石油钻井装备新技术

专题二石油钻井装备

新

技

术西南石油大学

郭昭学

一、自动化钻井技术

人类在进入第21世纪之交时，石油钻井系统正由机械化和科学化钻井阶段向半自动化再到自动化钻井阶段进展，这是发展大趋势。1.自动化钻井阶段的关键技术由机械化和科学化钻井阶段发展到自动化钻井阶段的关键技术有六个方面，它们是钻井重大革命的里程碑和标志。通讯网络

电子钻柱

智能钻井自动化钻井

信息

软件智能站

1地质导向钻井

旋钻导向

闭环钻井

地质恶劣

地理

环境自动化装备顶驱

智

能铁钻工

井

架机械手井控自动送钻无

级

变

速

电驱

钻机密闭循环2009.11

钻杆接卸管理系统

特殊工艺井

复杂结构井超深井、深井海洋深水钻井21.1钻机和装备的智能化、自动化：

①自动给进（送钻）：从19世纪60年代就开始研究，1935年Westing

house公司第一个自动送钻专利，20世纪40年代气动送钻控制，1955年有了第一个液压动力水龙头和水力卷扬机，有恒钻压模式、恒给进（钻速）模式、智能优化模式；②刹车系统：离合（盘式/带式）片，比例控制电磁刹车等；3

③井口铁钻工（Iron

Roughneck）：“三吊一卡”机械化；

④井口－二层台的井架（管架）机械手：起下立根（钻柱）拉入/推出—扣/摘；

⑤循环系统—固控系统：全自动监控密闭循环—净化系统；

⑥井控－防喷及应急系统：井口装置、防喷器组、电液井控（可控硅、音频声控）、节流管汇系统；

自动化石油钻机都是“机电仪计”一体的智能化、信息化、自动化钻机，具有完善的性能，集先进性、可靠性、适应性（恶劣环境与地质条件）和经济性于一体。主要产品有：

①德国Prostar-2000型自动化钻机（钻深7000m）是当代水平较高的，已商业化应用；

⑦顶驱系统：20世纪70年代Brown公司开发了电驱水龙头，现在以美Varco公司生产的TDS系列为最好，可以不开转盘而用顶驱钻进，例如荷兰市区作业等；

⑧信息与数据采集、处理、决策、贮存、传输、通讯、管理等功能的软硬件装备；

⑨海洋：半潜式/浮式钻井平台及其专用装备；

⑩钻具、管具、钻头等的相应进展。

②美国NSCO及Apache、Pool等公司生产的A10-32型等自动化钻机（钻深6100m）；

③英国S&R公司生产的RD-D型自动化钻机（钻深6100m）；

④挪威、法国等也研制了中深井用自动化钻机；

⑤我国宝石厂生产的ZJ70、ZJ90钻机及广汉生产的钻机也都在向自动化钻机进展。41.2随钻测量与地质导向钻井技术①1979年首次应用了MWD。被誉之为：MWD

isthe

eye

of

drilling。是把钻后有线测量及传输井下参数的方法改变为随钻无线测量及传输的方法，随钻测量是一个重大进步。无线传输方法主要有泥浆脉冲法和电磁波法。但它们目前仍有很多缺点：传输参数数目少、传输速率低（10bps±）、传输距离小（应用井深小）以及循环流体性能受限等。1.3

旋转导向钻井与随钻测控制传贮技术

从20世纪90年代初国际上就开始研究旋转导向钻井工具及其系统（RSS）。1990～1995德国首先研究和成功应用了世界上第一个自动垂直旋转钻井系统（VDS）,钻成了井深为9101m的KTB井。90年代中期，斯伦贝谢（Slb）等多家大公司先后研究成功了PD等系列RST/RSS。它能在一趟钻井中完成造斜、增斜、稳斜、降斜及准确控制三维井身轨迹的作用，在北海Watch

farm等油田钻成了井深12200多米的超大位移井。②从20世纪90年代中期起，相继研发应用了LWD、PWD、IWD、NRWD等，形成了随钻地质导向钻井和随钻工程服务技术，适应了复杂地质与环境条件下钻复杂结构井、特殊工艺井实时处理井下复杂情况和不确定性难题，以及实时控制三维井身轨迹入窗中靶等高难技术的要求。而SWD还能探测钻头前方地层参数，起到了“车前灯、探照灯”作用。RSS被誉为“对地钻井导弹与制导技术”，“是人类继实现空间和水域制导技术之后的又一个重要里程碑”。第21世纪之交国际上又提出了“PV”等钻垂直井工具（我国克拉2气田和四川黑池1井以日服务费高达1.5万美元租用“PV”）。RSS还成功地应用于小尺寸油管（98.4～114mm）的过油管侧钻和套管钻进。RSS本身并依靠RSS的相关技术取得了钻井技术的持续突破。wired

Intellipipe）和106bps（光纤式智能钻杆1.5610，Intellipipe

with

fibre

optic

cables），最大已达1.56*106

bps。智能油管用光纤为主。

5

1.4电子/智能

钻柱技术

美国Grant公司研制的智能钻杆用铜导线输送电能，可以根据井下硬件用电量大小的要求来确定输电功率的大小。智能钻柱的数据传

输

速

率

可

达

104bps

（

电

导

钻

杆

ElectricDrillpipe）、105bps（导线式智能钻杆，

6智能钻柱系统在井下采用分布式传感器短节，将微处理器分别安装在传感器内部，然后通过耦合元件将微处理器信号耦合到电力线上，从而传输到地面传感器。该系统采用传输直流电，如井下硬件需用交流电，可在井下硬件上增设逆变器DC/AC。轨

井斜角、方位角、工迹

具面角、井斜变化率、方位变化率等井下执行系统A/D转

换换

··算标

··定

1.5最优化钻井与智能SOD集成技术

这套工作可以概括为“模型－预测值－指令”的实时闭环钻进系统和软件系统。下图为智能SOD总体结构设计方案。

地面

测量地面信息处理、监控、可视化、决策系统井下数

井下数据据监测

信号处理

格式变换

低频滤波

付立叶变换

计算转换

集成平均值

量化分级

校

··正

EPROM

存

储

器

(井

下

存

储

)智

能

钻

柱

信号下传井下测

数统

地

电阻率、近钻头电阻

质

率、自然伽马、方位

参

密度、补偿中子密度

数

、中子孔隙度、声波

参量

钻

井底钻压、井底转速

进

、井底扭矩、井底温系

参

度、井底压力、钻杆

数

内压等

评

钻柱弯矩、钻柱振动

价

、钻柱扭振、钻头磨

参

损、井径、机械钻速

数

等

智能钻头

导向工具

电动钻具

综合录井

泥浆录井随钻实时确定地

质条件导向控制决策分析及可视化控制BHA、导向工具、钻头力学行为

分析随钻动态诊断与预报钻井复杂情

况钻井过程优化决

策和智能决策

信号上传智

能

钻

柱

数据库

知识库

专家系统决策控制指令

1.6信息、网络与远程自动化钻井

信息技术和网络技术以及通信技术是自动化钻井的重要组成部分。令人高兴的是：2004.11.19

Slb与M/D

Totco合作自剑桥Slb研究中心（SCR）在网上发送变泵排量的遥控指令达8000Km远程遥控着横跨大西洋的德州Cameron试验中心的钻机成功地执行命令，第一次实现了远程自动化钻井作业，这是重大的创新。

6

二、石油钻机

20世纪90年代末以来，随着石油天然气勘探

开发技术的发展，石油装备技术与新产品开发引

起世界各国的高度重视。各石油公司依靠科技进

步与创新，采用先进科学技术发展新的石油装

备，提高了石油天然气设备在适应性、可靠性、

品种多样化、集成化、自动化、智能化等方面的

总体水平。同时加大发展先进石油装备的投资力

度，使石油天然气装备技术得到快速发展。

1、交流变频调速电驱动石油钻机

交流变频调速电驱动石油钻机（AC-GTO-AC石油钻机）是国外新发展起来的一种先进的电动石油钻机，它与机械驱动石油钻机和直流电驱动石油钻机（AC-SCR-DC石油钻机）相比，具有调速范围宽，绞车、转盘可实现无级变速，可大大简化钻机的机械结构，提高钻机的提升能力和处理事故的能力。

7

石油钻井设备是石油天然气勘探开发所需的核心设备。20世纪90年代末以来，国外在电驱动钻机、小井眼石油钻机、套管石油钻机、液压石油钻机、交流变频石油钻机、连续软管石油钻机、激光石油钻机、自动化石油钻机及钻井泵、固控设备、井控设备、井下动力钻具、顶部驱动钻井设备、闭环钻井配套检测控制设备、石油钻头与工具等方面有较大的发展。

此外，这种钻机还具有电机体积小，

价格便宜，安装、拆卸、搬迁方便等突出

的特点。专家认为这种新型石油钻机是现

代高新技术与石油钻井机械的有机结合，

具有强大的生命力，是当代石油钻机的发

展趋势。2、激光石油钻机的问世，将使21世4、套管钻机套管钻井技术是一种全纪的石油天然气钻井发生革命性变革，其最大优点是：可大幅度降低钻井成本，提高机械钻速，改善井控，减少钻机平均工作天数，减少钻头磨损和起下钻时间，实现井眼轨迹的精确控制。

3、连续软管石油钻机从90年代初进行工业应用以来一直保持着强劲的发展势头，钻井数量逐年增加，美国、加拿大是应用软管钻井技术钻井最多、最活跃的国家。

5、小井眼石油钻机

小井眼钻井技术在降低油气勘探和开发成本、提高经济效益、减轻环境污染等方面比常规钻井具有十分突出的优越性，加之原来一起困扰小井眼钻井技术发展的录井、机械钻速、采油、钻压等技术障碍已被解决，因此瑞典、英国、美国、加拿大等国的数家石油公司都积极研制小井眼石油钻机。

8新的钻井工艺技术，被誉为是21世纪的前沿钻井技术之一。与套管钻井工艺相配套的套管钻机取消了常规的钻杆，用套管代替钻杆进行钻井，它可大量节省钻井器材，缩短钻井和完井时间，大大减少钻井费用，其经济效益十分显著，将是未来钻井工程的一个重要发展方向，有着广泛的应用前景。套管钻机随着套管钻井工艺技术的完善和推广，必将会得到进一步的发展。三、我国石油钻机技术的

现状及发展趋势（一）我国石油钻机技术发展现状（一）我国石油钻机技术发展现状

1、钻机的钻深能力满足了我国目前勘探开发

工作的普遍需要。目前我国已形成已成为全球最大的钻机制造国。我国石油钻机技术及制造能力的发展为我国石油工业实施低成本战略，参与国际市场竞争及保证我国石油安全奠定了良好的基础。

2007年11月20日，我国首台1.2万米特深井石油钻

机在中国石油宝鸡石油机械成功下线出厂，在中石

化川科一井正式投入使用。是目前全球最先进的陆

上超深井钻机，其主要技术指标均比此前全球仅有

的一台美国产12000米钻机先进。这台钻机能在55摄

氏度高温的赤道和零下40摄氏度的极地环境下正常

工作，并能根据工况自动加减速、刹车、报警，使

钻井作业的智能化水平和安全系数大大提高。

12000米钻机负荷超大等一系列难题，对设计思

路、加工工艺和金属材等方面提出了挑战。这个厂

对12000米钻机技术拥有完全知识产权。

纵观石油勘探史，钻机每一次升级都会带来勘探

的新发现。在我国，1200米、3200米机型成为主打

钻机时，发现了大庆、胜利、辽河等油田；5000米

钻机投产后，发现了吐哈鄯善油田、四川广安气

田；7000米钻机登场，又有塔里木、大庆徐家围子

等一批油气田被先后发现。

12000米钻机的诞生，将为石油地质家神往已久的我国超深层油气勘探开发，提供有力的装备保障。

9

我国石油钻机制造厂已先后开发了

钻深能力达1000米至12000米的各型钻

机，满足了目前我国石油工业勘探开发

工作的普遍需要，并且已批量出口。

（一）我国石油钻机技术发展现状

2、钻机的移运性能基本满足了高移运性或不

同作业区域的要求。

在钻机的移运性上，常规陆地钻机的设计已引入模块化设计理念，减少了对现场起吊设备的要求，减少了运输车次。此外还开发了2000米到4000米车装钻机，1000米到5000米拖挂钻机，进一步提高了钻机的移运性能，实现了产品的集成化或模块化安装及运输，满足了丘陵、戈壁、沙漠等特殊地区作业的需要。特别是4000米和5000米拖挂钻机，正为我国钻井工程服务参与国际市场竞争发挥重要作用。10

（一）我国石油钻机技术发展现状3、钻机的传动技术达到国外同类产品先进水平。

我国已开发了机械传动、直流电传动、交流变频

电传动、机电复合传动及交、直流电复合传动钻机。

交流变频电传动钻机代表了我国石油钻机技术的最高

水平，它应用了交流变频调速技术，使绞车、转盘、

泥浆泵都实现了无级调速。由于调速范围大，绞车设

计为单轴，经减速箱驱动。体积小，质量轻，故障

少，可实现极低速及恒扭矩输出，还可实现数控恒钻

压自动送钻。其司钻控制系统控制精确，操作简单，

使司钻摆脱了繁重的体力劳动。我国生产交流变频电

驱动钻机数量为全球之最。

（一）我国石油钻机技术发展现状

1991年至1995年，兰州石油化工机器厂为惠州21

－1平台提供了ZJ45钻机（5“钻杆），为惠州26－1、

32－2、32－3平台提供了ZJ32钻机（5”钻杆）。2004

年，宝石机械分别向惠州19－2、19－3平台提供了

7000米直流电驱动钻机，向春晓项目提供了7000米直

流电驱动钻机，2005年向南堡35－2平台提供了5000

米直流电驱动钻机和番禺30－1平台的7000米直流电

驱动钻机。

（一）我国石油钻机技术发展现状

4、海洋钻机已能基本满足我国海洋钻井的需要。

海洋钻机多数选配与陆地相同的石油钻机并按

海上作业的要求加以模块化，其适于海上作业的程

度体现了整个钻机的技术水平。我国制造厂从二十

世纪90年代起向国内海洋平台提供成套钻井设备。

（一）我国石油钻机技术发展现状

5、盘式刹车得到了普遍应用

我国从二十世纪九十年代开始研制盘式刹车。目前该种刹车已得到普遍应用，约85%的钻机都配备了盘式刹车。该种刹车的应用彻底降低了司钻的劳动强度，提高了作业过程的安全性，利用盘式刹车可实现恒钻压自动送钻，提高送钻的均匀性，减小钻压波动，提高机械钻速。11

（一）我国石油钻机技术发展现状

6、顶部驱动钻井装置已实现产业化生产

上世纪九十年代，中国石油勘探开发研究院机械所与宝鸡石油机械厂（现宝石机械的母体）合作研制成功4500kN顶部驱动钻井装置，使我国成为世界上能生产顶部驱动钻井装置的第五个国家。目前，石油勘探开发研究院机械所已和北京石油机械厂合作实现了4500kN交流变频顶驱装置的产业化，6750kN交流变频顶部驱动钻井装置样机也已研制成功。同时，宝石机械的4500kN交流变频顶部驱动钻井装置生产出来样机。

（二）我国石油钻机整体技术与国外的差距

1、大型拖挂钻机还没出样机

拖挂钻机的主要优点是移运性好，搬家车次少、时间短，节约成本，适于在沙漠、平坦地区作业，特别是在沙漠地区，如用陆上常规钻机打井，其运输将成为主要问题。我国拖挂钻机最大钻深能力为5000米，而在美国，7000米拖挂钻机的技术已很成熟，显然我国拖挂钻机满足不了工程技术服务队伍开拓国际市场的需要，中石油集团长城钻井公司急需大型拖挂钻机出国服务。

（一）我国石油钻机技术发展现状

总之，我国现有石油钻机的技术总体上接近或甚至国外同类产品的先进水平。目前，基本可以满足国内勘探开发工作的一般性需要。但是，行业的整体技术与国外的差距也是不可忽视的。这些差距导致我国石油钻机已满足不了我国工程技术服务开拓国际市场的需要，更满足不了我国石油工业实施新的钻井技术的需要。

（二）我国石油钻机整体技术与国外的差距

2、极地钻机存在巨大差距

极地钻机是指适于在－40℃以下低温地区作业的

钻机。目前宝石机械研究其结构件、天车、游吊系统

及电气元件等技术，难度较大，研究工作已取得了一

定的成果。在美国、意大利及俄罗斯，极地钻机的技

术已很成熟，其钻机分别在美国阿拉斯加、冰岛及俄

罗斯等寒冷地区作业。满足15000米钻机的配套要求。

12（二）我国石油钻机整体技术与国外的差距

3、连续管钻机的研究才刚起步

连续管钻机是通过注入头向井中下入连续管，

利用井下动力钻具钻井的钻机。连续管钻井作业适

合于在地面条件受限制的地区或海上平台钻井和过

油管钻井，特别适用于小井眼钻井、欠平衡钻井、

和水平井及大位移井钻井。（二）我国石油钻机整体技术与国外的差距

4、钻机配套设备不能满足目前钻机的配套要求和

技术发展的需要。

我国大钩、水龙头最大静载荷只能达到4500kN，且产能不足，满足不了自己配套的要求，转盘最大开口直径只能达到952mm（37

1/2＂），只能为7000米钻机配套。美国National

Oilwell

Varco公司的大钩、水龙头的最大静载已达到10000kN，转盘最大开口直径也达到1537mm（60

1/2＂）[3]，可

（二）我国石油钻机整体技术与国外的差距

（续）

在国外连续管钻井已应用到油气勘探开发的各个领域，已投入使用的连续管钻机已达800多台。1997年全世界用连续管钻机约600余台，至2003年底共钻了约7000口井。美国在2003年以后每年用小井眼连续管技术钻2万口浅层开发井、100口油藏数据监测井、3000口浅层重入井、100口深层勘探井，而在我国宝石机械正在进行方案调研攻关。

（二）我国石油钻机整体技术与国外的差距

5、钻杆自动排放系统尚处于空白

钻杆自动排放系统可避免现场作业人员上井架二层台排管作业，减轻工人劳动强度，减少事故风险。这项技术在我国尚处于空白，而在美国和意大利都是成熟技术，可按客户的要求配置在不同的钻机上。13

（二）我国石油钻机整体技术与国外的差距

6、液缸升降式液压钻机尚处于空白

液压缸升降式液压钻机没有常规钻机的绞车、转盘和井架。它利用顶驱装置旋转钻柱，利用液压油缸进行钻柱的提升和下放，并可进行自动送钻。该种钻机在我国尚处于空白，并且也没有开展研究工作。

（二）我国石油钻机整体技术与国外的差距

（续）

挪威在上世纪90年代末已将该种液压钻机用于海洋钻井船，钻深能力达到10058米，意大利Drillmec公司也于1994年开发成功升降式液压钻机，其HH300型最大提升能力为2720kN，各型液压钻机已生产30余台，订单累计已达50余台。产品表现出良好的性能。使用该钻机一个井队只需15人，远低于我国目前平均人数49人。

（三）石油钻机发展趋势

石油钻机的技术发展趋势

取决于市场需求导向14由交流变频

泥浆泵由直流电驱动1、交流变频和直流电复合驱动将是主要传动方式

传动方案

绞车、转盘调整范围大优点

比单纯交流电驱动经济

可实现数字化、自智能化控制

可实现主电机和独立电机数控恒钻压自动送钻

电驱动2、两档交流变频传动绞车将倍受用户欢迎

通过变频电机驱动两档变速箱再驱动绞车，

低档作为事故档，高档用于提升、下放钻柱，可

提高钩速。7000米交流变频钻机的钩速可由原来

1.27m/s提高到1.7m/s。

节能效果好3、排管自动化

随着我国出国服务钻机的不断增多及钻

机外销市场的扩大，配套钻杆自动排放系统

势在必行，我们必须抓紧开发，以提高我国

石油钻机和钻井工程技术服务的竞争能力。154、液压钻机将是发展主要趋势之一5、连续管钻机有很好的市场前景可减轻重量，结构简单，钻机没有绞车和井架

特别适合于小井眼钻井、欠平衡钻井、水平

易实现自动化

人工节约三分之二，一个钻井队只要15人，

而我国钻井队平均人数为49人6、极寒冷地区呼唤低温钻机（极地钻机）

要求钻机适于零下40℃工作环境，零下60℃存放环境。北美、俄罗斯及我国大庆、新疆地区都需要。井钻井和大位移钻井，由于钻井成本低，在北美地区供不应求。国外使用达800多台，相当于中石油2005年钻机台数总和。该钻机研制难度大，宜走中外合作开发之路。7、钻机向能力更强、功率更大方向发展

钻井发展的趋势是打深、打快，水平井、大位移井作业不断增多，海上勘探开发将加快新的要求钻机的钻深能力更强、配备功率更大。胜利、塔里木地区及海上需要较多的9000米钻机和12000米钻机。8、中小型钻机车装化，大型钻机拖挂化、模块化

4000米以下的钻机以车装为主；5000米、7000米钻机设计为拖挂结构，以适于平坦、沙漠、戈壁地区需要，提高搬家速度，同时大型钻机设计为模块化，以适应快速搬家要求。

四、泥浆循环系统

泥浆循环系统中，核心是钻井液固相控制，它是钻井工艺技术的重要组成部分，固相控制的好坏直接影响钻井液的性能，进而影响钻井工程的质量，所以钻井工作者都十分重视钻井液固相控制。

现代钻井液固相控制技术的内容主要包括固控设备和固控工艺两大部分，其中固控设备的性能和质量是固相控制技术的关键。固控设备主要有振动筛，除气器，除砂器，除泥器和离心机等，这些设备根据钻井工程的需要可选配成钻井液固相控制系统，系统中各种设备都能有效地工作，才能保证固相控制的整体效果。

16近几年来，国内外钻井液固控技术有很大的发展，主要表现在设备的更新改进，类型的增加和设备性能质量的提高，国外有的公司或厂家还根据钻井工程的需要研制了一些专用固控设备。在固相控制工艺方面，国外特别注重设备的优化组合应用，设备的使用效果评价分析，并开发了钻井液固相控制专家系统。国外的固控设备水平以美国的BRANDT、SWACO等公司为代表，它们的产品类型繁多，质量和性能享誉世界。17

目前，国外的固控设备除了性能良好，工作稳定和寿命长之外，还有一个显著的特点，就是设备类型的标准化、系列化和专用化。根据不同的工况条件和工作环境，选用不同的设备或设备配置，这就大大适应和方便了钻井工程的要求，大大提高了各种条件下的固相控制效益。

（2）进一步提高固控设备材料和配套使用的通用设备（例如电动机）的质量及加工工艺水平。

（3）解决国内固控系统的设备配置比较单调的问题，研制一些特殊类型的固控设备，例如用于海洋钻井的环保型专用固控设备等，丰富我国固控设备的类型，适应各种钻井条件的要求。

（4）要特别重视固控系统设备的优化配置和整个固控系统的效率评价，研制开发适合多种工况的多功能固控配套系统，进一步推动我国固相控制工艺技术的发展，更好地