超深井鉆機(jī)

超深井由于其建井、鉆井和完井時(shí)間都比較長(zhǎng)，而且普遍存在地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，因此對(duì)鉆井設(shè)備的要求是：①可靠性高；②過(guò)載能力大，能夠及時(shí)處理井下事故；③同時(shí)超深井鉆井還有一個(gè)特殊性，就是起下鉆所用的時(shí)間在整個(gè)鉆井過(guò)程中所占的比重非常大，因此鉆井效率也是考核鉆機(jī)的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。1.1.1 國(guó)外超深井鉆機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀為了適應(yīng)勘探開發(fā)更深地層油氣藏的需要，深井石油鉆機(jī)趨向大型化，要求功率大、性能好、自動(dòng)化程度高，可滿足和適應(yīng)深井鉆井的多種需要。鉆機(jī)鉆深能力已達(dá)15000m，最大鉤載達(dá)12500kN。為了提高起升工作效率，絞車功率有進(jìn)一步提高的趨勢(shì)，功率5220kW的絞車已經(jīng)問世。另外，國(guó)外開始將交流變頻技術(shù)應(yīng)用于大型超深井鉆機(jī)。目前，美國(guó)鉆機(jī)技術(shù)水平代表著國(guó)際上石油鉆機(jī)的最高水平，其中以National Oilwell Varco公司為代表，其主要特點(diǎn)是：①鉆機(jī)趨向大型化、結(jié)構(gòu)型式多樣化。如絞車功率可達(dá)4477kW，鉆井深度可達(dá)15000m，泥漿泵的水馬力達(dá)2350kW，車裝式、拖掛式、橇裝模塊式種類齊全。②電氣傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步使得傳動(dòng)更加簡(jiǎn)單，特別是廣泛使用了交流變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)。已開發(fā)出Wirth和Varco ADS齒輪傳動(dòng)單軸絞車，還可以使用主電機(jī)能耗制動(dòng)取代輔助剎車。③新型的一體化旋升式井架和底座、多節(jié)自升式井架的起放更安全，使鉆機(jī)在鉆井過(guò)程中更穩(wěn)定，占用井場(chǎng)面積更小。④盤式剎車、頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置、立根自動(dòng)排放機(jī)構(gòu)、鐵鉆工裝置的使用，使鉆井智能化、自動(dòng)化成為現(xiàn)實(shí)，使科學(xué)鉆井成為可能。⑤鉆機(jī)移運(yùn)性能不斷提高，快速搬遷能力成為鉆機(jī)的關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)力。⑥注重以人為本，更加適應(yīng)HSE要求。挪威MH公司研究開發(fā)Ramrig液壓驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)，鉆深15000m，額定載荷為9800kN。此外，前蘇聯(lián)烏拉爾重型機(jī)器制造廠、加拿大公司和德國(guó)德馬克公司等均生產(chǎn)了鉆井深度大于12000m的超深井鉆機(jī)。（1）美國(guó)NOV公司（National Oilwell Varco，國(guó)民油井瓦科公司）早年生產(chǎn)的超深井鉆機(jī)主要是直流電驅(qū)動(dòng)，其代表產(chǎn)品主要有E3000/E3000-UDBE及4000-UDBE型，絞車功率分別為2237kW和2983kW，名義最大鉆深分別可達(dá)9144m和12192m，為內(nèi)變速多速絞車，主剎車有帶式剎車和液壓盤式剎車，輔助剎車均為電磁渦流剎車。由于受直流調(diào)速范圍的限制及大功率鏈傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)限制，這種內(nèi)變速多速絞車的發(fā)展有一定的局限性。隨著交流變頻技術(shù)的發(fā)展，大功率變頻調(diào)速技術(shù)的成功應(yīng)用，超深井鉆機(jī)目前以交流變頻驅(qū)動(dòng)為主。目前，美國(guó)NOV公司超深井鉆機(jī)配置的絞車有單速和雙速，基本都是齒輪傳動(dòng)，絞車功率為2983～5220kW，各個(gè)級(jí)別都有產(chǎn)品，主剎車采用的是主電動(dòng)機(jī)能耗剎車，輔助剎車采用的是液壓盤式剎車；配有 P型和 FC型鉆井泵，功率均為1641kW，壓力51.7MPa；配有的3種轉(zhuǎn)盤；有7350kN、9800kN的大鉤、水龍頭（工作壓力51.7MPa）。國(guó)內(nèi)進(jìn)口有多臺(tái)E3000型電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，該鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1.1（紀(jì)人公等，1994）。表1.1 美國(guó)NOV公司E3000型鉆機(jī)基本參數(shù)（2）美國(guó)Rowan公司美國(guó)Rowan公司是一家生產(chǎn)制造大型鉆井平臺(tái)、特深井陸地鉆機(jī)和海洋陸地鉆井服務(wù)的上市公司，已生產(chǎn)制造了9 臺(tái) 9000m和 3 臺(tái) 12000m陸地特深井鉆機(jī)，改造了12000m鉆機(jī)2臺(tái)。中國(guó)石化集團(tuán)公司決定從Rowan公司購(gòu)買一臺(tái)12000m鉆機(jī)，鉆機(jī)基本參數(shù)見表1.2（孟祥卿等，2006）。表1.2 美國(guó)Rowan公司12000m鉆機(jī)基本參數(shù)（3）前蘇聯(lián)的烏拉爾機(jī)械-15000型鉆機(jī)前蘇聯(lián)科拉超深井（СГ-3）于1970年5月開始鉆進(jìn)，其目的任務(wù)：①研究科拉半島地區(qū)波羅的地盾太古宙結(jié)晶基底和含鎳的貝辰加雜巖的深部結(jié)構(gòu)，查明包括成礦作用在內(nèi)的地質(zhì)作用的特點(diǎn)；②查明大陸地殼內(nèi)地震界面的地質(zhì)性質(zhì)并取得有關(guān)地球內(nèi)部熱狀態(tài)、深部水溶液和氣體的新資料；③獲得最充分的有關(guān)巖石物質(zhì)成分及其物理狀態(tài)的信息，揭露和研究地殼花崗巖層和玄武巖層之間的邊界帶；④完善現(xiàn)有的和創(chuàng)立新的超深鉆進(jìn)的技術(shù)和工藝，以及深部巖石和礦石的綜合地球物理研究方法（E.A.科茲洛夫斯基，1989）。СГ-3井使用渦輪馬達(dá)和鋁合金鉆桿，進(jìn)行超前孔裸眼鉆進(jìn)，第一階段鉆進(jìn)至7263m井深，采用烏拉爾機(jī)械-4З鉆機(jī)（表1.3），第二階段從7263m開始采用烏拉爾機(jī)械-15000鉆機(jī)（表1.3）。表1.3 科拉超深井的鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)（4）德國(guó)的UTB-1型KTB鉆機(jī)聯(lián)邦德國(guó)大陸深鉆計(jì)劃（KTB）是德國(guó)第一個(gè)國(guó)家的大規(guī)模地學(xué)研究計(jì)劃，以超深孔的施工為中心，達(dá)到“進(jìn)行關(guān)于地殼較深部位的物理、化學(xué)狀態(tài)和過(guò)程的基礎(chǔ)調(diào)查和評(píng)價(jià)，以了解內(nèi)陸地殼的結(jié)構(gòu)、成分、動(dòng)力學(xué)和演變”的目的。KTB主孔（設(shè)計(jì)深度14000m）的鉆機(jī)的研制、建造和操作運(yùn)行是由UTB ULTRATIEF鉆探股份公司來(lái)完成的，該公司由德國(guó)深鉆有限公司（DEUTAG）、德國(guó)建井與深鉆有限公司（DST）和國(guó)際深鉆有限公司（ITAG）組成，鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1.4。表1.4 UTB-1型KTB鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)（5）德國(guó)Herrenknecht GmbH公司的InnovaRig鉆機(jī)2007年德國(guó)Herrenknecht GmbH公司研制了深部鉆進(jìn)和取心鉆機(jī)InnovaRig（圖1.1），該鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1.5。圖1.1 InnovaRig鉆機(jī)表1.5 InnovaRig鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)1.1.2 國(guó)內(nèi)超深井鉆機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀經(jīng)過(guò)50年的努力，特別是改革開放后20多年的發(fā)展，目前國(guó)產(chǎn)石油鉆機(jī)已形成了比較完整的系列，在品種和質(zhì)量上基本能夠滿足在國(guó)內(nèi)不同地區(qū)、不同井深和不同環(huán)境條件下進(jìn)行油氣資源勘探開發(fā)的需要。近年來(lái)，還有相當(dāng)數(shù)量的國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)在國(guó)外承擔(dān)鉆井服務(wù)和國(guó)內(nèi)的反承包鉆井服務(wù)。從鉆機(jī)設(shè)備制造來(lái)看，近幾年已開發(fā)和生產(chǎn)了1000～7000m機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，機(jī)電復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)和整拖式、輪式半拖掛整體移運(yùn)式鉆機(jī)，研制生產(chǎn)了4000～7000m各種型號(hào)直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)、交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)和3000m以下各種車裝及橇裝鉆機(jī)。鉆機(jī)制造廠家有寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司、蘭州蘭石國(guó)民油井石油工程有限公司、四川宏華石油設(shè)備有限公司、河南中原總機(jī)廠石油設(shè)備有限公司、南陽(yáng)石油機(jī)械廠、中國(guó)石化集團(tuán)江漢石油管理局第四石油機(jī)械廠、上海三高石油設(shè)備有限公司、勝利油田石油機(jī)械廠等。在借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國(guó)又相繼開發(fā)和應(yīng)用了絞車液壓盤式剎車系統(tǒng)，集中控制司鉆房、組合式液壓站、全液壓套管扶正機(jī)、液壓貓頭、液壓絞車、各種型式的井口吊裝裝置，數(shù)顯防碰裝置、大功率柴油機(jī)、液力偶合器正車箱、直流電機(jī)、變頻電機(jī)等項(xiàng)新技術(shù)和新裝置。與此同時(shí)，各制造廠又結(jié)合國(guó)際市場(chǎng)的需要，在鉆機(jī)滿足要求方面也采取了新的措施，并在鉆井機(jī)械化、智能化方面取得了新的進(jìn)展，從而使國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、配套技術(shù)和鉆機(jī)整機(jī)質(zhì)量有了明顯的提高，大大縮短了與國(guó)外先進(jìn)鉆機(jī)的差距，取得了顯著的成績(jī)（華偉棠，2005）。超深井鉆機(jī)技術(shù)在國(guó)內(nèi)近幾年才開始研究，2004年由蘭州蘭石國(guó)民油井石油工程有限公司和美國(guó)國(guó)民油井公司共同研制的9000m直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)在科威特成套交貨，盡管關(guān)鍵件的總體設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造由美國(guó)國(guó)民油井公司掌握，但這也是我國(guó)在超深井鉆機(jī)研制方面邁出的第一步。國(guó)內(nèi)由寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司2005年自主研發(fā)的首臺(tái)9000交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)目前正在油田進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。盡管該項(xiàng)目早在2001年就在國(guó)家經(jīng)貿(mào)委立項(xiàng)，但由于受大功率變頻控制技術(shù)的成熟度和大功率齒輪傳動(dòng)絞車可靠性等因素的影響，長(zhǎng)期沒有明確的用戶，為此寶石機(jī)械公司進(jìn)行了7000m交流變頻電驅(qū)動(dòng)、齒輪傳動(dòng)絞車鉆機(jī)的研制，2003年7月完成工業(yè)性試驗(yàn)，為大功率交流變頻技術(shù)的應(yīng)用以及自動(dòng)送鉆技術(shù)的應(yīng)用積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。隨后，各個(gè)油田也看到了交流變頻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，5000m、7000m交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的銷量大幅增長(zhǎng)。隨著國(guó)際市場(chǎng)油價(jià)的升高，國(guó)內(nèi)高難度井開采量的加大，超深井鉆機(jī)的需求也突現(xiàn)。2004年年底中國(guó)石油集團(tuán)公司組織行業(yè)專家對(duì)方案進(jìn)行了評(píng)審，同時(shí)將9000m交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)列為集團(tuán)公司2005年重點(diǎn)科研項(xiàng)目，至此，9000m交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的研發(fā)正式進(jìn)入實(shí)施階段（羅超等，2007）。目前，國(guó)內(nèi)研制制造超深井鉆機(jī)的廠家有寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司、蘭州蘭石國(guó)民油井石油工程有限公司、四川宏華石油設(shè)備有限公司和上海三高石油設(shè)備有限公司等。1.1.2.1 寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制的ZJ90/6750DB超深井鉆機(jī)（圖1.2；表1.6）于2006年8月13日在新疆油田準(zhǔn)噶爾盆地腹部莫索灣的莫深1井（設(shè)計(jì)井深7380m）開鉆使用，一開井徑Φ660.4mm。2006年11月22日二開以4463m井深完鉆，井徑Φ444.5mm；2006年12月1日，順利下入5000kN重、Φ339.7mm的技術(shù)套管4462.02m，一次性成功注入固井水泥300t。2007年3月以Φ311.1mm井徑三開開鉆，2007年7月24日以6406m井深完鉆；2007年7月26日，順利下入5106kN重、Φ244.5mm技術(shù)套管6403.37m。四開井徑Φ215.9mm，2007年11月23日順利鉆至設(shè)計(jì)井深7380m并繼續(xù)鉆進(jìn)，最后莫深1井加深到7600m。圖1.2 施工莫深1井的ZJ90/6750DB超深井鉆機(jī)表1.6 寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司9000m和12000m鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)12000m鉆機(jī)研制被列入國(guó)家863計(jì)劃，ZJ120/9000DB超深井鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1.6，2007年11日出廠，在川科1井三開以后投入使用。川科1井位于川西坳陷孝泉構(gòu)造（四川德陽(yáng)市孝德鎮(zhèn)東利村1組），設(shè)計(jì)井深8875m，采用五開井身結(jié)構(gòu)，完鉆井眼尺寸Φ215.9mm。2007年3月20日使用7000m鉆機(jī)開鉆，一開井徑Φ660.4mm、Φ508mm表層套管下深497.08m。二開井徑Φ444.5mm，2007年9月7日以3200m井深完鉆。二開完鉆后，2008年3月12日三開鉆進(jìn)使用國(guó)產(chǎn)12000m超深井鉆機(jī)——ZJ120/9000DB（圖1.3）。圖1.3 施工川科1井的ZJ120/9000DB超深井鉆機(jī)1.1.2.2 蘭州蘭石國(guó)民油井石油工程有限公司ZJ90/5850DZ直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)（表1.7）性能特點(diǎn)：1）采用以柴油機(jī)為動(dòng)力，帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，經(jīng)可控硅整流，由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤和泥漿泵的傳動(dòng)方式，即AC-SCR-DC傳動(dòng)。2）電傳動(dòng)系統(tǒng)采用全數(shù)字式交流模塊和全數(shù)字式DC直流模塊。PLC邏輯程序控制、觸摸顯示屏。支持計(jì)算機(jī)及其打?。ㄟ\(yùn)行工況表）功能。電器工程師筆記本電腦和專用軟件進(jìn)行在線測(cè)試。系統(tǒng)具有對(duì)柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、SCR系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)、斷路器及其他單元進(jìn)行檢測(cè)、故障診斷、保護(hù)、運(yùn)行工況定性和定量的顯示和對(duì)系統(tǒng)的控制功能。3）絞車滾筒開槽；主剎車采用液壓盤式剎車，剎車力矩大，靈敏可靠。盤剎操作手柄置于司鉆控制房?jī)?nèi)，改善了司鉆的工作環(huán)境，減輕了司鉆的勞動(dòng)強(qiáng)度；絞車的輔助剎車為電機(jī)能耗制動(dòng)和電磁渦流剎車；絞車配有過(guò)卷閥防碰天車裝置與智能游車位置控制系統(tǒng)，防止發(fā)生游車“上碰下砸”事故；絞車配有電機(jī)自動(dòng)送鉆裝置，可實(shí)現(xiàn)恒鉆壓自動(dòng)送鉆以及零速度懸停功能。表1.7 蘭州蘭石國(guó)民油井石油工程有限公司9000m鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)4）轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置由直流電機(jī)經(jīng)兩擋齒輪變速箱驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤；既可由轉(zhuǎn)盤電機(jī)經(jīng)鏈條箱驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，又可由絞車電機(jī)經(jīng)鏈條傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，二者實(shí)現(xiàn)互濟(jì)，提高了鉆機(jī)的可靠性，充分滿足鉆井工藝需要。5）配備大功率三缸單作用泥漿泵，由窄V帶驅(qū)動(dòng)。6）“H”型鋼制造的“K”型井架，利用絞車動(dòng)力整體起升，視野開闊，運(yùn)輸方便。7）平行四邊形整體起升式底座，可實(shí)現(xiàn)鉆臺(tái)面設(shè)備和井架低位安裝，利用絞車動(dòng)力整體起升。8）鉆機(jī)的主要機(jī)械部件：天車、游車、大鉤、水龍頭、轉(zhuǎn)盤、井架、底座均符合API規(guī)范，打API會(huì)標(biāo)。ZJ90/5850DB交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)（表1.7）性能特點(diǎn)：1）鉆機(jī)采用機(jī)、電、數(shù)字、通訊一體化設(shè)計(jì)，應(yīng)用當(dāng)代先進(jìn)成熟的矢量控制技術(shù)、交流變頻技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、總線通訊技術(shù)。2）采用先進(jìn)的全數(shù)字交流變頻PLC控制技術(shù)，通過(guò)觸摸屏及氣、電、液、鉆井參數(shù)的一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)智能化司鉆控制。3）單軸式交流變頻齒輪傳動(dòng)絞車及速度數(shù)字化閉環(huán)控制，可合理利用功率，提高鉆井時(shí)效。4）轉(zhuǎn)盤扭矩和泥漿泵泵壓的數(shù)字化限制控制，實(shí)現(xiàn)過(guò)扭矩或超泵壓保護(hù)。5）智能游車位置控制，防止鉆機(jī)發(fā)生游車“上碰下砸”事故。6）絞車主剎車采用電機(jī)能耗制動(dòng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)定量控制制動(dòng)扭矩。7）采用主電機(jī)自動(dòng)送鉆，實(shí)現(xiàn)鉆井給進(jìn)的自動(dòng)化；智能化司鉆控制操作系統(tǒng)，使鉆機(jī)的操作由技能型變?yōu)橹悄苄?；鉆機(jī)采用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息共享、自動(dòng)化控制、集中監(jiān)視、生產(chǎn)管理和設(shè)備管理多種功能。8）鉆臺(tái)設(shè)備低位安裝，與井架一起整體起升。9）全液壓套管扶正機(jī)自動(dòng)化程度高。10）鉆機(jī)的主要部機(jī)采用NOV（美國(guó)NOV公司）成熟技術(shù)并得到世界驗(yàn)證。1.1.2.3 上海三高石油設(shè)備有限公司上海三高石油設(shè)備有限公司研制的9000m鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1.8。表1.8 上海三高石油設(shè)備有限公司9000m鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。