提速提效石油鉆機技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展思路

王定亞，忽寶民

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2．國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)①

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提速提效石油鉆機技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展思路

王定亞1，2，忽寶民1

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2．國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)①

概述了提速提效石油鉆機的技術(shù)現(xiàn)狀，重點對國內(nèi)近年來開發(fā)的幾種提速提效鉆機新技術(shù)進行了介紹。結(jié)合石油鉆機發(fā)展趨勢，提出了今后應(yīng)進一步開展四單根管柱自動處理鉆機、陸地雙井口鉆機、液壓驅(qū)動無絞車式鉆機和一鍵操作式全自動化鉆機等提速提效石油鉆機的技術(shù)發(fā)展思路。

鉆機；提速提效；技術(shù)現(xiàn)狀；發(fā)展思路

石油鉆井裝備高效、快速發(fā)展的時代已經(jīng)過去，面對當前持續(xù)低油價時期的到來，作為石油企業(yè)要想擺脫當前的困境，走出低谷、持續(xù)發(fā)展，其壓縮開資、創(chuàng)新創(chuàng)效、降低成本等已成為解決或緩解當前經(jīng)濟壓力的有效途徑。這就對石油鉆采裝備如何適應(yīng)新形勢下的要求提出了挑戰(zhàn)，即在保證裝備投資減少、人工成本下降、運輸費用降低的情況下，如何使裝備的效能、效率發(fā)揮到最大等已成為當前及今后幾年技術(shù)開發(fā)工作的重中之重。為此，研究和開發(fā)適合滿足當前油田工作急需和保持裝備技術(shù)持續(xù)發(fā)展的提速、提效石油鉆井裝備已成為每個裝備制造企業(yè)的生存和發(fā)展之道。

1　提速提效石油鉆機發(fā)展現(xiàn)狀[1-2]

石油鉆機作為石油勘探、鉆井的主力設(shè)備，其技術(shù)性能和質(zhì)量的不斷提升及智能化、自動化程度的快速發(fā)展，為鉆井效率的不斷提高、安裝搬家速度的加快和鉆井用工的減少等總體成本的下降帶來了前所未有的效果。西方發(fā)達國家經(jīng)過上百年的不斷探索和發(fā)展進步，在石油裝備領(lǐng)域長期占領(lǐng)著技術(shù)高地，尤其在提速、提效鉆井自動化、智能化等大型設(shè)備研發(fā)方面及先進鉆井、作業(yè)工具等小型化設(shè)備發(fā)展方面都有著自己獨特的技術(shù)優(yōu)勢。例如，全液壓自動化鉆機、海洋高端鉆井裝備、高效長壽命鉆頭及各種優(yōu)質(zhì)鉆井工具等一直引領(lǐng)著世界技術(shù)的發(fā)展。與此同時，我國通過數(shù)十年的努力，特別通過近15 a來的高速發(fā)展，在石油鉆采裝備技術(shù)開發(fā)上也上升到了一個新的高度，諸多新裝備、新技術(shù)已逼近或達到世界先進水平行列，局部或單元技術(shù)甚至達到了世界先進水平。例如，我國在交流電動鉆機、頂部驅(qū)動鉆井裝置、高壓大功率鉆井泵等多個方面無論從技術(shù)性能、產(chǎn)品規(guī)格，還是銷售數(shù)量、產(chǎn)品質(zhì)量等均已接近或超過西方發(fā)達國家，且得到了世界多個國家的普遍認可，其產(chǎn)品遍布世界各大主要產(chǎn)油區(qū)，為世界石油事業(yè)的整體發(fā)展及我國石油裝備地位的提升做出了重大貢獻。雖然如此，就其部分核心技術(shù)及單元設(shè)備而言，我國與世界強國相比，仍然存在著一定差距，例如在動力裝備、變頻器、液壓、電氣控制單元設(shè)備等方面，我們的技術(shù)仍顯得比較落后，在產(chǎn)品配套、系統(tǒng)集成方面還需要花高昂的價格從國外進行采購，這增加了設(shè)備的投資成本，對當前世界持續(xù)低油價驅(qū)使下的控成本、低投入發(fā)展來說極為不利，仍需要我們潛心研究并不斷追趕世界一流水平。

2　我國提速提效石油鉆機新技術(shù)

市場發(fā)展規(guī)律和市場發(fā)展形勢需要有不斷創(chuàng)新的技術(shù)和新的產(chǎn)品來引領(lǐng)時代發(fā)展的潮流，并助推整個石油行業(yè)的快速進步。近年來，隨著石油鉆井裝備技術(shù)的更新要求和產(chǎn)品升級轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要，國內(nèi)以寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械)、四川宏華石油設(shè)備有限公司(以下簡稱四川宏華)等為代表的一批企業(yè)，已開始將眼光轉(zhuǎn)向鉆機提速提效功能開發(fā)上來，并先后開發(fā)了適合不同地域和不同用戶需求的多種石油鉆機，不僅使鉆機的整體性能得到了有效提升，而且也特別適應(yīng)當前油田低成本、高效能鉆井的發(fā)展需要，以下就幾種典型案例進行介紹。

2.1管柱自動化處理石油鉆機[3-4]

2014年以來，寶石機械在國內(nèi)陸地鉆機上率先研制成功具有全自動管柱處理能力的3種陸地石油鉆機，包括2臺7 000 m鉆機和1臺5 000 m鉆機，并已先后投入大慶鉆探工程公司、川慶鉆探工程公司使用，效果良好。目前該技術(shù)已形成推扶式和懸持式2種結(jié)構(gòu)形式，訂貨數(shù)量已有8臺，市場前景看好。

管柱自動化石油鉆機可以實現(xiàn)鉆柱從排管架到立根臺排放全過程自動化操作，該系統(tǒng)主要由動力貓道、液壓吊卡、動力卡瓦、鐵鉆工、鉆臺機械手、二層臺機械手(或自動井架工)、氣動指梁等一套具有全自動控制功能的工具和設(shè)備構(gòu)成。其工作按照程序和節(jié)點可分為4個步驟實現(xiàn)。

1)實現(xiàn)單個鉆柱從排管架向鉆臺面的運送。

2)在鉆臺面完成建單根作業(yè)(即實現(xiàn)3個鉆桿的對扣連接)。

3)完成單根在立根臺的排放作業(yè)。

4)實現(xiàn)立根在二層臺指梁內(nèi)的位置鎖固。

其特點主要包括：

1)有效壓縮了鉆井準備時間，提高了鉆井工作效率。

2)實現(xiàn)了二層臺高空無人作業(yè)，降低了安全風險。

3)減輕了人工勞動強度，可以有效減少井隊人員配置。

4)管柱處理系統(tǒng)配置方式靈活，適應(yīng)性強，即可用于新鉆機配套，也可用于老鉆機改造。

2.2四單根立柱超深井鉆機[5]

ZJ90/6750DB-S型四單根立柱超深井鉆機由寶石機械等單位于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庫車山前“大北305井”7 515 m探井的科研任務(wù)，安全作業(yè)440 d，經(jīng)歷2次10～12級大風的考驗，起下鉆40余趟，工作性能穩(wěn)定，作業(yè)效率高。

ZJ90/6750DB-S型四單根立柱鉆機為復(fù)雜深井的鉆探提供了良好的技術(shù)支撐，是當前油田提速提效鉆井的理想設(shè)備。鉆機首次采用了超高、重載、無繃繩K型井架和滿足鉆機起升所需超大滾筒、高速大功率減速機構(gòu)的鉆井絞車，同時匹配有特殊要求的天車、游吊裝置等。與常規(guī)三單根立柱鉆機相比，其突出優(yōu)點體現(xiàn)在：①全井深起下鉆綜合提速效率高；②可減少在復(fù)雜井段停留的時間，無故障安全性能好，有效縮短了鉆井周期；③充分利用了立體空間位置，減小立根臺的存放面積和二層臺指梁結(jié)構(gòu)；④適應(yīng)性強，不僅適合塔里木等沙漠地區(qū)，同時也適應(yīng)川渝、松遼等復(fù)雜深層油氣資源勘探井的開發(fā)需要。

2.3大模塊快速移運式鉆機[6-7]

2009年以來，寶石機械為阿聯(lián)酋國家鉆井公司(NATIONAL DRILLING COMPANY，以下簡稱NDC)先后研制了一批具有高配置、高質(zhì)量、大模塊移運鉆機，鉆機型號包括ZJ70/4500DBT和ZJ50/3150DBT 2種類型，整個鉆機按照功能區(qū)域劃分集成為幾個大的運輸模塊，可適應(yīng)不同鉆井距離要求和不同鉆井工況下的移運要求。

NDC 5 000 m和NDC 7 000 m鉆機運輸模塊按單元劃分為主機移運模塊、發(fā)電機組移運模塊、電控系統(tǒng)移運模塊、鉆井泵組移運模塊及各種罐體、房體移運模塊幾大部分。其中，鉆機主機移運模塊又具有鉆機直立移運和分體移運2種模式，分體移運還可根據(jù)實際需要進一步進行拆分及組合，運輸方式非常靈活。特別是NDC 7 000 m鉆機為了滿足叢式井鉆井需要，除上述多組合移運方式外，還分別在鉆機主機模塊和鉆井泵組模塊上配備了步進移運系統(tǒng)，可以實現(xiàn)橫向、縱向和斜向、旋轉(zhuǎn)等各種復(fù)雜工況的移運要求，不僅搬家運輸效率高，可有效節(jié)省人力和物力資源成本，而且特別適合沙漠等特殊地區(qū)的使用要求。

2.4人工島模塊化石油鉆機[8-9]

采用人工島進行海洋油氣開發(fā)不失為一種經(jīng)濟實惠的方法，可以有效節(jié)約鉆井投資成本。近年來，寶石機械和四川宏華分別研制成功適應(yīng)人工島用模塊化特深井石油鉆機。其中寶石機械為我國冀中人工島和月中人工島分別研制了5套7 000 m鉆機和2套5 000 m鉆機；四川宏華近年來為阿聯(lián)酋NDC鉆井公司研制了9 000 m人工島鉆機，為我國開發(fā)人工島叢式井鉆機奠定了良好的基礎(chǔ)。

寶石機械為冀中人工島研制的7 000 m鉆機，可以在環(huán)形軌道上整體移運，其環(huán)形軌道移動技術(shù)為全球首創(chuàng)，可通過液壓動力移動井位，既節(jié)省鉆機搬遷時間，又節(jié)省泥漿和鉆具，可邊鉆邊采；同時，該鉆機主機還具備橫向移動功能，能夠?qū)崿F(xiàn)在軌道上同時鉆雙排井的工作需要。該公司為月中人工島研制的5 000 m鉆機，將主模塊和循環(huán)模塊軌道式滑行雙向移動技術(shù)與超高鉆臺技術(shù)同時應(yīng)用于海油陸采，大幅降低了鉆機開發(fā)成本。四川宏華為NDC研制的9 000 m人工島鉆機，不受軌道等條件限制，其鉆機移運模式和鉆井泵移運模式采用哥倫比亞進口的步進移運裝置來實現(xiàn)鉆機橫向、縱向和斜向、旋轉(zhuǎn)等不同方位下的鉆井工作需要，移運方便，工作靈活。

3　提速提效石油鉆機發(fā)展思路

技術(shù)發(fā)展的步伐將不斷催生新技術(shù)的誕生，石油鉆機作為石油勘探開發(fā)的主力裝備，尤其在當前情況下，將如何發(fā)展，將向著那個方向發(fā)展，都需要進一步分析探討，以下結(jié)合當前國際國內(nèi)石油鉆井裝備的發(fā)展動態(tài)及發(fā)展趨勢，并結(jié)合自己的一些看法來談幾點有關(guān)提速提效鉆機的發(fā)展思路。

3.1四單根管柱自動處理鉆機

將當前四單根立柱鉆機技術(shù)與管柱自動化處理系統(tǒng)技術(shù)相融合，開發(fā)一種既具有四單根立柱功能，又具有自動化管柱處理系統(tǒng)的新型復(fù)合鉆機是今后石油鉆機的發(fā)展方向，不僅能夠有效提高鉆機的工作效率、完善鉆機性能，而且可以有效縮短鉆井周期，節(jié)約鉆井成本，尤其在深井、特深井石油鉆機上開展該項技術(shù)研究的優(yōu)勢會更加明顯。

3.2陸地雙井口石油鉆機[10]

雙井口鉆井技術(shù)起源于海洋石油鉆井技術(shù)領(lǐng)域，其技術(shù)應(yīng)用在西方發(fā)達國家已非常成熟，其優(yōu)點是通過在實施一個井口正常鉆井的條件下，可充分利用另一個井口提前做好鉆井前的技術(shù)準備工作，以節(jié)約鉆井時間，提高鉆井效率。該技術(shù)在陸地鉆機上的推廣應(yīng)用，從技術(shù)層面上沒有太大的難度，不僅能為新的鉆井模式提供新的鉆井工藝方法，尤其非常適合于叢式井鉆井作業(yè)要求。

3.3液壓驅(qū)動無絞車式鉆機[11]

改變當前機械傳統(tǒng)絞車驅(qū)動鉆井模式，對鉆機進行必要的改造，采用直立式液壓缸通過鋼絲繩滑輪機構(gòu)直接帶動頂驅(qū)實施鉆井工作，不僅減少了鉆井絞車、游吊系統(tǒng)等傳統(tǒng)鉆臺設(shè)備的配置，而且有效簡化了井架等結(jié)構(gòu)件形式，開闊了鉆臺面空間和視野，并使鉆機的控制性能得到了良好的改善。這是當前情況下需要不斷研究的一項重要工作，也是未來石油鉆機發(fā)展的方向之一。

3.4一鍵式操作全自動化鉆機

針對當前自動化管柱處理系統(tǒng)從排管架開始，經(jīng)過貓道將鉆桿輸送到鉆臺、再經(jīng)過建立單根，最后到二層臺排管等各個環(huán)節(jié)、多個步驟分段式控制操作方式，開發(fā)和研究整套系統(tǒng)或按照操作流程劃分成幾個大的節(jié)點分步實施等形式進行一鍵式管柱處理操作模式，不僅能夠簡化整個系統(tǒng)的操作流程、節(jié)省鉆井準備時間，提升鉆機工作效率，而且可進一步提升鉆機的自動化工作水平，增加國際競爭力等，其意義深遠，是今后石油鉆機自動化水平進一步提升的有效渠道。

4　結(jié)語

石油鉆機經(jīng)過上百年的發(fā)展和更新完善，為世界石油工業(yè)的整體發(fā)展做出了重要貢獻。但是，面對當前新目標、新時期、新形勢，如何滿足當前條件下石油鉆機的開發(fā)及市場需求是擺在我們面前的主要議題。圍繞國家“一帶一路”和“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略，認真做好基礎(chǔ)研究和創(chuàng)新研究工作，真正從“中國制造”邁向“中國智造”、“中國創(chuàng)造”是我們國家不斷走向強盛、走在國際前列的重要標志。為此，為保障國家安全和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展大局，大力開發(fā)滿足具有高速高效要求及適應(yīng)性強、性能好、技術(shù)先進的石油裝備仍然是今后需要進一步發(fā)展的重點工作，尤其對緩解當前的經(jīng)濟壓力、克服低油價帶來的被動局面有著重要的現(xiàn)實意義，需要我們不斷努力并做出新的貢獻。

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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

國家科技重大專項 “深井超深井鉆井關(guān)鍵技術(shù)與裝備”項目(2016ZX05020)

王定亞(1964-)，男，陜西隴縣人，高級工程師，碩士，1989年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)機制專業(yè)，現(xiàn)從事科技管理及石油鉆采裝備技術(shù)研發(fā)工作，E-mail：hys_wdy@bomco.cn。

TE922

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.010