超深井钻机创新技术及其发展趋势

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(中国石油集团 工程技术研究院有限公司，北京 102206)①

塔里木油田山前地区设计井深一般都在6 000 m以上，特别是在一些地质构造复杂的区块，下套管层数多，载荷普遍超过5 500 kN，7 000 m钻机的承载能力已无法满足钻完井作业要求。而常规9 000 m钻机应用于该地区作业，钻机日费成本高，无法实现降本增效。迫切需要钻深能力强、承载能力更大、钻井成本更低、性价比更高的超深井钻机。因此，研发了适用于超深复杂井的8 000 m钻机和9 000 m四单根立柱钻机(以下简称四单根立柱钻机)，并对其配套的关键部件进行了创新设计。

1 8 000 m超深井钻机

8 000 m超深井钻机应用了多项自主创新技术，全新设计了最大承载能力为5 850 kN的钻机井架和底座，采用了最大钩载为5 850 kN的天车、游车，配套了全新设计的大功率绞车，有效解决了绞车提升能力和大钩速度相互制约的问题，可满足塔里木山前地区大吨位套管深下需求；钻机配套52 MPa高压钻井泵，高压喷射钻井比“PDC钻头+螺杆钻具”的钻速提高约40%左右。

8 000 m钻机的井身结构设计的选择空间更大，井身开次可从7 000 m井的五开次优化为四开次套管加一开次尾管，尾管的尺寸由7 000 m钻机的ø127 mm增加到了ø139.7 mm，ø254 mm以上的大套管下深可达6 000 m以上，不仅满足超深井对大口径、大吨位套管深下和高压钻井作业的要求，而且有效解决了塔里木山前地区7 000 m 钻机承载力不足与9000 m 钻机日费过高之间的矛盾，节省了钻机的使用成本，同时还丰富了国内钻机系列[1]。

2 四单根立柱9 000 m超深井钻机

为解决塔里木山前地区事故多发，起下钻频繁，钻井周期长等问题，提高钻井速度、减少钻井事故、降低综合成本、节能降耗，采用四单根立柱钻井工艺，突破了超高井架作业的技术瓶颈，研制了国际首台陆地四单根立柱钻机[2]。

四单根立柱钻机是我国专门针对库车山前地区复杂超深井量身打造的利器，与常规三单根立柱钻机相比，其起下钻速度明显提升，接卸扣频次减少，因钻具停顿的压力波动而引发井下复杂事故的几率减少，提速增效显著。以起下7 000 m钻柱为例，使用四单根立柱钻机钻井，起下钻大约需要180次，比三单根立柱钻机减少66次，大幅减少了起下钻时间和钻井周期。

3 超深井钻机核心配套技术

为了进一步解决塔里木油田山前地区超深井作业难题，对8 000 m钻机和四单根立柱9 000 m钻机配套的关键部件进行了重新设计和创新，主要包括结构优化的高承载井架和底座、采用压实股钢丝绳的游吊系统、容绳量大的一体化单轴绞车、转矩和承载能力更大的转盘及其驱动装置、大功率高压钻井泵、大功率电控系统、智能化顶驱及兼容性强的顶驱下套管装置等。

3.1 井架和底座

1) 钻机井架均采用前开口K型结构，通过单双耳板和销轴连接，便于低位拆解、安装，分段运输。8 000 m钻机井架有效高度为48 m，与常规的9 000 m钻机井架有效高度相当，满足三单根立柱的排放要求。四单根立柱钻机井架有效高度为57.5 m，与常规9 000 m钻机井架高度相比增加9.5 m，井架设置了辅助二层台，满足四单根超长立柱安全排放和小尺寸钻杆2单根立柱作业要求。

2) 钻机底座分为前后台，前高后低，前台为新型旋升式结构，后台用于安装绞车和配重水箱，实现了人字架、井架和绞车的低位安装。这种结构整体稳定性好，相对于传统的旋升式起升，起升载荷明显减小。由于配重水箱、绞车及其传动机组均安装在后台底座，不仅钻台面宽敞、操作视线良好，而且还起到了为底座配重作用，增加了钻机的整体稳定性。四单根立柱钻机人字架采用液缸起升，操作方便、安全，避免了高空作业的风险。但这种底座也存在一定的不足，如采用前后台底座占地面积大，司钻只能通过摄像头来观察绞车等。

3) 8 000 m钻机井架和底座的材质采用了强度、韧性和耐低温冲击性较好的Q345D低合金钢,而四单根立柱钻机的井架和底座采用了强度、韧性和耐低温冲击性更高的Q420E低合金高强度结构钢。用Q420E材质相比常规钻机所使用的Q345材料，质量减轻10%以上，能满足塔里木油田冬季-35℃的工作环境要求[3]。既保证了强度又可降低井架、底座的起升载荷，确保了井架、底座起升安全性能和工作稳定性。

3.2 新型游吊系统

8 000 m钻机和四单根立柱钻机的新型游吊系统既能明显降低快绳拉力，减小绞车的作业负载与功率，又可大幅提高起升钻具时的安全系数[4]，与常规钻机的游吊系统相比，都有不同程度的优化和改进[5]。

1) 8 000 m钻机配套的天车、游车系统绳系为7×8，绳槽尺寸为ø38 mm，所用钻井钢丝绳为压实股钻井钢丝绳。压实股钢丝绳金属密度大、抗磨损性更好、抗冲击能力强，载荷能力是未压实股的1.3倍以上，既保证了8 000 m钻机对载荷的要求，又避免了绞车滚筒尺寸和质量增加太多。8 000 m钻机的大钩和水龙头均采用9 000 m钻机的DG675大钩和SL675水龙头，降低了研发成本。

2) 9 000 m四单根立柱钻机配套的天车、游车系统绳系亦为7×8，主滑轮外径为ø1 400 mm (55英寸)，钻井钢丝绳采用ø42 mm的压实股钢丝绳，这样不仅满足6 750 kN钩载的要求，而且解决了绞车容绳量不足的问题，天车和游车的质量亦有所减小。

3.3 一体化绞车

绞车是钻机重要的提升设备，在满足超深井钻机提升能力的同时，还要考虑在尽量不增加绞车体积而能提高绞车的容绳量。为此对8 000 m钻机和9 000 m四单根钻机绞车都作了全新的设计。

1) 8 000 m钻机绞车滚筒体铸焊而成，绳槽整体加工[6]，采用ø38 mm压实股钢丝绳，可提高绞车滚筒盘绳容量，从而使绞车的质量和体积不致过大。在保持绞车滚筒直径不变的前提下，采用适当增加滚筒长度的办法，解决滚筒缠绳容量不够的问题。绞车采用新型一体式结构，所有部件均安装在一个底座上，和常规7 000 m直流驱动绞车主体与绞车动力机组采用分体式相比，结构紧凑、质量轻，减少了现场安装难度，节约了安装和拆卸搬家时间，便于整体运输[7]。

绞车采用机械换挡和电动机无级调速相结合的传动模式，扩展了调速范围，增强了绞车的提升能力，同时也提高了钩速，传动比及转矩满足提起最大钩载5 850 kN的要求，其中JC-80DB型绞车在14绳系时最大提升钩速可达1.7 m/s，JC-80D绞型车在14绳系时最大提升钩速可达1.5 m/s,有效地解决了绞车提升能力和钩速相互制约的问题。

2) 9 000 m四单根立柱钻机绞车也采用了一体化绞车设计理念，分为三个单元，安装定位精度高，既可整体运输，又可以单独运输，解决了大功率绞车安装和运输问题。四单根立柱钻机绞车滚筒长度由常规9 000 m钻机绞车滚筒长度的1 840 mm增加到2 055 mm，并且采用了7×8绳系和ø42 mm压实股钢丝绳，绞车的缠绳容量更大，强度更高。此外，绞车减速箱采用远程气动换挡机构，工作效率明显提高。

3.4 加强型转盘及其驱动装置

转盘及其驱动装置是钻机的旋转设备，在钻井作业过程中，为钻具提供必要的动力并承受其反作用力[8]。

1) 8 000 m钻机与9 000 m四单根立柱钻机采用的转盘均为ZP375Z加强型转盘，其锥齿轮表面进行强化处理，齿面耐磨性强，承载能力更大。底座采用高强度的铸钢焊接结构。与常规ZP375转盘相比，最大静载荷由5 850 kN提升到7 250 kN，最大工作转矩由32 362 N·m 提高到45 000 N·m，具有更高的静载荷和工作转矩。

2) ZP375Z型转盘驱动装置采用齿轮减速器和钳盘式刹车，与普通链条减速器和气胎式刹车的转盘驱动装置相比，齿轮减速器具有更高的传动效率和耐磨性，其钳式刹车具有更高的制动力矩和响应速度。

3.5 大功率高压钻井泵

8 000 m钻机和9 000 m四单根立柱钻机配备了新型大功率、大排量和高压力F-1600HL或F-2200型钻井泵，其额定压力可达52 MPa，不仅能满足超深井钻井过程中井下高压工具、钻头的作业要求，而且还有利于钻头破碎岩石，延长钻头的使用寿命、增加进尺数[9]。与常规F-1600型钻井泵相比，F-1600HL型钻井泵有以下特点：

1) 可选择缸套直径范围为ø120～190 mm，而F-1600型钻井泵选择缸套直径范围为ø140～180 mm，比F-1600型钻井泵的排量和压力均有大幅提高。F-1600HL型选用ø190 mm的缸套和配套的柱塞可获得最大排量，选用ø120 mm的缸套和其配套的高压柱塞可达到52 MPa的额定工作压力。

2) F-1600HL型钻井泵采用的动力端与F-1600型钻井泵的相同，但是其液力端的工作压力是按52 MPa的高压重新设计的。F-1600型钻井泵的液缸为整体液缸，即吸入液缸和排出液缸为一整体，而F-1600HL型钻井泵的液缸为分体式液缸，且吸入液缸安装在排出液缸上，缸的内腔呈L型结构，可以根据井况的需要选择排量和压力，装卸与维护也更加方便。

3.6 智能化顶驱装置

用于8 000 m钻机的DQ80BSC型顶驱和用于9 000 m四单根立柱钻机的DQ90BSC型顶驱是同期开发的，采用了相同的结构、原理及新技术，不同的是DQ90BSC型顶驱装置用于四单根立柱钻井作业，其功率和钻井转矩更大，提升能力更强，顶驱上下移动导轨和电缆更长，可一次进行四单根立柱的钻进作业。限于篇幅，对DQ90BSC型顶驱装置不再赘述。只对DQ80BSC型顶驱的结构原理、性能参数及技术创新做介绍。DQ80BSC型顶驱装置主要是针对超深井、复杂井的钻井需求而设计的，与7 000 m顶驱相比，产品性能有了大幅提升。

1) 智能控制系统。常规顶驱转速转矩控制系统是由人工设定的，不能随钻井工况的变化而调整。而DQ80BSC型顶驱装置转速转矩智能控制系统能够根据顶驱转速转矩的设定值与井下钻柱反馈的实际值自动辨识钻井工况，对顶驱主轴的转速和转矩输出特性进行实时调整，有效抑制由于井下转矩突变而导致的钻柱冲击、钻具扭断或脱扣现象，大幅降低了钻柱失效和钻头磨损风险，延长了钻柱和钻头的使用寿命。

2) 定位控制技术。常规顶驱装置仅控制主轴旋转的转速和转矩，即为钻柱提供旋转动力，钻进精度和效率很低，而且需类似于常规转盘钻机那样频繁停钻以调整工具面[10]。DQ80BSC型顶驱采用顶驱主轴旋转定位控制技术，可精确控制顶驱主轴的旋转角度，且调整方位时无需停钻，这样可有效提高定向钻井作业的钻进精度和效率[11]。

3) 滑动控制技术。DQ80BSC型顶驱配置了导向钻井的滑动控制技术，在确保定向不受影响的前提下，通过钻柱的正向、反向往复摇摆，减小定向井钻井作业中钻柱与井壁间的摩擦阻力与粘滞，平稳钻压、延长钻头寿命，从而提高机械钻速、缩短钻井周期。

4 现场应用

8 000 m钻机和四单根立柱钻机研制成功后均在塔里木油田进行了应用试验。2012年至2016年，塔里木油田分公司先后引入了22台8 000 m钻机投入到钻井施工， 8 000 m钻机在塔里木油田已完钻58口井。其中，在2014年—2016年完钻51口井，应用效果显著。9 000 m四单根立柱钻机于2013-05—2016-09在塔里木油田共进行了3口井的工业化应用。

1) 相比于常规9 000 m钻机，8 000 m钻机的设备成本可降低五分之一左右，而钻井生产运行费用则可减少三成以上，已成为塔里木油田超深井钻井作业的首选钻机，在山前地区得到了规模化应用。

2) 9 000 m四单根立柱钻机在钻井提速、减少起下钻时间、降低井下复杂事故，以及在砾岩及盐膏层钻井等方面效果明显。现场应用效果表明：四单根立柱钻机与三单根立柱钻机相比，起下钻时间减少20%，全程井段遭遇复杂工况少，钻井周期缩短6%，事故时效2%，远低于同一地区相邻井8%平均事故时效。对比3口井的井径扩大率数据发现，使用四单根立柱钻机的作业井在井径的控制上一直维持在一个较低的比率，全井段平均井径扩大率为1.458%，而常规三单根钻机的井径扩大率分别为3.8%和5.44%。

5 发展趋势

近年来，我国加大了对深部地层勘探的力度，到目前为止，超过6 000 m以上的超深井已钻100多口。随着我国石油行业不断向纵深发展，无论是8 000 m超深井钻机还是9 000 m四单根立柱钻机，都将会成超深井钻探开发的首选钻机，尤其是9 000 m四单根钻井技术的提速效果和降低井下事故率的优势，必将会得到广泛应用。

1) 随着四单根立柱钻井技术的日臻成熟，可以考虑将该技术应用于8 000 m钻机。这是因为在超深井钻井过程中经常会钻遇盐膏层或砾岩层，而这两种地层均属于非压实地层，存在钻头压实效果差，易发生井斜及井径扩大现象，而与常规钻机相比，四单根立柱钻机在井下连续运动的时间更长，接卸扣次数更少，井内压力波动小，使得其在砾岩层、盐膏层及岩盐与砾岩夹层中钻井效率提升显著。

2) 正常钻井时，钻头在井底做旋转切削运动，受钻头形状的制约，井底的交接面是凹凸有序的表面。钻头重新作用于该不平表面时，钻头各个翼刀的水平方向上受力不均匀，有的翼刀已与井底压实，有的翼刀还悬在半空,使得钻头的受力和转矩的瞬变更加明显，钻头切削齿更容易压碎或崩断损坏，钻头的先期破坏会更加严重，钻头起下越频繁，钻头受力和转矩瞬变的概率越大，钻头先期严重破坏的概率也越大。目前，大部分的做法都是优化钻头的结构、安装旋冲动力钻具等措施来降低对钻头的破坏。而四单根立柱钻机与顶驱配合使用所形成的四单根立柱钻井工艺，增加了钻头在井底连续运动的时间，减少了频繁起下钻的次数，钻头所受井下压力和转矩瞬变相对减少，钻头先期破坏的概率降低，使得井径更加规则、井眼轨迹控制效果更好，而这一效果是最初设计四单根钻机时所没有想到的。

3) 将管柱自动化处理系统与四单根钻井技术相结合，将会进一步提高钻井速度，降低井下复杂事故，这也是8 000 m钻机未来发展的趋势。目前四单根所采用的管柱自动化处理系统还存在诸多不足，如9 000 m四单根管柱处理系统的铁钻工和钻台机械手等主要设备还都是手动控制或者手持遥控盒在司钻房外操作，尚未完全集成至司钻房，在钻台上作业存在许多安全隐患；管柱可视化程度低，还有死角无法看到；动力猫道与液压翻转吊卡的配合用时较长，易出问题；管柱处理系统的效率不高，与人工操作相当；铁钻工卸扣时，一旦出现粘扣等现象就不容易卸开，只能用液压猫头带B型钳绷扣。