等国许多以液压技术见长

34、的公司，研制出多种类型（有的已形成系列）的液压驱动钻机多种类型（有的已形成系列）的液压驱动钻机并不断加以创新、改进、完善。并不断加以创新、改进、完善。u 液压驱动具有运动方式转换容易等优点，在液压驱动具有运动方式转换容易等优点，在大功率液压元器件可靠性不断提高的前提下，大功率液压元器件可靠性不断提高的前提下，在对钻机体积和质量要求严格的情况下（如海在对钻机体积和质量要求严格的情况下（如海洋平台、高移运性钻机），液压驱动石油钻机洋平台、高移运性钻机），液压驱动石油钻机已成为一种主要的发展趋势。已成为一种主要的发展趋势。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展89u 加拿大加拿大Tesco公司的套管钻

35、井钻机、挪公司的套管钻井钻机、挪威海事液压公司的威海事液压公司的Ram钻机等普遍采用全钻机等普遍采用全液压驱动形式外；液压驱动形式外；u意大利意大利Drillmec公司推出的公司推出的HH系列全液系列全液压钻机已形成压钻机已形成9802942kN钩载系列产品。钩载系列产品。u 美国美国Schramm公司于公司于2006年年8月推出了月推出了首台伸缩桅杆的首台伸缩桅杆的TXD系列静液传动无绞车系列静液传动无绞车型动力头钻机，目前型动力头钻机，目前TXD系列钻机已有系列钻机已有T90XD型、型、T130XD型和型和T180XD型型3种规种规格，提升能力分别为格，提升能力分别为400.5、578.5

36、和和801.0kN。2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展902.4 2.4 钻机的自动化与数字化技术钻机的自动化与数字化技术钻机今后的发展趋势钻机今后的发展趋势u 数字化、信息化、自动化、智能化数字化、信息化、自动化、智能化u 高适应性高适应性u 高经济性、高可靠性高经济性、高可靠性u 高移运性高移运性u 大型化大型化2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展91钻机控制系统由模拟式控制系统逐步钻机控制系统由模拟式控制系统逐步转化为数字式控制技术，并朝着智能转化为数字式控制技术，并朝着智能化控制方向发展：化控制方向发展：u 智能化智能化u 网络化网络化u 开放化开放化2.2.钻井机械及发展钻井机械及

37、发展92 钻机智能控制系统以钻机智能控制系统以SIEMENSSIEMENS高性能的高性能的PLCPLC为控制核心，通过现场总线技术用数字为控制核心，通过现场总线技术用数字化设备组成化设备组成PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP网络。网络。u 动力监测控制系统动力监测控制系统u 绞车自动化控制系统绞车自动化控制系统u 转盘软扭控制系统转盘软扭控制系统u 软泵控制系统软泵控制系统u 自动送钻系统自动送钻系统u 电子防碰系统一体化仪表系统电子防碰系统一体化仪表系统u 电、气、液联控系统电、气、液联控系统u 智能软起动和执行器智能软起动和执行器u 传感器接口（传感器接口（AS-iAS-i）系统

38、）系统u 电视监控系统电视监控系统2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展93ZJ70DBS钻机远程智能控制网络系统钻机远程智能控制网络系统u 管理级网络管理级网络 IPC（WinCC），油田局域网，油田局域网u 控制级网络控制级网络 PLCu 现场级网络现场级网络 变频器、变频器、I/O模块、模块、AS-i接口接口2.2.钻井机械及发展钻井机械及发展94井下控制工程井下控制工程2钻井机械及发展钻井机械及发展钻井新方法钻井新方法1435 石油钻机标准石油钻机标准钻井工程与钻井机械钻井工程与钻井机械953.1 3.1 欠平衡钻井欠平衡钻井泥浆压力低于地层压力的钻井方法泥浆压力低于地层压力的钻井方法3

39、 3. .钻井新方法钻井新方法不同钻井方式比较过平衡钻井欠平衡钻井钻速慢极大地提高钻速可能错过产层可能从未知地层发现油气容易伤害储层减少损害可能造成压差卡钻不会造成压差卡钻能制止地层坍塌易造成地层坍塌可防止地层流体的涌出易发生井涌和井喷易造成井漏需要更多的配套设备3 3. .钻井新方法钻井新方法欠平衡钻井需要的配套设备3 3. .钻井新方法钻井新方法气体钻井气体钻井龙岗龙岗1 1井使用气体钻井井段井使用气体钻井井段3304m3304m，仅用，仅用145145天完成天完成6540m6540m的钻探任务，创造了单的钻探任务，创造了单只空气锤进尺只空气锤进尺1712.82m1712.82m气体钻井日

40、进尺气体钻井日进尺557.32m557.32m的新纪录。的新纪录。四川七里北气田采用气体钻井，与同一四川七里北气田采用气体钻井，与同一地区采用泥浆钻井相比，地区采用泥浆钻井相比，2 2号井机械钻速号井机械钻速提高提高1 1倍，倍，101101号井提高约号井提高约5 5倍倍3 3. .钻井新方法钻井新方法3 3. .钻井新方法钻井新方法3 3. .钻井新方法钻井新方法1014.2 小井眼钻井小井眼钻井（1 1）小井眼钻井设备的优点）小井眼钻井设备的优点u 井眼体积小；井眼体积小；u 节省费用节省费用50%50%左右；左右；u 质量轻、占地面积小、钻机配套功质量轻、占地面积小、钻机配套功率低，搬迁

41、安装简便；率低，搬迁安装简便；u 减小环境污染、降低噪声干扰。减小环境污染、降低噪声干扰。3 3. .钻井新方法钻井新方法小井眼钻井系统小井眼钻井系统1023 3. .钻井新方法钻井新方法103（2 2）国外小井眼钻井设备的发展现状）国外小井眼钻井设备的发展现状u 常规石油钻机改造成小井眼钻机常规石油钻机改造成小井眼钻机 美国美国Paker钻井公司、钻井公司、Cofor公司：公司： 钢丝绳连续取芯装置钢丝绳连续取芯装置 法国法国Forasol-Foramer公司：公司： W-N Apache 意大利：意大利： G150钻机钻机3 3. .钻井新方法钻井新方法104u 专门设计小井眼钻机专门设计

42、小井眼钻机 瑞典瑞典Microdrill公司：公司：MD-1500； Long year公司：公司：PM603； 美国美国Standard公司：公司：Irian沼泽地小井眼钻机；沼泽地小井眼钻机； Amoco公司和公司和Nabors工业公司：工业公司：Nabors 170型型 意大利意大利Silvio Ballerini公司：公司：ST系列系列ST-2、ST-4、 ST-6、ST-10，9803500m； Advance公司：公司：G系列车装钻机系列车装钻机G-14、G-22、 G-35、G-55、G-75，8001800m； 美国美国CBC公司：公司：CS系列系列CS-1000、CS-200

43、0、 CS-4000，10004000m，其中，其中CS-4000钻机可钻机可 进行连续取芯钻井。进行连续取芯钻井。3 3. .钻井新方法钻井新方法105u 小井眼钻具小井眼钻具 钻头钻头新型新型PDCPDC聚晶金刚石钻头、聚晶金刚石钻头、TSDTSD金钢石钻头金钢石钻头 钻柱钻柱 井下取芯工具井下取芯工具 打捞工具打捞工具 测井设备测井设备 完井工具完井工具3 3. .钻井新方法钻井新方法小井眼井下钻具组合小井眼井下钻具组合1063 3. .钻井新方法钻井新方法107（3 3）国内小井眼钻井设备现状）国内小井眼钻井设备现状吉林油田：吉林油田：F100F100型钻机、型钻机、ZJ15DZJ15

44、D型钻机；型钻机；四川油田：川西地区用四川油田：川西地区用XY5GXY5G型矿业钻机和型矿业钻机和TSJ6/660TSJ6/660型水井钻机分别钻型水井钻机分别钻1000m1000m以下和以下和1500m1500m小小井眼井；井眼井；胜利油田：钻胜利油田：钻1500m1500m以下浅层气井也曾使用了大以下浅层气井也曾使用了大庆庆130130钻机和钻机和ZJ45ZJ45型钻机；型钻机；大庆油田：近几年小眼井钻得较多，占国内大庆油田：近几年小眼井钻得较多，占国内80%80%以上，主要使用进口的以上，主要使用进口的1500m1500m车装钻机钻小井眼车装钻机钻小井眼井；井；长庆油田：钻小井眼井主要用

45、长庆油田：钻小井眼井主要用XJ-450XJ-450、350350、250250及及T50BT50B几种车装修井机。几种车装修井机。3 3. .钻井新方法钻井新方法108 国内已研制成功：国内已研制成功： 液压顶部驱动钻井系统液压顶部驱动钻井系统 金刚石小井眼钻头金刚石小井眼钻头 小井眼测斜仪器小井眼测斜仪器 小井眼井下钻具小井眼井下钻具 液控盘式刹车液控盘式刹车 正在研制：正在研制：液压绞车、液压泥浆泵液压绞车、液压泥浆泵3 3. .钻井新方法钻井新方法1094.3 4.3 连续管钻井连续管钻井 国外在用连续管钻机超过国外在用连续管钻机超过800800台，台，并以超过常规钻机一倍的速度在发展。

46、并以超过常规钻机一倍的速度在发展。连续油管作业机连续油管作业机3 3. .钻井新方法钻井新方法110连续油管卷筒连续油管卷筒 3 3. .钻井新方法钻井新方法1114.4.4 4 套管钻机套管钻机套管钻机钻井具有以下优点：套管钻机钻井具有以下优点： 简化钻机结构，减小钻机尺寸，降低钻简化钻机结构，减小钻机尺寸，降低钻机成本；机成本； 节省钻井管材，减少费用；节省钻井管材，减少费用； 减少起下钻时间；减少起下钻时间； 减少意外事故的发生；减少意外事故的发生； 套管钻机在起下钻更换钻头或测井时，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，减少可继续循环钻井液，防止钻屑沉积，减

47、少卡钻和井涌发生。卡钻和井涌发生。 3 3. .钻井新方法钻井新方法1124.5 4.5 激光钻井激光钻井（1 1）激光钻井技术的）激光钻井技术的发展历程发展历程 20 20世纪世纪6060年代末，美国年代末，美国 20 20世纪世纪7070年代初，美国、年代初，美国、法国、荷兰法国、荷兰 至至19971997年，激光钻井的年，激光钻井的可行性才得以证实可行性才得以证实 1998 1998年，美国天然气工年，美国天然气工业协会，联合美国空军、业协会，联合美国空军、陆军启动陆军启动“激光钻井激光钻井”计计划。划。3 3. .钻井新方法钻井新方法113（2 2）激光钻井的优点）激光钻井的优点 更易

48、穿透岩石，大大增加钻进速度；更易穿透岩石，大大增加钻进速度； 连续钻进，节省时间；连续钻进，节省时间； 不需要钻头、套管设备，减少钻井成本；不需要钻头、套管设备，减少钻井成本； 光缆连接，易于井底信息传到地面；光缆连接，易于井底信息传到地面； 大大减少对地层的污染；大大减少对地层的污染； 在一定程度上防止了井喷；在一定程度上防止了井喷； 能有效地控制井眼轨迹。能有效地控制井眼轨迹。 3 3. .钻井新方法钻井新方法114（3 3）激光钻井技术尚需解决的问题）激光钻井技术尚需解决的问题 复杂的地层条件复杂的地层条件； 井眼的清洗；井眼的清洗； 异常压力的控制；异常压力的控制； 实验室研究与现场应

49、用的差距。实验室研究与现场应用的差距。3 3. .钻井新方法钻井新方法1154.6 4.6 其他钻井新技术其他钻井新技术 膨胀管钻井技术；膨胀管钻井技术； 微孔钻井技术；微孔钻井技术； 旋冲钻井技术；旋冲钻井技术； 高压高温钻井技术；高压高温钻井技术； 三维可控与可视化钻井技术；三维可控与可视化钻井技术； 3 3. .钻井新方法钻井新方法116井下控制工程井下控制工程2钻井机械及发展钻井机械及发展钻井新方法钻井新方法1435 石油钻机标准石油钻机标准钻井工程与钻井机械钻井工程与钻井机械1174 井下控制工程井下控制工程井下控制工程学井下控制工程学苏义脑苏义脑 井下控制工程学是用工程控制论的观井

50、下控制工程学是用工程控制论的观点和方法，去研究和解决油气井井下工程点和方法，去研究和解决油气井井下工程控制问题的有关理论、技术手段的一个新控制问题的有关理论、技术手段的一个新学科分支，是一个多学科交叉的应用技术学科分支，是一个多学科交叉的应用技术新领域。新领域。 以井下为对象，以控制为目标，以力以井下为对象，以控制为目标，以力学为基础，以机械为主体，以泥浆为介质，学为基础，以机械为主体，以泥浆为介质，以计算机为手段，以实验为依托。以计算机为手段，以实验为依托。4.4.井下控制工程井下控制工程118地质导向钻井技术地质导向钻井技术 钻井就是根据有关设计，采取各种措钻井就是根据有关设计，采取各种措

51、施向目的层进军。钻井导向是几何导向，施向目的层进军。钻井导向是几何导向，只要钻遇事先确定的几何目标，即使没有只要钻遇事先确定的几何目标，即使没有发现油层，钻井工作也算大功告成。发现油层，钻井工作也算大功告成。 油田开发的不断深入和勘探开发一体油田开发的不断深入和勘探开发一体化的进程不断加快，对钻井技术提出了越化的进程不断加快，对钻井技术提出了越来越高的要求。现在，钻井不再是单纯为来越高的要求。现在，钻井不再是单纯为了打井，了打井，“打井为了出油打井为了出油”的认识被更多的认识被更多人所接受。人所接受。4.4.井下控制工程井下控制工程119 同时，部分测井项目也由原来的完井后同时，部分测井项目也

52、由原来的完井后进行，变为随钻随测、在钻进中进行。进行，变为随钻随测、在钻进中进行。 钻井技术的发展趋势，是钻探目标不再钻井技术的发展趋势，是钻探目标不再固定不变，而是根据油层的位置随时调整，固定不变，而是根据油层的位置随时调整，将原先预测固定的将原先预测固定的“几何靶几何靶”变成实际上不变成实际上不确定的确定的“移动靶移动靶”。也就是说，钻井导向必。也就是说，钻井导向必须由几何导向转变为地质导向。须由几何导向转变为地质导向。 地质导向的任务是对准确钻入油气目的地质导向的任务是对准确钻入油气目的层负责。层负责。 “为钻头装上鼻子，让钻头闻着油味准为钻头装上鼻子，让钻头闻着油味准确前行。确前行。

53、”4.4.井下控制工程井下控制工程120（2）4.4.井下控制工程井下控制工程121组成：组成：井下测量井下测量用用MWD或或LWD测量测量近钻头处近钻头处 参数和工程参数；参数和工程参数；导向钻具导向钻具用井下导向马达作为导向执用井下导向马达作为导向执行行 工具；工具；信息传输信息传输用无线短传技术把近钻头测量用无线短传技术把近钻头测量 信息越过导向马达传至信息越过导向马达传至MWD 或或LWD并进一步上传；并进一步上传；决策处理决策处理地面信息处理与导向决策软件地面信息处理与导向决策软件 系统将井下测量信息进行处理系统将井下测量信息进行处理 解释、判断、决策，指挥导向解释、判断、决策，指挥

54、导向 工具准确钻入油气目的层。工具准确钻入油气目的层。4.4.井下控制工程井下控制工程1224.2 随钻测量系统随钻测量系统 井下随钻测量包括钻井工程测量（井下随钻测量包括钻井工程测量（MW D）和随钻测井（）和随钻测井（LWD）两大部分。）两大部分。 随钻测量技术的发展促进了钻井、录井、随钻测量技术的发展促进了钻井、录井、测井乃至地震（随钻地震测井乃至地震（随钻地震SWD）和地质（实）和地质（实时评价时评价FEWD）的多学科交叉与融合，实现）的多学科交叉与融合，实现了在钻井的同时对钻井作业的综合评价和实了在钻井的同时对钻井作业的综合评价和实时测井作业时测井作业 。4.4.井下控制工程井下控制

55、工程123 借助于借助于MWD进行钻头力学和钻井的动进行钻头力学和钻井的动态测量，地面上很难测量的工程参数在井态测量，地面上很难测量的工程参数在井下可以准确获得。下可以准确获得。 如井底钻头钻压、扭矩、振动、转速、如井底钻头钻压、扭矩、振动、转速、压力、井斜角、方位角、工具面角、温度、压力、井斜角、方位角、工具面角、温度、钻柱弯矩、轴向拉（压）力和三向（轴向、钻柱弯矩、轴向拉（压）力和三向（轴向、径向、周向）加速度等。径向、周向）加速度等。 这些参数的实时获得，利于修正各种这些参数的实时获得，利于修正各种模型、优化钻井参数、产层导向、预测和模型、优化钻井参数、产层导向、预测和预防及提前控制井下

56、事故的发生，达到安预防及提前控制井下事故的发生，达到安全、高效钻井的目的。全、高效钻井的目的。4.4.井下控制工程井下控制工程124LWD：利用随钻伽马测井信息确定泥页岩层：利用随钻伽马测井信息确定泥页岩层来选择套管下深；确定储集层顶部开始取心来选择套管下深；确定储集层顶部开始取心作业；在钻进时利用随钻伽马、密度、声波作业；在钻进时利用随钻伽马、密度、声波和电阻率测井曲线等评价地层压力；在地层和电阻率测井曲线等评价地层压力；在地层将被钻井液严重污染前获得真实的地层特性将被钻井液严重污染前获得真实的地层特性和最新资料。和最新资料。4.4.井下控制工程井下控制工程1254.3 旋转导向马达旋转导向

57、马达 推靠式（推靠式（Push the Bit）在钻头附近在钻头附近直接给钻头提供侧向力；直接给钻头提供侧向力； 指向式（指向式（Point the Bit）通过近钻通过近钻头处钻柱的弯曲使钻头指向井眼轨迹控制方头处钻柱的弯曲使钻头指向井眼轨迹控制方向。向。4.4.井下控制工程井下控制工程126 旋转导向钻井系统的工作机理都是靠偏旋转导向钻井系统的工作机理都是靠偏置机构（置机构（Bias Units）分别偏置钻头或钻柱，）分别偏置钻头或钻柱，从而产生导向。从而产生导向。 偏置机构的工作方式又可分为静态偏置偏置机构的工作方式又可分为静态偏置式（式（Static Bias）和动态偏置式（）和动态偏

58、置式（Dynamic Bias）（即调制式（）（即调制式（Modulated）两种。）两种。 静态偏置式是指偏置导向机构在钻进过静态偏置式是指偏置导向机构在钻进过程中不与钻柱一起旋转，从而在某一固定方程中不与钻柱一起旋转，从而在某一固定方向上提供侧向力；向上提供侧向力； 调制式是指偏置导向机构在钻进过程中调制式是指偏置导向机构在钻进过程中与钻柱一起旋转，依靠控制系统使其在某一与钻柱一起旋转，依靠控制系统使其在某一位置定向支出提供导向力。位置定向支出提供导向力。 4.4.井下控制工程井下控制工程127 三种工作方式的旋转导向工具系统性能对比表三种工作方式的旋转导向工具系统性能对比表工作方式工作方

59、式代表系统代表系统旋转导向程旋转导向程度度造斜能力造斜能力/30m位移位移延伸延伸能力能力螺旋螺旋井眼井眼适应井眼尺适应井眼尺寸寸（mm）静态偏置静态偏置推靠式推靠式AutoTrak RCLS工具系统工具系统外筒不旋转外筒不旋转6.5低低存在存在216311调制式调制式PowerDrive SRD全旋转全旋转8.5高高存在存在152311静态偏置静态偏置指向式指向式Geo-Pilot工具系统工具系统外筒不旋转外筒不旋转5.5中中消除消除2163114.4.井下控制工程井下控制工程1284.4 随钻测量信息传输技术随钻测量信息传输技术（1）有线传输方式）有线传输方式 通过电缆或光缆传送信号，关键

60、通过电缆或光缆传送信号，关键解决如何通过钻杆的问题。解决如何通过钻杆的问题。 电缆、钻杆、光缆电缆、钻杆、光缆（2）无线传输方式）无线传输方式 通过环境介质传送信号，关键解通过环境介质传送信号，关键解决长距离传输中信号衰减问题决长距离传输中信号衰减问题 泥浆、电磁、声波泥浆、电磁、声波4.4.井下控制工程井下控制工程129（1）有线传输方式）有线传输方式 电缆传输方式电缆传输方式 电缆随钻信号传输的方法是通电缆随钻信号传输的方法是通过钻杆内部下入电导线，导线的类过钻杆内部下入电导线，导线的类型与电测中的电缆相似，是铠装电型与电测中的电缆相似，是铠装电缆。随着钻井的加深，加接单根时缆。随着钻井的