超深井由于其建井、鉆井和完井時間都比較長，而且普遍存在地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，因此對鉆井設(shè)備的要求是：①可靠性高；②過載能力大，能夠及時處理井下事故；③同時超深井鉆井還有一個特殊性，就是起下鉆所用的時間在整個鉆井過程中所占的比重非常大，因此鉆井效率也是考核鉆機的一個非常重要的指標。1.1.1 國外超深井鉆機技術(shù)現(xiàn)狀為了適應(yīng)勘探開發(fā)更深地層油氣藏的需要，深井石油鉆機趨向大型化，要求功率大、性能好、自動化程度高，可滿足和適應(yīng)深井鉆井的多種需要。鉆機鉆深能力已達15000m，最大鉤載達12500kN。為了提高起升工作效率，絞車功率有進一步提高的趨勢，功率5220kW的絞車已經(jīng)問世。另外，國外開始將交流變頻技術(shù)應(yīng)用于大型超深井鉆機。目前，美國鉆機技術(shù)水平代表著國際上石油鉆機的最高水平，其中以National Oilwell Varco公司為代表，其主要特點是：①鉆機趨向大型化、結(jié)構(gòu)型式多樣化。如絞車功率可達4477kW，鉆井深度可達15000m，泥漿泵的水馬力達2350kW，車裝式、拖掛式、橇裝模塊式種類齊全。②電氣傳動技術(shù)的進步使得傳動更加簡單，特別是廣泛使用了交流變頻驅(qū)動技術(shù)。已開發(fā)出Wirth和Varco ADS齒輪傳動單軸絞車，還可以使用主電機能耗制動取代輔助剎車。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，使鉆機在鉆井過程中更穩(wěn)定，占用井場面積更小。④盤式剎車、頂部驅(qū)動鉆井裝置、立根自動排放機構(gòu)、鐵鉆工裝置的使用，使鉆井智能化、自動化成為現(xiàn)實，使科學(xué)鉆井成為可能。⑤鉆機移運性能不斷提高，快速搬遷能力成為鉆機的關(guān)鍵競爭力。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)動石油鉆機，鉆深15000m，額定載荷為9800kN。此外，前蘇聯(lián)烏拉爾重型機器制造廠、加拿大公司和德國德馬克公司等均生產(chǎn)了鉆井深度大于12000m的超深井鉆機。（1）美國NOV公司（National Oilwell Varco，國民油井瓦科公司）早年生產(chǎn)的超深井鉆機主要是直流電驅(qū)動，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，超深井鉆機目前以交流變頻驅(qū)動為主。目前，美國NOV公司超深井鉆機配置的絞車有單速和雙速，基本都是齒輪傳動，絞車功率為2983～5220kW，各個級別都有產(chǎn)品，主剎車采用的是主電動機能耗剎車，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）。國內(nèi)進口有多臺E3000型電驅(qū)動鉆機，該鉆機的主要技術(shù)參數(shù)見表1.1（紀人公等，1994）。表1.1 美國NOV公司E3000型鉆機基本參數(shù)（2）美國Rowan公司美國Rowan公司是一家生產(chǎn)制造大型鉆井平臺、特深井陸地鉆機和海洋陸地鉆井服務(wù)的上市公司，已生產(chǎn)制造了9 臺 9000m和 3 臺 12000m陸地特深井鉆機，改造了12000m鉆機2臺。中國石化集團公司決定從Rowan公司購買一臺12000m鉆機，鉆機基本參數(shù)見表1.2（孟祥卿等，2006）。表1.2 美國Rowan公司12000m鉆機基本參數(shù)（3）前蘇聯(lián)的烏拉爾機械-15000型鉆機前蘇聯(lián)科拉超深井（СГ-3）于1970年5月開始鉆進，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；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井使用渦輪馬達和鋁合金鉆桿，進行超前孔裸眼鉆進，第一階段鉆進至7263m井深，采用烏拉爾機械-4З鉆機（表1.3），第二階段從7263m開始采用烏拉爾機械-15000鉆機（表1.3）。表1.3 科拉超深井的鉆機技術(shù)參數(shù)（4）德國的UTB-1型KTB鉆機聯(lián)邦德國大陸深鉆計劃（KTB）是德國第一個國家的大規(guī)模地學(xué)研究計劃，以超深孔的施工為中心，達到“進行關(guān)于地殼較深部位的物理、化學(xué)狀態(tài)和過程的基礎(chǔ)調(diào)查和評價，以了解內(nèi)陸地殼的結(jié)構(gòu)、成分、動力學(xué)和演變”的目的。KTB主孔（設(shè)計深度14000m）的鉆機的研制、建造和操作運行是由UTB ULTRATIEF鉆探股份公司來完成的，該公司由德國深鉆有限公司（DEUTAG）、德國建井與深鉆有限公司（DST）和國際深鉆有限公司（ITAG）組成，鉆機的主要技術(shù)參數(shù)見表1.4。表1.4 UTB-1型KTB鉆機技術(shù)參數(shù)（5）德國Herrenknecht GmbH公司的InnovaRig鉆機2007年德國Herrenknecht GmbH公司研制了深部鉆進和取心鉆機InnovaRig（圖1.1），該鉆機的主要技術(shù)參數(shù)如表1.5。圖1.1 InnovaRig鉆機表1.5 InnovaRig鉆機技術(shù)參數(shù)1.1.2 國內(nèi)超深井鉆機技術(shù)現(xiàn)狀經(jīng)過50年的努力，特別是改革開放后20多年的發(fā)展，目前國產(chǎn)石油鉆機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內(nèi)不同地區(qū)、不同井深和不同環(huán)境條件下進行油氣資源勘探開發(fā)的需要。近年來，還有相當(dāng)數(shù)量的國產(chǎn)鉆機在國外承擔(dān)鉆井服務(wù)和國內(nèi)的反承包鉆井服務(wù)。從鉆機設(shè)備制造來看，近幾年已開發(fā)和生產(chǎn)了1000～7000m機械驅(qū)動鉆機，機電復(fù)合驅(qū)動鉆機和整拖式、輪式半拖掛整體移運式鉆機，研制生產(chǎn)了4000～7000m各種型號直流電驅(qū)動鉆機、交流變頻電驅(qū)動鉆機和3000m以下各種車裝及橇裝鉆機。鉆機制造廠家有寶雞石油機械有限責(zé)任公司、蘭州蘭石國民油井石油工程有限公司、四川宏華石油設(shè)備有限公司、河南中原總機廠石油設(shè)備有限公司、南陽石油機械廠、中國石化集團江漢石油管理局第四石油機械廠、上海三高石油設(shè)備有限公司、勝利油田石油機械廠等。在借鑒國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國又相繼開發(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、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、液力偶合器正車箱、直流電機、變頻電機等項新技術(shù)和新裝置。與此同時，各制造廠又結(jié)合國際市場的需要，在鉆機滿足要求方面也采取了新的措施，并在鉆井機械化、智能化方面取得了新的進展，從而使國產(chǎn)鉆機的設(shè)計、制造、配套技術(shù)和鉆機整機質(zhì)量有了明顯的提高，大大縮短了與國外先進鉆機的差距，取得了顯著的成績（華偉棠，2005）。超深井鉆機技術(shù)在國內(nèi)近幾年才開始研究，2004年由蘭州蘭石國民油井石油工程有限公司和美國國民油井公司共同研制的9000m直流電驅(qū)動鉆機在科威特成套交貨，盡管關(guān)鍵件的總體設(shè)計和生產(chǎn)制造由美國國民油井公司掌握，但這也是我國在超深井鉆機研制方面邁出的第一步。國內(nèi)由寶雞石油機械有限責(zé)任公司2005年自主研發(fā)的首臺9000交流變頻電驅(qū)動鉆機目前正在油田進行工業(yè)性試驗。盡管該項目早在2001年就在國家經(jīng)貿(mào)委立項，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絞車可靠性等因素的影響，長期沒有明確的用戶，為此寶石機械公司進行了7000m交流變頻電驅(qū)動、齒輪傳動絞車鉆機的研制，2003年7月完成工業(yè)性試驗，為大功率交流變頻技術(shù)的應(yīng)用以及自動送鉆技術(shù)的應(yīng)用積累了一定的經(jīng)驗。隨后，各個油田也看到了交流變頻技術(shù)的優(yōu)勢，5000m、7000m交流變頻電驅(qū)動鉆機在國內(nèi)市場的銷量大幅增長。隨著國際市場油價的升高，國內(nèi)高難度井開采量的加大，超深井鉆機的需求也突現(xiàn)。2004年年底中國石油集團公司組織行業(yè)專家對方案進行了評審，同時將9000m交流變頻電驅(qū)動鉆機列為集團公司2005年重點科研項目，至此，9000m交流變頻電驅(qū)動鉆機的研發(fā)正式進入實施階段（羅超等，2007）。目前，國內(nèi)研制制造超深井鉆機的廠家有寶雞石油機械有限責(zé)任公司、蘭州蘭石國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 寶雞石油機械有限責(zé)任公司研制的ZJ90/6750DB超深井鉆機（圖1.2；表1.6）于2006年8月13日在新疆油田準噶爾盆地腹部莫索灣的莫深1井（設(shè)計井深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)計井深7380m并繼續(xù)鉆進，最后莫深1井加深到7600m。圖1.2 施工莫深1井的ZJ90/6750DB超深井鉆機表1.6 寶雞石油機械有限責(zé)任公司9000m和12000m鉆機技術(shù)參數(shù)12000m鉆機研制被列入國家863計劃，ZJ120/9000DB超深井鉆機的技術(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（四川德陽市孝德鎮(zhèn)東利村1組），設(shè)計井深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日三開鉆進使用國產(chǎn)12000m超深井鉆機——ZJ120/9000DB（圖1.3）。圖1.3 施工川科1井的ZJ120/9000DB超深井鉆機1.1.2.2 蘭州蘭石國民油井石油工程有限公司ZJ90/5850DZ直流電驅(qū)動鉆機（表1.7）性能特點：1）采用以柴油機為動力，帶動交流發(fā)電機，經(jīng)可控硅整流，由直流電動機驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤和泥漿泵的傳動方式，即AC-SCR-DC傳動。2）電傳動系統(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。支持計算機及其打?。ㄟ\行工況表）功能。電器工程師筆記本電腦和專用軟件進行在線測試。系統(tǒng)具有對柴油機、發(fā)電機、SCR系統(tǒng)、直流電動機、斷路器及其他單元進行檢測、故障診斷、保護、運行工況定性和定量的顯示和對系統(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內(nèi)，改善了司鉆的工作環(huán)境，減輕了司鉆的勞動強度；絞車的輔助剎車為電機能耗制動和電磁渦流剎車；絞車配有過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；絞車配有電機自動送鉆裝置，可實現(xiàn)恒鉆壓自動送鉆以及零速度懸停功能。表1.7 蘭州蘭石國民油井石油工程有限公司9000m鉆機技術(shù)參數(shù)4）轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置由直流電機經(jīng)兩擋齒輪變速箱驅(qū)動轉(zhuǎn)盤；既可由轉(zhuǎn)盤電機經(jīng)鏈條箱驅(qū)動轉(zhuǎn)盤，又可由絞車電機經(jīng)鏈條傳動驅(qū)動轉(zhuǎn)盤，二者實現(xiàn)互濟，提高了鉆機的可靠性，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。6）“H”型鋼制造的“K”型井架，利用絞車動力整體起升，視野開闊，運輸方便。7）平行四邊形整體起升式底座，可實現(xiàn)鉆臺面設(shè)備和井架低位安裝，利用絞車動力整體起升。8）鉆機的主要機械部件：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會標。ZJ90/5850DB交流變頻電驅(qū)動鉆機（表1.7）性能特點：1）鉆機采用機、電、數(shù)字、通訊一體化設(shè)計，應(yīng)用當(dāng)代先進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）采用先進的全數(shù)字交流變頻PLC控制技術(shù)，通過觸摸屏及氣、電、液、鉆井參數(shù)的一體化設(shè)計，實現(xiàn)鉆機智能化司鉆控制。3）單軸式交流變頻齒輪傳動絞車及速度數(shù)字化閉環(huán)控制，可合理利用功率，提高鉆井時效。4）轉(zhuǎn)盤扭矩和泥漿泵泵壓的數(shù)字化限制控制，實現(xiàn)過扭矩或超泵壓保護。5）智能游車位置控制，防止鉆機發(fā)生游車“上碰下砸”事故。6）絞車主剎車采用電機能耗制動，通過計算機定量控制制動扭矩。7）采用主電機自動送鉆，實現(xiàn)鉆井給進的自動化；智能化司鉆控制操作系統(tǒng)，使鉆機的操作由技能型變?yōu)橹悄苄?；鉆機采用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)設(shè)備信息共享、自動化控制、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）全液壓套管扶正機自動化程度高。10）鉆機的主要部機采用NOV（美國NOV公司）成熟技術(shù)并得到世界驗證。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鉆機技術(shù)參數(shù)
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。