石油钻机详解

PAGE16/NUMPAGES16石油钻机石油钻机主讲人沈泽俊

中国石油勘探开发研究院

提纲

石油钻机的型式与参数石油钻机的组成

电驱动钻机的优越性

电驱动钻机的常见问题交流变频电驱动钻机

对钻机的设备检查及要求

一、石油钻机型式与基本参数钻机的型式

驱动型式传动型式运移方式

柴油机驱动链条传动

V带传动

齿轮传动块装式自行式拖挂式

电驱动

直流驱动

交流（变频驱动）

复合驱动（机械、电驱）

液压驱动

钻机型号的表示方法

ZJ□/□□□-□改型序号：用阿拉伯数字表示，原型不写

运移方式：块装式表示符号省略

Z——自行式钻机

T——拖挂式钻机

钻机特征：L——链条并车钻机

DJ——交流电动钻机J——V带并车钻机

DZ——直流电动钻机C——齿轮传动钻机

DB——交流变频钻机

Y——液压钻机

钻机级别：分子表示用114mm钻杆标定，以100m为

单位计的名义钻深范围上限；分母表示以1kN为单位计的最大钩载

钻机

示例：ZJ50/3150DZ-2

表示为5000m块装直流电驱

动钻机第二次改型。

石油钻机型式与基本参数

二、石油钻机的组成

钻机的组成：

根据钻井工艺中钻井、洗井、起下钻具各工序的需要，一套钻机必须配备下列各系统和设备

1.动力设备：柴油机或交、直电

2.传动系统：包括减速、并车、倒转、变速等机构。在机械传动的基

础上，同时还要有液力传动，气、电磁离合器等。

3.提升系统：绞车、辅助绞车、盘式刹车、辅助刹车、自动送钻；游

动系统（游车、大钩、天车、井架等）；提升工具（吊环、吊卡、

卡瓦、大钳等）

4.旋转系统：转盘、水龙头、顶驱装置；钻柱、钻头及井下动力钻具

5.循环系统：钻井泵、地面管汇、泥浆池、泥浆净化设备、调配泥浆

设备。

6.控制系统：机械、液动或电控装置，控制操作台、观测记录仪等

7.底座：包括钻台底座、机房底座、泥浆泵等等

8.辅助设备：空气压缩设备，钻鼠洞设备，井口防喷设备，辅助发电

设备，辅助起重设备，活动房屋，保温设备等。

兰石ZJ70/4500LD钻机平面布置

钻机分为五个区：

1.钻台区

2.机房动力区

3.泥浆泵区

4.油罐区

5.泥浆循环及水灌区

动力与传动系统

三、电驱动钻机

1、柴油发电机组及控制系统

?柴油机采用电子调速器，用于频率稳定和有功功率分配均衡；

?发电机励磁调压系统，用于电压稳定和无功功率分配均衡；

?并网操作系统，用于显示电压、频率并实现欠频、过载和逆功率保护。

2、直流电动机控制系统

转速控制、扭矩控制

3、辅助交流电机控制和配电系统

功能：辅助系统供电与照明

大电机设计为远程和就近两种控制；

小电机就地控制。

配电系统由600伏降压为380伏。

4、电磁涡流刹车控制系统

通过控制励磁电流控制制动力矩大小；并备有断水、断电、水温高等报警及保护功能。

5、司钻控制台和脚踏开关

指配开关：根据工况要求，将直流控制柜进行组合分别驱动绞车、钻井泵和转盘。

泵、转盘、绞车开关：转盘有正反转。

给定开关：控制转速和关断。

指示灯：显示发电机、电动机、风机的运行状态。

转盘扭矩旋钮

转盘电流表及发动机负荷百分表（后者指示负荷率最大的一台）紧急按钮

脚踏开关

机械钻机与电驱动钻机的比较

机械钻机与电驱动钻机的比较

1、有效功率比较

1.1柴油机的功率问题

●柴油机的功率标定

●石油钻机的工作特点

–钻机在一口井的工作周期内纯钻进工作时间比起下钻时间长的多

–纯钻进工况可以看作超过24小时的持续工况–起下钻工况可看为间歇工况

电驱动钻机柴油机标定功率比机械驱动高11%

机械驱动钻机电驱动钻机

D379367kw(520马力)425kw(578马力)

D398571kw(777马力)635kw(864马力)

D399761kw(1035马力)845kw(1150马力)

1.2电驱动比机械驱动钻机传动效率高

机械驱动钻机

效率从柴油机到绞车输入轴75%电驱动钻机87%

2、燃料消耗

节约18-20%

辅助发电与主动力互济

3、维护保养费用

柴油机寿命可延长80%

电气保养成本仅为机械驱动钻机传动部分的1/34、安全性比较

柴油机可安装在离钻台50M左右地方；比如美国有一个洲规定柴油机要运离井口17M以上，机械钻机作不到；

噪音小；安全连锁非常易于实现。HSE

5、运移性与安装比较

搬一台6千米钻机可节省一天时间。

5、钻机工作性能比较

电驱动钻机对转速、扭矩控制方便，范围宽，更适宜工艺需要。

6、制造成本比较

国外电驱动钻机的成本仅比机械钻机高3-5%，国内要高80-100%。

小结电驱动钻机在工作性能、运移性、安全性、操作性、维修性、可靠性等比机械钻机优越性。

四、电驱动钻机的有关问题

1、控制方式的模拟控制与数字控制

模拟控制：以模拟电路及连续控制进行自动调节；

数字控制：采用全数字控制模块和数字调速系统。

后者的特点是：功能完善、可靠性高、调整方便、故障诊断充分、维护保养简单。

全数字控制的优点

高的可靠性

–采用数字器件，故障较少

–系统由较少的器件构成（比模拟系统减少60%）–采用网络通讯，最大限度地减少了连线与节电（柜间接线比模拟系统减少90%）

–性能及其可靠和稳定，具有较好的温度特性

–具有准确的发电机负荷分配特性，大大延长发电机的使用寿命

–用软件来完成以前许多用硬件实现的功能，产品升级仅需对软件升级

易于安装及快速启动

–自调谐功能，自动对PID等参数进行整定，

使用户能在最短的时间完成安装调试；

–网络化结构仅需最少的控制连线，缩短钻机

的安装时间；

–紧凑的结构设计，使SCR房具有合理的构成，便于运输。

易于维修

–具有强大的，广泛的诊断功能（包括各个层面的诊断功能）；

–对维修人员的知识及技能要求远低于一般系统的要求

–减少故障发生次数及故障解决时间；

–带锁扣的插拔式电路板，使得用户能快速方便地更换

–合理的硬件结构，使维护人员可以在几分钟之内更换任何器件

–无调节旋钮，更换电路板不需作任何调整

–系统设备间的互换性，减少了系统因故障引起的停车时间

2、驱动方式上的“一对一”和“一对

二”

在六十年代电子元器件尚不过关，其可靠性不如电器元器件，且价格偏高，故采用换能器切换可提高系统的可靠性，且价格相对较低

进入八十年代以后，电子元器件的可靠性超过电器元器件，如果继续采用切换回路，系统就显得复杂，可靠性反而降低。

“一对一”不但适用于串激电机，也适用于并激电机，更适用于交流变频传动可见“一对一”方式是今后的发展趋势。

3、串励和并励直流电机

串励直流电机

–输出转矩随负载电流平方成正比变化，绞车

起钻效率高；

–控制线路简单，特别适合“一对二”控制方

式；

–制造简单，成本较低；

–缺点是：当实现反向运行时，需在主回路用

同等电流容量的接触器切换，接触器价格高，

安装尺寸大。

他励直流电机

–在额定转速下，通过调节电枢电压，可获得十分满意的恒转矩调速性能；

–在额定转速下，通过调节励磁，可获得恒功率性能。

–缺点是电动机的换向器和炭刷故障率较高MeAKRaIaUnΦ??-=0想情况下他励电机调速公式：推荐文章：《直流电动钻机经济运行探讨》，2000年《石油机械》第10期

1、异步电机变频调速基本原理

n——电机速度f——电流的·频率p——旋转磁场的级对数s——转差率

从上述公式可看出，电机调速有多种，但通过调节电源频率f来改变电机转速最方便。

2、变频器

把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作变频器

五、交流变频电驱动钻机

)1(60spfn-=

V/f控制

异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率以下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。

矢量控制

为了使笼型异步电机快速响应运转（像由晶闸管供电的直流电机那样），控制变频器输出电流的大小、频率及相位，用以维持电机内部的磁通为所规定的值，产生所需的转矩，这就叫作矢量控制。或者说根据异步电动机的动态数学模型，对电机的转矩电流分量和励磁电流分量分别进行控制。

或：通过将一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，以两相做过渡，进行等效变化，获得两互相独立的磁场进行控制，以到达类似直流电机控制的方式，使交流电机获得较好的机械特性和动态性能。

变频调速的优越性

1.调速范围宽

2.调速平滑性好

3.在工作特性上：静态和动态特性都可与直

流调速系统媲美

4.经济性方面：变频调速装置较直流贵；但

由于交流电机的可靠耐用，故障率低，具有较大的优势。

交流变频钻机

电控系统：变频控制

电机：交流异步电机（变频专用电机）四川宏华数控交流变频钻机

交流变频器常见故障

变频调速器的常见故障分析和预防措施–外部的电磁感应干扰

–安装环境

–电源异常

–雷击、感应雷电

–变频器自身故障

钻机的发展方向

自动化、数字化、智能化、信息化

交流变频驱动

2000米以下钻机：轻便性、运移性

3000米以下钻机：机械驱动、车装钻机、撬装钻机

4000米钻机：机械驱动为主，适当发展电驱动钻机，同时要注重拆卸、安装方便，运输单元少，可靠性高，价格适中。

4500米钻机：机械、电驱动

5000米以上钻机：电驱动钻机

六、钻机检查项目及要求

钻机是完成钻井任务的最重要的装备。因此，开钻前必须严格按照“ＳＹ/Ｔ5954开钻前验收项目及要求”对钻机进行检查验收。

钻井设备、仪器、电气检查与验收

系统配套检查

–承包方的所有设备、工具、材料的规格、型号、数量等应与合同一致。

–设备配件储备应满足作业需要。

各类证书检查

–设备的近期检测报告、关键零部件探伤报告、最近一期大修记录、设备运行记录、仪表标定记录、设备保险证明等齐全、有

效。

静态检验

–检查外观有无零部件缺失、腐蚀、磨损、裂纹及弯曲变形等。–按安装技术要求及说明书，对各安装项目进行安装精度的检验。–对生产安全有影响的设备进行实际测量。

–必要时对关键零部件进行无损检测。

运转检验

–压力测试

1.高压测试：用于检测钻井泵、高压钻井液管线、压井

节流管汇和立管、水龙头、方钻杆上下旋塞、防喷器

及内防喷器等；

2.低压测试：用于气动控制系统设备、钻井液处理系统

管汇、闸阀和接头等。

3.按额定工作压力的70%～100%试压，稳压10min，

压降不超过2%为合格。

–功能试验

1.绞车制动系统能迅速、有效地进行制动与解除，防碰

天车及保险阀工作灵活、可靠，离合器快速离合。

2.控制系统、安全监测、报警系统等反应灵敏、准确。

试运转

对动力、水、电、高低压等设备(如钻井液循

环系统、动力和传动系统、固控系统、应急报警和保护系统等)进行运转试验，对一些独立

设备进行单独运转试验，要求这类设备工作状态良好，密封有效、紧固件无松动。

1.检验绞车系统、游动系统、转盘或顶部驱动系统

及井口辅助工具。着重检验离合器、猫头、防碰天

车装置、冷却水系统及司钻控制盘，排绳器、辅助

刹车、钻井仪表、绞车、转盘(或顶部驱动)的运转

性能及电机情况。

2.开灌注泵或混合泵进行低压循环，着重检查固控、

灌注、混配、补给系统运转情况，并按照流程由近

至远对低压管线、闸门进行密封试验。

试运转

1.电气系统检查，包括各种直流电机、配电盘、

变频机、应急发电机启动和绝缘性能、接地电

阻、防爆性能等。检查主压风机系统的自动起

动和停机压力、压缩空气湿度。

2.应急发电机起动试验和功率试验：起动时间要

达到说明书要求，在带负荷下运转半小时，输

出功率符合要求

3.循环系统试运转压力按钻井设计最大工作压力

的1.2倍～1.5倍进行。

4.试运转检验时间：连续运转不少于90min，各

部分工作正常，所有管线不刺、不漏，油、气、水路畅通。

检验结果

–井场设备检验应作好记录，并按表1－11检验项目逐项检验后填写检验报告。

–发现不符合合同规定、达不到技术要求

和存在不安全因素的设备、钻具、工具

和材料等，向承包方书面提出修理、补

充、更换、整改要求和完成时间。

表1钻机检查项目及要求

序号分类检验项目技术要求

检验

结果

1配套所有设备、工具、材料规格、型号和数量符合合同规定

2证书设备的近期检测报告、关键零部

件探伤报告、最近一期大修记录、

设备运行记录、仪表标定记录、

设备保险证明

齐全、有效

3设备

安装

1.井场所有设备按规定的位置摆放

2.设备安装平、正、稳、全、牢、灵

3.油、气、水路畅通，不漏油、水、气及钻井液

4.设备运转部位转动灵活，不旷不卡

5.各种阀门灵活可靠，安全保险

6.所有紧固件、联接件

紧固牢靠，螺栓（钉）装弹簧圈

或锁紧螺帽，外露螺纹部分要抹

润滑脂，销子必须装保险装置

7.各外露运动件装保护装置

序号分类检验项目技术要求

检验

结果

4井架

与底

座

1.定期检测与评定要求

1．井架与底座必须按规定定期进行综

合检测评定，最近一次检测不得超过5

年

2．按规定进行过定期保养

2.底座

无裂缝、开焊，无明显变形，底座与基

础接触无悬空

3.井架各部拉筋、附件规格齐全、紧固

4.各部梯子、扶手、栏杆

齐全、紧固、完好，栏杆之间间隙不超

过200mm,超过应有保险链

5.各种平台板面齐全、平整、牢固，间隙≤59mm

6.大门坡道固定牢靠

7.二层台指梁齐全、可靠

8.天车护罩无明显变形，固定可靠

9.井架四角水平高差≤5mm

10.天车、井口、转盘同轴度公

差

≤Φ20mm

11.井架底座各连接销技术尺寸符合要求，穿齐保险销

12.井架底座起升大绳、起升滑

轮

起升完毕后固定安装牢靠

续表1钻机检查项目及要求

续表1钻机检查项目及要求

序号分类检验项目技术要求

检验

结果

5提升

系统

1.游车滑轮转动灵活、护罩完好

2.大钩转动灵活，保险销完好

3.吊环完好并经过探伤检查，吨位符合要求

4.主刹车机构刹把灵活，刹车后与钻台面夹角为40～50°

5.盘式刹车液压系统动作准确，压力符合要求

6.防碰天车装置

1.气动防碰天车上的引绳尺寸、长度及松紧合适，

工作时总车高低速同时放气，1s内将滚筒刹

死

2.机械防碰天车灵敏、制动快，且其挡绳距天车

应大于4m

3.所有开关灵活可靠，不漏气

续表1钻机检查项目及要求

序号分类检验项目技术要求

检验

结果

6绳索

部分

1.游动系统有防扭装置

2.上下绷绳规格φ18mm～φ22mm钢丝绳

3.绷绳安装

1．与之匹配的钢丝绳

2．绷绳与地面夹角约45

3．绳坑在井架对角线的延长线上，上下坑分开

4.绷绳固定上端用绳卡、下端用花篮螺丝

5.内外钳吊绳

1．φ12.7mm钢丝绳

2．两端各卡与之匹配的绳卡二只

6.内外钳尾绳

1．φ22mm钢丝绳

2．三只与之匹配的绳卡卡紧

3．必须有保险装置

7.液压大钳吊绳φ12.7mm钢丝绳，尾桩固定牢靠

8.钢丝绳死端

1．穿齐防跳螺杆

2．压板并帽齐全，防滑卡两只，方向正确

9.钢丝绳活端防滑卡四只，压板不少于二只，固定牢固

10.自升式井架底

座起升大绳

完好无损，符合说明书要求

11.所有部件、附

件保险绳

1．φ12.7mm钢丝绳

2．位置正确、卡牢

续表1钻机检查项目及要求

序号分类检验项目技术要求

检验

结果

6绳索

部分

12.钢丝绳目测

1.6×7钢丝绳的一纽中断丝少于3根

2.6×6钢丝绳的绳股结构：

1)一纽绳中少于随机分布的六根断丝

2)一纽绳中的一股少于三根断丝

3.抗扭转结构：

1)一纽绳中少于随机分布的四根断丝

2)一纽绳中的一股少于两根断丝

4.固定钢丝绳，如绷绳、撤离绳、悬挂绳等：

1)一纽绳中的一股少于三根断丝

2)端部连接部分无锈蚀钢丝

3)端部连接部分不得有锈蚀、开裂、弯曲、磨

损

4)无明显扭绞、挤压、切口、冷变形或呈鸟笼

状

7旋转

系统

1.转盘水平公差≤2‰（旋转平面）

2.水龙头转动灵活、油和钻井液无渗漏

3.顶驱装置

1.安装正确

2.电传动、控制、联锁、报警等系统功能试验，

符合说明书规定的要求

续表1钻机检查项目及要求

序号分类检验项目技术要求

检验

结果

8传动

系统

1.绞车水平公差≤2‰（滚筒面）

2.绞车与正车箱（链轮）

偏差≤1.5mm

斜差≤1.5mm

3.绞车与转盘

（链轮）

偏差≤1.5mm

斜差≤1.5mm

4.绞车刹车装置灵活可靠

5.绞车滚筒排绳器安装正确

6.丛式井过桥轴底座与基础采用刚性固定

7.过桥轴与绞车、正车箱

（链轮）

偏差≤1.5mm

斜差≤1mm

8.各联动机底座水平度公差≤0.5mm

9.刹带摩擦块剩余厚度不得小于18mm

10.各联动机间（皮带轮）

偏差≤2mm

斜差≤1mm

11.法兰联接平行度公差≤1mm

续表1钻机检查项目及要求

序号分类检验项目技术要求

检验

结果

8传动

系统

12.法兰联接同轴度

公差

≤φ0.5mm

13.电磁刹车端面间隙

（牙嵌为准）

≤1mm

14.气胎式离合器四周距

差(φ300mm和

φ500mm)

≤0.8mm

15.气胎式离合器四周距

差(φ700mm和

φ1070mm)

≤1.5mm

16.联动机皮带单根长短

差

≤20mm

17.钻井泵皮带单根长短

差

≤25mm

18.万向轴联接安装精度应符合表1-12的规定

19.带传动和链传动

两传动轮的轴心线应在同平面内，安装精度应符合表

1-13的规定

20.链条张紧度

单根链条张紧度按两链条的下垂度尺寸计算，水平传

动链条应小于链轮间切线长度的3%，爬坡链条应

小于链轮间切线长度的2%

21.皮带张紧力

单根三角胶带的张紧度小于15mm/m，测量力应垂直于

两皮带轮中心距中心，测量力应符合表1-14规定

续表1钻机检查项目及要求

序号分类检验项目技术要求检验结果

9循环

系统

1.钻井泵前后水平度公

差(阀箱顶平面)

≤3mm

2.钻井泵左右水平度公

差（皮带轮）

≤2mm

3.钻井泵与联动机（皮

带轮）

偏差≤3mm

斜差≤2mm

4.钻井泵空气包充气压力为其额定工作压力的1/3

5.钻井泵安全阀和保险

箱

符合说明书和设计要求

6.钻井泵上水管有过滤装置

7.高压管汇刚性固定，工作时不振不跳，不刺不漏

8.钻井液槽前高后低，有1%的坡度

9.循环罐搅拌器每个罐不少于2台

10.循环罐既能单独使用，又能合并使用

11.固控设备达到设计要求

12.立管固定

1．专用固定胶块不少于4个

2．卡在横拉筋上并上紧

续表1钻机检查项目及要求

序号分类检验项目技术要求

检验

结果

10控制

和检

测显

示系

统

1.气控台仪表齐全，灵敏可靠

2.司钻控制房按设计要求联接气、液、电各系统线路

3.钻井仪表

1.安装位置正确，要有减震和避震措施

2.灵敏、可靠

3.按技术规定调校完好

4.压力等级符合规定

4.气控、液控管线排列整齐、标志清晰、固定牢靠，不渗漏

5.储油罐流量计计量准确，有过滤装置

6.其他仪表灵敏、准确、可靠

11动力

设备

1.柴油机安装

1.用固定螺栓紧固在坚实、平整的基础上；

四周不准堆放易燃物，散热器前方３m内无

阻挡物

2．排气口要有灭火装置

3.万向轴花键轴向位移15mm～20mm

2.柴油机功率

施加柴油机持续功率95%的外载负荷，运转

１h，排气烟色、温度及油、水温度正常

续表1钻机检查项目及要求

序号分类检验项目技术要求

检验

结果

12辅助

设备

1.大钳

1.大钳吊绳符合标准，连接牢固

2.钳牙合格，备件充足

2.小绞车

1.安装牢固、平稳刹车可靠，排绳整齐，吊绳用直

径为16mm的钢丝绳，配两片反向吊钩

2.电动绞车应有防水和防触电等措施

3．钩子探伤合格

3.压缩空气源

1.气量和气压必须满足设备使用要求

2.压缩空气必须进行干燥、净化处理

3.安装后进行吹扫，保证气路清洁

13井口

工具

1．吊卡活门、弹

簧、保险销

灵活、牢固

2.卡瓦、安全卡瓦

销子、卡瓦牙积压

板、保险链

齐全紧固，灵活好用

序号分类检验项目技术要求

检验

结果

14电气

系统

1.井场电气配置符合规范要求

2.全部电机、电气满足防爆要求，接地电阻合格

3.供电线路

1.绝缘导线与井架绷绳、柴油机排气管（应装有阻火装置）距离大

于2m

2.架设专用电杆，高度不低于3m

3.井架上的电缆易摩擦处应加塑料护套管

4.严禁将供电线路直接挂在设备、井架、绷绳、罐等金属物体上

5.供电线路严禁通过油罐区上方

6.供电线路进值班房、发电房、锅炉房、材料房、消防房等活动房

的入户处须加绝缘护套管，野营房内的照明灯线应用绝缘材料

固定

7.井控蓄能器、照明灯单独供电

8.井场电路接头应采用防爆接头

4.电动机

1.露天使用电动机，要有防雨水措施

2.运转部位加护罩，且完好，安装牢固

3.外壳接地电阻≤4Ω

5.发动机接地电阻≤4Ω

6.配电柜金属构架接地电阻≤10Ω

7.照明灯具

井场所有照明灯应为防爆灯，布局合理，连接牢固，开关、接头、

插座要符合防爆安全要求

8.移动照明灯采用安全行灯

9.漏电保护

1.各种电器须有可靠的保护措施

2.在电源总闸、各分闸后和每栋野营房应分别安装漏电保护设备

10.市电供电变压器距离井口＞50m

11.应急发电机

1．起动时间达到要求

2．在带负荷下运转半小时，输出功率符合要求

续表1钻机检查项目及要求

续表1钻机检查项目及要求

序号分类检验项目技术要求

检验

结果

15设备

试运

转

1.功能性试验

1.绞车制动系统迅速、有效地制动与解除，

防碰天车及保险阀工作灵活、可靠，离

合器快速离合

2.控制、报警、监控系统反应灵敏、活动

准确

2.高、低压设

备和管线的

压力试验

按额定工作压力的70%～100%试压，稳压

10min，压降不超过2%为合格

3.设备试运转

高压试运转压力按最大设计工作压力的1.2

倍～1.5倍进行，连