超深钻机
1.1.1国外超深钻机技术状况
为了满足更深地层油气藏勘探开发的需要，深井石油钻机趋于大型化，要求功率大、性能好、自动化程度高，能够满足和适应深井钻井的各种需求。钻机钻井能力达到15000m，最大钩载达到12500kN。为了提高提升效率，绞车的功率有进一步提高的趋势，功率5220kW的绞车已经问世。此外，国外开始将交流变频技术应用于大型超深钻机。
目前美国的钻机技术水平代表了世界石油钻机的最高水平，以国民油井Varco为代表。其主要特点是:①钻机趋向大型化和结构多样化。如绞车功率可达4477kW，钻井深度可达15000m，泥浆泵水马力可达2350kW，有车载、拖挂、撬装等多种型号模块。②电气传动技术的进步使传动更加简单，尤其是交流变频传动技术得到广泛应用。Wirth和Varco ADS齿轮传动单轴绞车已经研制成功，辅助刹车也可以用主电机能耗刹车代替。(3)新型整体旋转自升式井架及底座、多节自升式井架的升降更安全，使钻机在钻井过程中更稳定，占用井场面积更少。(4)盘式制动器、顶部驱动钻井装置、立根自动排水装置和铁钻工装置的使用，使智能化、自动化钻井成为现实，科学钻井成为可能。⑤钻机的移动性能不断提高，快速移动能力成为钻机的关键竞争力。⑥注重以人为本，适应HSE要求。
挪威MH公司研发了Ramrig液压驱动石油钻机，钻井深度15000m，额定载荷9800kN。此外，前苏联乌拉尔重型机械厂、加拿大公司和德国丹麦公司都生产过超深钻机，钻井深度大于12000m。
(1) NOV公司(国民油井Varco，国民油井Waco公司)
早年生产的超深钻机主要是直流驱动，代表产品主要是E3000/E3000-UDBE和4000-UDBE。绞车功率分别为2237kW和2983kW，标称最大钻井深度分别可达9144m和12192m，为内变速多速绞车和主刹车。由于DC调速范围和大功率链传动结构的限制，这种内变速多速绞车的发展有一定的局限性。随着交流变频技术的发展和大功率变频调速技术的成功应用，目前超深井钻机主要采用交流变频驱动。
美国NOV公司的超深井钻机目前有单速和双速绞车，基本都是齿轮传动。绞车功率2983~5220kW，各级都有产品。主制动器采用主电机能耗制动，辅助制动器采用液压盘式制动器。配备P型和FC型钻井泵，功率1641kW，压力51.7 MPa；；配有3种转盘；有7350kN和9800kN的挂钩和水龙头(工作压力51.7MPa)。
有几台从中国进口的E3000电动钻机。该钻机主要技术参数见表1.1(纪仁功等，1994)。
表1.1美国NOV公司E3000钻机基本参数
(2)美国罗文公司
美国Rowan公司是一家制造大型钻井平台、超深井陆地钻机和海上陆地钻井服务的上市公司。制造了9台9000米和3台12000米陆上超深井钻机，改造了2台12000米钻机。中国石化集团公司决定从Rowan公司购买12000m钻机。钻机基本参数见表1.2(孟祥青等，2006)。
表1.2美国Rowan公司12000m钻机基本参数
(3)前苏联乌拉尔机-15000钻机。
前苏联的超深井Kola (сг-3)于1970年5月开始钻井。其目标和任务是:①研究博罗地盾太古宙结晶基底和科拉半岛地区含镍贝城嘎杂岩的深部结构，查明包括成矿作用在内的地质作用特征；(2)查明大陆地壳地震界面的地质性质，获得地球热状态、深水溶液和气体的新资料；(3)获取最充分的岩石物质成分和物理状态信息，揭露和研究地壳中花岗岩层和玄武岩层的边界带；④完善现有并创造新的超深钻井技术和工艺，深部岩矿综合地球物理研究方法(E.A. kozlowski，1989)。
сг-3井采用涡轮马达和铝合金钻杆进行裸眼钻井，采用超前钻孔。第一阶段钻孔深度7263m，使用乌拉尔机械-4 з钻机(表1.3)。在第二阶段，乌拉尔机械-15000钻机从7263米开始使用(表65438+)
表1.3科拉超深井钻机技术参数
(4)德国的UTB-1 KTB钻机
联邦德国大陆深部钻探计划(KTB)是德国首个大型地学研究计划，以超深孔建设为重点，达到“对地壳深部的物理化学状态和过程进行基础调查和评价，以了解内陆地壳的结构、成分、动力学和演化”的目的。KTB主孔(设计深度14000米)的开发、建设和作业由UTB超铁钻探有限公司完成，由德国、钻杆测试和ITAG组成。钻机的主要技术参数见表1.4。
表1.4 UTB-1 KTB钻机技术参数
(5)德国Herrenknecht公司的InnovaRig钻机。
2007年，德国Herrenknecht GmbH公司开发了InnovaRig深钻取芯钻机(图1.1)，钻机主要技术参数见表1.5。
图1.1创新钻机
表1.5 Innovarig钻机技术参数
1.1.2中国超深钻机技术状况
经过50年的努力，特别是改革开放后20多年的发展，已形成了较为完整的国产石油钻机系列，基本能满足我国不同地区、不同井深、不同环境条件下油气资源勘探开发的需要。近年来，相当一部分国产钻机承担了国外钻井服务和国内反承包钻井服务。从钻机装备制造来看，近年来，已开发生产了1000 ~ 7000米机械驱动钻机、机电复合驱动钻机、全拖轮式半挂一体化移动钻机，开发生产了4000 ~ 7000米DC驱动钻机、交流变频电驱动钻机和3000米以下各种车载、撬装钻机。钻机生产企业有宝鸡石油机械有限责任公司、兰州石兰国家油井石油工程有限责任公司、四川宏华石油装备有限公司、河南中原通用机械厂石油装备有限公司、南阳石油机械厂、中国石化集团江汉石油管理局第四石油机械厂、上海三高石油装备有限公司、胜利油田石油机械厂等。在国外先进技术的基础上，我国先后开发应用了绞车液压盘式刹车系统，集中控制司钻房、组合液压站、全液压套管扶正器、液压猫头、液压绞车、各种型号井口提升装置、数显防碰装置、大功率柴油机、液力耦合器干线、DC电机、变频电机等新技术和新设备。与此同时，各生产厂家采取新的措施，适应国际市场的要求，在钻井机械化和智能化方面取得新的进展，从而显著提高了国产钻机的设计、制造、配套技术和整体质量，大大缩短了与国外先进钻机的差距，取得了显著成效(华，2005)。
超深井钻机技术在我国是近几年才开始研究的。2004年，由兰州石兰国家油井石油工程有限公司和美国国家油井公司合作开发的9000米DC驱动钻机在科威特交付。虽然关键部件的整体设计和制造由美国国家油井公司掌握，但这也是我国超深井钻机发展的第一步。宝鸡石油机械有限责任公司于2005年自主研发的第一台9000交流变频电驱动钻机目前正在油田进行工业性试验。虽然该项目早在2001就获得了国家经贸委的批准，但由于大功率变频控制技术的成熟和大功率齿轮驱动绞车的可靠性，长期没有明确的用户。为此，宝石机械公司开发了7000m交流变频电传动和齿轮传动绞车钻机，并于2003年7月完成了工业性试验，为大功率交流变频技术和自动化钻井技术的应用积累了一定的经验。随后，各油田也看到了交流变频技术的优势，5000m和7000m交流变频电驱动钻机在国内市场的销量大幅增长。随着国际市场油价的上涨和我国难井产量的增加，超深井钻机的需求也随之产生。2004年底，中国石油集团公司组织行业专家对方案进行评审，同时将9000m交流变频电驱动钻机列为集团公司2005年重点科研项目。至此，9000m交流变频电驱动钻机的研发正式进入实施阶段(骆超等，2007)。
目前国内超深井钻机生产厂家有宝鸡石油机械有限责任公司、兰州石兰国家油井石油工程有限公司、四川宏华石油装备有限公司、上海三高石油装备有限公司
1.1.2.1宝鸡石油机械有限责任公司
研制了ZJ90/6750DB超深井钻机(图1.2；表1.6)于2006年8月3日在新疆油田准噶尔盆地腹部莫索湾沈默1井(设计井深7380米)钻井使用，一开直径φ660.4毫米，2006年完成二开165438+10月22日，井深4463米，直径φ444.5毫米；；2006年6月5438+2月1，成功下重5000kN、直径339.7mm的技术套管4462.02m，一次性成功注入固井水泥300吨。2007年3月开钻，直径φ 311.1 mm，2007年7月24日完钻6406米。2007年7月26日成功下入6403.37米重5106千牛，直径φ244.5毫米的技术套管。四开井径φ215.9mm，于2007年10月23日成功钻至设计井深7380m，并继续钻井，最终1井mo深加深至7600m..
图1.2 ZJ90/6750DB超深钻机，用于Mo深度1井的施工。
表1.6宝鸡石油机械有限责任公司9000米和12000米钻机技术参数
12000m钻机的研制列入国家863计划。ZJ120/9000DB超深井钻机技术参数见表1.6。2007年6月11交付，川科1井三开后投入使用。川科1井位于川西坳陷孝泉构造(四川省德阳市孝德镇东里村1组)，设计井深8875米，井身结构为五开。完成钻孔尺寸为φ 215.9 mm，2007年3月20日使用7000m钻机开钻。一开直径660.4mm，表层套管深度508mm，497.08m二开直径444.5mm，2007年9月7日完钻，井深3200m..二开后，国产12000米超深井钻机——ZJ 120/9000 dB于2008年3月用于三开(图1.3)。
图1.3四川分公司1井施工用ZJ 120/9000 dB超深钻机
1.1.2.2兰州石兰国家油井石油工程有限公司
ZJ90/5850DZ DC驱动钻机的性能特点(表1.7):
1)采用AC-SCR-DC传动方式，由柴油机驱动交流发电机，可控硅整流，DC电机驱动绞车、转盘、泥浆泵。
2)电气传动系统采用全数字交流模块和全数字DC模块。PLC逻辑程序控制，触摸屏。支持计算机及其打印(操作表)功能。电气工程师的笔记本电脑和特殊软件在线测试。该系统具有对柴油机、发电机、SCR系统、DC电机、断路器等机组的检测、故障诊断、保护、运行状态的定性和定量显示以及系统控制等功能。
3)在绞车滚筒上开槽；主制动器采用液压盘式制动器，制动力矩大，灵敏可靠。
盘式制动器的操作手柄放在司钻控制室内，改善了司钻的工作环境，降低了司钻的劳动强度。绞车的辅助制动器为电机能耗制动器和电磁涡流制动器；绞车装有过卷阀防碰天车装置和智能游车位置控制系统，防止游车上下颠簸。绞车配有电机自动打钻装置，可实现恒定WOB自动打钻和零速悬停功能。
表1.7兰州石兰国民油井石油工程有限公司9000m钻机技术参数表
4)转台独立驱动装置由DC电机通过两档变速箱驱动转台；转盘电机通过链条箱带动转盘，绞车电机通过链条传动带动转盘，实现了互为辅助，提高了钻机的可靠性，充分满足了钻井工艺的需要。
5)配备大功率三缸单作用泥浆泵，窄V带驱动。
6)“H”型钢制作的“K”型井架，利用绞车动力整体提升，视野开阔，运输方便。
7)平行四边形整体升降底座可以实现钻台设备和井架的低位安装，利用绞车动力整体升降。
8)钻机的主要机械部件:天车、游车、大钩、水龙头、转盘、井架和底座均符合API规范，并标有API会标。
ZJ90/5850DB交流变频电驱动钻机的性能特点(表1.7):
1)该钻机采用机、电、数字、通信一体化设计，应用了先进成熟的矢量控制技术、交流变频技术、数字控制技术和总线通信技术。
2)采用先进的全数字交流变频PLC控制技术，通过触摸屏和气、电、液、钻井参数一体化设计，实现钻机智能司钻控制。
3)单轴交流变频齿轮传动绞车，速度数字闭环控制，合理利用动力，提高钻井效率。
4)泥浆泵转盘扭矩和泵压数字限位控制，实现过扭矩或过泵压保护。
5)游车智能位置控制，防止钻机“上撞下撞”。
6)绞车主制动器采用电机能耗制动，制动力矩由计算机定量控制。
7)主电机用于自动钻孔，实现钻孔进给的自动化；智能司钻控制操作系统，使钻机的操作由技能型变为智能型；钻机采用网络控制系统，可实现设备信息共享、自动控制、集中监控、生产管理和设备管理等多种功能。
8)钻台设备应安装在较低的位置，并随井架一起提升。
9)全液压套管扶正器自动化程度高。
10)钻机主要部件采用了NOV(美国NOV公司)的成熟技术，并得到了世界的验证。
1.1.2.3上海三高石油设备有限公司
上海三高石油装备有限公司研制的9000米钻机技术参数见表1.8..
表1.8上海三高石油装备有限公司9000m钻机技术参数