綠色低碳型石油鉆機(jī)應(yīng)用淺析

李建鵬 譚慧敏

（1.中國石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心 山東東營 2.東營市城市管理局 山東東營）

一、引言

石油鉆機(jī)是用來進(jìn)行油氣勘探與開發(fā)的具有多種功能的聯(lián)合機(jī)組，由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、鉆機(jī)底座、輔助設(shè)備系統(tǒng)共8大系統(tǒng)組成。從動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的角度可以把石油鉆機(jī)分為機(jī)械驅(qū)、網(wǎng)電驅(qū)、液壓驅(qū)、天然氣機(jī)驅(qū)動(dòng)等類型。然而，在當(dāng)前國家大力推行清潔生產(chǎn)、綠色低碳的大環(huán)境下，如何通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗已成為油田企業(yè)面臨的緊迫課題?；诖?，介紹常規(guī)石油鉆機(jī)和綠色低碳型石油鉆機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)，分析我國未來石油鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

二、機(jī)械驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)

機(jī)械驅(qū)動(dòng)是石油鉆機(jī)中最常見的驅(qū)動(dòng)形式。機(jī)械驅(qū)石油鉆機(jī)有蒸汽輪機(jī)驅(qū)石油鉆機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)石油鉆機(jī)和柴油機(jī)驅(qū)石油鉆機(jī)3種。

1.蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)

蒸汽機(jī)是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的往復(fù)式動(dòng)力機(jī)械。蒸汽機(jī)的出現(xiàn)曾引起了18世紀(jì)的工業(yè)革命。直到20世紀(jì)初，仍然是世界上最重要的原動(dòng)機(jī)。早期在石油鉆機(jī)中采用的是蒸汽機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是工作柔性好，具有較好的調(diào)節(jié)與使用性能。缺點(diǎn)是效率低、使用不經(jīng)濟(jì)、設(shè)備結(jié)構(gòu)和重量過大，這種驅(qū)動(dòng)形式的鉆機(jī)早已不用。

2.燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械。曾研制與應(yīng)用的燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)，可是經(jīng)過鉆井實(shí)踐證明，雖然這種鉆機(jī)可以鉆井，但耗油量太大、不經(jīng)濟(jì)，因此也沒有推廣使用。

3.柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)

1897年，德國工程師狄塞爾發(fā)明了柴油機(jī)。1934年柴油機(jī)開始用于石油鉆機(jī)。柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)的形式有柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)、柴油機(jī)—液力裝置驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)兩大類型。

柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)就是利用柴油機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，主要優(yōu)點(diǎn)是不受地區(qū)限制，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，便于搬遷移運(yùn)，適于野外流動(dòng)作業(yè)。但作為鉆機(jī)動(dòng)力機(jī)也有不足之處，噪聲大、影響工人健康，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)效率低、燃料成本高，這與綠色低碳的主題顯然是相違背的。

柴油機(jī)—液力裝置驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)是柴油機(jī)輸出軸直接連液力變矩器（或耦合器），經(jīng)鏈條并車，然后經(jīng)鏈條、齒輪、萬向軸、膠帶等機(jī)械元件的多種形式組合，實(shí)現(xiàn)減速、換向、倒車。主要優(yōu)點(diǎn)：隨外界載荷變化能自動(dòng)無級(jí)地變速、變矩；驅(qū)動(dòng)絞車時(shí)，可明顯提高鉆機(jī)起升工效；傳動(dòng)平穩(wěn)柔和，吸收沖擊振動(dòng)，延長(zhǎng)了機(jī)械設(shè)備壽命。不足之處是效率偏低，且效率隨渦輪軸轉(zhuǎn)速在很大范圍內(nèi)變化，純鉆進(jìn)驅(qū)動(dòng)泵時(shí)功效明顯低于機(jī)械傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要一套補(bǔ)償和散熱冷卻系統(tǒng)。

當(dāng)前，柴油機(jī)是國內(nèi)機(jī)械鉆機(jī)的主要?jiǎng)恿?，由于柴油價(jià)格較高，且工作噪聲極大，機(jī)械驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)耗能量也高，因此推廣綠色低碳型石油鉆機(jī)具有重大意義。

三、綠色低碳石油鉆機(jī)

1.電驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)

（1）AC-AC驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)。AC-AC（交流-交流）驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)是鉆機(jī)最早采用的電驅(qū)動(dòng)型式。這種驅(qū)動(dòng)形式和柴油機(jī)驅(qū)相比，短時(shí)過載能力強(qiáng)，傳動(dòng)效率高，以實(shí)現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單。但缺點(diǎn)是鉆機(jī)工作轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)且載荷特性為硬特性，不能更好的滿足鉆井需要。

（2）DC-DC驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)。DC-DC（直流-直流）驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)是指多套柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)出直流電，供給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤和鉆井泵。另外還有一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，供照明與鉆機(jī)輔助設(shè)備用電。DC-DC驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：直流電機(jī)具有軟工作特性，其超載荷適應(yīng)性強(qiáng)；直流電機(jī)啟動(dòng)與制動(dòng)軟平穩(wěn)，能夠最大限度地滿足鉆井工藝需要；轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速可以進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)，適用于精確處理打撈作業(yè)。缺點(diǎn)是DC-DC驅(qū)動(dòng)石油機(jī)采用單獨(dú)驅(qū)動(dòng)方式，可靠性較差。

（3）AC-SCR-DC驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)。AC-SCR-DC（交流-可控硅-直流）驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)是指數(shù)臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)出交流電并網(wǎng)輸?shù)酵荒妇€電纜上（或由工業(yè)電網(wǎng)供電），經(jīng)晶閘管整流裝置整流后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，帶動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵。AC-SCR-DC驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：具有DC-DC驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，但不需要專門配備供照明和輔助設(shè)備用電的小型柴油發(fā)電機(jī)組；動(dòng)力使用與分配合理，靈活性好，功率利用率高，鉆機(jī)噪聲小、油污少，較之前面類型驅(qū)動(dòng)的石油鉆機(jī)更符合綠色低碳的要求。缺點(diǎn)是一次性投資費(fèi)用比機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)高，并且交流公共母線上的功率因數(shù)較低。

（4）AC-VFD-AC驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)。AC-VFD-AC（交流-變頻-交流）驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)是指將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到鉆機(jī)的電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)上，使AC-SCR-DC驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)中的直流驅(qū)動(dòng)裝置換成交流驅(qū)動(dòng)裝置，直流電機(jī)變成交流電機(jī)。這類驅(qū)動(dòng)的石油鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有調(diào)速控制系統(tǒng)性能高、啟動(dòng)電流小、工作效率高、過載能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)剎車、使用安全方便、噪聲低、維護(hù)簡(jiǎn)單等。

（5）AC-GTO-AC驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)。AC-GTO-AC（交流-變頻調(diào)速-交流）驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)是新發(fā)展起來的一種先進(jìn)的電驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)，其核心技術(shù)就是采用了交流變頻調(diào)速技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)：鉆機(jī)的絞車、轉(zhuǎn)盤可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，調(diào)速范圍寬；可使電機(jī)短時(shí)增矩達(dá)原來的 1.5～2倍以上，大大提高了鉆機(jī)的提升能力和處理事故的能力；機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化；具有轉(zhuǎn)盤扭矩限制功能，可防止鉆具或機(jī)件扭斷；對(duì)電機(jī)具有安全保護(hù)功能；負(fù)載功率因數(shù)高，具有軟啟動(dòng)性能，可降低供電電源的容量；可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的能量反饋，減少制動(dòng)裝置損耗，節(jié)約能源；容易實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的自動(dòng)化、智能化和對(duì)外界變化的自適應(yīng)控制；安裝、拆卸、搬遷方便靈活。雖然成本較高，但不失為電驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)中最符合綠色低碳要求的石油鉆機(jī)。

盡管電驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)較機(jī)械驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)具備了一定的先進(jìn)性和優(yōu)越性，但同樣也要考慮油耗偏高的問題，可采取諸如盡量減少在網(wǎng)機(jī)組數(shù)量、有效利用輔助發(fā)電機(jī)組等措施，使電驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)更符合節(jié)能減排、綠色低碳的要求。

2.液壓蓄能石油鉆機(jī)

以顧心懌院士為首的科研人員在液壓蓄能修井機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了液壓蓄能鉆機(jī)。液壓蓄能鉆機(jī)充分發(fā)揮了液壓傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，合理地蓄能、用能，達(dá)到節(jié)能和降低整機(jī)的配置功率目的。液壓蓄能鉆機(jī)沒有井架、絞車、天車、聯(lián)動(dòng)機(jī)組和摩擦制動(dòng)系統(tǒng)，整機(jī)制造成本大大降低。目前，液壓蓄能鉆機(jī)在設(shè)計(jì)原則、思路、原理、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵技術(shù)等方面都已經(jīng)取得了顯著成績(jī)，隨著研究的逐步深入，相信未來液壓蓄能石油鉆機(jī)將會(huì)大放異彩。

3.天然氣機(jī)驅(qū)石油鉆機(jī)

天然氣機(jī)驅(qū)石油鉆機(jī)是將天然氣機(jī)引入機(jī)械鉆機(jī)作為動(dòng)力設(shè)備的新型石油鉆機(jī)。通過在井隊(duì)試驗(yàn)證明：采用天然氣機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械鉆機(jī)，可以節(jié)省燃料費(fèi)用27%，降低鉆井成本，減少尾氣污染物排放，一氧化碳排放可以降低17%，碳?xì)浠衔锝档?%，氮氧化合物降低21%，天然氣機(jī)產(chǎn)生的煙度比柴油機(jī)產(chǎn)生的煙度更是極大降低。毋庸置疑，這符合綠色低碳石油鉆機(jī)的發(fā)展需求。

4.其他類型驅(qū)石油鉆機(jī)

混合驅(qū)石油鉆機(jī)：混合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)是指鉆機(jī)有兩種驅(qū)動(dòng)形式，例如機(jī)電、液電等混合驅(qū)動(dòng)型式。

激光石油鉆機(jī)：優(yōu)點(diǎn)是可降低鉆井成本，提高機(jī)械鉆速，改善井控，減少鉆機(jī)平均工作天數(shù)、鉆頭磨損和起鉆下鉆時(shí)間，激光鉆井可精確地控制井眼，并能在井眼周圍形成一層堅(jiān)硬的玻璃化外皮，可最大限度地減少或取消同心套管。

連續(xù)柔管石油鉆機(jī)：早在20世紀(jì)50～70年代，國外已開始研制連續(xù)柔管鉆機(jī)和應(yīng)用連續(xù)柔管鉆井技術(shù)鉆井，現(xiàn)在全世界應(yīng)用連續(xù)柔管鉆井技術(shù)鉆井的國家有美國、加拿大、法國、英國、荷蘭等國家，而在我國連續(xù)柔管鉆井技術(shù)才剛剛起步。

套管石油鉆機(jī)：套管鉆井是一種全新的鉆井工藝技術(shù)，被譽(yù)為是21世紀(jì)的前沿鉆井技術(shù)之一。最大的優(yōu)點(diǎn)是取消了常規(guī)的鉆桿，用套管代替鉆桿進(jìn)行鉆井。隨著套管鉆井工藝技術(shù)的完善和推廣，套管鉆機(jī)也必將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

超高壓射流石油鉆機(jī)：20世紀(jì)80年代開始，美國、中國等國家研制高壓水射流鉆徑向水平井系統(tǒng)和水射流深穿透射孔系統(tǒng)，用于老井改造和增產(chǎn)，提高采收率。除此之外，水射流技術(shù)在切割井口、切割平臺(tái)、滅火、管道清洗等多方面都有應(yīng)用。

四、結(jié)束語

總體上說，目前我國在用石油鉆機(jī)所擁有的技術(shù)落后、安全系數(shù)低。具體表現(xiàn)：在總體方案方面研究不夠、變化不多，先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性不夠；在鉆機(jī)設(shè)計(jì)方面還沒有形成自己成熟、系統(tǒng)、具有自主創(chuàng)新開發(fā)能力的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)技術(shù)；在品種系列方面，雖各種驅(qū)動(dòng)方式、各種鉆深能力鉆機(jī)都已成系列，但均為常規(guī)鉆機(jī)。要想改變這種局面，在技術(shù)層面，技術(shù)產(chǎn)業(yè)化要成熟、科研技術(shù)集成化和高新創(chuàng)新技術(shù)要自主；在設(shè)備方面，應(yīng)遵循深井鉆機(jī)自動(dòng)化、中深井鉆機(jī)模塊化、淺井鉆機(jī)車裝化原則；在其他方面，面向國際市場(chǎng)建立石油鉆機(jī)協(xié)調(diào)機(jī)制，建立科研—生產(chǎn)—應(yīng)用相結(jié)合的鉆井裝備研發(fā)體系，充分利用國內(nèi)市場(chǎng)資源，以市場(chǎng)換技術(shù)，促進(jìn)裝備水平和制造水平盡快提高?；I措資金用于創(chuàng)新項(xiàng)目及技術(shù)改造，重視基礎(chǔ)部件及與主機(jī)相配套輔機(jī)的開發(fā)，提高鉆機(jī)成套生產(chǎn)能力，培養(yǎng)高素質(zhì)石油鉆機(jī)專門人才。