提速提效石油钻机技术现状及发展思路

王定亚，忽宝民

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2．国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)①



提速提效石油钻机技术现状及发展思路

王定亚1，2，忽宝民1

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2．国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)①

概述了提速提效石油钻机的技术现状，重点对国内近年来开发的几种提速提效钻机新技术进行了介绍。结合石油钻机发展趋势，提出了今后应进一步开展四单根管柱自动处理钻机、陆地双井口钻机、液压驱动无绞车式钻机和一键操作式全自动化钻机等提速提效石油钻机的技术发展思路。

钻机；提速提效；技术现状；发展思路

石油钻井装备高效、快速发展的时代已经过去，面对当前持续低油价时期的到来，作为石油企业要想摆脱当前的困境，走出低谷、持续发展，其压缩开资、创新创效、降低成本等已成为解决或缓解当前经济压力的有效途径。这就对石油钻采装备如何适应新形势下的要求提出了挑战，即在保证装备投资减少、人工成本下降、运输费用降低的情况下，如何使装备的效能、效率发挥到最大等已成为当前及今后几年技术开发工作的重中之重。为此，研究和开发适合满足当前油田工作急需和保持装备技术持续发展的提速、提效石油钻井装备已成为每个装备制造企业的生存和发展之道。

1　提速提效石油钻机发展现状[1-2]

石油钻机作为石油勘探、钻井的主力设备，其技术性能和质量的不断提升及智能化、自动化程度的快速发展，为钻井效率的不断提高、安装搬家速度的加快和钻井用工的减少等总体成本的下降带来了前所未有的效果。西方发达国家经过上百年的不断探索和发展进步，在石油装备领域长期占领着技术高地，尤其在提速、提效钻井自动化、智能化等大型设备研发方面及先进钻井、作业工具等小型化设备发展方面都有着自己独特的技术优势。例如，全液压自动化钻机、海洋高端钻井装备、高效长寿命钻头及各种优质钻井工具等一直引领着世界技术的发展。与此同时，我国通过数十年的努力，特别通过近15 a来的高速发展，在石油钻采装备技术开发上也上升到了一个新的高度，诸多新装备、新技术已逼近或达到世界先进水平行列，局部或单元技术甚至达到了世界先进水平。例如，我国在交流电动钻机、顶部驱动钻井装置、高压大功率钻井泵等多个方面无论从技术性能、产品规格，还是销售数量、产品质量等均已接近或超过西方发达国家，且得到了世界多个国家的普遍认可，其产品遍布世界各大主要产油区，为世界石油事业的整体发展及我国石油装备地位的提升做出了重大贡献。虽然如此，就其部分核心技术及单元设备而言，我国与世界强国相比，仍然存在着一定差距，例如在动力装备、变频器、液压、电气控制单元设备等方面，我们的技术仍显得比较落后，在产品配套、系统集成方面还需要花高昂的价格从国外进行采购，这增加了设备的投资成本，对当前世界持续低油价驱使下的控成本、低投入发展来说极为不利，仍需要我们潜心研究并不断追赶世界一流水平。

2　我国提速提效石油钻机新技术

市场发展规律和市场发展形势需要有不断创新的技术和新的产品来引领时代发展的潮流，并助推整个石油行业的快速进步。近年来，随着石油钻井装备技术的更新要求和产品升级转型发展的需要，国内以宝鸡石油机械有限责任公司(以下简称宝石机械)、四川宏华石油设备有限公司(以下简称四川宏华)等为代表的一批企业，已开始将眼光转向钻机提速提效功能开发上来，并先后开发了适合不同地域和不同用户需求的多种石油钻机，不仅使钻机的整体性能得到了有效提升，而且也特别适应当前油田低成本、高效能钻井的发展需要，以下就几种典型案例进行介绍。

2.1管柱自动化处理石油钻机[3-4]

2014年以来，宝石机械在国内陆地钻机上率先研制成功具有全自动管柱处理能力的3种陆地石油钻机，包括2台7 000 m钻机和1台5 000 m钻机，并已先后投入大庆钻探工程公司、川庆钻探工程公司使用，效果良好。目前该技术已形成推扶式和悬持式2种结构形式，订货数量已有8台，市场前景看好。

管柱自动化石油钻机可以实现钻柱从排管架到立根台排放全过程自动化操作，该系统主要由动力猫道、液压吊卡、动力卡瓦、铁钻工、钻台机械手、二层台机械手(或自动井架工)、气动指梁等一套具有全自动控制功能的工具和设备构成。其工作按照程序和节点可分为4个步骤实现。

1)实现单个钻柱从排管架向钻台面的运送。

2)在钻台面完成建单根作业(即实现3个钻杆的对扣连接)。

3)完成单根在立根台的排放作业。

4)实现立根在二层台指梁内的位置锁固。

其特点主要包括：

1)有效压缩了钻井准备时间，提高了钻井工作效率。

2)实现了二层台高空无人作业，降低了安全风险。

3)减轻了人工劳动强度，可以有效减少井队人员配置。

4)管柱处理系统配置方式灵活，适应性强，即可用于新钻机配套，也可用于老钻机改造。

2.2四单根立柱超深井钻机[5]

ZJ90/6750DB-S型四单根立柱超深井钻机由宝石机械等单位于2013年研制成功，并一直在塔里木油田服役，曾成功地完成了塔里木油田库车山前“大北305井”7 515 m探井的科研任务，安全作业440 d，经历2次10～12级大风的考验，起下钻40余趟，工作性能稳定，作业效率高。

ZJ90/6750DB-S型四单根立柱钻机为复杂深井的钻探提供了良好的技术支撑，是当前油田提速提效钻井的理想设备。钻机首次采用了超高、重载、无绷绳K型井架和满足钻机起升所需超大滚筒、高速大功率减速机构的钻井绞车，同时匹配有特殊要求的天车、游吊装置等。与常规三单根立柱钻机相比，其突出优点体现在：①全井深起下钻综合提速效率高；②可减少在复杂井段停留的时间，无故障安全性能好，有效缩短了钻井周期；③充分利用了立体空间位置，减小立根台的存放面积和二层台指梁结构；④适应性强，不仅适合塔里木等沙漠地区，同时也适应川渝、松辽等复杂深层油气资源勘探井的开发需要。

2.3大模块快速移运式钻机[6-7]

2009年以来，宝石机械为阿联酋国家钻井公司(NATIONAL DRILLING COMPANY，以下简称NDC)先后研制了一批具有高配置、高质量、大模块移运钻机，钻机型号包括ZJ70/4500DBT和ZJ50/3150DBT 2种类型，整个钻机按照功能区域划分集成为几个大的运输模块，可适应不同钻井距离要求和不同钻井工况下的移运要求。

NDC 5 000 m和NDC 7 000 m钻机运输模块按单元划分为主机移运模块、发电机组移运模块、电控系统移运模块、钻井泵组移运模块及各种罐体、房体移运模块几大部分。其中，钻机主机移运模块又具有钻机直立移运和分体移运2种模式，分体移运还可根据实际需要进一步进行拆分及组合，运输方式非常灵活。特别是NDC 7 000 m钻机为了满足丛式井钻井需要，除上述多组合移运方式外，还分别在钻机主机模块和钻井泵组模块上配备了步进移运系统，可以实现横向、纵向和斜向、旋转等各种复杂工况的移运要求，不仅搬家运输效率高，可有效节省人力和物力资源成本，而且特别适合沙漠等特殊地区的使用要求。

2.4人工岛模块化石油钻机[8-9]

采用人工岛进行海洋油气开发不失为一种经济实惠的方法，可以有效节约钻井投资成本。近年来，宝石机械和四川宏华分别研制成功适应人工岛用模块化特深井石油钻机。其中宝石机械为我国冀中人工岛和月中人工岛分别研制了5套7 000 m钻机和2套5 000 m钻机；四川宏华近年来为阿联酋NDC钻井公司研制了9 000 m人工岛钻机，为我国开发人工岛丛式井钻机奠定了良好的基础。

宝石机械为冀中人工岛研制的7 000 m钻机，可以在环形轨道上整体移运，其环形轨道移动技术为全球首创，可通过液压动力移动井位，既节省钻机搬迁时间，又节省泥浆和钻具，可边钻边采；同时，该钻机主机还具备横向移动功能，能够实现在轨道上同时钻双排井的工作需要。该公司为月中人工岛研制的5 000 m钻机，将主模块和循环模块轨道式滑行双向移动技术与超高钻台技术同时应用于海油陆采，大幅降低了钻机开发成本。四川宏华为NDC研制的9 000 m人工岛钻机，不受轨道等条件限制，其钻机移运模式和钻井泵移运模式采用哥伦比亚进口的步进移运装置来实现钻机横向、纵向和斜向、旋转等不同方位下的钻井工作需要，移运方便，工作灵活。

3　提速提效石油钻机发展思路

技术发展的步伐将不断催生新技术的诞生，石油钻机作为石油勘探开发的主力装备，尤其在当前情况下，将如何发展，将向着那个方向发展，都需要进一步分析探讨，以下结合当前国际国内石油钻井装备的发展动态及发展趋势，并结合自己的一些看法来谈几点有关提速提效钻机的发展思路。

3.1四单根管柱自动处理钻机

将当前四单根立柱钻机技术与管柱自动化处理系统技术相融合，开发一种既具有四单根立柱功能，又具有自动化管柱处理系统的新型复合钻机是今后石油钻机的发展方向，不仅能够有效提高钻机的工作效率、完善钻机性能，而且可以有效缩短钻井周期，节约钻井成本，尤其在深井、特深井石油钻机上开展该项技术研究的优势会更加明显。

3.2陆地双井口石油钻机[10]

双井口钻井技术起源于海洋石油钻井技术领域，其技术应用在西方发达国家已非常成熟，其优点是通过在实施一个井口正常钻井的条件下，可充分利用另一个井口提前做好钻井前的技术准备工作，以节约钻井时间，提高钻井效率。该技术在陆地钻机上的推广应用，从技术层面上没有太大的难度，不仅能为新的钻井模式提供新的钻井工艺方法，尤其非常适合于丛式井钻井作业要求。

3.3液压驱动无绞车式钻机[11]

改变当前机械传统绞车驱动钻井模式，对钻机进行必要的改造，采用直立式液压缸通过钢丝绳滑轮机构直接带动顶驱实施钻井工作，不仅减少了钻井绞车、游吊系统等传统钻台设备的配置，而且有效简化了井架等结构件形式，开阔了钻台面空间和视野，并使钻机的控制性能得到了良好的改善。这是当前情况下需要不断研究的一项重要工作，也是未来石油钻机发展的方向之一。

3.4一键式操作全自动化钻机

针对当前自动化管柱处理系统从排管架开始，经过猫道将钻杆输送到钻台、再经过建立单根，最后到二层台排管等各个环节、多个步骤分段式控制操作方式，开发和研究整套系统或按照操作流程划分成几个大的节点分步实施等形式进行一键式管柱处理操作模式，不仅能够简化整个系统的操作流程、节省钻井准备时间，提升钻机工作效率，而且可进一步提升钻机的自动化工作水平，增加国际竞争力等，其意义深远，是今后石油钻机自动化水平进一步提升的有效渠道。

4　结语

石油钻机经过上百年的发展和更新完善，为世界石油工业的整体发展做出了重要贡献。但是，面对当前新目标、新时期、新形势，如何满足当前条件下石油钻机的开发及市场需求是摆在我们面前的主要议题。围绕国家“一带一路”和“中国制造2025”发展战略，认真做好基础研究和创新研究工作，真正从“中国制造”迈向“中国智造”、“中国创造”是我们国家不断走向强盛、走在国际前列的重要标志。为此，为保障国家安全和经济持续发展大局，大力开发满足具有高速高效要求及适应性强、性能好、技术先进的石油装备仍然是今后需要进一步发展的重点工作，尤其对缓解当前的经济压力、克服低油价带来的被动局面有着重要的现实意义，需要我们不断努力并做出新的贡献。

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[3]张鹏飞，朱永庆，张青峰，等.石油钻机自动化、智能化技术研究和发展建议[J].石油机械，2015，43(10)：13-17.

[4]白丙建，谭刚强，栾苏，等.陆地钻机钻杆自动化处理系统方案设计[J].石油矿场机械，2014，43(2)：86-88.

[5]中国首台9 000 m四单根立柱钻机在新疆开钻[J].机械研究与应用，2013，26(3)：61.

[6]李亚辉，侯文辉，刘志林，等.7 000 m快速移运拖挂钻机设计[J].石油机械，2015，43(9)：37-41.

[7]冯箐.宝石机械中东7 000 m钻机首井完钻[N].中国石油报，2014-05-16(2).

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Technology Status and Development Trend for More Efficient Drilling Rig

WANG Dingya1，2，HU Baomin1

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2.NationalOilandGasDrillingEquipmentEngineeringTechnologyResearchCenter，Baoji721002，China)

The technology status for more efficient drilling rig is introduced，especially the new technology of a few new types of more efficient drilling rig in recent years.With the trend of oil rig，the development thought of four-pipe pipe handling drilling rig，land double well drilling rig，hydraulic drive no winch type drilling rig and fully automatic with a key operation drilling rig etc.were put forward.

drilling rig；more efficient；technology status；development thought

1001-3482(2016)09-0045-04

2016-05-05

国家科技重大专项 “深井超深井钻井关键技术与装备”项目(2016ZX05020)

王定亚(1964-)，男，陕西陇县人，高级工程师，硕士，1989年毕业于西北工业大学机制专业，现从事科技管理及石油钻采装备技术研发工作，E-mail：hys_wdy@bomco.cn。

TE922

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.010