关于UBD钻井设备的文献综述

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《销售经理学院》56套讲座+14350份资料《销售人员培训学院》72套讲座+4879份资料UBD钻井设备文献综述第一部分旋转控制头(RBOP/RCH)和防喷器1.1旋转防喷器由主机(旋转控制头)和控制系统组成。研制旋转防喷器有几大难点，主要集中在密封胶芯、旋转动密封及轴承，各自的寿命满足实际应用是保证钻井施工安全的关键。通过大量的元件选型、设计、制造和试验的工作，特别是出厂前的大量模拟欠平衡试验，解决了这些关键问题。选用高技术含量的元件才能设计生产出高技术产品。费时费钱的大量的试验是该旋转防喷器获得初步成功的前提。1.2旋转防喷系统的结构和工作原理旋转防喷系统主要由旋转防喷装置、润滑/冷却动力装置和远程检测控制装置组成。井眼环空与钻柱之间起封隔作用，并提供安全有效的压力控制，同时具有将井眼返出流体导离井口的作用。1.3国内外主要旋转控制头技术性能表1-1国内外主要被动式旋转控制头技术性能产地厂家型号动压静压最大转速rpm高度mm轴承润滑轴承冷却锁紧装置胶芯数量英国GRANT公司DHS1400型1.755.6100876润滑油无手动锁紧卡箍1或2英国GRANT公司高压型10.5211001422高压油润滑无手动锁紧卡箍1或2美国Williams9000型3.57100927低压油润滑无手动锁紧卡箍1美国Williams7000型10.5211001600高压油润滑水冷单缸液动卡箍2美国Williams7100型17.5351001600高压油润滑水冷双缸液动卡箍2中国SLXFD17.5351501870高压油润滑油冷2中国四川局FX35-10.5/21型10.5211001560连续润滑水冷手动锁紧卡箍2表1-2国内外主要主动式旋转控制头技术性能产地厂家型号动压静压最大转速rpm高度mm轴承润滑轴承冷却锁紧装置胶芯数量美国Shaffer低压型3.57200914低压脂润滑无丝扣圈、锁销1美国Shaffer高压型PCWD21.0/17.535100/2001244高压油润滑油冷/水冷丝扣圈、锁销1美国Sea-Tech型10.5141001447高压油润滑风冷手动丝扣锁紧胶囊加拿大RPMsystem300型14.0211001016高压油润滑水冷液动锁紧胶囊加拿大RBOP5K24351401130高压油润滑油冷胶囊中国（重庆）FS70/200型5.01001100低压脂润滑无丝扣圈、锁销1加拿大NEOppg型14.0211001448高压油润滑无丝扣2国产旋转防喷器一、FX28-35型旋转防喷器（四川钻采院）主要参数（1）封井最高工作压力旋转钻进状态：最高17.5MPa静止封钻杆状态：35MPa封零状态：17.5MPa(2)工作转速最高100r/min(3)易损密封件寿命密封胶芯使用一口井以上旋转动密封连续工作120小时以上。设备分布：新疆塔河工区和四川盆地川西工区。二、XZ—11—05型旋转防喷器（胜利油田）大修用井口密封设备，可以实现井口密闭循环，防止污油污水人井对地层造成伤害，并能有效防止井喷事故。主要参数1.主要结构参数防喷器高度：525mm；防喷器外径：470mm；适用井口法兰外径：380mm；井口法兰密封垫环：RX-54(参见SY5279.3一91)；防喷器质量：290kg2.主要性能参数最大静密封压力：11MPa；最大动密封压力：5MPa壳体最大承压能力：588kN；适用钻杆直径：73mm；适用方钻杆：89mmx89mm；胶心最大过径：110mm.三、XK系列旋转控制头(旋转防喷器)XK系统（中国，四川石油管理局）技术参数适用钻具127、89、73mm钻杆及相应的六方、四方方钻杆适用介质空气、泡沫及其他各种钻井液可通过最大钻具尺寸196.8mm适用井口温度<100主通径350、280、230mm侧通径180mm工作压力动压10.5MPa；静压21.0MPa最高转速100r/min总体尺寸旋转防喷器总高1580mm；旋转总成外径518mm表1-3XK28(35)-17.5/35旋转控制头主要规格及技术参数型号XK28-17.5/35XK35-17.5/35壳体通径280mm(11in)350mm(13-5/8in)底法兰连接280mm(11in)-35MPa6B型法兰350mm(13-5/8in)-35Mpa6BX型法兰侧出口连接7-1/16in-35MPa6B型法兰连接侧进口连接52mm(2-1/16in)-35MPa6B型栽丝法兰转油管扣(中心管通径1工作压力最大动压17.5Mpa最大静压35Mpa最大转速100r/min.可封钻具5-1/4in方钻杆+5in钻杆，4-1/4in方钻杆+3-1/23-1/2in方钻杆+3-1/2in钻杆，3in工作介质空气、泡沫和各种钻井液总体尺寸总高：1778mm；旋转总成外径：440mm。壳体高度：表1-4XK28(35，23)-10.5/21旋转控制头主要规格及技术参数型号XK28-10.5/21XK35-10.5/21XK23-10.5/21壳体通径280mm(11in)350mm(13-5/8in)230mm(9in)底法兰连接280mm(11in)-35MPa6B型法兰350mm(13-5/8in)-35Mpa6BX型法兰230mm(9in)-35MPa6B型法兰侧出口连接7-1/16in-21MPa6B型法兰连接侧进口连接52mm(2-1/16in)-21MPa6B型栽丝法兰转油管扣(中心管通径19工作压力最大动压10.5Mpa最大静压21Mpa最大转速100r/min.可封钻具5-1/4in方钻杆+5in钻杆，4-1/4in方钻杆+3-1/23-1/2in方钻杆+3-1/2in钻杆，3in方钻杆+2-7/工作介质空气、泡沫和各种钻井液总体尺寸总高：1480mm；旋转总成外径：514mm表1-5XK28(23)-7/14旋转控制头主要规格及技术参数型号XK28-7/14XK23-7/14壳体通径280mm(11in)230mm(9in)底法兰连接280mm(11in)-35MPa6B型法兰230mm(9in)-35MPa6B型法兰侧出口连接103mm(4-1/16in)-21MPa6B型法兰侧进口连接52mm(2-1/16in)-21Mpa6B型栽丝法兰或2-3/8in中心管通径1工作压力最大动压7Mpa最大静压14Mpa最大转速100r/min.可封钻具5-1/4in方钻杆+5in钻杆，4-1/4in方钻杆+3-1/23-1/2in方钻杆+3-1/2in钻杆，3in方钻杆+2-7/工作介质空气、泡沫和各种钻井液总体尺寸总高：925mm；旋转总成外径：374mm。壳体高度：表1-6XK28(18)-3.5/7旋转控制头主要规格及技术参数型号XK28-3.5/7XK18-3.5/7壳体通径280mm(11in)180mm(7-1/16底法兰连接280mm(11in)-35MPa6B型法兰180mm(7-1/16in)-35MPa侧出口连接103mm(4-1/16in)-21MPa6B型法兰侧进口连接52mm(2-1/16in)-21Mpa6B型栽丝法兰或2-3/8in中心管通径1工作压力最大动压3.5Mpa最大静压7Mpa最大转速100r/min.可封钻具5-1/4in方钻杆+5in钻杆，4-1/4in方钻杆+3-1/23-1/2in方钻杆+3-1/2in钻杆，3in方钻杆+2-7/工作介质空气、泡沫和各种钻井液总体尺寸总高：925mm；旋转总成外径：374mm。壳体高度：表1-7XK540-AD194与XK350-AD194空气钻井用旋转控制头主要规格及技术参数型号XK540-AD194XK350-AD194壳体通径540mm(21-1/4350mm(13-5/8in)底法兰连接540mm(21-1/4in)-14350mm(13-5/8in)-35Mpa6BX型法兰侧出口连接ANSI16.510in-400型法兰连接或10in卡箍连接中心管通径194工作压力最大动压1.75Mpa最大静压3.5Mpa最大转速100r/min.可封钻具6in方钻杆+5-1/2in钻杆，5-1/4in4-1/4in方钻杆+3-1/2in钻杆，3-1/2in方钻杆+3-1/2工作介质空气、泡沫和各种钻井液总体尺寸总高：1296mm旋转总成外径：440mm壳体高度：698mm总高：1343mm旋转总成外径：440mm壳体高度：930mm四、NorthlandRBOP系列（主动式）表1-8NorthlandRBOP系列（主动式）型号最大静压力（MPa）钻进时最大压力（MPa）下套管时最大压力（MPa）最大旋转速率（RPM）总高度（M）最大外径(M)贯穿孔(M)安装重量(kg)2kRBOP13.810.36.91001.50.9828026365kRBOP34.524.117.21401.130.912804227五、FS系列国产旋转防喷器表1-9FS系列国产旋转防喷器型号公称通径动密封压力静密封压力密封机理轴承冷却润滑方式FS156/3.51563.57弹性密封和井压助封（见说明）强制水冷却与润滑油润滑FS12/5120510.5FS23-35/7B230\280\350714FS23-35/7.5B230\280\35010.521说明：动密封压力为10.5MPa的旋转防喷器采用双胶心，上部胶心采用主动密封，下部胶心采用弹性密封和井压助封。《欠平衡钻井技术与煤层气开发》1.4几种高压旋转防喷系统的性能比较对比分析了PCWD、RBOP、RCH7100、SLXFD等几种常用高压旋转防喷系统的结构、工作原理、发展现状及关键技术，结合现场使用情况，分析了各系统的优缺点，最后结合胜利油田的SLXFD系统和四川石油管理局的XK系统，论述了高压旋转防喷系统研制的必要性、可行性及广阔前景。性能对比表明，国产高压旋转防喷系统的性能已达到进口产品水平，有些性能指标已超过进口产品，开发国产低价位、智能型的高压旋转防喷系统已成为大势所趋。几种高压旋转防喷系统的优缺点比较：PCWD系统（美国）优点：PCWD系统的主动密封方式是理想的旋转密封方式，能够实现常规防喷器的功能，当钻机底座高度较低时利用该系统可以省去环形防喷器；密封胶芯能够密封各种形状的钻具，甚至能密封空井；只要遥控开启胶芯就可以起下钻头等复杂形状的钻具，操作简单。缺点：PCWD系统设计时，试图利用复杂的电、液控制实现完全自动控制，结果导致系统结构复杂且繁琐，如果存在现场电源电压不稳等不利因素PCWD动力站的电路控制系统、液压系统都容易出现问题；另外，现场换胶芯时外界杂质容易进入润滑油系统，影响系统的可靠运转。RBOP系统（加拿大）优点：RBOP系统设置有两级润滑油循环、控制系统，第2级润滑油的压力是第2级压力的35%~5%，有利于提高旋转密封圈的工作可靠性。缺点：RBOP中设计有2种压力的润滑油，3套高压旋转动密封圈，6套滚动轴承，结构复杂，维修、维护工作复杂。RCH7100系统（美国）优点：RCH7100的轴承总成和SLXFD的旋转密封总成是独立的、密闭的整体，不容易被外界杂质侵入，更适合在现场长时间工作。缺点：RCH7100系统利用循环冷却水冷却高压旋转密封圈，再利用低压密封圈对循环水进行密封由于水本身不是润滑剂，现场使用时这种低压旋转密封圈容易失效，导致上部旋转动密封出现泄漏冷却水的问题，无法正常使用；另外该系统还需要与环形防喷器配合使用。SLXFD系统（中国）优点：SLXFD系统设计时综合考虑了PCWD系统和RCH7100系统的优点，并结合了技术人员长期的现场经验和我国钻井工业的实际情况，因而可靠性较高；另外，SLXFD系统的关键部件在设计中采用了冗余技术，提高了系统整体可靠性。缺点：SLXFD系统需要与环形防喷器配合使用。XK系统（中国，四川石油管理局）优点：（1）可密封四方钻杆的双胶芯密封(专利技术)而产品不仅可以密封六方钻杆，同时也可以密封国内普遍采用的四方钻杆，因而更适合中国国情。（2）胶芯密封液压胶囊助封装置(专利技术)（该旋转防喷器设计的液压胶囊助封装置，在下部胶芯和上部胶芯都磨损泄漏的情况下，可通过向液压胶囊内注入液压油，使其强行向内挤压上部胶芯，迫使上部胶芯抱紧钻具，实施主动补偿密封。）该装置能有效地延长胶芯密封使用时间。该技术目前在国外还未曾出现。（3）旋转总成与密封胶芯整体拆装更换下部密封胶芯时，只需将卡箍松开，便可将旋转总成整体取出更换胶芯；更换上部密封胶芯时，只需将上部的卡螺纹筒旋转90°，即可方便地取出胶芯，拆装省时方便。（4）带有自动安全锁紧的液动卡箍该旋转防喷器使用液动卡箍连接壳体与旋转总成，无需手工操作，自动化程度高。其中自动安全锁紧装置能保证卡箍在意外情况下安全锁紧，先进于国外产品的手动锁紧装置，并提供可与液动卡箍互换的手动卡箍，无需液控系统也能单独使用。（5）连续压力循环油润滑冷却轴承旋转总成设计有润滑油注入与排出通道，能对轴承进行连续压力循环润滑。在使用中，轴承浸没在润滑油中，使其能够得到充分地冷却和润滑。（6）具有扶正防磨功能(专利技术)现场使用的钻机普遍存在井架、转盘与井口不对中的情况，该旋转防喷器设计有防磨扶正套，能有效地延长轴承使用寿命。（7）结构紧凑适用范围广该旋转防喷器结构紧凑、高度低、径向尺寸小、能用于转盘开口尺寸≥520mm的所有钻机。由于配备有完善的控制系统、冷却加热等辅助装置，使得该旋转防喷器既能用于高温缺水的环境，又能用于高寒地区。1.5国内旋转防喷器发展现状：目前，国内使用的高压旋转防喷系统大多数是从美国引进的。随着欠平衡技术的发展和应用的普及，单靠引进设备已经不能满足生产的需要，因此，加快旋转防喷导流系统研制已势在必行。胜利油田研制的35MPa级的旋转防喷导流(SLXFD)系统，成本只有进口设备的1/5~1/3。该系统的研制成功，提高了我国欠平衡钻井专用设备的研制开发能力，节省了大量资金。另外，四川石油管理局钻采院研制的XK型静密封压力为21MPa旋转防喷器，下胶芯采用被动密封高压胶芯，上部低压密封胶芯采用了油压胶囊主动密封结构，在一定程度上能够起到环形防喷器的作用，为新型旋转防喷系统的研制做出了积极探索。因此，国内企业应加大研究力度，研制出系列的、低成本的、适合我国钻井业实际情况的旋转防喷系统，推动这项油层保护新技术在国内的推广应用，也推动气体钻井、地热钻井、煤层气钻井、环境敏感地区钻井等技术的发展。第二部分动力钻具空气钻井马达空气钻井马达是一种改进的适用于气、液两相液流的动力钻具，重新设计的大容量气体流道，适应了泡沫钻井中大流量的需要，马达设计为弯外壳式，辅以改进的定子和轴承系统。它可使扭矩最大程度作用在钻头上，在利用高排量来维持井眼清洁的情况下，保持较低的钻头转速、低压差就能为钻头提供足够大的扭矩，并可减少对井下空气钻井马达的严重损害。当使用气、液两相流体驱动井下马达时，应确保马达不要超速旋转。空气钻井马达相对常规动力钻具，具有以下优点：①不需要增压器；②提高作业效率；③马达不容易失速；④在提高井底时，因钻杆中的储存能量较低，所以马达不可能超转速；⑤空气钻井马达既可使用压缩性的流体驱动，也可使用非压缩性的流体驱动。如贝克-休斯公司研制的Mach1/AD空气钻井马达，是一种导向钻井马达，具有造斜短节，既可以钻直井又可以钻定向井。用单只马达就可以达到不同的造斜率，一次下井就可达到理想的方位和井斜。Mach1/AD空气钻井马达的寿命要比普通的钻井液马达高1倍，且钻速和钻压也分别提高1倍。井下辅助工具箭形止回阀；（2）投入式止回阀；（3）旁通阀第三部分套管阀（井下封井器）3.1井下套管阀井下套管阀是一种全井筒的安装于套管的截止阀，可作为技术套管的组成部分下入并固于井中，在阀板关闭状态能够隔离井下的油气和压力，保证井口作业安全；在开启状态允许钻具组合通过。欠平衡钻井过程中需要起钻时，首先将钻具带压起钻至井下套管阀以上，然后通过地面控制装置关闭阀板，再泄掉上部套管内的压力，敞开井口，按照常规方法起钻。下钻时按常规方法下至阀板上方后，首先利用旋转防喷系统和常规闸板防喷器密封井口，然后从井口泵入流体以平衡阀板上、下的压力，再通过地面控制装置打开阀板，最后打开闸板防喷器，带压下钻到井底并进行欠平衡钻进。哈里伯顿公司研发了套管井控阀(CasingWell-ControlValve)威德福公司研制了井下套管阀(DownholeDeploymentValve，DDV)DDV优势：提高了安全性，降低了排放，油井不需压井且不会受到损害，不需要强行起下作业，在井眼中没有钻柱时，井不会发生溢流，加快起下作业所需时间，降低成本，易于与标准套管程序结合，允许下入长而复杂的井底钻具组合，完井作业中允许下入割逢衬管系统和膨胀式防砂筛管。DDV主要构成：套管阀体，地面控制系统，控制管线，套管头安装，套管悬挂短节，拼接短节，张开锁定工具。表3-1两种DDV介绍型号尺寸外径内径总长度最大内压最大外压9⅝in-47LB/FT5KDDV

9⅝in-47lb/ft304.8mm220.5mm4.191m35MPa35MPa7in-32LB7in-32lb209.55mm154.79mm3.05m35MPa35MPa最大压差最高温度阀瓣类型操作压力拉伸额定值本体材料9⅝in-47LB/FT5KDDV

35MPa150舌瓣型金属密封3.44MPa~4.80MPa425t4140/457in-32LB35MPa150舌瓣型金属密封3.44MPa~4.80MPa300t4140/453.2井下封井器井下封井器的使用，确保了钻井施工作业中的全过程欠平衡作业，提高了欠平衡钻井工艺水平。同时，满足了油田勘探开发对油气储层科学、准确地识别和评价的技术要求。表3-2井下封井器主要技术参数表最大外径（mm）最小外径（mm)工具总长(m)外筒钢级最大密封压力(MPa)允许开关次数(次)最小抗拉强度(t)连接扣型3102204.935CrMo3575687BTC图3-1井下封井器结构示意图上接头：2—固定套；3—上本体组合：4—内套管；5—下本体组合：6—阀芯总成：7—下接头：《井下封井器工作原理及其在欠平衡钻井中的应用》图3-2井下封井器的结构示意图1-套管短节；2—油管接头：3—上外筒：4—内筒；5—管阀总成；6—转换接头表3-3井下封井器规格及性能参数表封井器型号技套规格外径/mm通径/mm总厂/m密封压力/MPaFJQ245244.53102202.732FJQ178177.82101522.635FJQ178A2161582.635抗内压（MPa）抗外剂(MPa)抗拉(t)舌板承压（MPa）开关压力(MPa)扣型抗拉强度/kN6661687350.75LTC/BTC49036543380350.75LTC/BTC3844350.75LTC/BTC3923《用于全过程欠平衡钻井施工的井下封井器》第四部分强行起下钻井口设备4.1不压井设备不压井设备是带压环境中完成钻井、修井的作业方法。目的是为了避免使用昂贵的钻井液压井，以及由压井后带来的洗井和对生产层采用的强化增产措施，消除泥浆压井带来的一切后果。它能避免压井液对产层的污染，使开采潜能和产量得以最大保护。采用不压井工艺作业，既可缩短作业周期又能节约成本，同时，由于该作业方式不使用压井液，避免了对地面环境的污染，符合HSE的要求。(CUDD、Varco、HydraRig、Snubco、威德福公司等)表4-1HydraRig公司液压不压井设备性能参数型号最大提升能力/kN最大下压力/kN功率/kW最大管柱外径/mm旋转头扭矩/kM.m冲程/mHRS-150670290171.573.03.793.04HRS-2251040530227.4139.76.773.04HRS-3401510840227.4193.78.943.04HRS-4602040980283.3219.18.943.04HRS-60026701160283.3219.18.944.26HRL-120530270171.573.04.0610.98HRL-142630320227.4139.74.0610.98表4-2Qtis公司生产的液压不压井修井机性能型号最大提升能力/kN最大下压力/kN旋转头扭矩/kN.m液压缸数冲程/m导向管内径/mm120K5302703.03022.74103.12200K8904406.50922.74179.32200K8904408.67722.74282.59250K11104806.50943.66179.32400K17808908.67722.74282.59400K17808908.67743.66282.59600K267013308.67742.74282.594.2国内不压井设备70年代四川石油管理局钻采工艺研究所研制BY3D-2型不压井压井起下钻装置和用于修井的BYXTl5型不压井起下钻装置。克服井内顶力分别为294和147kN，使用井口压力为5~7MPa。华北容盛公司吸收国外技术开发了一种液压带压作业装置，吉林油田、辽河油田又对其进行了改进，改进后的液压带压作业装置可用于14MPa左右井压的不压井起下管柱作业，最大提升能力为500~700kN。第五部分分离器5.1液气分离器的结构及设计图5-1空罐分离器图5-2折流板式分离器图5-3旋流加折流式分离器a)空罐型分离器如图1，液-气从分离器入口进入直接落入罐内，靠液-气密度进行自然分离，钻井液从下端U型管排入泥浆罐振动筛。这种分离器由于分离效果较差，在油田已很少使用。b)折流板式分离器如图2，液-气从分离器入口进入后经过折流板多次折流，钻井液从折流板流入罐的下部，气体从折流板两侧面的空间向上升，经天然气排出管道排出。设置了折流板的分离器因为延长了液体流经的路程，从而增加了液-气分离的效果，现在油田大多采用这种液-气分离器。c)旋流加折流式分离器如图3，液-气进入口设置在罐壁偏内的切线方向，钻井液与天然气从进入口进入后，沿环碗型的分离板壁旋流流动，由于液-气密度差很大，大量的气体被分离出来，上升到排气口，钻井液再经过几次往返的折流，流入罐的下部，从U型管排入振动筛。最上面一层的环碗型分离盘侧壁与液体接触的部位设置了耐冲磨板，增加了折流板的使用寿命。钻井液经折流板向下往返流动时，液体中的气体从折流板的内环面和外环面向上流动。环碗型折流板通常采用不锈钢制作。这种液-气分离器分离效果最佳，通常用于含气量很大的钻井区域。分离器罐体直径选用900、1000、1200、1400mm，直径越大，分离时间越长，分离效果越好。分离器定尺原则：（1）分离器要有足够的分离能力，在任何情况下都不会发生串喷。（2）根据最大瞬时峰值气速来设计和计算分离器合理的气、液停留时间，保证分离器有足够的分离能力。5.2最大处理气量的计算参考《浅谈欠平衡钻井用液-气分离器的结构和设计》《欠平衡钻井用泥浆/气体分离器的定尺评估》液气分离量的设计：在设计液气分离量时主要考虑了以下两个因素：(1)钻井液进出口及排气口的尺寸根据目前国内现场施工情况，钻井液进口通径设计为103mm，与欠平衡钻井专用节流管汇一致，该进口进入的钻井液为混合液，包括液(钻井液)、固(岩屑)、气(天然气)三相混合物。液气分离器有两个出口，一个是排气口，通径设计为180mm，该出口用来排放从钻井液中分离出来的气体；另一个是液、固体排出口，通径设计为250mm，该出口用来排放脱气后的钻井液及岩屑。(2)主腔容积为了有效地将气体与液固相分离，液气分离器主腔须具备一定的高度和截面积，主腔高度决定其脱气效果的优劣，主腔容积决定瞬间脱气与储气的能力。设计分离器还应考虑的方面：（1）承载能力，主要指抗内压强度（2）脱气结构（3）循环系统（4）辅助系统（5）技术参数表5-1ZQF系列分离器型号分离器内径/mm工作压力/MPa钻井液处理量/气体处理量/.进液管内径排液管内径ZQF2-800/0.88000.812012000150203ZQF3-1200/1.012001.020020000150203ZQF3-1400/1.514001.535030000150254排气管内径液位控制方式点火头自动点火方式流量计与节流管汇的连接方式203U型管或气动蝶阀或U型管和差动阀立、卧两用220V交流电电子自动点火装置配电子式智能流量计采用高压软管连接，高压软管与分离器进液管线之间采用旋转接头，便于现场安装203203表5-2（钻井用）四相分离器型号液体处理量//h气体处理量//h额定工作压力MPa工作介质工作模式外形尺寸（长*宽*高）/mWS1.6-6-1.5/1200200001.5含油气钻井介质（有限抗H2S）电控，全自动控制9*2.4*3（基本型）12*2.4*3（除固模块） 表5-3CPD分离器的一般规格型号最大作业压力（KPa）液体储存能力(m3)最大油/浓度比例（作业1/2满）(m3/d)最大水产量（作业1/2满）(m3/d)最大流速下液体的滞留时间(min)压力释放阀最大流速(e3m3/d)作业导管的最大额定温度(0C)作业导管的最小额定温度(0C)水平测试分离器137969572457245914.446-29主要装置尺寸宽（m）长（m）高（m）重（kg）加载数量3.214.63.6129953流体传输尺寸和额定压力入口尺寸（mm）入口额定压力(KPa)油和水出口尺寸(mm)固相出口尺寸(mm)出口处额定压力(KPa)152.4137976.2152.41379第六部分钻机6.1国外石油钻机发展现状20世纪90年代以来，国外研究改进、开发创新了多种新型石油钻机，涌现出了许多新结构、新技术。为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵等不同地带油气藏的勘探和开发，美国、德国、法国、意大利、加拿大、墨西哥和罗马尼亚等国先后开发了各种类型的石油钻机。其中美国NationalOilwell公司、Emsco公司、Dreco公司生产的钻机质量最好，使用寿命可超过10—15年。1．国外石油钻机最新技术(1)MaritimeHydraulics公司可配置自动钻井系统(CADS)挪威海上钻井平台上使用了MaritimeHydraulics公司可编程管子处理系统，该系统属于可配置自动钻井系统(CADS)，该系统实现了各种操作程序化，不需分别操作绞车、顶驱、管子处理装置和卡瓦，钻台上只需司钻1人。系统除可编程管子处理系统外，还包括一套先进的防碰系统，用来防止操作时的相互干扰。另外，还有一套E-Tally自动测量和记录系统，记录钻具规格、型号以及起下次数和上卸扣扭矩的大小，还可记录钻具在整个井下钻柱中的位置和起钻后在立根盒上的排放位置。两套司钻电脑操作系统，可相互配合使用。一个发生故障，另一个仍可进行操作。在司钻操作室内，触摸屏代替了按钮和开关。同时配备有手动操作的备用系统。由于不需手动控制操作，减少了起下钻时间，每小时可起下55柱立柱。(2)Varco公司监视与诊断系统Varco公司的e-drill是第一套远程监视世界各地钻机的监测系统，钻机操作人员可在1h内和相关技术人员取得联系，同时各种参数可直接从置于Varco公司监测系统内的智能系统读取。通过该监测系统，操作人员可访问运行状况、检查情况等组成的档案数据库，且各钻机数据资源可共享。遇到故障时，可与技术人员及时取得联系，进行故障的排除。Transocean公司钻井船第一个使用该系统进行监测，运行结果表明：Varco监测系统可大大减少停钻检修时间，该公司的DiscovererSpirit等7部超深水钻机也将采用该系统。(3)NationalOilwell公司Hawk系列监控软件NationalOilwell公司最新开发的Hawk系列监控软件，包括三大部分：网络司钻、在线支持和陆上决策中心。该监控软件可利用互联网将设备的运行情况传到需要的地方。软件简化了司钻操作钻机的方式，可监控从钻井泵运行到井下钻具钻进方向的所有钻井情况。监视和测量的数据通过电话和计算机传给远离井场的技术中心。使用该软件还可将远程设计的图表和三维模型输入到计算机司钻操作台，司钻根据图表和模型进行操作。网络司钻：网络司钻是一种在线监控模块，可监控钻井数据，并使其在计算机或技术中心的闭路电视上实时显示。通过钻井设备上的传感器将数据传输至钻机操作人员、陆上或其它的海上钻井船中，各公司间的钻井数据库共享。经过授权的人员可通过全球互联网进入数据库，远程实时监视和评估钻井参数、趋势曲线、报表等。在线支持：在线支持可提供全天24h的服务，可对所有软硬件和文件进行服务和支持，可指导用户选择和使用信息。司钻利用该软件可通过互联网向全球的NationalOilwell公司技术服务人员进行技术咨询。30min内技术服务人员会对各种问题作出解答。NationalOilwell公司在挪威、美国等设有服务中心。若需要，技术人员会亲临现场解决问题。通过Hawk系列监控软件实现的远程故障诊断和服务，减少了故障检修时间和费用。陆上决策中心：设立在基地的总部办公室。通过这个中心，专家可以查看所有的数据、报告和信息；也可以选择性地查看所需要的参数，并指导钻机人员的操作。NationalOilwell公司还开发了钻井顾问系统，包括一个钻机网络、一个数据库、地质师、钻井液工程师、定向井司钻、随钻测量操作者、随钻录井操作者以及司钻提供的用户化的界面。钻井顾问系统可提供实时信息、更精确的井深计算、钻井液性能参数计算和钻头、井眼以及油藏的三维图形模拟显示。通过用户化界面，用户可选择性的查看自己感兴趣的信息，管理数据更容易。钻井顾问系统装置被永久性的安装在钻机上，服务公司不需要每次铺设新的电缆和传感器，大大节省了时间和费用。NationalOilwell公司于2002年7月将第一套钻井顾问系统安装在Statfjord油田海洋钻井平台上，钻井顾问和网络司钻系统将用于整个油田的监测。近年研制的新型石油钻机美国新型陆地钻机美国一些钻井承包商目前正采用自动司钻控制室、钻杆自动上卸扣装置和交流电动机等最新技术制造新型陆地钻机。新一代FlexRig陆地钻机Helmerich&Payne(H&P)有限公司设计和制造的FlexRig新型钻机已进入到第三阶段。截止2003年1月，已有15台FlexRig钻机用于现场，6月底，至少10台FlexRig3型钻机投入现场使用。①主要技术特点

这种新型陆地钻机具有很高的移运性能。顶驱装置、绞车和钻井泵采用交流变频电驱动；采用钩载为3336kN(75000磅)的井架；配备有司钻控制台和操作室；安装有该公司设计的防喷器操作系统，由司钻控制室液压系统进行控制；钻台上配备有机械化钻杆上卸扣装置；配备有4台发动机和3台钻井泵。在井深2400—5500m这种新型钻机除具有1119kW常规钻机的发动机功率、钻井泵和转盘的能力外，还利用新技术提高钻井速度，缩短钻井周期。与1119kW钻机相比，钻机搬迁时间由6天缩至2天。减少非钻井时间；采用稳定钻压，提高钻头寿命和机械钻速；提高钻机作业的安全性能。②主要配套设备顶驱：FlexRig3型新型钻机由Varco公司的TDS一11型500t顶驱和H&P公司自行设计的桅杆式井架组成，井架起放时间较短。该顶驱系统比常规钻机接单根减少2／3的时间；节省了钻井时间，减少了钻柱在复杂地层卡钻的可能性。绞车：绞车型号为Varco公司的AHS一20SD型，由2台GEB22型电动机驱动。AC驱动系统提供有再生刹车功能，比SCR驱动系统更能精确地控制钻柱运动。司钻工作站：H&P公司在司钻工作站中使用了Varco公司监控系统，该系统由集成控制、信息系统(V—ICIS)和电子司钻(e-Drilling)组成，可实时采集信息，控制钻进过程。该系统安装在司钻操作室内，起下钻柱时，可用一个单独的操作手柄来控制绞车速度。Varco公司的电子司钻系统在钻进过程中，可提供稳定的钻压，并能控制钻压、钻速、钻头压差和钻柱扭矩等钻井参数。滑车控制系统：游动滑车具有防碰和防顿功能，其控制系统逻辑电路可实现滑车的有效定位控制，在天车与钻台之间上下运动时为操作人员提供一种更高的安全保护，司钻也不需要像以往那样不停地监视滑车位置。防喷器操作系统：防喷器操作系统可利用专设滑动轨道实现整体安装或整体拆卸，因此，无需将单个的防喷器组装成防喷器组或者将其拆卸成单个的防喷器。固井作业后，防喷器操作系统可将试压合格后的防喷器组移至井口上方对中安装。防喷器操作系统也可在下套管后上提防喷器，在井口处添加辅助设备或隔离四通，无需使用防喷器提升设备。通常，防喷器操作系统可以操作3～4套闸板防喷器所组成的防喷器组，其中包括声φ279．4~346．07mm的环空防喷器。钻台工具：钻台工具主要是Varco公司的ST一80旋转扭矩系统。该工具使钻工在不使用手动大钳、旋链旋扣以及猫头等装置的情况下，完成在钻杆和钻铤的上卸扣。

钻井液罐系统：采用Varco公司设计的底部呈球形的钻井液罐系统，与常规矩形钻井液罐相比，能显著提高钻井液的制备混合效率以及清罐作业效率。球形罐为高架式，上水端设置在罐底，使罐内的全部钻井液都能抽出和得到利用。用另一种钻井液替换容量为86．7m3(750bbl)的钻井液只需8～12h，而对于同样容量的矩形钻井液罐则需24h。FlexRig3型钻机设计非常注重安全性。美国职业安全与健康署在报告中指出。2002年新钻机的事故率比普通美国陆地钻机低78％。1998年以来，FlexRig钻机的动用率在95％以上。(2)Pioneer陆地钻机Pioneer钻井公司生产的Pioneer7号和8、24、25和26号陆地钻机均采用交流电动机驱动和采用快速安装式底座和伸缩式井架结构，这些新型陆地钻机从一个井场搬迁到下一个井场所需时间只有箱叠式钻机的1／3。而且由于钻机所需安装场地较小，搬迁安装费用低。(3)Rowan钻井公司新型陆地钻机Rowan钻井公司自行设计的4台新型陆地钻机适用于高压高温钻井作业。主要结构组成：该型钻机由1491kW的交流电驱动，配备2台功率1641kW能胜任高压钻井的LEWCO钻井泵。钻机井架呈连在一起的双L形，大钧载荷为4035.4kN，钻台和底座采用整体式水系，可防液体流出。钻机可拆卸成40台车运输，从一个井场搬迁到另一个井场只需4～5d，而功率同样大小的常规钻机的搬迁则需8~9d。钻机还配备底部呈球形的钻井液罐，有利于提高钻井液的混合效率和清罐作业效率。俄罗斯HБO2500／160ДПБM移动式钻机

(1)基本结构

钻机基本设备分别安装在8个模块上。主要有钻台模块、P一700转盘模块、绞车模块、传动装置组合、1台YHБT一600钻井泵、传动装置模块、转盘传动装置模块、由3个模块节组成的井架。未包括在模块内的设备有司钻操作台、水龙头、辅助绞车、钻井大钳、各种护罩和机房、电动液压站、一些梯子、几种平台等。

绞车传动由康明斯柴油机和阿里逊液压机械传动装置构成的2台柴油机液压机组实现。

钻井泵的传动用2台康明斯柴油机来实现。

按照用户要求，整台钻机的每个组合都独立配置所有必需的设备。

每个模块都是一个在工厂充分装备好的完整运输组件。模块的运输，除井架模块外，都考虑用MA3—537型鞍式牵引车和载重30t的液压滚装车进行。用可拆卸的运输支架，将各模块装到这些运输车辆上。井架模块在半拖车上搬运。表6-1俄罗斯HБO2500／160ДПБM移动式钻机大钩许用载荷/kN1600钻井泵最大工作压力/MPa35名义钻井深度/m2500水龙头YB-160MA型大钩提升速度/m/s0.15~1.5井架倾斜式，前开口，有3个模块节组成水平状态安装，用伸缩液缸起升转盘开口直径/mm700钻台高度/m6.6井架有效高度/m31绞车输入功率/kW560立根长度/mm18下钻时钻柱的制动采用带刹车和T3H-45型辅助刹车钻台底座横向可折叠在伸缩立管上自动送钻用TH-45型刹车提升系统钢丝绳直径/mm28转盘梁最大载荷/kN1600提升系统绳系4*5立根盒最大载荷/kN960YHBT-600三缸钻井泵功率/kW600

(2)现场应用

2000年制造了2台组合试验样机，完成了厂内整体安装和井架试验。

2001年1月21日开始钻第1口井。同年7月18日用本钻机在萨莫特罗尔斯克油田的老丛式井位上，钻成了深度

2001年3月

2001年6月27日和7

在HБO2500/160ДПБM移动式钻机使用期间共进行了4次井位移运，井位距离10~60km，移运速度30km／h。6.1.1交流变频电驱动石油钻机交流变频电驱动石油钻机（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。此钻机的核心技术就是采用了交流变频调速技术。交流变频调速技术是一种涉及电动机理论、自动控制理论、电路拓扑理论、电力电子技术、微电子及计算机技术的综合性交叉技术。交流变频电驱动石油钻机是现在高新技术与石油钻井机械的结合，具有强大的生命力，是当代石油钻机的发展趋势。该钻机有以下各子系统：扭矩控制系统（顶驱或转盘控制系统）、刹车控制系统、平衡控制系统、游车控制系统、灌注控制系统、钻井泵及能量回馈控制系统等。各子系统同主控系统共同实现高级控制策略。各子系统采用闭环系统控制，每个子系统具有智能化和自适应功能。各子系统通过各算法程序保证钻机在各种复杂工况下实现最佳工作。主要生产厂家：法国AL-STON公司、美国NationalOilwell公司、IRI公司、加拿大Dreco公司、挪威Hitee公司，德国Wirth公司和罗马尼亚IE公司等均研究开发和应用里AC变频电驱动石油钻机。采用变流变频调速技术的AC-GTO-AC石油钻机突出特点：（1）钻机的绞车、转盘可实现无级变速，调节范围宽；能以极低的速度恒扭矩输出，对井下钻具的事故处理、侧钻、修井、小钻井液排量作业、优选参数钻井作业十分有利。（2）可使电动机的短时增矩倍数达1.5~2以上，大大提高了钻机的提升能力和处理事故的能力。（3）由于具有恒功率宽调速特性，可大大简化钻机的机械结构。（4）具有钻盘扭矩限制功能，可防止钻具或机件扭断。(5)交流变频技术对电机具有安全保护功能。（6）负载功率因素搞，接近1，具有软起性能，可降低供电电源的容量。（7）在带载情况下，可平稳启动、调动和调速；在下钻时，可实现对电网能量反馈，减少制动装置损耗，节约能源。（8）交流电机体积小，单机容量大，价格便宜，没有碳刷换向器，不需制成防爆型，维护费用低，使用安全可靠，易于操作管理。（9）容易实现钻机的自动化、智能化和对外界变化的自适应控制。（10）安装、拆卸、搬迁方便灵活。典型产品：法国AL—STON公司生产的交流变频石油钻机代表了当今世界交流变频钻机的一流水平。钻机采用矢量控制型交流变频器，控制系统为分布式。钻机分布式控制系统已实现人工智能化、自动化。司钻能通过显示器了解各种参数的变化，并实时自检各系统的工作状态。发生故障能及时报警，同时能检测出发生故障的子系统及模块代码。严重故障时，能自动启动辅助系统，保证钻机工作正常运行，同时，根据故障代码使系统快速恢复。

6.1.2激光石油钻机美国芝加哥天然气研究所(GRI)与美科罗拉多矿业学院、麻省理工学院、雷克伍德公司、菲利普斯及美国空军和陆军合作，联合开展一项激光钻机的研究计划，该计划约于2000年完成。GRI的主要技术负责人理查德克说：激光钻井将使21世纪的石油天然气钻井发生革命性变化。激光钻井将像本世纪初的旋转钻井替代顿钻一样带来彻底的技术突破。激光钻井技术的优点是：可降低钻井成本，提高机械钻速，改善井控，减少钻机平均工作天数、钻头磨损和起下钻时间，激光钻井可精确地控制井眼，并能在井眼周围形成一层坚硬的玻璃化外皮，可最大限度地减少或取消同心套管。6.1.3新型液压石油钻机20世纪90年代初期，挪威MariTime液压装置公司与英国石油公司联合研制成功一种新型液压石油钻机。该钻机采用液缸作为提升机构，取消了传统的绞车、井架和游车等常规设备。整台钻机由双液缸、游动轭、提升钢丝绳、平衡器总成、液缸导向架、顶部驱动装置和液压系统等部件组成。游动轭是由轭主体、4个直径为2．8m的滑轮和2个导向座组成。导向滚筒在液缸导架的导轨上移动，活塞杆固定在导向座最顶部。游动轭主体装有滑轮，用销子钉在导向座高处，滑轮上的轴则定位在轭主体底处，以保证整个总成平衡，即使在加速或减速时，甚至冲程速度不均时，也能保证活塞杆引导稳定，这就允许液缸力在不均匀的情况下仍能使轭主体在新位置上保持平衡。4个大直径滑轮在轴的双滚柱轴承上滑动，滑轮槽可装2根钢绳，还有一个槽可装供顶驱装置用的软管或电缆。这不仅解决了软管悬挂在井架上的问题，而且在立管和鹅颈管取消后仍可改善钻井液的水力条件。8根提升钢丝绳，长度固定，平行排列，一端接顶驱装置(为取消游车)，另一端接钻台上的平衡器总成。该总成用以补偿液缸动作的不平衡。吸收各绳不均匀的弹性，保证各载荷均匀。钢绳的破断安全系数为4.0~4.5。液缸导向器取代了塔式(或轻便)井架。此架只起导向作用，不供提升，外形为正方中空截面，用搭接焊焊成，导轨也在导向架上，故不需留安全空隙，也不存在过去游车游动到天车或钻台上的问题。顶部驱动装置与常规的一样，只有两个例外，一是提环用链连接，一是进钻井液的鹅管，其面向上，以便软管从上面滑轮进入。液压系统有4台泵，可通过电动机或柴油机驱动提供提升能力，但仅为恒定速度的1／4，节省动力。刹车由液缸底部的节流阀控制。蓄能器是主循环系统的重要组成，它有足够能力处理容积变化，并具有充分的升压力和立根提升时的最大速度。该钻机的优点是：(1)重量大大减轻(可减重200--4000t以上)。(2)允许钻台台面升高，但并不影响总重量和重心，还可将钻杆立根盒移到钻台下面。立根盒位置降低以后可取消钻杆排放设备，钻杆排放从水平到竖直只用简单设备即可。如采用机械化钻杆排放设备只需一人操作，不用井架工。(3)钻台载荷能力大，能支承两个长液缸和转盘。(4)钻杆提升和排放都在钻台上的槽里，此槽还具有鼠洞功能。(5)敞开取放钻杆，并可将立根盒安排在钻台两边。6.1.4软管石油钻机20世纪50~70年代国外已开始研制软管钻机和应用软管钻井技术钻井，但真正进行工业应用还是在90年代初期。1991年，美国Oryx能源公司应用2in连续软管和井下马达在美国得克萨斯钻了一口1062m的水平井；1992年，美国道威尔公司用13/4in连续软管和31/16

in泥浆马达在法国巴黎盆地钻了一口总长1274．7m的井。1997年壳牌英国勘探与生产公司在北海应用软管钻井技术在垂深3860m处成功地进行了侧钻，创造了利用软管钻井技术侧钻垂深最大的纪录。由于软管钻井技术表现出的优越性和相关配套技术装备的发展与进步，90年代以来一直保持着强劲的迅速发展的势头。连续软管钻井技术的优越性：(1)连续软管钻井技术与常规钻机钻井相比可节约费用25％--40％。(2)在正常钻进中不用停泵接钻杆，在起下钻过程中可连续循环钻井液，故大大节省了钻井时间，加快了钻井速度，缩短了钻井周期，避免了因接钻杆可能引起的卡钻、井喷等事故，提高了钻井作业的安全性。(3)连续软管内可内置电缆，改善信号的随钻传输，可以实现随钻测量和闭环钻井。4)对老井重钻、加深钻或侧钻作业中，因软管直径小可在不取出油管等设备的情况下边采边钻，节约作业费用。(5)在欠平衡钻井作业中，可确保井下始终处于欠平衡状态，保证作业安全，减少钻井液漏失，防止地层伤害。(6)井场占地面积小，特别适合于海洋平台、地面条件受限制的边远地区勘探和边际油田开发。(7)由于软管尺寸小，特别适合钻小井眼井。(8)井场地面设备占地少，钻井废弃物少，噪音小，有利于环境保护。(9)钻井设备安装、拆卸、搬运相对简便快速。连续软管钻井设备的新发展：美国XL、TSL等公司近年来开发了一种电动连续软管钻井系统——电动井下钻具组合。这种钻具组合用电潜泵马达取代了常规的螺杆钻具，为了降低输出轴的转速和更好地适应钻井环境，电潜泵马达与行星齿轮传动箱相连。该马达由地面上一台与变速驱动装置相连的计算机控制。开发出的控制软件可以采集、记录来自马达的实时钻井数据，并为司钻等技术人员提供实用的钻井信息，提高对钻井过程的反馈和控制能力。该钻具组合由连续软管连接器、润滑油补偿系统、电动马达、传动箱、旋转密封装置和驱动轴下端的轴承组组成。钻具组合的动力是由计算机控制的地面变速驱动装置提供的。司钻通过计算机显示屏监测钻头转速和根据马达电流与钻头转速计算扭矩，各种参数可根据钻井环境的要求迅速转化和改变。这种电动连续软管钻井系统已顺利通过试验并显示出以下特点：(1)延长了平均故障时间，可靠性得到了进一步提高。(2)能在高温条件下钻井。(3)能满足欠平衡钻井和硬地层等钻井工艺要求。(4)由于用电潜泵马达取代了螺杆泵，无需较高的水能驱动马达，故避免了失速和延长了软管寿命。(5)在保持钻压的情况下可以提高钻具组合的可控性和柔和性。(6)可采集到钻头扭矩、钻头转动状况等多种钻井数据。(7)高性能的遥测工具可以快速反馈数据，从而更好地进行地质导向等作业。6.1.5套管石油钻机套管钻井是一种全新的钻井工艺技术，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。1995年以来Tesco公司研制了一种用于套管钻井的新型钻井装备——套管钻机。钻机安装在拖车上，采用电一液驱动的顶驱装置，通过套管传递扭矩，并带动安装在套管底部钻具组上的钻头旋转钻进。钻头固定在一个专用钻具组的前部，钻具组锁定在套管的底部，并用钢丝绳与钻台上起下钻头的专用绞车相连，当需要换钻头时，将锁定装置打开，利用绞车将钻具起出，更换新钻头后再用绞车将钻具送入井底，锁定在套管底部，操作非常方便迅速。套管钻井中的钻头直径小于套管内径，若需钻出大于套管外径的井眼，则需在钻头上部的钻具上装一可以收缩的扩孔钻头，钻进时，扩孔钻头张开，这样就可以钻出大于套管外径的井眼。钻机的钻进过程也就是下套管的过程，套管下到井里不再提起，完钻后即可进行固井。1998年6月Tesco公司用新型的套管钻机成功地进行了钻井试验，并获得了两项美国专利。套管钻机钻井具有以下优点：(1)简化了钻机结构，减小了钻机尺寸，降低了钻机成本，钻机更轻便，且容易操作和搬迁。(2)套管钻井节省了大量的钻井管材，节约了大量与钻杆、钻铤有关的采购、运输、检验、维护和更换的费用。(3)采用钢丝绳起钻比传统的钻杆起钻快5～10倍，减少了起下钻时间。(4)由于套管自始至终留在井内，大大减少了地层膨胀、井壁坍塌、键槽、台阶和意外事故的发生，而且不再有抽吸作用和压力波动，从而使井控状况得到大大改善。(5)套管钻机在起下钻更换钻头或侧井时，可继续循环钻井液，防止钻屑沉积，减少卡钻和井涌发生。（6）套管钻机钻井，可以使钻井液水力参数、环空上返速度和清洗井筒的状况得到大大改善。（7）钻机钻井可大大降低钻井成本，据估计，一口井深3000m的井，与常规钻机钻井相比，所需费用可节省30％以上，其经济效益十分明显。套管钻井技术是一项正在迅速发展的技术，有着广阔的应用前景。套管钻机是一种新型的钻井设备，随着套管钻井工艺技术的完善和推广，套管钻机也必将会得到进一步的发展。6.1.6小井眼石油钻机国外研究小井眼石油钻井技术的历史比较早，但这一钻井技术真正引起世界石油界的普遍关注和对小井眼钻机的技术开发还是近十来年的事。进入90年代以后许多石油公司投入很大的力量开展小井眼钻井技术的研究和实际应用，进而促进了小井眼石油钻机在世界上的迅速发展。小井眼钻井技术与常规钻井技术相比具有以下显著特点：（1）关于小井眼的定义，目前各国尚无统一定论，美国小井眼的定义是：对直井来讲，全井90％以上井眼的直径小于7in或70％的井眼直径小于5in的井称为小井眼井。对于水平井来说，水平段井眼直径小于6in的井称为小井眼井。（2）采用小井眼钻机钻井，由于井眼小，可减少钻井液、钻头、钻杆、套管、水泥、水、柴油等材料的消耗和钻井作业人员的经费支出；可减少钻屑和场地；可提高钻井和起下钻速度。例如，在边远地区钻勘探井，如果井眼尺寸减少50％，则钻井液、钻屑和井场面积将减少75％，总费用可降低40％～60％；钻开发井则可降低25％～40％的成本。（3）采用小井眼钻机钻井，可大大减少常规钻机的体积和重量，可大大节约钢材，减少拆装、修路、运输等费用。井场占地面积比普通钻机小75％，比常规钻井节省30％的费用和大量的时间。（4）利用小井眼钻机在条件十分恶劣的边远地区进行勘探，可大大减少在高风险、高成本作业情况下的资金投入；在老油气田利用常规钻机只能开采出大约40％的原始地质储量，而用小井眼钻机打加密井可采储量将提高50％；在旧开发井内用小井眼钻机继续向深部钻探，可发现老油层下面的新油藏；用小井眼钻机进行老井再钻比用常规钻机可大大降低投资成本。（5）小井眼钻机的装机功率和钻井泵功率比常规钻机的小，所以燃油消耗和排放的废气少，对空气的污染和噪声级别小。由于井眼尺寸小，所用的钻井液、产生的钻屑和废物少(比常规井减少约70％)。由于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，另外，原来一直困挠小井眼钻井技术发展的录井、钻速、采油、钻压等技术障碍已被解决，故瑞典勘探石油集团、比利时、澳大利亚、英国的BP公司、法国的TEP公司、加拿大CS资源公司、美国AMOCO公司等许多国家的石油公司积极研制小井眼石油钻机。介绍几种国外常用新发展的几种小井眼钻机1Foraslim小井眼钻机该钻机1994年4月开始在法国巴黎盆地和威沙里城堡的阿伯拉特姆钻了两批井，井眼直径为85．73mm(33/8in)，钻速与常规钻机钻速一样，这种钻机由于井场面积小、井眼小、钻屑少不需废泥浆池，不仅可大幅度降低钻井费用，而且完全能满足环保要求。表6-2Foraslim小井眼钻机主要技术参数钻井深度/m最小井径/mm装机功率/kW发电机/kV.A井架额定载荷/t钻井泵功率/hp电绞车额定功率/kW钻台高度/m取心绞车额定功率/kW井场面积/m2350085.734*330(4)*4504101004*2004415.5(18)158.2850该钻机的主要特点：(1)钻机的动力系统由4台330kW柴油机驱动4台410kV·A发电机。直流电动机采取PLC控制，灵敏度高，准确可靠，适用于环境恶劣的山区。(2)钻机的顶驱装置为电动式，具有两个机械挡，转速可在0～270r／min和270～600r／min范围内调节，以保证新型小井眼钻头能够有效钻进。(3)小井眼钻机最重要的操作是如何准确控制钻压，而该钻机可采用以下几种方式来准确控制钻压：①用液压绞车的泵系统和节流阀控制；②顶驱装置与一台液缸相连，通过维持缸内恒压来控制；③用直流电机驱动绞车处理应变仪传来的载荷信号，再通过控制盘调节钻压。(4)该钻机正常钻进和连续取心时，钻井液循环系统的额定压力为35．15MPa，泵排量为50--2000L／min。4台钻井泵，2台用于钻井，2台用于固井。钻井液电磁流量计能测出lOL／min的流量。钻井液缸液面指示器最小分辨率是5mm，钻小井眼井时可精确测出缸内液面高度。(5)该钻机的固控系统装有一台平动振动筛和2台离心机，从而保证了正常取心、钻井液压力和环境不被污染。(6)钻井时钻井泵的排量、钻柱和电动机的转速均采用PLC(可编程控制器)控制。PLC系统能将各种参数控制在极限值以内，当停止操作时PLC能将参数恢复到原有状态。(7)该钻机的机械化程度较高，配有工作可靠、效率很高的排管器和机械大钳，可以方便地将钻杆送到钻台或顶驱装置上。正常钻进时钻台上只需1人操作。(8)该钻机装有常开式涡流刹车，带刹车在紧急情况下使用，司钻对绞车可遥控操纵。(9)该钻机安装时，钻台与卡车底盘齐平，整个安装过程都在底盘高度进行。井架安装不像常规钻机水平安装，而是用一液压升降机整体起升。操作十分方便安全。(10)该钻机搬家时，只需把设备分成约2．5t的模块，便可用直升飞机运往山区打井；也可把钻机分成不到10t，外形不到6m的模块用10t卡车运输，且对路面宽度和承载能力要求不高。2.全液压小井眼钻机该钻机由意大利Soilmec公司生产，已形成系列，共有9个品种。表6-3全液压小井眼钻机系列型号G-14G-22G-35G-55G-75G-100G-125G-150G-200钻深/m30040050070010001800300036004000钩载/t——————————91112136200其中以G-100，G-125最为常用，下为G-125具体参数表6-4Soilmec公司小井眼钻机系列技术参数钻机型号G-100G-100HDG-150G-200G-250大钩静载荷/kN891.81107.41332.81783.62205.9钻井动载荷/kN588.0735.0882.01225.01470.0液压动力功率/kW367.6514.7661.7882.31102.9顶驱扭矩/(kW.m)3636363636顶驱行程/m1515161616钻深/m180036004000表6-5G-125型全液压小井眼钻机性能参数钻井深度（88.9mm钻杆）/m最大钩载/t装机功率/kW发电机组/kW井架高度/m钻台底座高度/m钻井泵最大排量/L/min钻井泵最大泵压/MPa动力水龙头速度范围/r/min井场面积/m2作业时高度/m300011214704*400186.11900350~20090028该钻机的主要特点：(1)钻机的动力系统由4台400kW柴油发电机组成并给液压系统提供能源。(2)钻机的顶驱装置是液压式，由4个液压马达驱动，转速60r／rain时最大扭矩为3．610aN·m。(3)无游车和天车，液压式提升系统的最高起下钻速度为lm／s。(4)钻台底座为自升式；井架为单桅杆伸缩式，井架上有一4t起重吊车。(5)早期井涌检测系统为智能井控并可发出警报。(6)3台钻井泵，2台用于钻井液循环，1台用于固井。(7)钻台上装有液力卡瓦、动力大钳；钻台下装有防喷器。(8)12个管子容器围绕钻台排放，每个管子容器可装18根×∮88．9mm三类钻杆。(9)司钻在控制台上通过钻机的液力装置选择固定钻压自动钻进。(10)钻机搬家时，可把设备分成20个模块，最大重量42t，可用三轴拖车或直升飞机移运。(11)该钻机每天只需4人操作。3.Kenting小井眼钻机美国20世纪90年代初研制了一种低成本Kenting小井眼钻机，该钻机的初期投资仅相当于常规钻井的20%。该钻机的设计思想是采用已被油田实践证明的技术和符合API和ISO标准的部件。钻机承载能力100t，钻深3500m，能钻直井、斜井和直径171/2in的常规井，并可用大型装置连续取心。表6-6Kenting小井眼钻机性能参数钻井深度/m液压动力机组发动机功率/kW备用装置发动机功率/kW钢丝绳直径/mm单台钻井泵功率/kW井架承载/t大钩载荷/t液压绞车档数350028021025.41211001006游动系统钻井绳数游车承载/t底座承载/t底座高度/m立管压力/MPa作业时高度/m井场面积/m2810011043526800该钻机的主要特点：(1)该钻机只需3人操作；钻斜井时4人操作。(2)钻机仪表是一不需人工操作的计算机式仪表系统，计算机式数据采集系统由司钻操纵，该系统集中了钻机仪表的主要功能，全部信息显示在司钻控制台上系统终端的彩色监示器上，钻井人员可以准确监控和随时存取钻井全过程各方面的信息，并在井场或远程位置打印。钻井人员通过计算机式仪表系统可以改进作业管理、优化钻井性能、缩短钻井时间、节省钻井费用。（3）该钻机采用液压式顶驱装置，顶驱装置的转速为400r／min，扭矩为22500N·m。顶驱装置的浮动心轴、液压动力卡盘与动力卡瓦及一个可以升降、伸缩、倾斜的v型截面的天车台组合一起，可以灵活，、准确、方便地提升、排放、连接、安装钻杆、钻铤、套管，并保证螺纹不受损坏。在定向钻井顶驱装置能远程锁定和定向。(4)底座内的新型液压防喷器操作装置可使环形分流器或整个防喷器组托起并准确定位在井口，操作人员在远离危险区遥控操作。(5)液压绞车既具有较快的起下钻速度，又能在钻井时用液压控制精确控制起下钻速度，使井筒内抽吸和波动减至最小。通过绞车液力平衡制动时无噪音。绞车的带刹车用于停车和紧急情况。(6)自动送钻在钻井对能利用旋转钻井钻压或组合钻压和立管压力来优化钻速。(7)具有钻井全过程控制功能并按其重要程度排列的仪表，司钻控制台置于一标准集装箱内，其视野开阔，易于观察钻台、钻杆提升器和井架上部的顶驱装置及天车。(8)钻井液系统有50.88m3。(320bbl)的两个泥浆罐、一个单层振动筛和一台小型真空除气器的离心机。(9)发动机、顶驱装置、固控设备等均装有隔声护罩或经过隔音处理，故该钻机的噪音极低，1m处的噪音为：80DdB，100m以外小于54dB，大大改善了施工条件和环境保护。(10)钻机的井架等设备均按模块化设计，并可装在标准的3m或6m集装箱内，用10t卡车或直升飞机移运，故拆卸、安装、搬家十分经济、安全、方便。使用小井眼石油钻机后出现的钻杆、工具接头的机械性能问题，牙轮钻头的钻速和寿命问题，与小井眼钻井相关的工具、测试仪器、修井、固井等问题随着小井眼钻井工艺技术的发展尚需要进一步地研究。6.1.7重型石油钻机德国石油化工公司研制成功一种T160型重型石油钻机表6-7T-160型钻机主要性能参数钻井深度/m装机功率/kW发动机功率/kW最大钻柱重量/t最大钩载/t顶驱装置功率/kW绞车功率/kW钻井泵功率/kW转盘开口直径/mm井架高度/m钻台高度/m580047804*1195375580735.51838.72*16189506111该钻机的主要性能特点：（1）整个钻机是由现代化的操作台控制。（2）钻机的动力由4台CAT3512型B系列12缸涡轮增压柴油机提供，每台发动机驱动一台不莱梅ZeppelAchim公司提供的Leroy-Somer交流发电机。（3）钻机的绞车型号为GH-2500EG，有两台GE-752高扭矩电动机驱动。（4）钻井泵为两台Nattionl14—P-220三缸单作用泵，每台泵由两台GE-752高扭矩电动机驱动，每台泵重55t。（5）钻机的顶驱装置为电动式，型号为DDM650LV，由挪威生产。由一台GE-752电动机驱动。（6）该钻机配有一台型号为1898型的液压遥控的铁钻工，可以上卸3.5～9.5in钻杆和加重钻杆，从而保证了起下钻作业的安全。该铁钻工上扣扭矩十分精确，对钻柱有良好的保护作用。(7)井架各节连接为插接组合式，不是螺纹连接，故井架的安装拆卸十分方便省时。11m*11m的钻台周围有一15cm厚的隔墙。井架与底座总重420t。除井架与底座外，其他设备没有超过3m*3m6.1.8科研用石油钻机美阿莫科公司新设计了一种用于钻井技术和岩石物理技术试验的第11号科研钻机。该钻机已在美国俄克拉何马州阿莫科公司试验基地投人使用，并取代了原来的“蓝色钻机”。新设计的第11号科研钻机和试验基地具有以下特点：(1)该钻机在设计上有带枢轴的导轨系统，钻机可沿一半圆轨道滑动搬迁，搬迁时间由原来的2～3d缩短到2～3h。(2)该钻机的起下钻速度比“蓝色钻机”提高了75％，利用一个辅助小鼠洞能用18m立根钻进。(3)该钻机配有小井眼的41/2in铝质钻杆和27/8m钢质钻杆。

(4)该钻机的井架高32．6m，液压动力水龙头在250r／min时的额定扭矩约为5kN·m。(5)该钻机有两个转盘，其卡瓦座尺寸分别为171/2in和271/2in。(6)该钻机提升系统的额定载荷能力为89×104N。(7)该钻机的钻井液系统由6个罐组成，总容积为48m3；钻机配有一台三缸钻井泵，泵送能力为490～2650L／min；考虑试验中采用低排量的需要，还配有几台小型钻井泵。(8)钻机的固控系统包括两台超细振动筛及相关配套设备。(9)试验基地备有钻小井眼井和短半径井用的修井机，其额定钻深能力600m，额定大钩载荷18×104N。(10)试验基地有一套阿莫科高速钻井技术试验设备，这套高速钻井系统包括：钻井和完井试验设备、钻井水参数试验闭环系统、固控试验设备、钻井／模拟系统室内钻机等。(11)该试验基地的地质条件具有多样性；且各种地层埋藏浅，有365m宾夕法尼亚系地层、121m泥盆系/密西西比系层段和701m寒武系／奥陶系地层。6.1.9超高压射流钻井设备美国Flowdrill公司研制出二种双管钻井系统，从钻杆内中心高压管中输入IOOMPa的高压钻井液，井底喷嘴的射流速度高达200m／s，压力降达80MPa；在硬岩石中的钻速比常规旋转钻井法提高405倍。这一超高压射流钻井法已用于工业浅井钻井，用80一IOOMPa的高压液流可以钻破岩石。这一双管高压射流钻井系统专家认为只能用于浅井钻井。6.1.10交流变频屯驱动钻机绞车美国NAT’L—OILWELL—DRECO公司、C—EMSCO公司、IDECO公司和德国WIRTH公司交流变额石油钻机绞车的性能参数见表1—2，其主要性能特点是：表6-8美国NAT’L—OILWELL—DRECO公司钻机绞车性能参数型号\性能参数功率/hp大钩载荷/t有效钢绳数681012141618D700AC70092.5127.9D1000AC1000189.6226.8D1500AC1500240.9289.9335.7D2000AC2000305.7368.3425.4D3000AC3000488.1564.7635.9D4000AC4000952.61051.41144.4AHC-750-GE7200544.3680.4表6-9美国C—EMSCO公司钻机绞车性能参数型号\性能参数功率/hp大钩载荷/t有效钢绳数681012141618EH-ⅡE2500——————482.7549.7——EH-Ⅲ3000673.3758.4835.7EH-Ⅴ500090710221126表6-10美国IDECO公司钻机绞车性能参数型号\性能参数功率/hp大钩载荷/t有效钢绳数681012141618AC-10001000——AC-15001500AC-20002000AC-30003000表6-11德国WIRTH公司钻机绞车性能参数型号\性能参数功率/hp大钩载荷/t有效钢绳数681012141618GH1000EG1000——145.4————GH2000EG2000418.7497.9GH2500EG2500476.6561.1GH3000EG3000738.7853.6GH4000EG4000905.1(1)NAT’L—OILWELL—DRECO公司的绞车是一体安装、三轴设计、交流变频调速；绞车宽度因去掉了常规辅助刹车而减小；交流变频电动机为绞车的主动力，同时具有下钻功能；绞车的盘式刹车是用来应急和终刹之用；绞车占钻台面积比常规绞车减少25％～40％，绞车的重量比常规的轻20％～30％，是海洋石油钻机最理想的绞车。(2)C—EMSCO公司绞车的交流变频电动机通过齿轮变速箱传到滚筒轴；滚筒刹车轮辋部位装有盘式刹车；整机单滚筒无猫头，取消了电磁涡流刹车，由交流变频调速实现自动给进与制动。该公司的V型5000hp电动绞车装有4台1250tip的直流牵引电动机和两台备用的交流电动机。两台交流电动