第一章-机械石油

1、石油钻采机械,机械科学与工程学院,第一章 钻机绪论,第一节 钻机概述 第二节 钻机的基本参数 第三节 钻机的发展和展望,第一节 钻机概述,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。,一、钻井工艺对钻机的要求,（1） 钻井的目的：寻找和开采石油和天然气。 （2）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、传动设备、控制设备和工作机。,动力机:为了使工作机工作，必须使工作机有一定的动力。 传动设备：将动力机

2、的动力传递给工作的中间装置。作用：变速、传递动力、改变运动形式和规律。 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。 控制设备：使工作机、动力机和传动设备,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。 辅助设备：辅助工作机完成工作任务的设备。 钻机是一套综合机组，它也与其它机械系统一样，包括动力设备、传动设备、控制设备和工作机。 钻机的动力设备：柴油机、电动机。,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）、电传动。 钻机的控制设备：电控、计算机控制、气控、液控、手控。 钻机的工作机：绞车、天车、转盘、泥浆泵

3、、钻杆、钻头,（3）钻井工艺 钻井（drilling）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钻井。,（4）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。 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（钻头直径）的关系。 根据地质条件不同，井身结构设计不同： 1）导管防止地表土层坍塌，起导向作用，不固定，很浅，2 40m。,2）表层套管加固上部疏松岩层的井壁和安装防喷器，一般3 5

4、00m。 3）技术套管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，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24层。,4）油层套管形成坚固的井筒，用来射孔，最后一层套管。 各层套管与井壁之间都注入水泥加固。,（5）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下几方面： 1) 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。 2) 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。,3) 要有清除岩屑的能力，要求能提供具有一定压力和流

5、量的钻井液，有效地冲洗井底，并将岩屑携出井外。 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和维修工作必须简单易行，易损件便于更换。,二、钻机的组成,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水平的条件，整套转盘旋转钻机必须具备下列设备： 1）旋转系统 2）循环系统 3）起升系统 4）动力驱动 5）传动系统 6）控制系统 7）钻机底座 8）辅助设备,钻机工作动画演示,1旋转系统 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、钻头等。 2循环系统 作用：清

6、除、携带井底已碎岩屑，润滑井壁，冷却转头。 组成：钻井泵、地面管汇、钻井液池、钻井液槽 、钻井液净化设备，调配钻井液设备 。,3起升系统 作用：起下钻具、更换钻头、控制钻头送进、完井时下套管等 组成：主绞车、辅助绞车(或猫头)、辅助刹车、游动系统(包括钢丝绳、天车、游车和大钩)、井架、吊环、吊卡、卡瓦、大钳、立根等 。,4动力驱动设备 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、直流电动机及其供电、保护、控制设备等。 5传动系统 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、倒车、变速机构等。 组成：机械传动、液力传动(涡轮

7、传动)、液压传动、气传动等 。,6控制系统 作用：指挥各机组协调进行工作 。 组成： 机械控制设备：手柄、踏板，杠杆等；气动或液动控制设备：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，保证实现最优钻井。,7钻机底座 作用：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。车装电机的底座就是汽车或拖车底盘 。 8. 辅助设备 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、

8、钻鼠洞设备、井口防喷设备、辅助发电设备、辅助起重设备，在寒冷地区钻进时还需要配备保温设备。,三、钻机的类型,随着钻井生产的不断发展，钻机的使用条件也越来越多样化，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：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（如电力或燃料供应、交通运输、气象条件）等。,1按钻井方法划分 (1)冲击钻机：如钢丝绳冲击钻机(顿钻钻机)、地面发动振动钻机、爆炸钻井钻机、电火花钻井钻机。 (2)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。 (3)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）。

9、,2按钻井深度的不同划分 (1)浅井钻机：钻井井深2000m (2)中深井钻机：钻井深度在5000m以下。 (3)深井钻机：钻井深度为5000m7000m。 (4)超探井钻机：钻井深度为70009000m。 特深井钻机：钻井深度在9000m以上。,3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。 (2)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：1)移动式：沉底、自生式、钻井船、半潜式。2)固定式：浅海。 (3)沙漠钻机：用于在沙漠地区勘探、钻井。 (4)小井眼钻机（90%的丼眼直径小于7”或70%的丼眼直径 小于7” ） (5)连续柔管钻机 (6)丛式井钻机 (7

10、)套管钻机,4. 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-直流电驱动；供交流电经整流者称为交-直流电驱动。这种型式的钻机适用于海上钻井。 (3)交流电驱动钻机： 适用于有工业电网的油田内部钻井。,AC-AC驱动方式,DC-DC驱动方式,AC-SCR-DC驱动方式,AC变频驱动方式,5按驱动方式的不同来划分 (1)单独驱动：各工作机单独选择大小不同的发动机驱动，如图1-2所示。多用于电驱动，其传动简单、安装容易，但功率利用率低、设备

11、总重量大。,图1-2 单独驱动方案,动力,转盘,绞车,泥浆泵,(2)统一驱动：绞车，转盘及泵三个工作机由同一动力机组驱动，图1-3b为大庆I-130型钻机的方案。大部分钻机采取这种方案。统一驱动也可以只包括一台泵(另加一台单独驱动泵)，图1-3a为ZJ-130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，但它的传动复杂,安装调整费事，传动效率低。,(3)分组驱动：动力的组合介于前两种之间，三个工作机的驱动可有两种方案，如图1-4所示，这种钻机的效率利用率比单独驱动者高，传动比统一驱动者简单，还可以将两组工作机安装在不同高度和分散的场地上。,第二节 钻机的基本参数,钻机的基本参数是反

12、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机的基本依据。 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、循环系统参数。,一、钻机的主参数,1、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114mm（4 1/2）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深至最大井深。 例如，ZJ50/3150钻机名义钻井深度为5000m，井深再增加，就超过了钻机起升系统的额定工作能力。 ZJ50/3150钻机名义钻深范围为35005000 m。,2、最大钩载 钻机的最大钩载是指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极

13、限值，包括动载荷在内。钻井过程中可能遇到的较大载荷有: (1)起钻操作刚开始起动加速时钩载增加了动载,下井操作完了刹车时也有较大动载产生,静动载之和构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,它以钻杆拉断载荷为极限(此拉断载荷由钢材最小屈服强度来决定)。,(3)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。 (4)下套管遇阻时,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80%为极限。 以上四项载荷，据统计分析以第2，4项为最大，当井深小于2500m时，套管柱较轻，也很少遇阻，所以第2项载荷可能最大，当井深大于2500m时，则以

14、第4项载荷为最大。,3、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备的功率,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： 单独驱动的钻机(图1-2)： (1-1),统一驱动的钻机(参见图1-3),(1-2),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(参见图1-4a),转盘单独分一组，泥浆泵与绞车分成一组(参见图1-4b),(1-3a),(1-3b),二、 起升系统参数,(一)大钩静载荷 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。如忽略吊环吊卡的重量,大钩静载荷为:,系数K应综合考虑钻杆与井壁摩擦及钻杆在钻井液中受浮

15、力的影响，井越深。摩阻系数K越大，钻井液相对密度越大，浮力也越大， 则减轻系数 越小。,(1-4),钻杆柱每米重量 值可以从表1-1中查出，它是光钻杆重加上两端加厚部分、接头(或接箍)的重量除以立根的长度得来的。钻柱中考虑有80-100m的钻铤，则推荐用表1-1中 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在空气中的重量。,(1-5),表1-1 钻杆柱和套管柱的单位重量,(二)游动系统结构、快绳拉力和钢绳直径 1、游动系统结构 游动系统结构是指天车和游车的滑轮数目和有效工作绳数(z)，如游动系统为56，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z=25=10。起重量

16、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统。游动系统的最大结构用于起升Qmax，在起升Q柱时钢丝可以少穿两个轮子。可参考表1-2按井深或最大起重量选定游动系统结构。,表1-2 系列钻机的游动系统参数,2、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V时，游动系统起重量Q1为:,(1-6),(1-7),3、起升时的快绳拉力 P快 当大钩载荷为Qmax时： 式中 游动系统效率。,(1-8),4、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P快max，一般钢绳的破断安全系数

17、取为n=2.5，要求钢绳所具有的破断载荷为： 同理，根据一定的钢绳和游动系统结构，也可确定出该系统的最大起重量,(1-9),(1-10),(三) 井架高度 H 井架高度是指钻台顶平面至天车台底平面的垂直高度，它主要取决于立根长度l，游动系统各部件高度和缓冲高度h，如图1-6所示，可用经验公式确定： H=1.7l (1-11) 根据上示，对于由两单根组成的24m长的里根，采用41m高的井,架。对于由三单根组成的2730m长的立根，则采用4653m高的井架 。 精确计算: H= H1+ H2 +l+ H3 + H4 + H5 + H6 H1钻台高度， H2对扣找正空间， l立根长， H3 大钩水龙

18、头自由空间， H4 大钩长， H5 游车长， H6 缓冲高度。,(四) 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间(见第三章)，尤其是最低起钻工作速度V1，它又决定着其他各挡的速度。为了减少机动起升时间，新型钻机越来越加大了绞车功率，使 V1由原有的0.2m/s提高至0.5 m/s左右，这样，机动起升时间可降低25% 。可初选V1=0.450.5m/s。 最高起升速度 Vk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定：,式中 z 有效绳数； b 系数，取3或4，在起下操作机械化水平高的条件下选用4。 轻、中型钻机Vk小，超重型钻机Vk大。

19、 2）挡数，增设挡数可以提高功率利用率，减少工作时间，提高钻机效率。 挡数设定原则：功率利用率最大原则。 N=Q1V1=Q2V2=QnVn,（1-12）,但挡数过多时会使变速机构复杂，时间节省幅度不大。 起升挡数 K= 4 8 轻、中型钻机K小，重型钻机K大。 另设12个事故挡 ，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。 用液力变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的使用效率，仍设23变速挡。,(五)大钩功率、绞车功率和起升机组功率 设V1为大钩最低起钻速度(m/s)，Q1为以V1起升时的游动系统起重量(理论起重量，kN)。

20、 起升功率即大钩功率 N=Q1V1 绞车功率即绞车输入功率 起升系统发动机应配备功率,（1-13）,（1-14）,（1-15）,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0.97； 讲动系统效率，可以采取API推荐值对 z =6，8，10， 12者， =0.876，0.841，0.810，0.770； 功率储备系数； 发动机至大钩的传动效率； 发动机效率； 发动机组并车效率，可参考表1-3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 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,可近似取 = 0.55-0.65。,对于功率储备系数K来说，柴油机直接驱动

21、的起生系统应取K=1.25-1.35；柴油机液力传动的起升系统取K=1；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或其它部件，按表1-4取K值以确定电动机的额定功率(即工作时间率Jc=25%时的输出功率)。,表13发动机和机械传动效率,表1-4 交流电动机的储备系数,三、旋转系统参数,旋转系统参数主要包括转盘开口直径、转盘转速、转盘功率。 1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通孔直径 ，可根据钻机最大井深开钻用的最大钻头直径决定。 目前D盘的通用尺寸有450，520，700mm等，分别适用于中深、深和超深井。,2转盘的转速和挡数 转盘的转速和钻

22、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。但是，当转速超过350400r/min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为50300r/min最好。,一般在开钻时为中软地层，多用大尺寸钻头，转速也较高， 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n事故 =2530r/min 。

23、 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要求。当采用变矩器或直流电机驱动转盘时，挡数可少些，有2-3个挡就足够了。,3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）。因此，转盘消耗的功率为： N转=N1+N2+N3 （1-16） 式中 N1带动钻头破岩及克服钻头与井底摩擦所消 耗的功率 ； N2旋转钻杆柱所消耗的功率； N3旋转地面设备所消耗的功率。,应为驱动转盘的发动机配备的功率为,（1-17）,功率储备系数；,发动机到转盘的传动效率。,

24、四、循环系统参数,1、最大、最小排量和泵组中泵的台数。 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，mm； V返 环形空间中钻井液的返回速度，为了保证足够的排量，一般 : A=182280,(1-19),此时,开钻时井筒直径，即最大钻头直径，mm。,泵组最大排量 Q大是为了满足开钻时最大井筒中洗井排屑的需要，所以,泵的台数,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。,单泵最小排量Qmin，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“低排量、高泵压”方式的喷射钻井的需要。 Q min=(D2头min-d 2)V返 10-

25、6/4 （1-20） 一般单泵最小排量 Q min=0.015-0.020m3/s。 如Q min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，不能发挥喷射钻井的威力。,2、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降两方面 。即 P泵=P管+P头 P管=P杆+P铤+P环+P汇 （1-21） 式中：P泵泵压，MPa； P管循环管路压降，MPa； P杆钻杆(包括接头)内的压力降，MPa； P铤钻铤内的压力降，MPa； P环环形空间的压力降，MPa；,P汇地面管汇（包括地面管线、立管、水龙头、及方钻杆）的压力降，MPa； P头钻头水眼的压力降，MPa；

26、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证： P头=(1/2 2/3)Pmax P管=(1/3 1/2) Pmax 即 Pmax =(2 3)P管 （1-22） 前者适用于超深井，后者适用于中深井。,3. 泵组功率 泵组的水功率: N水=PQ 103 （1-23） 泵组输入功率: N泵=N水/泵 （1-24） 式中：泵 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 泵 0.700.80。,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 发泵 发动机至泵组的传动效率； K动力储备系数，泵为无载启动，启动时

27、不需功率储备，但在正常钻进时，循环可能遇阻，为此取K=1.1(柴油机直接驱动)；K=1(柴油机-液力变矩器驱动)。 如用柴油机驱动钻井泵时，应以其持续功率来计算。,五、钻机系列,我国钻机系列（GB/T23505-2009 ）,我国钻机系列中规定钻机型号表示方法,ZJ,改型序号（改型序号用阿拉伯数字表示）,钻机特征： L链条并车钻机； J V带并车钻机； C齿轮传动钻机；Y液压钻机； DJ交流电动钻机；DZ直流电动钻机；DB交流变频电动钻机,钻机级别：分子以100m为单位计的钻机名义钻深范围的上限， 分母为1 kN为单位计的最大鈎载,钻机代号,移动方式：自行式车装钻机用Z表示；半拖挂车装钻机用T表示,第三节 钻机的发展水平,一、钻机承载的大型化 二、大型钻机模块化 三、中小钻机车载化、小型化 四、钻机操作自动化、控制智能化,第三节钻机的发展和展望,在发展钻井新技术的同时,我国“十五”期间钻井装备更新改造工程取得长足进展,除改造了大批老钻机以外,还新制造了大批复合驱动钻机和电动钻