石油钻机的现状及发展前景
摘要：近10年来, 我国石油钻机技术得到最为快速的发展, 制造能力得到极大提高。我国
钻机制造厂制造的各种钻机已基本满足我国石油勘探开发工作自身的需要，已成为全球最大钻机制造国。随着各油田深层油气井勘探开发及参与国际竞争力度的逐年加大, 对深井钻机的需求更加迫切, 为提高钻机的综合利用率, 适应激烈的市场发展, 配备高性能的深井钻机势在必行。文章针对石油钻机适应新工艺的发展,在绞车传动、电动机、辅助制车等方面提出了看法。
关键词：石油钻机 ；现状；发展；
我国石油钻机的现状
40多年来, 我国石油钻机经历了仿制、引进、消化、吸收的过程, 现已进入以自主开发为主的阶段。先后开发了适于陆地、沙漠及海洋作业的石油钻机, 传动技术已发展到机械传动、直流电传动、交流变频电传动及机、电复合传动并举。目前, 我国已形成年制造钻机200台的能力, 已成为全球最大钻机制造国。我国石油钻机技术及制造能力的发展为我国石油工业实施低成本战略, 参与国际市场竞争及保证我国石油安全奠定了良好的基础
一 我国石油钻机发展成绩显著
经过50年的努力, 特别是改革开放后20年的发展, 目前国产石油钻机已经形成了比较完
整的系列, 在品种和质量上基本能够满足在国内不同地区、不同井深和不同环境条件进行油气资源勘探、开发的需要, 近年来还有相当数量的国产钻机在国外承担钻井服务。宝鸡石油机械厂、兰州兰石国民油井石油工程有限公司、南阳二机厂、江汉四机厂等钻井设备制造厂已开发和生产了2 000~ 7 000 m机械驱动钻机、机电复合驱动钻机和整拖式、轮式半拖挂整体移运式钻机; 研制了4 000~ 7 000 m各型直流电驱动钻机、交流变频电驱动钻机和3 000 m 以下各种车装及撬装钻机。
在借鉴国外先进技术的基础上, 我国又相继开发和应用了绞车液压盘式刹车系统、集中控制司钻房、组合式液压站、全液压套管扶正机、液压猫头、液压绞车、各种型式的井口吊装装置、数显防碰装置、大功率柴油机、液力偶合器正车箱、直流电机、交流变频电机等项新技术和新装置。与此同时, 各制造厂又结合国际市场的需要, 在钻机满足HSE 要求方面也采取了新的措施, 并在钻井机械化、智能化方面取得了新进展, 从而使国产钻机的设计、制造、配套技术和钻机整机质量有了明显的提高。大大缩短了与国外钻机的差距, 取得了巨大成就和发展。
我国石油钻机制造厂已先后开发了钻深能力达1 000~ 7 000m 的各型钻机, 满足了目前我国石油工业勘探开发工作的普遍需要, 并且已批量出口。宝鸡石油机械有限责任公司(以下称宝石机械)通过中国石油技术开发公司还向全球最大的钻井公司N abors公司出口了3台7 000 m 交流变频钻机,这标志着我国石油钻机已开始进入世界高端市场。我国自行设计的9 000 m交流变频钻机也即将在宝石机械产出, 9 000 m 钻机的研制成功, 将极大地推动我国石油工程服务技术的发展。
在钻机的移运性上, 我国石油钻机设计人员做了大量卓有成效的工作, 常规陆地钻机的设计已经引入模块化设计理念, 从而降低了对现场起吊设备的要求, 减少了运输车次。此外, 还开发了2 000~ 4 000 m 车装钻机, 1 000~ 5 000 m 拖挂钻机,进一步提高了钻机的移运性能, 实现了产品的集成化或模块化安装及运输, 满足了丘陵、戈壁、沙漠等特殊地区作业的需要。
特别是4 000~ 5 000m 拖挂钻机, 正为我国钻井工程服务参与国际市场竞争发挥重要作用。
经过40余年的发展, 我国已开发了机械传动、直流电传动、交流变频电传动、机电复合传动及交、直流电复合传动钻机。交流变频电传动钻机代表了我国石油钻机技术的最高水平, 它应用了交流变频调速技术, 使绞车、转盘、钻井泵都实现了无级调速。由于调速范围大, 绞车设计为单轴, 经减速器驱动。体积小, 质量轻, 故障少, 可实现极低速及恒扭矩输出, 还可实现数控恒钻压自动送钻。这对提高钻井效率、优化钻井工艺和处理井下事故等都十分有利。其司钻控制系统控制精确, 操作简单, 使司钻摆脱了繁重的体力劳动。据不完全统计, 到2005年10月, 我国已生产交流变频电驱动钻机145台, 其中宝鸡石油机械有限责任公司就达101台, 我国生产交流变频电驱动钻机数量为全球之最。宝石机械能与全球最大的钻井公司Nabors公司一次签约出口3台7 000 m交流变频电驱动钻机, 这标志着我国交流变频电驱动钻机技术达到了世界同类产品先进水平。
海洋钻机多数选配与陆地相同的石油钻机并按海上作业的要求加以模块化, 其适于海上作业的程度体现了整个钻机的技术水平。我国制造厂从20世纪90年代起向国内海洋平台提供成套钻井设备。1991年至1995年, 兰州石油化工机器厂为惠州21- 1平台提供了ZJ45钻机( 5 英寸钻杆), 为惠州26- 1、32- 2、32 - 3平台提供了ZJ32 钻机( 5英寸钻杆)。2004年, 宝石机械分别向惠州19- 2、19- 3平台提供了7 000m直流电驱动钻机, 向春晓项目提供了7 000 m直流电驱动钻机, 2005年向南堡35- 2平台提供了5 000m 直流电驱动钻机, 目前正为番禺30- 1平台制造7 000m 直流电驱动钻机。我国自产海洋钻机在使用中都表现出了良好性能。通过这些钻机的设计制造, 我国制造厂锻炼了队伍, 积累了经验, 提高了设计制造能力, 完全具备了设计制造7 000m 以下海洋钻机的能力。
我国从20世纪90年代开始研制盘式刹车。目前该种刹车已得到普遍应用, 约85% 的钻机都配备了盘式刹车。该刹车的应用降低了司钻的劳动强度, 提高了作业过程的安全性, 利用盘式刹车可实现恒钻压自动送钻, 提高送钻的均匀性, 减小钻压波动, 提高机械钻速。我国的盘式刹车已达到国际先进水平, 不仅在陆地钻机上得到普遍使用, 宝石机械还把它用在惠州及春晓的海洋7 000 m 钻机上, 也表现出良好的可靠性和安全性。
20世纪90年代, 中国石油勘探开发研究院机械所与宝鸡石油机械厂(现宝石机械的母体) 合作研制成功4 500 kN 顶部驱动钻井装置, 使我国成为世界上能生产顶部驱动钻井装置的第5个国家。目前, 石油勘探开发研究院机械所已和北京石油机械厂合作实现了4 500 kN 交流变频顶部驱动钻井装置制造的产业化, 6 750 kN交流变频顶部驱动钻井装置样机也已研制成功, 准备为9 000 m钻机配套。同时, 宝石机械的4 500 kN 交流变频顶部驱动钻井装置也即将出样机。我国顶部驱动钻井装置已达到国外同类产品的先进水平, 可满足我国目前钻机的配套要求。
二 石油钻机整体技术与国外的差距
虽然, 我国现有石油钻机技术总体上接近或达到了国外同类产品的先进水平。目前, 基本可以满足国内勘探开发工作的一般性需要。但是, 行业的整体技术与国外的差距也是不可忽视的。这些差距导致我国石油钻机已满足不了我国工程技术服务开拓国际市场的需要, 更满足不了我国石油工业实施新的钻井技术的需要。现在，我国与国外主要存在以下差距：
1.钻机的钻深能力尚有差距
目前, 我国石油钻机最大钻深能力为7 000 m( 42英寸钻杆) , 满足不了胜利、塔里木等油田超深井陆上油田钻井的需要, 更满足不了陆上及海上钻超深水平井及大位移井的需要, 也满足不了我国工程技术服务队伍出国作业的特殊需要。目前, 我国钻机绞车的最大功率为1 471 kW, 而美国V arco公司的交流变频绞车功率已达5 220 kW, 德国W irth公司生产的交流
变频钻机绞车已达4 922kW, 钻深能力可达15 000 m。钻深能力超过7 000 m 的石油钻机还是空白。适应沙漠、戈壁、沼泽地等环境的钻机研制工作才刚刚起步。 2.大型拖挂钻机还没出样机
钻机的集装化程度低。井架、底座等设备的质量仍较重, 钻机搬家占用车辆多, 安装和拆卸时间长。拖挂钻机的主要优点是移运性好, 搬家车次少、时间短, 节约成本, 适于在沙漠、平坦地区作业, 特别是在沙漠地区, 如用陆上常规钻机钻井,其运输将成为主要问题。我国拖挂钻机最大钻深能力为5 000 m, 而在美国7 000 m 拖挂钻机的技术已很成熟, 显然我国拖挂钻机满足不了工程技术服务队伍开拓国际市场的需要, 中石油集团长城钻井公司急需大型拖挂钻机出国服务。 3.极地钻机存在差距
极地钻机是指适于在- 40℃以下低温地区作业的钻机。目前宝石机械正在研究其结构件、天车、游吊系统及电气元件等技术, 难度较大, 研究工作已取得一定的成果。在美国、意大利及俄罗斯, 极地钻机的技术已很成熟, 其钻机分别在美国阿拉斯加、冰岛及俄罗斯等寒冷地区作业。
4.连续油管钻机的研究刚起步
连续油管钻机是通过注入头向井中下入连续油管, 利用井下动力钻具钻井的钻机。连续油管钻井作业适合于在地面条件受限制的地区或海上平台钻井和过油管钻井, 特别适用于小井眼钻井、欠平衡钻井、水平井及大位移井钻井。在国外连续油管钻井已应用到油气勘探开发的各个领域, 投入使用的连续管钻机已达800多台。1997年全世界用连续管钻机约600 余台, 至2003 年底共钻井约7 000口。美国在2003年以后每年用小井眼连续油管技术钻2万口浅层开发井、100口油藏数据监测井、3 000口浅层老井加深井、100口深层勘探井, 而在我国宝石机械正在进行方案调研攻关。
5.超深井钻机配套设备不能满足目前钻机的配套要求和技术发展的需要
我国大钩、水龙头最大静载荷只能达到4 500 kN, 且产能不足, 满足不了自己配套的要求, 转盘最大开口直径只能达到952 mm ,只能为7 000m钻机配套。美国V arco公司的大钩、水龙头的最大静载荷已达到10 000 kN, 转盘最大开口直径也达到1 537mm , 可满足15 000 m钻机的配套要求。
6.交流变频钻机转盘防倒转技术尚不成熟
我国交流变频电驱动钻机曾不止一次发生转盘倒转问题, 主要是电控系统设计有问题, 为此, 需解决2个问题。一是当井下阻力矩增大到一定值或钻进过程中停车时, 电动机可实现堵转, 即输出转速为零, 同时保持电动机的输出扭矩等于钻杆的反扭矩; 二是当出现上述工况时, 电控系统应能吸收钻杆已储蓄的反转势能, 以防止钻杆拖动转盘和电动机高速反转, 造成钻杆脱扣等事故。
7.钻杆自动排放系统和液缸升降式液压钻机尚处于空白
钻杆自动排放系统可避免作业人员上井架二层台排管作业, 减轻工人劳动强度, 减少事故风险。该技术在我国尚处于空白, 而在美国和意大利都是成熟技术, 可按客户的要求配置在不同的钻机上。
液压缸升降式液压钻机没有常规钻机的绞车、转盘和井架。它利用顶部驱动钻井装置旋转钻柱,利用液压油缸提升和下放钻柱, 并可自动送钻。该种钻机在我国尚处于空白, 并且也没有开展研究工作。挪威在20世纪90年代末已将该种液压钻机用于海洋钻井船, 钻深能力达到10 058 m, 意大利Drillmec公司也于1994 年开发成功升降式液压钻机, 其HH300型最大提升能力为2 720 kN, 各型液压钻机已生产30 余台, 订单累计已达50余台。产品表现出良好的性能。使用该钻机1个井队只需15人, 远低于我国目前平均人数49人。
目前, 国内生产的石油钻机, 主机( 如提升系统、泥浆泵、转盘、井架、底座、绞车) 与国外同类产品差距不大, 但综合性能尚不能完全满足恶劣环境地区和特殊钻井工艺的要求。 各部件之间的配置不够合理。如4 000~7 000 m机械驱动石油钻机都配装了3 台810 kW的柴油机, 都采用8 排44.45 mm的并车传动链条, 而美国国民油井公司7 320 m 钻机相当ZJ70L 型钻机也只装了3 台D399( 760 kW) 柴油机和8 排38.1 mm的并车传动链条。各部件配置不合理现象既增加了设备的一次性投资,也因匹配不当造成燃油消耗过大而导致运行成本高,并使得小钻机的体积和质量居高不下, 提高小钻机移运性的技术难度增大。
机械化、智能化、信息化进程滞后, 影响了钻井速度和钻机质量的进一步提高。机电液一体化技术、设备和系统应用较少, 目前仍处于发展阶段。而且国产石油钻机使用的基础件品种规格少、质量较差、性能较落后, 如用于电驱动钻机的柴油发电机组、钻井仪表系统、机械钻机用高速柴油机、阿里逊传动箱、轴承、小节距多排传动链条和高质量的固控净化设备等, 仍需进口配套, 使钻机的投资成本增大。
国产钻机的发展方向
一 各级钻机的发展趋势
对3 000 m 以下的钻机, 由于钻井载荷小、钻井周期短、搬家频繁, 要求钻机要具有良好的移运性、经济性、技术先进性和可靠性。根据地域条件和运输条件的要求, 可分为车装钻机和撬装钻机2 种形式, 应大力推广车装钻机, 同时发展撬装钻机, 电力供应充足的地区, 使用电驱动钻机。今后需要开发高速柴油机、阿里逊传动箱和小节距传动链条。
4 000 m 钻机是当前乃至今后一个时期内在国内使用的主力机型钻机, 市场需求量较大。该级别钻机要充分体现结构紧凑、运输单元少、拆装方便、移运快捷、可靠性高、价格适中等特点。对于该级别钻机应以机械驱动钻机为主, 其重点是发展机电复合型钻机、适当发展交流变频电驱动钻机。
对于5 000~ 7 000 m 钻机, 由于多用于钻探井、深井和开发井。该级别钻机要求技术含量高、性能先进、质量可靠、操作维修简便、机械化、自动化、智能化程度高, 并具有良好的移运性。从使用条件和钻机投资成本综合考虑, 该级别钻机发展方向是电驱动钻机和机械驱动钻机并存发展。电驱动钻机主要用于国际承包钻井; 机械驱动钻机立足满足国内需求, 部分用于国际承包钻井。电驱动钻机分为直流电驱动和交流变频电驱动2种形式, 与直流电驱动钻机相比, 交流变频驱动具有调整范围更宽、功率因数高、电机防爆性能好, 易实现智能化操作等更优异的特点, 因此, 交流变频电驱动钻机是今后发展的主要方向。链条并车驱动形式是机械钻机发展的主流, 皮带驱动钻机将逐渐被淘汰。从结构简便, 适应能力更强、动力灵活分配、节约钻机投资和钻井成本等综合因素考虑, 应大力推广和应用机电复合形钻机, 这种钻机为柴油机液力耦合器正车箱传动、整体链条箱并车、联动发电机组、交流变频转盘独立驱动。这类钻机是大、中型机械驱动钻机发展的方向。提高钻机集装化程度和高移运性能, 是今后亟待解决的重点。大型钻机应采用轮式运输方式; 中、小型钻机应采用独立驱动大模块运输形式或车载形式。要实现的关键是必须对模块合理组合,简化传动结构、减小设备外形尺寸和减轻设备质量等方面下功夫。9 000 m 级钻机在国内尚属空白, 为适应向更广阔领域及更深埋藏油气资源勘探开发的需要, 应积极进行前期开发。
二 钻机主要部件及系统发展
钻机的技术先进性和质量的可靠性主要体现在钻机主要部件的先进和可靠性方面。因此, 优化钻机部件和系统设计, 是要解决的最主要问题。目前,钻机提升部件和转盘已形成较完整的系列, 品种较齐全, 产品性能基本能够满足钻机配置要求, 顶部驱动装置的进一步发展,
将会使钻机提升系统更加完善。
1.采用新型匀速盘式刹车结合电子司钻
该系统已在国外钻机上得到应用。它可取代常规带式刹车和电磁刹车系统, 并利用电子司钻控制钻压误差, 可根据不同地层条件、钻压、压差和扭矩等参数, 迅速优化钻井参数, 使钻头能保持稳定的钻井状态, 实现自动送钻功能。 2.大力发展顶部驱动系统
顶部驱动系统是20 世纪80 年代初发展的新技术。由于其先进的技术、优越的性能, 在国外得到广泛应用。国产顶部驱动装置系统现已进入工业运行阶段, 但要使国产顶部驱动装置系统形成较完整的系列产品, 并满足各种钻机配置需求, 还需要一个较长的过程。顶部驱动系统主要有液力驱动、直流电驱动和交流变频驱动3 种形式。交流变频驱动代表着顶部驱动系统今后的发展方向。 3.机械驱动钻机并车传动装置
该装置主要是要合理配置柴油机功率, 提高传动效率, 降低燃油消耗。钻深4 000~ 7 000 m 的钻机以3 台柴油机、液力耦合器正车减速箱机组+ 整体并车链条箱的传动方式为宜, 4 000、5 000、7 000m 钻机分别采用不同规格的并车链条。复合驱动钻机的并车传动装置, 还应配置交流发电机组。 4绞车
a) 机械驱动钻机的绞车为多轴链条驱动, 主刹车采用液压盘式刹车, 辅助刹车配涡流刹
车或伊顿刹车。设4 或6 个正档和2 个倒档, 采用气缸换档或气胎离合器换档方式。绞车设置电机应急装置, 该装置采用45 kW( 或55 kW) 交流变频电机+行星减速器, 可在特殊情况下用于起放井架; 在主系统发生故障或井喷时可活动钻具或提出钻具; 在正常钻井时可用作自动送钻。机械驱动钻机绞车关键是要简化传动方案, 解决好绞车密封性能和提高可靠性。
b) 交流变频电驱动钻机的绞车采用单轴齿轮传动结构, 由高速、宽频、大功率、高扭矩交
流变频电机驱动。主刹车采用液压盘式刹车, 辅助刹车采用电机能耗制动, 配装自动送钻装置, 转盘独立电驱动。要进一步提高绞车安全可靠性、技术先进性和自动化、智能化水平, 同时还要尽量减轻绞车质量,减小外形尺寸, 降低制造和运输费用。 5.井架
轻型车装和撬装钻机, 推广采用液缸伸缩式井架; 常规陆地中深井以上钻机采用低位安装, 整体起升的K 形井架; 对于在城市、沼泽、丘陵山地、浅滩、海洋等环境条件下使用的钻机, 因为井场面积受到限制, 要积极推广自举式井架。 6.底座形式
深井、中深井机械钻机推广块装、箱装式底座;电动钻机采用双升式、旋升式底座; 5 000 m 以上钻机可采用轮胎拖座式底座, 搬家时用牵引车拖走, 以提高其移运性, 减少拆装工作量。
三 海洋石油钻机
近年来, 随着世界范围内油气资源消耗的递增和陆地原油开采速度的加快, 海洋领域内的油气勘探开发已成为新的焦点。未来的15～20年, 将是我国海洋钻井市场实现快速发展的关键时期。由于我国对油气资源的巨大需求, 国内主要石油公司均制定出各自的深水钻井装备计划。在未来5年里,中国海洋石油总公司将投资1 200亿元用于海上油气勘探和开发, 海洋工程装备投资是其中的主要部分, 需新建各种固定和移动式生产钻井平台70多座, 其中新建多座自升式和半潜式钻井平台。另外, 我国中石油、中海油、中石化三大石油集团公司均已开始了海洋深水油气勘探开发装备的研究工作, 计划在“十二五”期间研制我国具有
