第2章石油钻机概论

1、第二章第二章 石油钻机概论石油钻机概论内容内容第一节第一节 钻机钻机系统简介系统简介第二节第二节 钻机的分类与特点钻机的分类与特点第三节第三节 钻机的基本参数钻机的基本参数第一节第一节 钻机系统简介钻机系统简介钻机是用于钻机是用于油气井钻探作业的一整套设备油气井钻探作业的一整套设备功能要求功能要求n为了为了满足钻具送进、起下钻具、更换钻头、下套满足钻具送进、起下钻具、更换钻头、下套管和处理井下事故的需要，机械设备管和处理井下事故的需要，机械设备应有一定的应有一定的起重能力及提升速度起重能力及提升速度；n为有效破碎岩石、形成井眼，钻具要有旋转钻进为有效破碎岩石、形成井眼，钻具要有旋转钻进的能力，

2、因此要求机械设备必须给钻具的能力，因此要求机械设备必须给钻具提供足够提供足够转矩和转速，并维持一定的钻压转矩和转速，并维持一定的钻压；n为了清洗井底、排出岩屑，要求洗井机械设备具为了清洗井底、排出岩屑，要求洗井机械设备具有一定的有一定的泵压和排量泵压和排量。钻机的组成钻机的组成旋转系统设备旋转系统设备循环系统设备循环系统设备起升系统设备起升系统设备动力驱动系统动力驱动系统传动系统设备传动系统设备控制系统和监测仪表控制系统和监测仪表钻机底座钻机底座辅助设备辅助设备一、旋转系统设备一、旋转系统设备主要组成：主要组成：n地面旋转系统地面旋转系统n转盘转盘n水龙头水龙头n顶驱顶驱n钻具钻具作用：转动钻

3、具，带动钻头破碎岩石。作用：转动钻具，带动钻头破碎岩石。1. 转盘转盘转盘的作用转盘的作用n 钻进时钻进时转动钻具转动钻具；n 起下钻、下套管时起下钻、下套管时承承托钻杆或套管托钻杆或套管重量；重量；n 处理事故时，处理事故时，造扣造扣、倒扣倒扣、上提、上提n井底动力时井底动力时承受反扭矩承受反扭矩 2. 水龙头水龙头（1） 水龙头的作用水龙头的作用n 承重承重承受钻柱重量承受钻柱重量n 旋转旋转支承旋转的钻具支承旋转的钻具n 耐压耐压输送高压泥浆输送高压泥浆顶驱顶驱二、循环系统设备二、循环系统设备组成：组成：n钻井泵钻井泵n钻井液净化、处理调配装置。钻井液净化、处理调配装置。钻井液作用：钻井

4、液作用：n清洗井底清洗井底n携带岩屑携带岩屑n保护井壁保护井壁n冷却钻头冷却钻头n为井下动力钻具提供高压动力液。为井下动力钻具提供高压动力液。泥浆池泥浆池净化设备净化设备振动筛振动筛除砂器除砂器分离机分离机除气器除气器循环罐循环罐搅拌器搅拌器振动筛和除气器振动筛和除气器除砂器和除泥器除砂器和除泥器搅拌器搅拌器三、起升系统设备三、起升系统设备组成：绞车、天车、游车、大钩、钢绳、井组成：绞车、天车、游车、大钩、钢绳、井架。架。作用：起下钻具、下套管，控制钻压。作用：起下钻具、下套管，控制钻压。上述旋转、循环和起升三大系统是钻机的三上述旋转、循环和起升三大系统是钻机的三大工作机。大工作机。井架结构井

5、架结构天车天车游车游车大钩大钩绞车绞车勘探院盘式刹车勘探院盘式刹车钢丝绳（大绳）钢丝绳（大绳）6（19）纤维绳芯）纤维绳芯6（19）77金属绳芯金属绳芯四、动力驱动系统功能：为三大机组和辅助机组提供动力功能：为三大机组和辅助机组提供动力组成：动力设备（柴油机组）、发电机组、电动机组。组成：动力设备（柴油机组）、发电机组、电动机组。五、传动系统功能：连接动力机和工作机，实现从驱动设功能：连接动力机和工作机，实现从驱动设备到工作机组的能量传递、分配及运动方式备到工作机组的能量传递、分配及运动方式的转换的转换组成：减速、并车、转向、倒转及变速机构组成：减速、并车、转向、倒转及变速机构传动形式：机械传

6、动（链条、三角胶带、齿传动形式：机械传动（链条、三角胶带、齿轮）、液力传动、液压传动和电传动。轮）、液力传动、液压传动和电传动。六、控制系统和监测仪表六、控制系统和监测仪表功能：指挥各机组协调工作功能：指挥各机组协调工作组成组成n司钻台司钻台n机械控制机械控制n气控气控n电控电控n液控液控n电、气、液混合控制电、气、液混合控制n钻井仪表钻井仪表n随钻测量（随钻测量（MWD）监控系统监控系统气控系统气控系统组成组成n供气机构供气机构n发令机构发令机构n传令机构传令机构n执行机构执行机构功能：柴油机（起、停、调速）、传动系统功能：柴油机（起、停、调速）、传动系统（并、停车）、绞车（起、停、换档）、

7、转（并、停车）、绞车（起、停、换档）、转盘（起、停、换向）盘（起、停、换向） 安全技术安全技术工作压力保持在规定范围内工作压力保持在规定范围内避免漏失避免漏失定期检查，防碰天车每班检查定期检查，防碰天车每班检查放水阀每放水阀每2小时放水小时放水1次，特别是冬季次，特别是冬季元件检修严格按照规程操作元件检修严格按照规程操作七、钻机底座功能：用于安装钻井设备，方便钻井设备的功能：用于安装钻井设备，方便钻井设备的移运和操作移运和操作组成：钻台底座和机房底座组成：钻台底座和机房底座n钻台底座：用于安装井架、转盘，放置立根盒及钻台底座：用于安装井架、转盘，放置立根盒及井口工具及司钻控制台，安装绞车，下方

8、应能容井口工具及司钻控制台，安装绞车，下方应能容纳必要的井口装置。纳必要的井口装置。n机房底座：用于安装动力机组和传动系统设备机房底座：用于安装动力机组和传动系统设备要求：应有足够的高度、面积和刚性。要求：应有足够的高度、面积和刚性。型号型号表示方法：设备代号表示方法：设备代号最大负荷最大负荷例：例：DZ225常用型号：常用型号：nDZ135，最大工作负荷，最大工作负荷1350kN，高，高4mnDZ225，最大工作负荷，最大工作负荷2250kN，高，高4.5mnDZ315，最大工作负荷，最大工作负荷3150kN，高，高4.5(7.5)mnDZ450/9，最大工作负荷，最大工作负荷4500kN，

9、高，高9mnDZ585/9，最大工作负荷，最大工作负荷5850kN，高，高9m八、辅助设备组成：组成：n供气、供水、供油、供暖设备供气、供水、供油、供暖设备n辅助发电设备辅助发电设备n井口防喷设备井口防喷设备n钻鼠洞设备钻鼠洞设备n辅助起重设备辅助起重设备n防喷器Blowout Preventer（BOP）功能：钻井过程中，钻井液柱静液压力小于地层流功能：钻井过程中，钻井液柱静液压力小于地层流体压力时，地层流体将进入井眼，引起井涌，此时体压力时，地层流体将进入井眼，引起井涌，此时需要采用防喷器来防止井喷需要采用防喷器来防止井喷种类：闸板、万能（环形）、旋转种类：闸板、万能（环形）、旋转要求：要

10、求：n安全可靠、耐压能力高；安全可靠、耐压能力高；n操作方便，能快速关闭和开启；操作方便，能快速关闭和开启；n可在司钻台控制也可远程控制；可在司钻台控制也可远程控制；n能有控制地泄压（放喷）；能有控制地泄压（放喷）；n能在不压井情况下边喷边钻、起下钻具、完井和换装井口能在不压井情况下边喷边钻、起下钻具、完井和换装井口型号表示方法型号表示方法代号代号 公称直径公称直径最大工作压力最大工作压力代号：代号：n环形防喷器：环形防喷器：FHn闸板防喷器：闸板防喷器：FZn双闸板防喷器：双闸板防喷器：2FZ公称直径公称直径：单位单位 cm最大工作压力：单位最大工作压力：单位 MPa例：例：FZ3535闸板

11、防喷器闸板防喷器双闸板防喷器双闸板防喷器特点：上部为半封闸板，下部为全封闸板特点：上部为半封闸板，下部为全封闸板半封：关闭时，闸板之间形成圆孔，用于抱半封：关闭时，闸板之间形成圆孔，用于抱紧钻杆，封闭钻具与套管之间的环形空间紧钻杆，封闭钻具与套管之间的环形空间全封：关闭时，闸板之间完全封闭，适用于全封：关闭时，闸板之间完全封闭，适用于井筒中没有钻具的情况井筒中没有钻具的情况剪切闸板：用于剪断钻具剪切闸板：用于剪断钻具橡胶密封：高强度、高韧性、密封可靠橡胶密封：高强度、高韧性、密封可靠万能防喷器（环形）万能防喷器（环形）特点：特点：n井筒内无钻具时能封闭井口井筒内无钻具时能封闭井口n能对工作通径

12、以下任何形状工具进行密封能对工作通径以下任何形状工具进行密封n18 钻杆接头的钻柱强行起下钻。钻杆接头的钻柱强行起下钻。 1818 钻杆接头钻杆接头需要需要用专门的吊卡来起下钻、接单根用专门的吊卡来起下钻、接单根比较适合大斜度井，水平井及大位移井等，比较适合大斜度井，水平井及大位移井等，可以减少钻杆接头台阶对井壁的挂擦，降低可以减少钻杆接头台阶对井壁的挂擦，降低摩擦阻力摩擦阻力关井时不损坏防喷器芯子关井时不损坏防喷器芯子 旋转防喷器旋转防喷器节流管汇节流管汇压井管汇压井管汇八大部件：八大部件：绞车；转盘；绞车；转盘；水龙头；大钩；游车；天水龙头；大钩；游车；天车；钻井泵；井架车；钻井泵；井架十

13、大部件：十大部件：加加柴油机；柴油机；联动机组。联动机组。 第二节第二节 钻机分类与特点钻机分类与特点一、分类一、分类n1 按井深分按井深分n浅井（浅井（1500m）；）；n中深井（中深井（15003000m）；）；n深井（深井（30006000m）；）；n超深井（超深井（60009000m）；）；n特深井（特深井（9000m以上）以上）n2按驱动设备类型分按驱动设备类型分n机械驱动钻机（机械驱动钻机（MD）n电驱动钻机（电驱动钻机（ED）。）。n3.按驱动方式分按驱动方式分n单独驱动（各主要机组单独驱动）单独驱动（各主要机组单独驱动）n统一驱动。统一驱动。4按主传动副类型分（从动力并车角度分

14、类）按主传动副类型分（从动力并车角度分类）n 胶带并车传动胶带并车传动胶带钻机胶带钻机；J：传动柔和、并车容易、：传动柔和、并车容易、制造简单、维护保养方便；常规制造简单、维护保养方便；常规E型能力低于链条、根数型能力低于链条、根数多、结构笨重、寿命短；窄多、结构笨重、寿命短；窄V带性能提高带性能提高n 链条并车传动链条并车传动链条钻机链条钻机；L：泵用胶带；功率大、结：泵用胶带；功率大、结构紧凑、寿命长适于深井超深井；液力变矩器构紧凑、寿命长适于深井超深井；液力变矩器n 锥齿轮锥齿轮万向轴并车传动万向轴并车传动齿轮钻机齿轮钻机；C：体积小、结：体积小、结构紧凑、维护方便；大功率锥齿轮制造困难

15、、成本高、现构紧凑、维护方便；大功率锥齿轮制造困难、成本高、现场不能更换、修理；适于轻便钻机（场不能更换、修理；适于轻便钻机（2000m以下）以下）链条钻机链条钻机胶带钻机胶带钻机齿轮钻机齿轮钻机5按地区和用途分按地区和用途分n海洋钻机；海洋钻机；n浅海钻机（适用与浅海钻机（适用与05m水深或沼泽地区）；水深或沼泽地区）；n陆地常规钻机；陆地常规钻机；n丛式井钻机；丛式井钻机；n沙漠钻机；沙漠钻机；n直升机吊运钻机；直升机吊运钻机；新型钻机新型钻机n小井眼钻机小井眼钻机n连续柔管钻机连续柔管钻机n套管钻机套管钻机ZJ30/1350CTZJ30/1350CT复合连续管复合连续管钻机钻机四川宏华四

16、川宏华二、钻机特点二、钻机特点大功率、传动复杂，多工作机联合工作。大功率、传动复杂，多工作机联合工作。n（例（例JC45绞车，功率绞车，功率1100kW相当于：相当于：10个车间个车间25台机台机床床一台车床一台车床4kWJC45的功率）的功率）绞车、泵、转盘三大机组不同时工作。绞车、泵、转盘三大机组不同时工作。钻井过程不连续钻井过程不连续工作地区广阔工作地区广阔n平原、山地、沙漠、沼泽、海洋平原、山地、沙漠、沼泽、海洋自然环境恶劣（风、沙、雨、雪）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、环境野外流动作业，要求钻机有很强的适应地区、环境的能力和很高的移运性能。的能

17、力和很高的移运性能。第三节第三节 钻机基本参数钻机基本参数一、基本参数：一、基本参数：n反映钻机工作性能的指标反映钻机工作性能的指标钻机基本参数十个：钻机基本参数十个：nL（名义井深）；（名义井深）；nQmax（最大钩载）；（最大钩载）；Qds（最大钻柱重）；（最大钻柱重）；nNdr（绞车功率）；（绞车功率）； Z（有效绳有效绳数）；数）；ndw（钢绳直径）；（钢绳直径）； Hr（底座高度）；（底座高度）；nH架架（井架高度）（井架高度）；nNp（泵功率）；（泵功率）；nDr（转盘通径）。（转盘通径）。二、主参数与钻机型号二、主参数与钻机型号1. 主参数主参数n 能直接反映钻机的主要性能；能直

18、接反映钻机的主要性能；n 能用以标定钻机型号，并作为设计、选用钻机的依据；能用以标定钻机型号，并作为设计、选用钻机的依据；n 能影响和决定其它参数。能影响和决定其它参数。 我国钻机新标准规定名义钻井深度我国钻机新标准规定名义钻井深度L为主参数。为主参数。n 第一，第一，L直接表明了钻机的最大钻井深度；直接表明了钻机的最大钻井深度；n 第二，第二，L影响和决定其它参数的大小；影响和决定其它参数的大小；n 符合我国以钻机钻井深度定型名和井队编号的习惯用法符合我国以钻机钻井深度定型名和井队编号的习惯用法n如如70153我国以前用我国以前用Qds（最大钻柱重量）为主参数。（最大钻柱重量）为主参数。前苏

19、联和罗马尼亚，钻机标准采用最大钩载前苏联和罗马尼亚，钻机标准采用最大钩载Qmax作作为主参数。为主参数。美国钻机没有统一的国家标准，各大公司生产的钻美国钻机没有统一的国家标准，各大公司生产的钻机基本上以名义钻深范围（机基本上以名义钻深范围（LminLmax）为主参数。）为主参数。例如：例如： NSCO国家供应公司（国家供应公司（ National Supply CO.）的的 1320M型钻机，指钻深型钻机，指钻深1300020000英尺，钻深英尺，钻深6100m名义井深名义井深L推荐钻深范围（推荐钻深范围（LminLmax=L）上限为名义井深）上限为名义井深。n旧系列：使用旧系列：使用5”钻杆

20、井深钻杆井深n新新系列：使用系列：使用 ”钻杆井深钻杆井深新旧系列对应新旧系列对应n旧系列：旧系列： 15、25、32、45、60、80n新新系列：系列：10、15、20、30、40、50、70、90、1202142、型号（、型号（GB/T 230505-2009）例：例：nZJ40J：名义钻深：名义钻深4000m，皮带并车，皮带并车nZJ50/3150D ：名义钻深：名义钻深5000m，直流电驱动块装，直流电驱动块装钻机钻机nZJ70/4500LDB：名义钻深：名义钻深7000m， 链条并车链条并车L 、转盘交流变频电驱动转盘交流变频电驱动DB ，兰石厂，兰石厂04年生产年生产GBT_235

21、05_2009三、起升系统参数三、起升系统参数1. 最大钩载最大钩载Qhmaxn在标准规定的在标准规定的最大绳数下最大绳数下，下套管或进行解卡等，下套管或进行解卡等其它特殊作业时，其它特殊作业时，大钩上不允许超过的最大载荷大钩上不允许超过的最大载荷。nQhmax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，是校核是校核起升系统起升系统零件静强度零件静强度及计算转盘、水龙头主轴承及计算转盘、水龙头主轴承静载荷的静载荷的依依据。据。2. 最大钻柱重量最大钻柱重量Qds在标准规定的最大绳数下，正常钻进或进行在标准规定的最大绳数下，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

22、起下作业时，大钩所允许承受的最大钻柱在空气中的重量（质量），也称额定载荷。空气中的重量（质量），也称额定载荷。 Qds10 q.L kNnq钻柱线密度（单位长度质量），钻柱线密度（单位长度质量）， g 10 nL 最大井深，最大井深，km。 3. 绞车输入功率绞车输入功率 Ndr输入轴最大功率，也称额定功率，绞车主参数输入轴最大功率，也称额定功率，绞车主参数nV1起升起升I档速度档速度，（，（0.40.6m/s）；）；n t 游动系统效率；游动系统效率；n b滚筒轴传动与缠绳效率；滚筒轴传动与缠绳效率；n dr 输入轴至滚筒前，传动效率。输入轴至滚筒前，传动效率。nQ1起升起升I档游系载荷档游

23、系载荷kN。n Q1= Qds+10 GtnGt游车、大钩、吊环、吊卡、钢绳的固定重量游车、大钩、吊环、吊卡、钢绳的固定重量,t。绞车功率取决于绞车功率取决于I档起升速度和档起升速度和I档起升载荷档起升载荷drbtdrVQN112. 起升系统发动机功率起升系统发动机功率nN发发kN.Ndr nkN储备系数储备系数1.11.24.钻井绳数钻井绳数Z钻井绳数钻井绳数Z，指钻井时采，指钻井时采用的有效提升绳数，死绳、用的有效提升绳数，死绳、快绳去掉，称为有效绳数。快绳去掉，称为有效绳数。n例如：例如：56, 游车轮数游车轮数天天车轮数车轮数nZ=52=10。天车、游车、大钩和钢丝天车、游车、大钩和钢丝绳统称为游动系统。绳统称为游动系统。5钢绳直径钢绳直径dw由由Qhmax（最大钩载）下的（最大钩载）下的Psmax（快绳拉力）决定（快绳拉力）决定nQhmax最大钩载，最大钩载，kNnGt 游系重量，游系重量，tn n=3（安全系数）（安全系数）n Pb为破断拉力为破断拉力由由Pb选选dw。ZGQZGQPth