提速提效石油鉆機技術現狀及發展思路

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研究中心，陜西 寶雞 721002)①

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提速提效石油鉆機技術現狀及發展思路

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研究中心，陜西 寶雞 721002)①

概述了提速提效石油鉆機的技術現狀，重點對國內近年來開發的幾種提速提效鉆機新技術進行了介紹。結合石油鉆機發展趨勢，提出了今后應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發展思路。

鉆機；提速提效；技術現狀；發展思路

石油鉆井裝備高效、快速發展的時代已經過去，面對當前持續低油價時期的到來，作為石油企業要想擺脫當前的困境，走出低谷、持續發展，其壓縮開資、創新創效、降低成本等已成為解決或緩解當前經濟壓力的有效途徑。這就對石油鉆采裝備如何適應新形勢下的要求提出了挑戰，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、效率發揮到最大等已成為當前及今后幾年技術開發工作的重中之重。為此，研究和開發適合滿足當前油田工作急需和保持裝備技術持續發展的提速、提效石油鉆井裝備已成為每個裝備制造企業的生存和發展之道。

1　提速提效石油鉆機發展現狀[1-2]

石油鉆機作為石油勘探、鉆井的主力設備，其技術性能和質量的不斷提升及智能化、自動化程度的快速發展，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。西方發達國家經過上百年的不斷探索和發展進步，在石油裝備領域長期占領著技術高地，尤其在提速、提效鉆井自動化、智能化等大型設備研發方面及先進鉆井、作業工具等小型化設備發展方面都有著自己獨特的技術優勢。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質鉆井工具等一直引領著世界技術的發展。與此同時，我國通過數十年的努力，特別通過近15 a來的高速發展，在石油鉆采裝備技術開發上也上升到了一個新的高度，諸多新裝備、新技術已逼近或達到世界先進水平行列，局部或單元技術甚至達到了世界先進水平。例如，我國在交流電動鉆機、頂部驅動鉆井裝置、高壓大功率鉆井泵等多個方面無論從技術性能、產品規格，還是銷售數量、產品質量等均已接近或超過西方發達國家，且得到了世界多個國家的普遍認可，其產品遍布世界各大主要產油區，為世界石油事業的整體發展及我國石油裝備地位的提升做出了重大貢獻。雖然如此，就其部分核心技術及單元設備而言，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、電氣控制單元設備等方面，我們的技術仍顯得比較落后，在產品配套、系統集成方面還需要花高昂的價格從國外進行采購，這增加了設備的投資成本，對當前世界持續低油價驅使下的控成本、低投入發展來說極為不利，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

市場發展規律和市場發展形勢需要有不斷創新的技術和新的產品來引領時代發展的潮流，并助推整個石油行業的快速進步。近年來，隨著石油鉆井裝備技術的更新要求和產品升級轉型發展的需要，國內以寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械)、四川宏華石油設備有限公司(以下簡稱四川宏華)等為代表的一批企業，已開始將眼光轉向鉆機提速提效功能開發上來，并先后開發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，而且也特別適應當前油田低成本、高效能鉆井的發展需要，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。目前該技術已形成推扶式和懸持式2種結構形式，訂貨數量已有8臺，市場前景看好。

管柱自動化石油鉆機可以實現鉆柱從排管架到立根臺排放全過程自動化操作，該系統主要由動力貓道、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備構成。其工作按照程序和節點可分為4個步驟實現。

1)實現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(即實現3個鉆桿的對扣連接)。

3)完成單根在立根臺的排放作業。

4)實現立根在二層臺指梁內的位置鎖固。

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)實現了二層臺高空無人作業，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)管柱處理系統配置方式靈活，適應性強，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，安全作業440 d，經歷2次10～12級大風的考驗，起下鉆40余趟，工作性能穩定，作業效率高。

ZJ90/6750DB-S型四單根立柱鉆機為復雜深井的鉆探提供了良好的技術支撐，是當前油田提速提效鉆井的理想設備。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。與常規三單根立柱鉆機相比，其突出優點體現在：①全井深起下鉆綜合提速效率高；②可減少在復雜井段停留的時間，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構；④適應性強，不僅適合塔里木等沙漠地區，同時也適應川渝、松遼等復雜深層油氣資源勘探井的開發需要。

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域劃分集成為幾個大的運輸模塊，可適應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、發電機組移運模塊、電控系統移運模塊、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，可以實現橫向、縱向和斜向、旋轉等各種復雜工況的移運要求，不僅搬家運輸效率高，可有效節省人力和物力資源成本，而且特別適合沙漠等特殊地區的使用要求。

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不失為一種經濟實惠的方法，可以有效節約鉆井投資成本。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酋NDC鉆井公司研制了9 000 m人工島鉆機，為我國開發人工島叢式井鉆機奠定了良好的基礎。

寶石機械為冀中人工島研制的7 000 m鉆機，可以在環形軌道上整體移運，其環形軌道移動技術為全球首創，可通過液壓動力移動井位，既節省鉆機搬遷時間，又節省泥漿和鉆具，可邊鉆邊采；同時，該鉆機主機還具備橫向移動功能，能夠實現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，將主模塊和循環模塊軌道式滑行雙向移動技術與超高鉆臺技術同時應用于海油陸采，大幅降低了鉆機開發成本。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鉆機橫向、縱向和斜向、旋轉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展思路

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

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與管柱自動化處理系統技術相融合，開發一種既具有四單根立柱功能，又具有自動化管柱處理系統的新型復合鉆機是今后石油鉆機的發展方向，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，節約鉆井成本，尤其在深井、特深井石油鉆機上開展該項技術研究的優勢會更加明顯。

3.2陸地雙井口石油鉆機[10]

雙井口鉆井技術起源于海洋石油鉆井技術領域，其技術應用在西方發達國家已非常成熟，其優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準備工作，以節約鉆井時間，提高鉆井效率。該技術在陸地鉆機上的推廣應用，從技術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要求。

3.3液壓驅動無絞車式鉆機[11]

改變當前機械傳統絞車驅動鉆井模式，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直接帶動頂驅實施鉆井工作，不僅減少了鉆井絞車、游吊系統等傳統鉆臺設備的配置，而且有效簡化了井架等結構件形式，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從排管架開始，經過貓道將鉆桿輸送到鉆臺、再經過建立單根，最后到二層臺排管等各個環節、多個步驟分段式控制操作方式，開發和研究整套系統或按照操作流程劃分成幾個大的節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的操作流程、節省鉆井準備時間，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　結語

石油鉆機經過上百年的發展和更新完善，為世界石油工業的整體發展做出了重要貢獻。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”發展戰略，認真做好基礎研究和創新研究工作，真正從“中國制造”邁向“中國智造”、“中國創造”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濟持續發展大局，大力開發滿足具有高速高效要求及適應性強、性能好、技術先進的石油裝備仍然是今后需要進一步發展的重點工作，尤其對緩解當前的經濟壓力、克服低油價帶來的被動局面有著重要的現實意義，需要我們不斷努力并做出新的貢獻。

[1]王進全.關于我國石油鉆機技術的現狀及其研發思考[J].石油礦場機械，2006，35(1)：7-10.

[2]孫明光，彭軍生.國內外石油鉆井裝備的發展現狀[J].石油鉆探技術，2008，36(6)：86-91.

[3]張鵬飛，朱永慶，張青峰，等.石油鉆機自動化、智能化技術研究和發展建議[J].石油機械，2015，43(10)：13-17.

[4]白丙建，譚剛強，欒蘇，等.陸地鉆機鉆桿自動化處理系統方案設計[J].石油礦場機械，2014，43(2)：86-88.

[5]中國首臺9 000 m四單根立柱鉆機在新疆開鉆[J].機械研究與應用，2013，26(3)：61.

[6]李亞輝，侯文輝，劉志林，等.7 000 m快速移運拖掛鉆機設計[J].石油機械，2015，43(9)：37-41.

[7]馮箐.寶石機械中東7 000 m鉆機首井完鉆[N].中國石油報，2014-05-16(2).

[8]朱麗娟.新型人工島鉆機完成起升試驗[J].石油機械，2008，36(9)：104.

[9]孫娟，王定亞.我國直流電驅動鉆機現狀及發展方向[J].石油礦場機械，2009，38(4)：19-22.

[10]張志偉，許建民，欒蘇，等.一種雙井口作業鉆井裝置：中國，CN103696700A[P].2013-11-15.

[11]夏志明，楊寶鑫，李冰，等.無卷揚機液壓缸升降式鉆機[J].探礦工程(巖石鉆掘工程)，2011，38(7)：9-11.

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 “深井超深井鉆井關鍵技術與裝備”項目(2016ZX05020)

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

TE922

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.010