第二章石油钻机总论

第二章石油钻机总论§2-1

概述§2-2

机械驱动钻机§2-3

电驱动钻机返回本章简要介绍钻机的结构组成、类型、特点，驱动类型，传动方式，基本参数及我国石油矿场正在使用的几种石油钻机，并了解几种机械驱动和电驱动钻机的特点和技术性能。§2-1概述二、钻机的组成

一、钻机分类

三、驱动类型返回附：本节复习题四、传动方式五、钻机特点六、钻机基本参数与标准系列一、钻机分类石油钻机：用来钻油、气井的一整套钻井设备。钻机随着某种钻井方法、钻井工艺的出现而产生，又随着钻井技术的不断发展而发生相应的变化。1.按钻井深度：浅井钻机、中深井钻机、深井钻机、超深井钻机2.主传动副类型：胶带并车传动（皮带钻机）、链条并车传动（链条钻机）、锥齿轮－万向轴并车传动（齿轮钻机）皮带并车传动的钻机，指的是采用三角胶带作为钻机的主传动副，用皮带将多台动力机组并车，去统一驱动各工作机组及辅助设备，并用皮带传动泵。链条并车传动的钻机：采用链条作为主传动副；2～4台柴油机－变矩器（或偶合器）驱动机组，用多排小节距套筒滚子链条并车，统一驱动各工作机，一般仍用皮带传动泵。ZJ45是国产第一台链条钻机：1）柴油机－液力变矩器柔性驱动；2）采用高强度高精度套筒滚子链并车传动。锥齿轮－万向轴并车传动的钻机：采用万向轴、齿轮作为主传动副，柴油机－变矩器驱动，每台驱动机组带一个螺旋锥齿轮箱组成一个联动机组，采用大功率万向轴并车传动，并用万向轴传动泵。3.驱动设备类型：机械驱动钻机（MD）、电驱动钻机（ED）机械驱动钻机，指的是以柴油机为动力，通过液力变矩器、链条、齿轮、三角胶带等不同组合的传动形式所驱动的钻机。依所采用的主传动副类型，机械驱动钻机可分为：万向轴－锥齿轮并车传动钻机（齿轮钻机）、三角胶带并车传动的钻机（胶带钻机）、链条并车传动的钻机（链条钻机）。

电驱动钻机：DZ-200钻机特点：柴油机－直流发电机－直流电动机驱动；柴油机－发电机－泵，构成特殊的机泵组；直流发电机两端出轴头，柴油机带动发电机，又带动泵，钻井泵是电驱动；三分组独立驱动：绞车、转盘、泵分别独立驱动。4.使用地区和用途：陆地常规钻机、海洋钻机、特种钻机等常规钻机：陆用转盘钻机，是钻井设备的基本形式（通常所说的钻机类型）；海洋钻井设备：由陆用钻井设备和造船技术相结合而产生；特种钻机：为适应各种地理环境和地质条件，加快钻井速度、降低钻井成本、提高钻井经济效益而研制，如沙漠钻机、丛式井钻机、斜井钻机、直升飞机吊运的钻机等。§2-1概述二、钻机的组成

一、钻机分类

三、驱动类型四、传动方式五、钻机特点六、钻机基本参数与标准系列一、钻机的组成地面旋转送进设备循环系统设备起升系统设备动力驱动设备传动系统设备控制系统和监测显示仪表钻机底座辅助设备其中，地面旋转送进设备、循环系统设备和起升系统设备三大系统设备直接服务于钻井生产，是钻机的三大工作机。石油钻机由多种机器设备组成，是具有多种功能的联合工作机组，陆地上主要使用转盘旋转钻机，也称常规钻机，主要包括以下八大系统：地面旋转送进设备为了转动井中钻具、带动钻头旋转，以不断破碎岩石，地面旋转送进设备配备有转盘和水龙头。井中钻具主要有钻柱（包括方钻杆、钻杆、钻铤等）和钻头组成。现代钻机，为了实现钻头自动给进，还配备有钻具自动送进装置。钻井过程中，转盘要完成如下工作：1）转动井中钻具，传递足够大的扭矩和必要的转速；2）下套管或起下钻时，承托井中全部套管柱或钻杆柱重量；3）完成卸钻头、卸扣，处理事故时倒扣、进扣等辅助工作；4）涡轮钻井时，转盘制动上部钻杆柱，以承受反扭矩。水龙头通过提环挂在大钩上，可随大钩运行而上提下放；下部接方钻杆，连接下井钻具；上部通过鹅颈管与水龙袋相连。功用：1）悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分乃至全部钻具重量；2）向转动着的钻杆柱内引输高压钻井液。可见，水龙头是提升、旋转、循环三大工作机组相汇交的“关键”部件。循环系统设备为了及时清洗井底，携带岩屑，保护井壁，钻机配备有全套钻井液的循环设备，如钻井泵、地面高压管汇、钻井液净化及调配设备（固控设备）等。在钻进过程中，为了携带井底的岩屑和供给井底动力钻具的动力，用于向井底输送和循环钻井液的往复泵，称钻井泵或泥浆泵。地面高压管汇钻井液净化及调配设备钻井过程中，从井底返回地面的泥浆中含有大量的岩屑和砂粒，经过泥浆池和沉淀池的自然沉降，其中的固相颗粒只能稍稍减少，继续使用这种泥浆，必然会有相当一部分岩屑和砂粒随泥浆进入钻井泵，并被再次送入井底，造成钻井泵易损件和钻头寿命大大缩短，钻头进尺减少，钻速显著降低，甚至会造成钻井过程中钻杆遇卡事故。钻井液净化及调配设备泥浆净化装置是钻井液循环系统中的重要组成部分，其基本作用是减少或控制泥浆中固体颗粒的含量，以便改善钻井泵和其它设备的工作条件，提高钻井效果。泥浆振动筛是固控系统中的关键设备，自井筒中返回的泥浆首先进入筛中，清除掉较大的固体颗粒。水力旋流器分为除砂器和除泥器两种，但结构和工作原理完全相同。除砂器除泥器起升系统设备起升系统设备由钻井绞车、辅助绞车、游动系统（钢丝绳、天车、游动滑车及大钩）和井架组成；以起下钻具、下套管，辅助完成钻井生产。此外，还有用于起下钻操作的井口工具及机械化设备（吊卡、卡瓦、动力大钳、立根移运机构等）。钻井绞车的功用：1）起下钻具、下套管；2）钻进过程中控制钻压、送进钻具；3）借助猫头，上、卸钻具丝扣，起吊重物及进行其他辅助工作；4）充当转盘的变速机构或中间传动机构；5）整体起放井架。辅助绞车刹车机构：绞车的刹车包括主刹车和辅助刹车。主刹车是机械式的，称机械刹车或带刹车，或通常所说的“刹车机构”。辅助刹车包括水刹车和电磁涡流刹车。功用：1）下钻、下套管时，刹慢或刹住滚筒，控制下放速度，悬持钻具；2）正常钻进时，控制滚筒转动，以调节钻压，送进钻具。水刹车：通过叶片和液流的相互作用，以吸收下钻时产生的大部分动能（转化成热能释放掉），从而大大减轻带刹车的负担。滚筒轴离合器主轴转子定子电磁涡流刹车：利用涡电流形成的旋转磁场与固定磁场相互作用便产生制动力矩。天车、游车、钢丝绳和大钩，通常称为游动系统。天车：定滑轮组，安装在井架顶部；

游车：动滑轮组，在井架内部作上下往复运动；

游动系统结构：即游车轮数目×天车轮数目。

游动系统钢丝绳有交叉穿法和顺穿法。井架的功用：1)安放天车，悬挂游车、大钩及专用工具（吊钳等），在钻井过程中，进行起下钻具、下套管操作；2)起下钻过程中，用以存放立根，能容纳立根的总长度称立根长度。动力驱动设备作用：动力驱动设备，或称动力机组，提供三大工作机组及其辅助机组需要的动力和运动。类型：内燃机及其供油设备，交流、直流电机及其供电、保护、控制设备等。传动系统设备作用：连接发动机与工作机，实现从驱动设备到工作机组的能量传递、分配以及运动方式的转换。钻机的能量传递与运动转换：钻进时，钻井泵和转盘工作；起升时，绞车和游动系统工作。传动系统应包括减速、并车、转向、倒转及变速机构等。传动形式：现代钻机传动系统，除机械传动外，尚有液力传动、液压传动、电传动等形式。控制系统和监测显示仪表钻机配备控制装置，是为了指挥各机组协调地进行工作；常用的有机械控制、气控、电控、液控、以及电、气、液混合控制。现代机械驱动钻机，普遍采用集中气控制。钻机底座钻机底座，包括钻台底座和机房底座，用以安装钻井设备，方便钻井设备的移运。钻台底座用于安装井架、转盘，放置立根盒及必要的井口工具，多数还要安装绞车，下方应能容纳必要的井口设备，因此必须具有足够的高度、面积和刚性。机房底座主要用以安装动力机组及传动系统设备，因此也要有足够的面积和刚性，以保证机房设备能迅速安装找正、工作平稳、且移运方便。辅助设备辅助设备包括：供气设备、辅助发电设备、井口防喷设备、钻鼠洞设备、辅助起重设备、保温设备等。§2-1概述二、钻机的组成

一、钻机分类

三、驱动类型四、传动方式五、钻机特点六、钻机基本参数与标准系列三、驱动类型机械驱动：柴油机直接驱动；柴油机－液力传动驱动。电驱动：交流发电机－交流电动机（AC-AC）；直流发电机－直流电动机（DC-DC）；交流发电机－可控硅整流－直流电动机（AC-SCR-DC）。现代陆上钻机广泛采用柴油机－液力变矩器驱动，但深井钻机正日益多地采用电驱动；海洋钻机全部是电驱动：钻井船在海上工作，独立发电、用电；电驱动便于布置钻井设备。§2-1概述二、钻机的组成

一、钻机分类

三、驱动类型四、传动方式五、钻机特点六、钻机基本参数与标准系列四、传动方式柴油机直接驱动钻机：机械传动；柴油机－液力驱动钻机：机械传动、液力传动；电驱动钻机：电传动、机械传动液压钻机：液压传动（静液传动）§2-1概述二、钻机的组成

一、钻机分类

三、驱动类型四、传动方式五、钻机特点六、钻机基本参数与标准系列五、钻机特点钻机是大功率、多工作机联合工作的重型机械有起升、旋转、循环三大工作机组，且各机组所需能量大小和运动特性各不相同，也不同时工作；而驱动设备不但具有多类型（柴油机、柴油机－变矩器、电动机等）多台的特点，而且特性单一。钻井操作不连续，其中辅助生产的起下操作耗费了巨大的能量。工作地区广阔，自然条件恶劣，野外流动作业，要求钻机有很强的适应能力和很高的移运性能。机械化自动化程度低，手工操作繁重，工业卫生条件差。这就对石油产品设计、制造的现代化水平提出了要求：现代设计法，产品系列化、部件通用化、零件标准化。§2-1概述二、钻机的组成

一、钻机分类

三、驱动类型四、传动方式五、钻机特点六、钻机基本参数与标准系列六、钻机基本参数与标准系列基本参数定义：反映钻机工作性能的数量指标，称为基本参数。如Q柱（最大钻柱重量），Qmax（最大钩载），L（名义钻井深度）等，表明了钻机基本工作性能，是钻机的基本参数。用途：基本参数是设计、选用钻机、对钻机进行技术改造的依据，是钻机标准系列的组成元素。钻机基本参数：最大钻柱重量Q柱：在标准规定的钻井绳数下，正常钻进或进行起下作业时，大钩所允许承受的最大钻柱在空气中的重量；Q柱是计算钻机起升系统零件疲劳强度的依据。最大钩载Qmax：在标准规定的最大绳数下，下套管或进行解卡等其它特殊作业时，大钩上不允许超过的最大载荷。Qmax决定钻机下套管和处理事故的能力，是计算起升系统零件静强度的依据。Qmax/Q柱称为钩载储备系数。钩载储备系数大，表明该钻机下套管、处理事故能力强；过大，又会导致起升系统零部件过于笨重，浪费材料。提升系统绳数：钻井绳数指的是钻井时采用的绳数；最大绳数指的是钻机配备的轮系所提供的最大绳数。其它：钢丝绳直径、可配置每台钻井泵功率、转盘开口名义直径、钻台高度等。主参数：在基本参数中，选定一个最重要的作为主参数，它应能：直接反映钻机的主要性能；能用以标定钻机的型名，并可作为设计选用钻机的依据；能决定其它参数。我国新标准规定名义钻井深度L为主参数，是依据：L直接表明钻机打井能力；L影响和决定其它参数的大小；符合我国以钻机钻深定型名和井队编号的习惯用法。名义钻井深度L（名义钻深范围上限），又称额定钻井深度：在标准规定的钻井绳数下，使用127mm（5in）钻杆时，可钻达的最大井深。钻机标准系列系列化概念：以最少的产品品种满足生产实际的需要，便于产品制造、维修以及备件供应，达到生产、使用最合理、经济，并有利于开展国际技术交流与合作。建立钻机标准系列指的是：选定主参数；根据生产实际需要使主参数系列化（将钻机分级）；再据以拟定其它基本参数，形成钻机标准系列。选定主参数：名义钻井深度L；根据生产实际需要使主参数系列化（将钻机分级）：15、20、32、45、60、80；再据以拟定其它基本参数，形成钻机标准系列。ZJ厂家代号（拼音字母）及改型序号（阿拉伯数字）钻机特征：链条抽油机用L表示；三角胶带并车钻机用J表示；齿轮传动钻机用C表示；电驱动钻机用D表示；自行式车装钻机用Z表示；半拖挂车装钻机用T表示。钻