國內(nèi)外齒條齒輪鉆機現(xiàn)狀

楊潔， 徐勇， 蔡俊， 萬文妮

（長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北荊州434023）

0 引言

常規(guī)鉆機是利用絞車、鋼絲繩、天車、游車等組成的起升系統(tǒng)帶動大鉤或者頂部驅(qū)動裝置對管柱進(jìn)行起升、下放作業(yè)。由于在下鉆過程中不能主動提供鉆壓，因此對水平井及淺層油氣藏進(jìn)行作業(yè)時需要鉆垂直井眼，通過垂直段的鉆柱重量為鉆頭提供鉆壓，而齒條齒輪鉆機卻能較好地解決上述問題。自20世紀(jì)90年代以后，為了加大油氣井的開采力度，開采老油田剩余井、水平井分支開采、產(chǎn)層多目標(biāo)開發(fā)等方法都得到了廣泛的應(yīng)用。因此需要大力發(fā)展水平井、定向井以及大位移井的開采技術(shù)。多功能齒條齒輪鉆機的研發(fā)成功以及相應(yīng)技術(shù)的不斷革新提高了水平井及大位移井的開采效率，解決了水平井開采過程中的軌跡控制、鉆壓施加以及定向控制等難題。

圖1 VR-500液壓齒條齒輪鉆機

圖2 Finder 250T動力頭裝置

圖3 Finder 250T起升系統(tǒng)

1 齒條齒輪鉆機定義

齒條齒輪鉆機是利用齒輪齒條在豎直方向上的運動帶動頂部驅(qū)動裝置進(jìn)行鉆井作業(yè)。齒條齒輪鉆機與常規(guī)鉆機最大的區(qū)別在于起升系統(tǒng)的組成。齒條齒輪鉆機突破常規(guī)鉆機起升系統(tǒng)的固有組成，將動力裝置設(shè)計在井架上。其動力裝置取代了常規(guī)鉆機的絞車、天車、游車的功能，并且取消了易損件鋼絲繩的使用。同時齒條齒輪鉆機的井架與常規(guī)鉆機的井架結(jié)構(gòu)也有較大的區(qū)別-井架上設(shè)計有齒條及導(dǎo)軌。與常規(guī)鉆機相比，齒條齒輪鉆機的特點歸納如下：1）設(shè)計緊湊、占地面積小、模塊化設(shè)計得到很大的應(yīng)用，提高了快速搬遷的市場競爭力；2）齒條齒輪鉆機的鉆深跨度大，從2000m到5000m不等。證明了齒條齒輪鉆機不僅在淺層油氣藏得到廣泛的應(yīng)用，在中深層油氣藏也有很大的發(fā)揮空間；3）齒條齒輪鉆機朝著自動化、無人化操作方向發(fā)展。這些鉆機配備有頂驅(qū)、管子處理裝置、動力毛道以及鐵鉆工等設(shè)備，操作人員可以減少到2～3人，大幅度提高鉆井安全性能；4）從結(jié)構(gòu)上看，取消了絞車、天車、游車等裝置，簡化了鉆井設(shè)備，取消了鋼絲繩等易損部件，提高了鉆井效率。在實際應(yīng)用中，在下放鉆柱時，齒條齒輪的嚙合傳動為鉆頭提供鉆壓，有利于水平井及定向井的開采。

2 國外齒條齒輪鉆機發(fā)展現(xiàn)狀

國外齒條齒輪鉆機出現(xiàn)時間較早，鉆機制造設(shè)備已經(jīng)日趨成熟。最具代表特點的是美國的American Augers、德國的Max Streicher以及挪威的TTS Sense公司。

美國American Augers公司設(shè)計的齒條齒輪鉆機為車載式鉆機，沒有絞車、轉(zhuǎn)盤、貓頭、鼠洞以及鉆臺橫梁，這種鉆機的智能型及模塊化程度高。配有水平-垂直液壓管子操作裝置，不僅使操作人員控制在2～3名，并且大大減少了占地面積。全套鉆機的占地面積約為2 090 m2，起升系統(tǒng)中的動力頭裝置采用6臺液壓馬達(dá)配備行星齒輪減速箱組成，動力頭裝置帶動滑車在井架上進(jìn)行運動。生產(chǎn)的鉆機有2007年的VR-300齒條齒輪單根鉆機以及2009年推出的VR-500齒條齒輪單根鉆機，如圖1所示。

挪威的TTS Sence公司（EDM公司）在2001年推出全世界首個齒條齒輪修井機，型號為250 K。隨后在2005年推出型號為Finder 250T交流變頻齒條齒輪陸地鉆機。齒條采用模塊化設(shè)計，采用銷子連接形成齒條鏈，井架采用密閉桅桿式結(jié)構(gòu)，在井架的頂部與底部各配備一個惰性的張緊輪為齒條鏈提供導(dǎo)向，由6臺固定在井架下部的交流變頻電動機+傳動箱+齒輪驅(qū)動，如圖2、圖3所示。

德國的Max Streicher鉆機的起升系統(tǒng)與挪威的TTS Sence公司設(shè)計上有很大的不同，在實際鉆井過程中，齒輪通過固定在井架上的齒進(jìn)行運動，除此之外，固定在井架上的傳動帶為動力頭裝置提供導(dǎo)向作用。推出的鉆機主要型號有2005年的 VDD370、2009年的VDD200以及VDD400三種型號。起升系統(tǒng)特點如圖4所示。

通過歸納，將三家鉆井公司鉆機主要參數(shù)進(jìn)行對比，如表1所示。

圖4 德國Max Streicher鉆機起升系統(tǒng)

表1 鉆機主要參數(shù)對比

3 國內(nèi)齒條齒輪鉆機的現(xiàn)狀

我國對齒條齒輪鉆機的研究相對國外則較少。目前寶雞石油機械有限公司、南洋二機石油裝備（集團）有限公司等廠家已相繼投入齒條齒輪鉆機的自主研發(fā)中。國內(nèi)對齒條齒輪鉆機研究相對深入的學(xué)者有任福深、王威等，這些學(xué)者集中于齒條齒輪鉆機起升系統(tǒng)進(jìn)行了有關(guān)液壓仿真、多體動力學(xué)以及相似樣機研制等方面的研究，為齒條齒輪鉆機的設(shè)計提供了依據(jù)及學(xué)術(shù)指導(dǎo)。同時關(guān)于齒條齒輪鉆機起升系統(tǒng)或動力頭裝置的設(shè)計也有很多公司及學(xué)者提出專利設(shè)計。

圖5 2 000 m全液壓齒條齒輪鉆機

南陽二機石油裝備（集團）有限公司設(shè)計研發(fā)的2 000 m全液壓齒條齒輪鉆機采用車載式底盤，如圖5所示。適用于欠平衡鉆井、小井眼鉆井修井、一般性修井、不壓井作業(yè)、老井重鉆和開窗側(cè)鉆等，作業(yè)效率高。名義鉆深達(dá)到2 000 m，最大鉤載為1 580 kN，可以達(dá)到的最大提升速度為0.6 m/s。動力頭裝置由4臺液壓馬達(dá)+減速器構(gòu)成，動力頭裝置與頂部驅(qū)動裝置設(shè)計為一個整體，完成鉆井過程中的起下鉆、鉆進(jìn)等作業(yè)。起升系統(tǒng)的運動形式是通過齒輪帶動動力頭及頂驅(qū)裝置與固定在井架上的齒條嚙合進(jìn)行傳動。同時鉆機采用管子自動處理裝置，能夠完成抓取鉆桿、移送鉆桿至井口、上扣、鞋扣、將鉆桿移回指定位置的操作。

寶雞石油機械有限責(zé)任公司設(shè)計的TS40/225DB型齒條齒輪鉆機的名義鉆井深度為4 000 m，動力頭裝置采用4套永磁電動組成，其中2套電動機也為頂部驅(qū)動鉆井裝置的動力設(shè)備，如圖6所示。整套鉆機的結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低、傳動效率高。起升系統(tǒng)的運動形式采用齒輪與安裝在井架上的齒條嚙合來運動，同時配備導(dǎo)向滑輪，實現(xiàn)在井架上的上下運動。最大提升鉤載達(dá)到2 250 kN，提升的最高速度可以達(dá)到1.2 m/s，剎車裝置配備有主剎車與輔助剎車，其中主剎車采用盤式緊急制動，輔助剎車采用能耗制動的方式。

圖6 TS40/225DB齒條齒輪鉆機

4 齒條齒輪鉆機的發(fā)展趨勢

齒條齒輪鉆機的核心技術(shù)為起升系統(tǒng)中動力頭裝置的研制。動力頭裝置在設(shè)計時不僅需要滿足不同時刻鉆速的要求，更需要根據(jù)實際鉆井工況調(diào)整鉆頭鉆壓。國內(nèi)外齒條齒輪鉆機的發(fā)展現(xiàn)狀表明，動力頭裝置的設(shè)計特點并不單一，起升系統(tǒng)的起升方式也有差別。根據(jù)不同的鉆井工況，選擇合適的動力頭傳動方式，是提升齒條齒輪鉆機鉆井性能的必要條件。通過對動力頭的設(shè)計及優(yōu)化，不僅能夠提升齒條齒輪鉆機的性能，更能夠使齒條齒輪鉆機更好地適應(yīng)鉆井現(xiàn)場的需要。

齒條齒輪鉆機最大的優(yōu)點是能夠提供下壓力，適合淺層油氣藏及水平井的開發(fā)利用，但是在直井下或者斜井方面應(yīng)用較少。合理利用齒條齒輪鉆機模塊化、緊湊化的特點，設(shè)計開發(fā)適合各種工況的齒輪齒輪鉆機，拓展齒條齒輪鉆機的市場，也將是齒條齒輪鉆機的發(fā)展趨勢之一。

5 結(jié)語

1）齒條齒輪鉆機的結(jié)構(gòu)及工作原理決定了其與常規(guī)鉆機的不同之處，即在下鉆過程中能夠提供下壓力，適合淺層油氣藏及水平井的開發(fā)利用。國內(nèi)外針對齒條齒輪鉆機做了大量的研究，取得了優(yōu)異的研究成果，并已投入鉆井現(xiàn)場使用。

2）動力裝置作為齒條齒輪鉆機的核心部件，在美國的American Augers、德國的Max Streicher、挪威的TTS Sense公司以及國內(nèi)的寶雞石油機械有限公司、南洋二機石油裝備（集團）有限公司的設(shè)計中各具特點，說明齒條齒輪鉆機的適應(yīng)性能很強，仍具備很大的發(fā)展空間。

3）液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及齒條齒輪技術(shù)的提高能夠促進(jìn)齒條齒輪鉆機智能化、機械化的發(fā)展，因此應(yīng)該繼續(xù)加強電、液技術(shù)以及齒條齒輪技術(shù)的研究與應(yīng)用。

［1］ 申守慶.多功能齒條齒輪鉆機：一種很有生命力的新型鉆機［J］.石油與裝備，2009（3）：68-71.

［2］ Akerman S.New rig drills shallow reserves more efficiently［J］.E&P，2007，80（10）：39-42.

［3］ Mazerov K.Multifunctional rank and pinoin technology takes shape in oilfield as versatile，mobile rigs［J］.Drilling Contractoe，2008，64（5）：32-39.

［4］ Sandrea I，Sandrea R.Global oil reserves-1：recovery factors leave vast target for EOR technologies ［J］.Oil&Gas Journal，2007，105（41）：51-54.

［5］ 任福深，王威，劉曄，等.基于AMESim的齒輪齒條鉆機動力頭起升裝置液壓系統(tǒng)仿真分析［J］.石油礦場機械，2012，41（5）：14-17.

［6］ 任福深，程曉澤，馬若虛，等.齒輪齒條鉆機相似樣機研制［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011，29（11）：66-68.

［7］ 任福深，馬若虛.齒輪齒條鉆機起升系統(tǒng)多體動力學(xué)建模與分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2012，20（12）：96-99.

［8］ 何鴻，賀懷慶，葉強，等.TS40/2250DB型鉆機動力裝置設(shè)計分析［J］.石油礦場機械，2013，42（9）：41-44.

［9］ 王文爾，張軍帥，尹永晶，等.2000 m全液壓齒輪齒條鉆機［J］.石油機械，2011，39（2）：58-63..