第一章机械石油

1、机械科学与工程学院机械科学与工程学院maxQ第一节第一节 钻机概述钻机概述第二节第二节 钻机的基本参数钻机的基本参数第三节第三节 钻机的发展和展望钻机的发展和展望maxQ现代石油钻机是一套庞大的联合机组，包现代石油钻机是一套庞大的联合机组，包括的内容广，涉及的种类多，它随着钻井方括的内容广，涉及的种类多，它随着钻井方法、钻井技术的发展而不断发生变化和完善。法、钻井技术的发展而不断发生变化和完善。本章首先介绍钻井工艺对钻机的要求及钻机本章首先介绍钻井工艺对钻机的要求及钻机的组成和分类，然后介绍钻机的基本参数及的组成和分类，然后介绍钻机的基本参数及钻井机械的发展水平与展望。钻井机械的发展水平与展望

2、。 maxQ（1） 钻井的目的：寻找和开采石油和天然钻井的目的：寻找和开采石油和天然气。气。（2）机械系统的组成：任何一部机械系统）机械系统的组成：任何一部机械系统都是由四大部分组成，即动力设备、传动设都是由四大部分组成，即动力设备、传动设备、控制设备和工作机。备、控制设备和工作机。动力设备动力设备传动设备传动设备工作机工作机控制设备控制设备控制设备控制设备辅助设备辅助设备maxQ动力机动力机:为了使工作机工作，必须使工作机为了使工作机工作，必须使工作机有一定的动力。有一定的动力。传动设备：将动力机的动力传递给工作的传动设备：将动力机的动力传递给工作的中间装置。作用：变速、传递动力、改变运中间

3、装置。作用：变速、传递动力、改变运动形式和规律。动形式和规律。工作机：是机械系统中进行工作以执行系工作机：是机械系统中进行工作以执行系统的特定任务，直接实现机械系统功能。统的特定任务，直接实现机械系统功能。控制设备：使工作机、动力机和传动设备控制设备：使工作机、动力机和传动设备maxQ等能按照人们的要求或指定的规律彼此协调等能按照人们的要求或指定的规律彼此协调地定解，以准确可靠地实现整机功能。地定解，以准确可靠地实现整机功能。 辅助设备：辅助工作机完成工作任务的设辅助设备：辅助工作机完成工作任务的设备。备。 钻机是一套综合机组，它也与其它机械系钻机是一套综合机组，它也与其它机械系统一样，包括动

4、力设备、传动设备、控制设统一样，包括动力设备、传动设备、控制设备和工作机。备和工作机。 钻机的动力设备：柴油机、电动机。钻机的动力设备：柴油机、电动机。 maxQ钻机的传动设备：齿轮传动、链条传动、钻机的传动设备：齿轮传动、链条传动、皮带传动、气传动、液压传动（液力传动）、皮带传动、气传动、液压传动（液力传动）、电传动。电传动。钻机的控制设备：电控、计算机控制、气钻机的控制设备：电控、计算机控制、气控、液控、手控。控、液控、手控。钻机的工作机：绞车、天车、转盘、泥浆钻机的工作机：绞车、天车、转盘、泥浆泵、钻杆、钻头泵、钻杆、钻头maxQ（3）钻井工艺）钻井工艺钻井（钻井（drilling）是利

5、用机械设备，将地层）是利用机械设备，将地层钻成具有一定深度的园柱形孔眼的工程。利钻成具有一定深度的园柱形孔眼的工程。利用钻头旋转破碎岩石，形成井深；用钻杆将用钻头旋转破碎岩石，形成井深；用钻杆将钻头送到井底，用大钩、天车、游车和绞车钻头送到井底，用大钩、天车、游车和绞车起下钻杆；用钻盘及水龙头带动钻头、钻杆起下钻杆；用钻盘及水龙头带动钻头、钻杆旋转；用泥浆泵循环，泥浆带出井底岩屑旋转；用泥浆泵循环，泥浆带出井底岩屑旋转钻井。旋转钻井。maxQ（4）井身结构设计：在钻井前，根据地质）井身结构设计：在钻井前，根据地质资料，钻井工程师要作井身结构设计。资料，钻井工程师要作井身结构设计。井身结构是指下

6、入井中的套管层数、直径井身结构是指下入井中的套管层数、直径和下入深度，以及套管直径与井眼（钻头直和下入深度，以及套管直径与井眼（钻头直径）的关系。径）的关系。根据地质条件不同，井身结构设计不同：根据地质条件不同，井身结构设计不同：1）导管）导管防止地表土层坍塌，起导向作用，防止地表土层坍塌，起导向作用，不固定，很浅，不固定，很浅，2 40m。maxQ2）表层套管）表层套管加固上部疏松岩层的井壁和加固上部疏松岩层的井壁和安装防喷器，一般安装防喷器，一般3 500m。3）技术套管）技术套管用来隔离生产上部油、气、用来隔离生产上部油、气、水、盐岩层或喷、塌、漏、膨胀等复杂地层，水、盐岩层或喷、塌、漏

7、、膨胀等复杂地层，加固浅层疏松易塌井筒和安装防喷器。加固浅层疏松易塌井筒和安装防喷器。技术套管根据地层条件而定，中深井尽量技术套管根据地层条件而定，中深井尽量不下技术套管，深井、地层复杂的井，下不下技术套管，深井、地层复杂的井，下12层，在复杂地层的深井下层，在复杂地层的深井下24层。层。maxQ4）油层套管）油层套管形成形成坚固的井筒，用来坚固的井筒，用来射孔，最后一层套射孔，最后一层套管。管。各层套管与井壁之各层套管与井壁之间都注入水泥加固间都注入水泥加固。导管表层套管技术套管油层套管D管lmaxQmaxQ（5）钻井工艺对钻机的要求）钻井工艺对钻机的要求钻井工艺对钻井机械设备的基本要求有以

8、下几钻井工艺对钻井机械设备的基本要求有以下几方面：方面：1) 要有足够的起升功率：即有足够的起重能要有足够的起升功率：即有足够的起重能力，保证起得动，起得快。力，保证起得动，起得快。2) 要有旋转钻进的能力；要求钻机能为钻具要有旋转钻进的能力；要求钻机能为钻具提供一定的转速和扭矩，并保持一定的钻压。提供一定的转速和扭矩，并保持一定的钻压。maxQmaxQ3) 要有清除岩屑的能力，要求能提供具有一要有清除岩屑的能力，要求能提供具有一定压力和流量的钻井液，有效地冲洗井底，并定压力和流量的钻井液，有效地冲洗井底，并将岩屑携出井外。将岩屑携出井外。此外，钻机要适应不同地区的钻井需要，如沙此外，钻机要适

9、应不同地区的钻井需要，如沙漠、沼泽、海洋等同时因钻机的流动性大，漠、沼泽、海洋等同时因钻机的流动性大，要求设备容易安装、拆卸和运输钻机的操作要求设备容易安装、拆卸和运输钻机的操作和维修工作必须简单易行，易损件便于更换。和维修工作必须简单易行，易损件便于更换。 maxQ根据钻井工艺中钻井、洗井、起下钻具各根据钻井工艺中钻井、洗井、起下钻具各工序以及处理钻井事故的要求及现代化技术工序以及处理钻井事故的要求及现代化技术水平的条件，整套转盘旋转钻机必须具备下水平的条件，整套转盘旋转钻机必须具备下列设备：列设备： 1）旋转系统）旋转系统 2）循环系统）循环系统 3）起升系统）起升系统 4）动力驱动）动力

10、驱动 5）传动系统）传动系统 6）控制系统）控制系统 7）钻机底座）钻机底座 8）辅助设备）辅助设备1 1Q VN 绞传 游滚=钻机工作动画演示钻机工作动画演示maxQmaxQmaxQ1旋转系统旋转系统作用：旋转钻具（钻杆、钻头）不断破碎岩石。作用：旋转钻具（钻杆、钻头）不断破碎岩石。组成：转盘、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤、钻组成：转盘、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤、钻头等。头等。2循环系统循环系统作用：清除、携带井底已碎岩屑，润滑井壁，冷作用：清除、携带井底已碎岩屑，润滑井壁，冷却转头。却转头。组成：钻井泵、地面管汇、钻井液池、钻井液槽组成：钻井泵、地面管汇、钻井液池、钻井液槽 、钻井液净化设

11、备，调配钻井液设备钻井液净化设备，调配钻井液设备 。maxQ3起升系统起升系统作用：起下钻具、更换钻头、控制钻头送作用：起下钻具、更换钻头、控制钻头送进、完井时下套管等进、完井时下套管等 组成：主绞车、辅助绞车组成：主绞车、辅助绞车(或猫头或猫头)、辅助刹、辅助刹车、游动系统车、游动系统(包括钢丝绳、天车、游车和大包括钢丝绳、天车、游车和大钩钩)、井架、吊环、吊卡、卡瓦、大钳、立根、井架、吊环、吊卡、卡瓦、大钳、立根等等 。maxQ4动力驱动设备动力驱动设备 作用：驱动绞车，转盘和钻井泵等工作机。作用：驱动绞车，转盘和钻井泵等工作机。组成：柴油机及其供油设备，或交流、直流电动组成：柴油机及其供

12、油设备，或交流、直流电动机及其供电、保护、控制设备等。机及其供电、保护、控制设备等。 5传动系统传动系统 作用：联结发动机与前三个工作机组，把发动机作用：联结发动机与前三个工作机组，把发动机的能量传递并分配给各工作机。并有减速、并车、的能量传递并分配给各工作机。并有减速、并车、倒车、变速机构等。倒车、变速机构等。 组成：机械传动、液力传动组成：机械传动、液力传动(涡轮传动涡轮传动)、液压传、液压传动、气传动等动、气传动等 。maxQ 6控制系统控制系统 作用：指挥各机组协调进行工作作用：指挥各机组协调进行工作 。组成：组成：机械控制设备：手柄、踏板，杠杆等；气动或液机械控制设备：手柄、踏板，杠

13、杆等；气动或液动控制设备：开关、调压阀、工作缸等；电控制设动控制设备：开关、调压阀、工作缸等；电控制设备：开关、变阻器、启动器、继电器等，以及集中备：开关、变阻器、启动器、继电器等，以及集中控制台和观察记录仪表等控制台和观察记录仪表等 。在自动化程度较高的现在钻机上配备有由计算机在自动化程度较高的现在钻机上配备有由计算机几种控制的自动控制，随时对几十个钻井参数进行几种控制的自动控制，随时对几十个钻井参数进行监测、转化、分析、处理，然后得出调整意见，保监测、转化、分析、处理，然后得出调整意见，保证实现最优钻井。证实现最优钻井。maxQ7钻机底座钻机底座 作用：承载、安装钻机、钻井泵、运移。作用：

14、承载、安装钻机、钻井泵、运移。组成：钻台底座、机房底座、钻井泵底座。车装组成：钻台底座、机房底座、钻井泵底座。车装电机的底座就是汽车或拖车底盘电机的底座就是汽车或拖车底盘 。8. 辅助设备辅助设备 作用：为钻机提供必要的生活、生产保证。作用：为钻机提供必要的生活、生产保证。组成：供气设备、供水设备、钻鼠洞设备、井口组成：供气设备、供水设备、钻鼠洞设备、井口防喷设备、辅助发电设备、辅助起重设备，在寒冷防喷设备、辅助发电设备、辅助起重设备，在寒冷地区钻进时还需要配备保温设备。地区钻进时还需要配备保温设备。 maxQ随着钻井生产的不断发展，钻机的使用条随着钻井生产的不断发展，钻机的使用条件也越来越多

15、样化，所以相应地出现了各种件也越来越多样化，所以相应地出现了各种类型的钻机。影响钻机类型与组成的因素有：类型的钻机。影响钻机类型与组成的因素有：钻井方法；钻井用途；钻井深度、井眼尺寸钻井方法；钻井用途；钻井深度、井眼尺寸与钻具尺寸；钻井地区的条件（如电力或燃与钻具尺寸；钻井地区的条件（如电力或燃料供应、交通运输、气象条件）等。料供应、交通运输、气象条件）等。maxQ1按钻井方法划分按钻井方法划分 (1)冲击钻机：如钢丝绳冲击钻机冲击钻机：如钢丝绳冲击钻机(顿钻钻机顿钻钻机)、地面发动振动钻机、爆炸钻井钻机、电火花钻井地面发动振动钻机、爆炸钻井钻机、电火花钻井钻机。钻机。 (2)地面发动旋转钻机

16、：如转盘旋转钻机、顶部地面发动旋转钻机：如转盘旋转钻机、顶部动力水龙头旋转钻机等。动力水龙头旋转钻机等。 (3)井底发动钻机：如井底冲击振动钻具、井底井底发动钻机：如井底冲击振动钻具、井底旋转钻具（涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具）。旋转钻具（涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具）。maxQ2按钻井深度的不同划分按钻井深度的不同划分 (1)浅井钻机：浅井钻机：钻井钻井井深井深2000m (2)中深井钻机：钻井深度在中深井钻机：钻井深度在5000m以下。以下。 (3)深井钻机：钻井深度为深井钻机：钻井深度为5000m7000m。 (4)超探井钻机：钻井深度为超探井钻机：钻井深度为70009000m。 特深井

17、钻机：钻井深度在特深井钻机：钻井深度在9000m以上。以上。 maxQ 3按使用地区的不同划分按使用地区的不同划分 (1)陆用钻机：用于正常陆地勘探、钻井。陆用钻机：用于正常陆地勘探、钻井。 (2)海洋钻机：用于海上钻井平台。按不同使用条件海洋钻海洋钻机：用于海上钻井平台。按不同使用条件海洋钻机又分：机又分：1)移动式：沉底、自生式、钻井船、半潜式。移动式：沉底、自生式、钻井船、半潜式。2)固定式：固定式：浅海。浅海。 (3)沙漠钻机：用于在沙漠地区勘探、钻井。沙漠钻机：用于在沙漠地区勘探、钻井。 (4)小井眼钻机（小井眼钻机（90%的丼眼直径小于的丼眼直径小于7”或或70%的丼眼直径的丼眼直

18、径 小于小于7” ） (5)连续柔管钻机连续柔管钻机 (6)丛式井钻机丛式井钻机 (7)套管钻机套管钻机maxQ4. 按动力设备的不同来划分按动力设备的不同来划分(1)柴油机驱动钻机：以柴油机为动力通过机械传动或柴油机驱动钻机：以柴油机为动力通过机械传动或液力传动的钻机。液力传动的钻机。(2)直流电驱动钻机：工作机用直流电动机驱动。用柴直流电驱动钻机：工作机用直流电动机驱动。用柴油机或燃气轮机带动发电机供电，或从电力网供电。供直油机或燃气轮机带动发电机供电，或从电力网供电。供直流电者称为直流电者称为直-直流电驱动；供交流电经整流者称为交直流电驱动；供交流电经整流者称为交-直直流电驱动。这种型式

19、的钻机适用于海上钻井。流电驱动。这种型式的钻机适用于海上钻井。(3)交流电驱动钻机：交流电驱动钻机： 适用于有工业电网的油田内部钻适用于有工业电网的油田内部钻井。井。maxQmaxQmaxQmaxQmaxQ5按驱动方式的不同来划分按驱动方式的不同来划分(1)单独驱动：各工作机单独单独驱动：各工作机单独选择大小不同的发动机驱动，选择大小不同的发动机驱动，如图如图1-2所示。多用于电驱动，所示。多用于电驱动，其传动简单、安装容易，但功其传动简单、安装容易，但功率利用率低、设备总重量大。率利用率低、设备总重量大。 图图1-2 单独驱动方案单独驱动方案动力动力转盘转盘绞车绞车泥浆泵泥浆泵maxQ (2

20、)统一驱动：绞车，转盘及泵统一驱动：绞车，转盘及泵三个工作机由同一动力机组驱动，三个工作机由同一动力机组驱动，图图1-3b为大庆为大庆I-130型钻机的方案。型钻机的方案。大部分钻机采取这种方案。统一大部分钻机采取这种方案。统一驱动也可以只包括一台泵驱动也可以只包括一台泵(另加一另加一台单独驱动泵台单独驱动泵)，图，图1-3a为为ZJ-130钻机方案。统一驱动的钻机功率钻机方案。统一驱动的钻机功率高，发动机有故障时可相互调剂，高，发动机有故障时可相互调剂，但它的传动复杂但它的传动复杂,安装调整费事，安装调整费事，传动效率低。传动效率低。图图1-3 统一驱动方案统一驱动方案(a)(b)转盘转盘绞

21、车绞车泥浆泵泥浆泵泥浆泵泥浆泵绞车绞车转盘转盘动力动力动力动力maxQ (3)分组驱动：动力的组合分组驱动：动力的组合介于前两种之间，三个工作介于前两种之间，三个工作机的驱动可有两种方案，如机的驱动可有两种方案，如图图1-4所示，这种钻机的效率所示，这种钻机的效率利用率比单独驱动者高，传利用率比单独驱动者高，传动比统一驱动者简单，还可动比统一驱动者简单，还可以将两组工作机安装在不同以将两组工作机安装在不同高度和分散的场地上。高度和分散的场地上。图图1-4 分组驱动方案分组驱动方案(a)(b)转盘转盘绞车绞车泥浆泵泥浆泵转盘转盘绞车绞车泥浆泵泥浆泵动力动力动力动力maxQ 钻机的基本参数是反映全

22、套钻机工作性钻机的基本参数是反映全套钻机工作性能的主要数量指标，它是设计和选择使用钻能的主要数量指标，它是设计和选择使用钻机的基本依据。机的基本依据。 钻机的基本参数包括：钻机的主参数、钻机的基本参数包括：钻机的主参数、起升系统参数、旋转系统参数、循环系统参起升系统参数、旋转系统参数、循环系统参数。数。maxQ1、名义钻井深度名义钻井深度 名义钻井深度是指钻机在规定的钻井绳数下用名义钻井深度是指钻机在规定的钻井绳数下用114mm（4 1/2）钻杆所能钻达的最大井深。）钻杆所能钻达的最大井深。 名义钻深范围是指该级钻机能够经济利用的最小井名义钻深范围是指该级钻机能够经济利用的最小井深至最大井深。

23、深至最大井深。例如，例如，ZJ50/3150钻机钻机名义钻井深度名义钻井深度为为5000m，井深再，井深再增加，就超过了钻机起升系统的额定工作能力。增加，就超过了钻机起升系统的额定工作能力。 ZJ50/3150钻机钻机名义钻深范围为名义钻深范围为35005000 m。maxQ2、最大钩载、最大钩载 钻机的最大钩载是指钻机的最大钩载是指钻机在规定的最大绳数下，钻机在规定的最大绳数下，在解卡和下套管等非常规作业时不允许超过的载荷在解卡和下套管等非常规作业时不允许超过的载荷极限值，包括动载荷在内。极限值，包括动载荷在内。钻井过程中可能遇到的钻井过程中可能遇到的较大载荷有较大载荷有: (1)起钻操作刚

24、开始起动加速时钩载增加了动载起钻操作刚开始起动加速时钩载增加了动载,下下井操作完了刹车时也有较大动载产生井操作完了刹车时也有较大动载产生,静动载之和构静动载之和构成起下钻过程中最大钩载。成起下钻过程中最大钩载。 (2)处理卡钻事故时拔钻杆的拉力处理卡钻事故时拔钻杆的拉力,它以钻杆拉断载它以钻杆拉断载荷为极限荷为极限(此拉断载荷由钢材最小屈服强度来决定此拉断载荷由钢材最小屈服强度来决定)。maxQ(3)下套管时，大尺寸的技术套管柱重量或最深的下套管时，大尺寸的技术套管柱重量或最深的油层套管柱重量都比钻杆柱重量大。油层套管柱重量都比钻杆柱重量大。 (4)下套管遇阻时下套管遇阻时,要上提下放套管柱以

25、期破阻通过要上提下放套管柱以期破阻通过.此时大钩的上提载荷以套管柱断裂载荷的此时大钩的上提载荷以套管柱断裂载荷的80%为极限。为极限。以上四项载荷，据统计分析以第以上四项载荷，据统计分析以第2，4项为最大，当项为最大，当井深小于井深小于2500m时，套管柱较轻，也很少遇阻，所以时，套管柱较轻，也很少遇阻，所以第第2项载荷可能最大，当井深大于项载荷可能最大，当井深大于2500m时，则以第时，则以第4项载荷为最大。项载荷为最大。maxQ3、钻机总功率、钻机总功率 钻机总功率是指为三大工作机组及辅助设备总共配钻机总功率是指为三大工作机组及辅助设备总共配备的功率备的功率,以保证钻井过程中能量的消耗。钻

26、机总功以保证钻井过程中能量的消耗。钻机总功率根据其驱动方式的不同可分别按下式计算：率根据其驱动方式的不同可分别按下式计算：单独驱动的钻机单独驱动的钻机(图图1-2)： (1-1)m axNNNNNN总发 起发 辅发 泵发 辅发 转，统一驱动的钻机统一驱动的钻机( (参见图参见图1-3)1-3) maxNNNNN总发泵发起发辅发转，(1-2)maxQ分组驱动的钻机：分组驱动的钻机：转盘与绞车分成一组，钻井泵单独分成一组转盘与绞车分成一组，钻井泵单独分成一组(参见参见图图1-4a)QKqL静柱转盘单独分一组，泥浆泵与绞车分成一组转盘单独分一组，泥浆泵与绞车分成一组( (参见图参见图1-4b)1-4

27、b)Q静(1-3a)(1-3b)maxQ(一一)大钩静载荷大钩静载荷在钻井过程中，大钩匀速提升井中全在钻井过程中，大钩匀速提升井中全部钻柱重量构成大钩的静载荷。如忽略部钻柱重量构成大钩的静载荷。如忽略吊环吊卡的重量吊环吊卡的重量,大钩静载荷为大钩静载荷为: m a x NN N N N 总发 起 发 泵发 辅发 转，KK摩钢（ 1 - ）K系数系数K应综合考虑钻杆与井壁摩擦及钻应综合考虑钻杆与井壁摩擦及钻杆在钻井液中受浮力的影响，井越深杆在钻井液中受浮力的影响，井越深。摩摩阻系数阻系数K越大，钻井液相对密度越大，浮越大，钻井液相对密度越大，浮力也越大，力也越大， 则减轻系数则减轻系数 越小。越

28、小。 Qq L静柱(1-4)m a xLmaxQ钻杆柱每米重量钻杆柱每米重量 值可以从表值可以从表1-1中查出，它是光钻中查出，它是光钻杆重加上两端加厚部分、接头杆重加上两端加厚部分、接头(或接箍或接箍)的重量除以立根的重量除以立根的长度得来的。钻柱中考虑有的长度得来的。钻柱中考虑有80-100m的钻铤，则推荐的钻铤，则推荐用表用表1-1中中 的计算值。的计算值。基于上述两即近似认为起钻时大钩的静载就是钻柱基于上述两即近似认为起钻时大钩的静载就是钻柱在空气中的重量。在空气中的重量。 钢（ 1 - ）钢（ 1 - ）Q QG qLG 游 静 游 柱游(1-5)maxQ类类别别通 称通 称尺 寸尺

29、 寸in外径外径(D)mm厚度厚度()mm单位重量单位重量（ q杆杆） N/m钻柱计算单重钻柱计算单重（q柱柱）N/m注注钻钻杆杆60.373.088.9101.6114.3127.0139.77.115.516.458.388.569.1910.5497100139204242265361196245294314412全部按全部按API-70常用常用套套管管114.3 27.0 39.7 68.3 77.8 93.77.377.529.1710.599.29.53197219292409380434API-7032872813241425152m a xLmaxQ(二二)游动系统结构、快绳拉

30、力和钢绳直径游动系统结构、快绳拉力和钢绳直径1、游动系统结构、游动系统结构 游动系统结构是指天车和游车的滑轮数目和有效游动系统结构是指天车和游车的滑轮数目和有效工作绳数工作绳数(z)，如游动系统为，如游动系统为56，指的是游车五轮，指的是游车五轮和天车六轮，除快绳、死绳以外的有效工作绳数和天车六轮，除快绳、死绳以外的有效工作绳数z=25=10。起重量越大的钻机，由于钢绳强度的限。起重量越大的钻机，由于钢绳强度的限制，要采用更多的有效绳数，即更多轮数的游动系制，要采用更多的有效绳数，即更多轮数的游动系统。游动系统的最大结构用于起升统。游动系统的最大结构用于起升Qmax，在起升，在起升Q柱时钢丝可

31、以少穿两个轮子。可参考表时钢丝可以少穿两个轮子。可参考表1-2按井深或最按井深或最大起重量选定游动系统结构。大起重量选定游动系统结构。maxQ最大井深最大井深（ ）km钻机最大钻机最大起重重量起重重量(Qmax),kN游动系统游动系统结构结构有效绳数有效绳数(z)钢绳直径钢绳直径（d绳绳）mm游动系统运游动系统运动件重量动件重量(G游游)，kN 22532456.387849801225156819602450313639204 54 54 66 65 66 66 76 76 788810101012121225283228323532353849597898118147176QqLG 1 柱

32、 游maxQ2、游动系统起重量、游动系统起重量Q游 Q游虽然不是钻机的基本参数，但在今后的计算中经虽然不是钻机的基本参数，但在今后的计算中经常遇到，所以单独提出来。常遇到，所以单独提出来。当在最大井深时，钩载为最低起升工作挡当在最大井深时，钩载为最低起升工作挡V时，游时，游动系统起重量动系统起重量Q1为为: 142515256875781 . 0 5 QPz游快游(1-6)(1-7)maxQ3、起升时的快绳拉力、起升时的快绳拉力 P快当大钩载荷为当大钩载荷为Qmax时：时：式中式中 游动系统效率。游动系统效率。 /( )VAD返头QPz游快游m a x m a xm a x2 . 5 1 .

33、0 52 . 6QQP n Pz z 断 快游 游(1-8)maxQ4、钢绳直径、钢绳直径 d绳在确定钢绳直径时，首先要算出最大快绳拉力在确定钢绳直径时，首先要算出最大快绳拉力P快max，一般钢绳的破断安全系数取为一般钢绳的破断安全系数取为n=2.5，要求钢绳所具有的，要求钢绳所具有的破断载荷为：破断载荷为：同理，根据一定的钢绳和游动系统结构，也可确定出同理，根据一定的钢绳和游动系统结构，也可确定出该系统的最大起重量该系统的最大起重量 ma x2 . 6zPQ断游(1-9)kbVlz(1-10)maxQ(三三) 井架高度井架高度 H井架高度是指钻台顶平面至天井架高度是指钻台顶平面至天车台底平面

34、的垂直高度，它主要车台底平面的垂直高度，它主要取决于立根长度取决于立根长度l，游动系统各部，游动系统各部件高度和缓冲高度件高度和缓冲高度h，如图，如图1-6所示，所示，可用经验公式确定：可用经验公式确定： H=1.7l (1-11)根据上示，对于由两单根组成根据上示，对于由两单根组成的的24m长的里根，采用长的里根，采用41m高的井高的井maxQ架。对于由三单根组成的架。对于由三单根组成的2730m长的立根，长的立根，则采用则采用4653m高的井架高的井架 。 精确计算精确计算: H= H1+ H2 +l+ H3 + H4 + H5 + H6 H1钻台高度，钻台高度， H2对扣找正空间，对扣找

35、正空间， l立根长，立根长， H3 大钩水龙头自由空间，大钩水龙头自由空间， H4 大钩长，大钩长， H5 游车长，游车长， H6 缓冲高度。缓冲高度。maxQ(四四) 起升速度和挡数起升速度和挡数1）大钩的起升速度直接影响着起下钻的机动起升时）大钩的起升速度直接影响着起下钻的机动起升时间间(见第三章见第三章)，尤其是最低起钻工作速度，尤其是最低起钻工作速度V1，它又决定，它又决定着其他各挡的速度。为了减少机动起升时间，新型钻着其他各挡的速度。为了减少机动起升时间，新型钻机越来越加大了绞车功率，使机越来越加大了绞车功率，使 V1由原有的由原有的0.2m/s提高提高至至0.5 m/s左右，这样，

36、机动起升时间可降低左右，这样，机动起升时间可降低25% 。可。可初选初选V1=0.450.5m/s。最高起升速度最高起升速度 Vk不能选得过高，它受到立根长度、不能选得过高，它受到立根长度、快绳速度和操作安全的限制，一般按下述经验公式选快绳速度和操作安全的限制，一般按下述经验公式选定：定： maxQ式中式中 z 有效绳数；有效绳数； b 系数，取系数，取3或或4，在起下操作机械化水平高的条件，在起下操作机械化水平高的条件下选用下选用4。 轻、中型钻机轻、中型钻机Vk小，超重型钻机小，超重型钻机Vk大。大。2）挡数，增设挡数可以提高功率利用率，减少工作时间，）挡数，增设挡数可以提高功率利用率，减

37、少工作时间，提高钻机效率。提高钻机效率。挡数设定原则：功率利用率最大原则。挡数设定原则：功率利用率最大原则。N=Q1V1=Q2V2=QnVn（1-12）Q1QQ2Q3Q4V1V4V3V2maxQ但挡数过多时会使变速机构复杂，时间节省幅度但挡数过多时会使变速机构复杂，时间节省幅度不大。不大。起升挡数起升挡数 K= 4 8轻、中型钻机轻、中型钻机K小，重型钻机小，重型钻机K大。大。另设另设12个事故挡个事故挡 ，绞车结构上的第一、第二挡，绞车结构上的第一、第二挡常为事故挡，起升第一挡多设在结构上的第三挡。常为事故挡，起升第一挡多设在结构上的第三挡。用液力变矩器或直流电机驱动的绞车可以保证最用液力变

38、矩器或直流电机驱动的绞车可以保证最小的起升钒动时间消耗。但为了提高变矩器或电机小的起升钒动时间消耗。但为了提高变矩器或电机的使用效率，仍设的使用效率，仍设23变速挡。变速挡。 maxQ(五五)大钩功率、绞车功率和起升机组功率大钩功率、绞车功率和起升机组功率 设设V1为大钩最低起钻速度为大钩最低起钻速度(m/s)，Q1为以为以V1起升时的起升时的游动系统起重量游动系统起重量(理论起重量，理论起重量，kN)。起升功率即大钩功率起升功率即大钩功率 N=Q1V1 绞车功率即绞车输入功率绞车功率即绞车输入功率 起升系统发动机应配备功率起升系统发动机应配备功率 11KQVN发起发钩=m a x4Q D d

39、 V22- 6返大头（ -）1 0（1-13）（1-14）（1-15）maxQ绞车输入轴军滚筒轴的传动效率绞车输入轴军滚筒轴的传动效率 ;滚筒缠绳及滚筒轴效率，取值滚筒缠绳及滚筒轴效率，取值0.97； 讲动系统效率，可以采取讲动系统效率，可以采取API推荐值对推荐值对 z =6，8，10， 12者，者， =0.876，0.841，0.810，0.770； 功率储备系数；功率储备系数；发动机至大钩的传动效率；发动机至大钩的传动效率； 发动机效率；发动机效率； 发动机组并车效率，可参考表发动机组并车效率，可参考表1-3选取。选取。全部传动效率，将发动机输出轴到滚筒轴前所有传动副全部传动效率，将发动

40、机输出轴到滚筒轴前所有传动副 的效率相乘可得此值参见表的效率相乘可得此值参见表1-3。 在传动方案设计出来以前在传动方案设计出来以前,可近似取可近似取 = 0.55-0.65。 滚m a x11 0 m m ()2D D钻盘发 钩 发 钩发 并 传游滚发并传m a xD头q杆 发 钩发 并 传游滚maxQ对于功率储备系数对于功率储备系数K来说，柴油机直接驱动来说，柴油机直接驱动的起生系统应取的起生系统应取K=1.25-1.35；柴油机液力传动；柴油机液力传动的起升系统取的起升系统取K=1；单独为绞车配备的柴油机，；单独为绞车配备的柴油机，可以按间歇功率计算；电动机驱动的起升系统可以按间歇功率计

41、算；电动机驱动的起升系统或其它部件，按表或其它部件，按表1-4取取K值以确定电动机的额值以确定电动机的额定功率定功率(即工作时间率即工作时间率Jc=25%时的输出功率时的输出功率)。 maxQ表表13发动机和机械传动效率发动机和机械传动效率发动机或传动副名称发动机或传动副名称 效率效率()发动机或传动副名称发动机或传动副名称效率效率()柴油机（非曾雅柴油机（非曾雅增压）增压）080085万向轴万向轴滑动轴承滑动轴承097滚动轴承滚动轴承099直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机085095交流电动机交流电动机088092涡轮传动涡轮传动075O85液力力偶合器液力力偶合器0.95097三角

42、皮带传动三角皮带传动094096液力变矩器液力变矩器O80090滚动辅承滚动辅承0995柴油机并车柴油机并车二台二台095两个滚动轴承支承的轴两个滚动轴承支承的轴099三台三台0.92滚筒缠绳、滑轮绕绳滚筒缠绳、滑轮绕绳098柴油机液力传动并车柴油机液力传动并车二台二台098滚筒轴部件滚筒轴部件0.97 三台三台 095转盘部件转盘部件0.93链传动链传动开式开式095钻井泵机械传动部分（不包括水力部分钻井泵机械传动部分（不包括水力部分)085O88闭式闭式098齿轮传动齿轮传动圆柱齿轮圆柱齿轮098圆锥齿轮圆锥齿轮097圆弧齿轮圆弧齿轮099maxQ表表1-4 交流电动机的储备系数交流电动机

43、的储备系数电动机型号电动机型号工作类型工作类型KJZR轻级轻级0.050.75JZRH中级中级0.750.85重级重级0.91.0特重级特重级1.01.2J2各级各级0.9JO2，JO3各级各级1.0maxQ旋转系统参数主要包括转盘开口直径、转盘转速、旋转系统参数主要包括转盘开口直径、转盘转速、转盘功率。转盘功率。1转盘的开口直径转盘的开口直径D盘转盘的开口直径指转盘取出大方补心后转台内的转盘的开口直径指转盘取出大方补心后转台内的通孔直径通孔直径 ，可根据钻机最大井深开钻用的最大钻头，可根据钻机最大井深开钻用的最大钻头直径决定。直径决定。 目前目前D盘的通用尺寸有的通用尺寸有450，520，7

44、00mm等，分别等，分别适用于中深、深和超深井。适用于中深、深和超深井。游maxQ2转盘的转速和挡数转盘的转速和挡数转盘的转速和钻头破碎岩石的能力密切相关，选择转盘的转速和钻头破碎岩石的能力密切相关，选择合适的转盘转速，目的是在可能的条件下获得较快的合适的转盘转速，目的是在可能的条件下获得较快的钻井进尺。钻井进尺。根据钻井经验：钻井速度正比于转盘转速的平方根。根据钻井经验：钻井速度正比于转盘转速的平方根。但是，当转速超过但是，当转速超过350400r/min时，钻井速度的增长时，钻井速度的增长就不明显了。这主要是由于牙轮钻头牙齿与岩石接触就不明显了。这主要是由于牙轮钻头牙齿与岩石接触的时间过短

45、，岩石还来不及破裂，同时过高的转速会的时间过短，岩石还来不及破裂，同时过高的转速会使空转钻杆柱的功率消耗加大，因此常用的转速控制使空转钻杆柱的功率消耗加大，因此常用的转速控制为为50300r/min最好。最好。maxQ一般在开钻时为中软地层，多用大尺寸钻头，转速一般在开钻时为中软地层，多用大尺寸钻头，转速也较高，也较高， n始=150300r/min。接近完钻时多为地层，为了防止钻头损坏和磨损过接近完钻时多为地层，为了防止钻头损坏和磨损过快，一般取快，一般取n终=60105r/min。 在处理事故和取心时需要更低的转速，一般取在处理事故和取心时需要更低的转速，一般取n事故 =2530r/min

46、 。根据以上三种转速可见，转盘的调速范围约为根据以上三种转速可见，转盘的调速范围约为10。当通过绞车传动转盘时，绞车的挡数可满足转盘的当通过绞车传动转盘时，绞车的挡数可满足转盘的要求。当采用变矩器或直流电机驱动转盘时，挡数可要求。当采用变矩器或直流电机驱动转盘时，挡数可少些，有少些，有2-3个挡就足够了。个挡就足够了。 maxQ3转盘的功率转盘的功率 N转 在钻井过程中，动力机传给转盘的动力主要消耗在钻井过程中，动力机传给转盘的动力主要消耗于以下几方面，旋转钻头破碎岩石、旋转钻杆柱和旋于以下几方面，旋转钻头破碎岩石、旋转钻杆柱和旋转地面设备（包括转盘本身、方钻杆和水龙头）。因转地面设备（包括转

47、盘本身、方钻杆和水龙头）。因此，转盘消耗的功率为：此，转盘消耗的功率为： N转=N1+N2+N3 （1-16）式中式中 N1带动钻头破岩及克服钻头与井底摩擦所消带动钻头破岩及克服钻头与井底摩擦所消 耗的功率耗的功率 ； N2旋转钻杆柱所消耗的功率；旋转钻杆柱所消耗的功率； N3旋转地面设备所消耗的功率。旋转地面设备所消耗的功率。 maxQ应为驱动转盘的发动机配备的功率为应为驱动转盘的发动机配备的功率为 m a x2 8 0()VD返头（1-17） 发 钩发 并 传游滚q杆功率储备系数；功率储备系数； 发动机到转盘的传动效率。发动机到转盘的传动效率。 maxQ1、最大、最小排量和泵组中泵的台数。

48、、最大、最小排量和泵组中泵的台数。泵组排量泵组排量 Q=(D2-d2)V返 10-6/4 （1-18）D,d分别为井眼直径和钻杆直径，分别为井眼直径和钻杆直径，mm；V返 环形空间中钻井液的返回速度，为了保环形空间中钻井液的返回速度，为了保证足够的排量，一般证足够的排量，一般 : A=182280游maxQKNN转发转发转传(1-19)此时此时开钻时井筒直径，即最大钻头直径，开钻时井筒直径，即最大钻头直径，mm。 mm23QQQQ单单大单双 缸 双 作 用 泵 ， 单 泵 排 量= 0 . 0 50 . 0 63 / s钻 井 泵三 缸 双 作 用 泵 ， 单 泵 排 量= 0 . 0 40

49、. 0 53 / s泵 台 数 =台 。泵组最大排量泵组最大排量 Q大是为了满足开钻时最大井筒中是为了满足开钻时最大井筒中洗井排屑的需要，所以洗井排屑的需要，所以maxQ泵的台数泵的台数 即对所有钻机都应至少配备两台泵，超重型钻机即对所有钻机都应至少配备两台泵，超重型钻机应配三台泵。应配三台泵。 maxQ单泵最小排量单泵最小排量Qmin，是为了满足完钻时在最小井筒，是为了满足完钻时在最小井筒中洗井的需要，同时也是为了满足中洗井的需要，同时也是为了满足“低排量、高泵低排量、高泵压压”方式的喷射钻井的需要。方式的喷射钻井的需要。 Q min=(D2头min-d 2)V返 10-6/4 （1-20）

50、 一般单泵最小排量一般单泵最小排量 Q min=0.015-0.020m3/s。如如Q min过大将使深井中的管道压力损失过高，同过大将使深井中的管道压力损失过高，同时泵压过高，但可能钻头压力降并不高，不能发挥时泵压过高，但可能钻头压力降并不高，不能发挥喷射钻井的威力。喷射钻井的威力。 游maxQ2、最大泵压、最大泵压Pmax 泵压主要消耗于循环管路压力降和钻头喷嘴压力泵压主要消耗于循环管路压力降和钻头喷嘴压力降两方面降两方面 。即。即 P泵=P管+P头P管=P杆+P铤+P环+P汇 （1-21）式中：式中：P泵泵压，泵压，MPa； P管循环管路压降，循环管路压降，MPa； P杆钻杆钻杆(包括接

51、头包括接头)内的压力降，内的压力降，MPa； P铤钻铤内的压力降，钻铤内的压力降，MPa； P环环形空间的压力降，环形空间的压力降，MPa； maxQ P汇地面管汇（包括地面管线、立管、水龙地面管汇（包括地面管线、立管、水龙头、及方钻杆）的压力降，头、及方钻杆）的压力降，MPa； P头钻头水眼的压力降，钻头水眼的压力降，MPa；最大泵压出现在钻井达最大井深时，此时泵使用最大泵压出现在钻井达最大井深时，此时泵使用的是最小直径缸套，为满足喷射钻井的需要必须保的是最小直径缸套，为满足喷射钻井的需要必须保证：证：P头=(1/2 2/3)Pmax P管=(1/3 1/2) Pmax 即即 Pmax =(

52、2 3)P管 （1-22） 前者适用于超深井，后者适用于中深井。前者适用于超深井，后者适用于中深井。maxQ3. 泵组功率泵组功率泵组的水功率泵组的水功率:N水=PQ 103 （1-23）泵组输入功率泵组输入功率:N泵=N水/泵 （1-24） 式中：式中：泵 钻井泵的总效率，考虑泵中水力损失、容钻井泵的总效率，考虑泵中水力损失、容积损失和机械摩擦损失，可选用积损失和机械摩擦损失，可选用 泵 0.700.80。maxQ应为驱动泵的发动机配备的功率：应为驱动泵的发动机配备的功率：N发泵=KN泵/发泵 （1-24）式中式中 发泵 发动机至泵组的传动效率；发动机至泵组的传动效率； K动力储备系数，泵为

53、无载启动，启动时动力储备系数，泵为无载启动，启动时不需功率储备，但在正常钻进时，循环可能遇阻，不需功率储备，但在正常钻进时，循环可能遇阻，为此取为此取K=1.1(柴油机直接驱动柴油机直接驱动)；K=1(柴油机柴油机-液力液力变矩器驱动变矩器驱动)。如用柴油机驱动钻井泵时，应以其持续功率来计如用柴油机驱动钻井泵时，应以其持续功率来计算。算。maxQ级 别10/60015/90020/135030/170040/2250名义钻深 m 127mm钻杆114mm钻杆最大钩载，kN500-800500-1000600 700-140080018001200-2000135015

54、00-25001600-300017002000-32002500-4002250我国钻机系列（GB/T23505-2009 ）级 别50/315070/450090/6570120/9000150/11250名义钻深 m 127mm钻杆114mm钻杆最大钩载，kN2800-45003500-500031504000-60004500-700045005000-80006000-900065707000-100007500-1200090008500-1250010000-1500011250maxQ我国钻机系列中规定钻机型号表示方法我国钻机系列中规定钻机型号表示方法ZJ改型序号（改型序号用阿

55、拉伯数字表示）改型序号（改型序号用阿拉伯数字表示）钻机特征：钻机特征： L链条并车钻机；链条并车钻机； J V带并车钻机；带并车钻机； C齿轮齿轮传动钻机；传动钻机；Y液压钻机；液压钻机； DJ交流电动钻机；电动钻机；DZ直流电直流电动钻机；动钻机；DB交流变频电动钻机交流变频电动钻机钻机级别：分子以钻机级别：分子以100m为单位计的钻机名义钻深范围的上限为单位计的钻机名义钻深范围的上限， 分母为分母为1 kN为单位计的最大鈎载为单位计的最大鈎载 钻机代号钻机代号移动方式：移动方式：自行式车装钻机用自行式车装钻机用Z表示；半拖挂车装钻机用表示；半拖挂车装钻机用T表示表示maxQ一、钻机承载的大型化一、钻机承载的大型化 二、大型钻机模块化二、大型钻机模块化三、中小钻机车载化、小型化三、中小钻机车载化、小型化四、钻机操作自动化、控制智能化四、钻机操作自动化、控制智能化 maxQ 在发展钻井新技术的同时在发展钻井新技术