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现代钻井机械概论,A方向限选课,1.1 国外现代石油钻机发展现状,交流变频电驱动石油钻机激光石油钻机新型液压石油钻机连续柔管石油钻机套管石油钻机细井筒石油钻机,下午好！,1.1 国外现代石油钻机发展现状,七、重型石油钻机 1997年8月，德国石油化工公司研制成功一种T160型重型石油钻机。1、性能指标 钻井深度：5800m 钻井泵功率：2X1618kW 装机功率：4780kW 转盘开口直径：950mm 发动机功率：4X1195kW 最大钻柱重量：375t 井架高度：61m 最大钩载：580t 钻台高度：11m 顶驱装置功率：735.5kW 绞车功率：1838.7kW,1.1 国外现代石油钻机发展现状,2、性能特点（1）由现代化的操作台控制；司钻可以坐着操作；重要钻井设备的参数直接由操作台上的钻压表、钻速表、压力表的数字显示系统显示。（2）动力由四台CAT3512型B系列12缸涡轮增压柴油机提供，通过SCR电桥将电流分配给钻井泵、绞车和顶驱装置的直流电动机并驱动各钻井设备。（3）绞车型号为GH-2500EG，由两台GE-752高扭矩电动机驱动，该绞车取消了带式刹车，装有电磁涡流刹车和紧急刹车及停机时用的制动盘，还装有自动送钻装置，结构紧凑，放置在钻台后边冷却罐的上边。,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（4）钻井泵为两台National 14-P-220三缸单作用泵，每台泵有两台GE-752高扭矩电动机驱动，每台泵重55t。（5）钻机的顶驱装置为电动式，型号：DDM 650LV，挪威生产。由一台GE-752高扭矩电动机驱动。（6）钻机配有型号为1898的液压遥控的铁钻工，可以上卸3.59.5in钻杆和加重钻杆，从而保证了起下钻作业的安全。（7）井架各节连接为插接组合式，而不是螺纹连接，所以安装拆卸十分方便省时，运输也十分方便。,1.1 国外现代石油钻机发展现状,八、科研用石油钻机 据资料介绍，美阿莫科公司新设计了一种用于钻井技术和岩石物理技术试验的第11号科研钻机。该钻机已经在美国俄克拉何马州阿莫科公司试验基地投入使用，并取代了原来的“蓝色钻机”。（1）设计上有带枢轴的导轨系统，钻机可沿一半圆轨道滑动搬迁，搬迁时间缩短（2-3天缩短到2-3小时）。（2）起下钻速度提高（75%），利用一个小鼠洞能用18m立根钻进。（3）配有小井眼的41/2in铝质钻杆和27/8in钢质钻杆。,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（4）井架高32.6m，液压动力水龙头在250r/min时的额定扭矩约为5kNm。（5）有两个转盘，其卡瓦尺寸分别为171/2in和271/2in。（6）提升系统的额定载荷能力为890kN。（7）钻井液系统由6个罐组成，总容积48立方米;配有一台三缸钻井泵（4902650L/min）;另外考虑低排量的需要，还配有几台小型钻井泵。（8）固控系统包括两套超细振动筛及相关配套设备。（9）试验基地备有钻小井眼井和短半径井的修井机，其额定钻深能力600m，额定大钩载荷180kN。,1.1 国外现代石油钻机发展现状,（10）试验基地有一套阿莫科告诉钻井技术试验设备，这套高速钻井系统包括：钻井和完井实验设备、钻井水参数试验闭环系统、固控实验设备、钻井/模拟系统室内钻机等。（11）试验基地的地质条件具有多样性，且各种地层埋藏浅，有365m宾夕法尼亚系地层、121m泥泥盆系/密西西比系层段和701m高武系/奥陶系地层。,1.1 国外现代石油钻机发展现状,九、超高压射流钻井设备 美国公司研制出一种双管钻井系统，从钻杆内中心高压管中输入100MPa的高压钻井液，井底喷嘴的射流速度高达200m/s，压力降达80MPa，在硬岩始终的钻速比常规旋转钻井法提高45倍。这一超高压射流钻井法已经用于工业浅井钻井，用80100MPa的高压液流就可以钻破岩石，但专家认为这一钻井系统只能用于浅井钻井。,1.1 国外现代石油钻机发展现状,总的来说，从国外石油钻机发展的现状来看，在将来的一段时间内，石油钻机的发展趋势出现四化：多样化、两极化、自动化和人性化。类型趋于多样化：根据井位环境差异和钻井工艺需要，开发出不同类型的石油钻机，如适应各种环境的沙漠钻机、海洋钻机、浅海或海滩钻机、极地钻机、城市钻机、地震区钻机、全地形钻机、直升机吊运钻机和陆地钻机等；适应各种钻机工艺的丛式井钻机、斜井钻机、细井筒钻机、特深井钻机、自走式钻机、自动化钻机、连续柔管钻机、模块化钻机等。,1.1 国外现代石油钻机发展现状,规模趋于两极化：1）深井钻机趋向大型化（钻深能力已达15000m，最大钩载达12500kN）2）轻便石油钻机趋向小型化 控制趋于自动化：顶驱、盘式刹车技术的逐步成熟，以及电动控制技术、液压驱动技术和可靠性的逐步提高，为实现钻机的自动化提供了可能，再加上海洋及深井等复杂工况下，钻井工艺及成本对钻井装备的要求使得钻机控制自动化成为钻机发展的一个重要趋势。,1.1 国外现代石油钻机发展现状,设计趋于人性化：新型钻机充分体现以人为本的思想，最大限度满足HSE要求：1）护栏、梯子要满足安全规定。比如，上下井架有助力器，二层台有逃生器，钻台上有逃生滑道；钻机本身设有天车防碰和紧急刹车装置，避免游车大钩碰撞天车，并能在任何情况下迅速制动大钩和绞车。2）选用无公害的摩擦盘（片）、刹车块、油漆，保证员工健康。3）刹车毂、辅助刹车的冷却水循环使用，柴油机排放满足环保要求。,1.2 国内石油钻机发展现状,发展战略：利用国内外两种资源和开发国内外两个市场。指导方针：稳定东部，发展西部、油气并举，向气倾斜、开发蓝色国土，发展海洋石油 我国的石油钻机在标准化水平、技术和制造水平及研究开发能力、产品质量和品种等方面又有了较大的提高和发展。一、我国石油钻机标准的再次修订 1999年，修订GB1806-86国家石油钻机标准，制订了我国新的石油天然气行业标准SY/T 5609-1999石油钻机型式与基本参数。,1.2 国内石油钻机发展现状,（1）石油钻机的级别由6级增加到9级。每个级别代号用双项参数表示，前者乘以100为钻机名义钻深范围的上限数值，后者是以kN为单位计的最大钩载数值。（ZJ10/600、ZJ15/900、ZJ20/1350、ZJ30/1700、ZJ45/2250、ZJ50/3150、ZJ70/4500、ZJ90/6500、ZJ120/9000），（2）绞车设计名义钻深范围的标定问题。为了与国外的通行做法一致，在新标准中采用了114mm（41/2in）钻杆，以钻柱名义平均重量30kg/m来计算和标定各级钻机的名义钻深范围。保留原标准中以127mm（5in）名义平均重量36kg/m钻杆标定名义钻深范围的做法。,1.2 国内石油钻机发展现状,（3）取消了原标准中“最大钻柱重量”参数。（4）关于转盘开口直径的规格问题。考虑不同井深的需要，15、20、32三级钻机均增加两种规格，其余各级钻机增加到三种规格，便于油田用户有充分的选择余地。（5）关于钻井泵功率问题。只规定了各级钻机的钻井泵只配备单台泵的功率不小于某一基本功率值，扩大了油田的选配范围，能更好的满足油田钻井的需要。（6）增加了钻台高度的品种数。,1.2 国内石油钻机发展现状,（7）为提高120/9000级别钻机的起下钻速度，参照国外钻机设计的做法，对超深井钻机，推荐采用能起下4个单根连接成37m立柱的井架。（8）关于石油钻机型式和型号的表示。Y液压钻机DJ交流电动钻机DZ直流电东钻机DB交流变频电动钻机L链条并车J三角胶带并车C齿轮传动Z自行式车装钻机T半拖挂车装钻机,1.2 国内石油钻机发展现状,（9）取消了关于柴油机钻速的推荐做法。,1.2 国内石油钻机发展现状,二、新型石油钻机的研制和开发 我国生产石油钻机的主要企业：兰州石油化工机器总厂 宝鸡石油机械厂 兰州石油机械研究所 大庆钻井二公司 江汉第四石油机械厂 20世纪90年代以来，这些企业先后研制出各种型式的石油钻机约25个品种。,1.2 国内石油钻机发展现状,1、ZJ10B型石油钻机 1998年，宝鸡石油机械厂设计制造的一种轻便钻机。特点：液力传动方式，无级调速，功率利用率高；柴油机与变矩器匹配合理，较大的提高钻机的技术性能；传动部分分两大块（转盘、绞车、变速箱为一个运输单元，液力变矩器和柴油机为一个运输单元），可快速搬迁，且搬迁费用低，钻井成本低。适用：石油、天然气、煤层气及地热井的勘探开发和油田修井作业。,1.2 国内石油钻机发展现状,2、ZJ15X型石油钻机 1995年，宝鸡石油机械厂完成的国家级火炬计划项目和重点新产品。我国第一台斜井钻机 特点：车载式，具有良好的移动性；采用了多项20世纪80年代国外钻机行业的先进技术（液压控制机械手、气动卡瓦、液压顶部驱动等）；钻速和扭矩可无级调节，具有倒化眼、起下钻及下套管循环钻机液的功能；故障处理能力强。适用：钻与水平呈4590的斜直井，浅层水平井。,1.2 国内石油钻机发展现状,3、ZJ15型石油钻机（ZJ15型钻机车）1996年，江汉第四石油机械厂在XJ系列修井机的基础上研制。组成：108自走底盘车、角传动箱、绞车及其刹车系统、刹车冷却装置、II型两节伸缩式井架及45游动系统、死绳固定器及压力传感指重装置、钻盘传动系统、液压绞车、钻台、气动卡瓦及司钻控制的液气路、电路系统等。特点：车载装备，整车布置合理，传动平稳，动力性好，移运灵活，起下钻速度快；采用转盘防反转国家专利。适用：钻1500m井。,1.2 国内石油钻机发展现状,4、ZJ20B型石油钻机 宝鸡石油机械厂生产。特点：配有多循环圆液力传动变速箱（涡轮变矩器、偶合器、摩擦离合器等），该变速箱集减速、变速、分动于一体，传动柔和，可实现无级调速，可根据外界载荷自动调速，并具有手动、微动控制功能，具有反转制动功能和变加速的特点。钻机起动平稳，工作可靠。1996年通过中国石油天然气总公司技术鉴定。首次采用该传动方式。,1.2 国内石油钻机发展现状,5、ZJ20DY型石油钻机 1998年，宝鸡石油机械厂研制成功。属于电液驱动钻机。结构特点：1）主机采用大功率交流电动机与多循环圆液力传动变速箱联组驱动型式，电力特性与液力特性匹配合理，可实现无级调速。2）绞车刹车装置采用全液压盘式刹车，钻井泵采用柴油机加液力变矩器驱动型式。3）配备了井口机械化工具，采用了钻井参数数显技术。该钻机节约能源，减轻工人劳动强度，钻井效率高，可适应先进钻井技术的要求。,1.2 国内石油钻机发展现状,6、GW-M1000型石油钻机（ZJ40/2250T拖挂式整体移运钻机）宝鸡石油机械厂与中油长城钻井公司联合研制。结构特点：1）采用模块化设计，主机分为前后两大模块，分别装有重载沙漠轮胎，脱开前后两块，可用牵引车拖动行使，整体移运性好。2）K型伸缩井架采用低位安装，井架整体采用液缸起升，上段采用钢丝绳伸缩。3）底座为两大模块组成的车架式结构，设有液压调平和机械千斤顶调平装置。,GW-M1000钻机井架,GW-M1000钻机底座,GW-M1000钻机绞车,GW-M1000钻机行驶状态图,1.2 国内石油钻机发展现状,4）采用全摩擦离合器换档密封绞车、整体密封式并车箱和翻转链条箱等新技术。适用：沙漠地区钻井 7、ZJ32J改型石油钻机 1996年，兰州石油化工机器总厂对原开发的窄V带3200m钻机进行了改型。改型项目：1）钻台升高（4.5m6m），便于井口安装防喷器。2）绞车改位（钻台后台1m的底座上），吊装安全。3）绞车型式可选（6挡绞车、气胎离合器换档的4当绞车）；动力输入可选（万向轴、链条传动）。,1.2 国内石油钻机发展现状,4）用户自选是否配备猫头绞车。5）柴油机使用转速和功率提高；动力通过正车减速箱输出，使泵正转。6）传动并车后效率升高，钻井泵获得功率更多。7）转盘传动装置埋在钻台平面以下，可使井口操作范围大，而且保证井口平坦安全。,1.2 国内石油钻机发展现状,8、ZJ32L型石油钻机 ZJ32L型石油钻机，20世纪90年代以来我国共研制出三种。1）ZJ32LSL1型钻机 1995年，兰州石油机械研究所与胜利石油管理局共同研制成功。2）ZJ32L（宝）型钻机 1996年，宝鸡石油机械厂完成的国家级火炬计划项目和重点新产品，是一种新型的液力传动链条并车钻机。,1.2 国内石油钻机发展现状,3）ZJ32L（兰）型钻机 1997年，兰州石油化工总厂研制成功。3200m中深井机械驱动钻机，用114mm钻杆井深可达4000m。,1.2 国内石油钻机发展现状,9、交流变频电驱动钻机 20世纪90年代以来，我国先后研制成功以下几种机型的交流变频电驱动钻机。1）ZJ15D型石油钻机 1998年，大庆钻井二公司研制成功。性能特点：a.实现了两挡无级变速，克服了直流电驱动钻机电刷易磨损和维护困难的缺点，提高了钻井作业的自动化水平；b.改善了司钻的工作条件（钻台上设置了司钻房，取消了刹把，采用了液压控制）c.井口配备了小型机械化工具。,1.2 国内石油钻机发展现状,2）ZJ15/900DB型石油钻机 1998年，宝鸡石油机械厂研制生产，我国第一台浅井数控交流变频钻机。性能特点：a.采用西门子的矢量控制系统和400kW的变频电动机；b.实现恒功率无级调速和编程控制；c.能将下钻过程中的势能反送到电网，节约能源；d.底座采用块装整拖结构，搬迁快捷，安装方便。,井架,底座,绞车,动力系统,变频控制系统,转盘驱动装置,ZJ15/900DB钻机,K型/A型/伸缩式/套装式33米,块装式、旋升式或拖挂式,单电机单齿轮箱单滚筒,电机加减速箱驱动,2台1000kW发电机组,F-1000泵组,由一台800kW电机驱动,1.2 国内石油钻机发展现状,ZJ15/900DB钻机立面图,ZJ15/900DB钻机底座,1.2 国内石油钻机发展现状,3）ZJ40/2250DB型石油钻机 1999年8月，兰州石油化工总厂、辽河油田、北京东昱电器公司等单位共同研制成功，我国第一台中深井交流变频电驱动钻机。该钻机于1999年9月在辽河油田进行工业试验，到2000年3月9日，顺利完成两口2550m定向井和一口3000m评探井的钻井任务。2000年4月通过国家机械局和中国石油天然气集团技术服务有限责任公司的鉴定。,井架,底座,绞车,动力系统,变频控制系统,转盘驱动装置,ZJ40/2250DB钻机,K型43米,7.5米双升式或旋升式,单电机单齿轮箱单滚筒,电机加减速箱驱动,2台1900kW发电机组,F-1300泵组,每台泵由一台970kW电机驱动,1.2 国内石油钻机发展现状,ZJ40/2250DB钻机立面图,1.2 国内石油钻机发展现状,4）ZJ50/3150DB型石油钻机 宝鸡石油机械厂研制生产。,井架,底座,绞车,动力系统,变频控制系统,转盘驱动装置,ZJ50/3150DB钻机,K型45米,9米双升式或旋升式,双电机单齿轮箱单滚筒,电机加减速箱驱动,2台1900kW发电机组,F-1600泵组,每台泵由一台1200kW电机驱动,1.2 国内石油钻机发展现状,5）ZJ70/4500DB型石油钻机 宝鸡石油机械厂研制生产。结构原理及特点：a.采用4台CAT 3512B 1900kW柴油发电机组作为主动力，发出600V 50Hz交流电经变频单元(VFD)变频后，变为0-600V 150Hz交流电分别驱动绞车，转盘、泥浆泵和自动送钻（应急）装置的交流变频电机。b.采用先进的交流变频控制技术，通过电传动系统PLC和触摸屏及气、电、液、钻井参数的一体化设计，实现钻机智能化司钻控制。c.钻机采用宽频大功率交流变频电机驱动，完全实现绞车、转盘、泥浆泵的100全程调速。,1.2 国内石油钻机发展现状,d.钻机绞车为单轴齿轮传动，一档无级调速，机械传动简单、可靠。主刹车采用液压盘式刹车，辅助刹车采用电机能耗制动，并能通过计算机定量控制制动力矩。e.绞车采用独立电机自动送钻技术，能够对起下钻工况和钻进工况进行实时监控.f.系统采用SIEMENS智能化软启动装置，采用ET200模块实现MCC保护和监控,技术先进性能可靠。g.智能化游车位置控制，具有防止“上碰下砸”的功能。h.具有气、液释压、电控系统及电机故障、转盘扭矩限制和泵压限制等保护功能。,1.2 国内石油钻机发展现状,i.可配独立的司钻控制房。j.井架、底座有双升式、引进旋升式、一次起升旋升式等几种方案供用户选择。k.可配顶部驱动钻井装置。,井架,底座,绞车,动力系统,变频控制系统,转盘驱动装置,ZJ70/4500DB钻机,K型45米,10.5米双升式或旋升式,双电机双齿轮箱单滚筒,电机加减速箱驱动,4台1900kW发电机组,F-1600泵组,每台泵由一台1200kW电机驱动,基本参数,1.2 国内石油钻机发展现状,10、ZJ50/3150D型石油钻机 1）ZJ50/3150D（兰）型石油钻机 1997年，兰州石油化工机器总厂研制的直流电驱动钻机（AC-SCR-DC）。2）ZJ50/3150D（宝）型石油钻机 宝鸡石油机械厂承包，与原石油天然气总公司系统有关制造厂合作研制。,1.2 国内石油钻机发展现状,性能特点：1）采用柴油发电机组和串励直流电动机一对二控制方式；2）井架、底座和绞车均低位安装，用绞车动力分步起升；3）绞车为内变速并采用开槽滚筒和风冷式电磁涡流刹车；4）整台钻机可模块化运输，移运、安装方便；5）钻台为双升式起升，台面平整开阔，操作安全。,ZJ50/3150D钻机立面图,ZJ50/3150D钻机井架,ZJ50/3150D钻机底座,1.2 国内石油钻机发展现状,11、ZJ60DS型石油钻机 为新疆塔克拉玛干沙漠油田研制的6000m电驱动石油钻机，是我国“八五”期间国家重大装备科技攻关项目，由兰州石油化工机器总厂、天水电气传动研究所、兰州电机厂、宝鸡石油机械厂及塔里木石油勘探开发指挥部等单位共同研制成功。1994年1996年1月完成制造、厂内总装调试和油田工业试验，1996年3月通过国家级鉴定。动力采用5台美国卡特皮勒D339柴油机带动5台交流发电机并网，经可控硅整流，供给6台主电动机使用（4台驱动2台钻井泵，1台驱动绞车，1台驱动转盘）。,1.2 国内石油钻机发展现状,12、ZJ70/4500D型石油钻机 1）ZJ70/4500D（兰）型石油钻机 1998年，兰州石油化工机器总厂在ZJ60DS石油钻机的基础上，以114mm钻杆标定的改型钻机。其主要设备的型式、基本参数和承载能力与ZJ60DS钻机相同。但在动力系统方面，绝大多数采用了卡特皮勒的3512柴油机发电机组。总体布置方面按各油田的需要。2）ZJ70/4500D（宝）型石油钻机 1999年，宝鸡石油机械厂与中国石油天然气集团系统有关单位共同研制成功。,1.2 国内石油钻机发展现状,特点：一对二控制方式 双升式整体起升钻台 井架和台面设备低位安装 翻转式下沉转盘驱动箱 内变速绞车 开槽滚筒和风冷式电磁涡流刹车 固控系统和钻井液净化设备集中布置 配有自动送钻装置,ZJ70/4500D钻机,ZJ70/4500D钻机井架,ZJ70/4500D钻机底座,ZJ70/4500D钻机绞车,1.2 国内石油钻机发展现状,三、新型钻井泵的研制 1、新型5缸钻井泵 北京龙基九天实业有限公司开发，用于石油勘探开发的5缸1300型新结构钻井泵。与现用传统3缸钻井泵比较 关键不同点：动力端结构不同（传统3缸泵曲柄连杆机构；新型5缸泵斜盘摆盘结构）1）传统3缸泵的3个曲柄相位差120度，冲程间歇大，钻井液的液力脉动系数高（14%），设备震动大，零部件损坏快，输送钻井液的管线经常震裂；新型5缸泵5缸环形排列，钻井液的液力脉动系数低（2.5%），液流脉动率小，水力特性好，钻井泵运转平稳，震动很小。,1.2 国内石油钻机发展现状,2）传统3缸泵水力能量连续性差，不能形成持续，稳定的高压液流，影响钻井速度；新型5缸泵水力能量连续性好，破岩作用和清洗井底岩屑能力强，可以提高钻井速度（15%20%）；3）传统3缸泵由于波峰大，固井时容易出现水头锥进效应，影响固井质量，采油注水时大大降低原油采收率；新型5缸泵固井时钻井液的串槽的可能性小，有利于提高固井质量，用于采油可大大提高原油的采收率和经济效益。4）传统3缸泵在运转中有上下死点，机械效率低（70%左右），而且耗能大；新型5缸泵运转时斜盘爬行坡度为20度，没有上下死点，泵和柴油机运转平稳省力，机械效率高（可达90%）。,1.2 国内石油钻机发展现状,5）在泵功率相同的情况下，新型5缸泵的重量只有传统3缸泵的1/22/3。总之，新型5缸泵比传统的钻井泵在相同的功率下，体积小，重量轻，泵压高，效率高，运转平稳，节约钢材和能耗，更适合作为油田固井水泥车的固井泵、压裂车的压裂泵和采油注水泵。,1.2 国内石油钻机发展现状,2、双缸单作用液压钻井泵 1994年，石油物探局机械厂与天津理工学院研制出一种用于WT-50型钻机的YNB-20型双缸单作用液压钻井泵。性能特点：1）泵的功率14.7kW（20马力）；2）加工零件减少30.63%，重量降到59.23%，相同出水压力下流量提高50%，成本下降到54.7%；3）液压控制系统可使油缸能自动往复运动，省去了电或机械控制装置，并能确保泵在野外长期可靠工作。,1.2 国内石油钻机发展现状,3、高压隔膜钻井泵 上海大隆机器厂与郑州轻金属研究院联合研制。于1995年12月通过国家鉴定。该泵技术先进，设计可靠，运行平稳，维修方便，实现了机电一体化。在以固体颗粒的钻井液为介质的领域具有广泛的应用前景。,1.2 国内石油钻机发展现状,四、石油井架现代设计方法的研究 20世纪90年代初，北京石油勘探开发科学研究院机械所与石油大学（华东）矿机教研室联合对石油井架现代设计方法进行了研究，并在石油井架的动态设计法、可靠性设计法及非线性分析三个方面取得了重要成果。1、石油井架的动态设计法 试验模态分析和有限元分析相结合 适用石油钻机各种结构型式的井架，对K型井架具有工程适用价值。,1.2 国内石油钻机发展现状,1）前开口井架最佳动力计算模型（三维立体梁-杵混合元模型），不仅适用于JJ250/42-K型井架，而且还可应用于各种钩载级别的钻机、修井机的前开口井架。2）JJ250/42-K型国产前开口井架动态优化具体结构修改方案和修改构件的尺寸规格，可提高其动态性能。,1.2 国内石油钻机发展现状,2、石油井架的可靠性设计法 1）得出ZJ32钻机最大工作载荷概率分布及统计参数，可用于ZJ32钻机井架的可靠性设计，其分析方法适用于各级别钻机的井架。2）提出的井架构件截面可靠性设计与分析模式、井架构件抗力的分析规律和统计参数、开发的计算机软件，为井架构件截面可靠性分析与设计提供了较为科学的方法。3、石油井架的非线性分析 通过模型井架垂直静载试验，测得应力和位移随载荷呈非线性变化。这种非线性方法和开发的计算机程序可用于井架的非线性静力、动力分析。,1.2 国内石油钻机发展现状,五、石油钻机振动模态的研究 大庆石油学院与大庆钻井三公司共同开展了对在用的ZJ15型钻机的动态特性及其在钻井过程中的动力反应进行了试验研究，试验采用的是模态分析技术。研究石油钻机的振动特性 研究钻机底座的等效振动问题。把钻机底座看成是一个结构比较复杂的n自由度定常线性系统，钻机底座对给予的任一激励所作出的响应能包含钻机振动的全部信息，可以用来描述系统的动态特性。,1.2 国内石油钻机发展现状,模态分析技术：对结构动态特性的解析分析和试验分析，其结构动态特性用模态参数来表征。解析分析中，模态参数是力学系统运动微分方程的特征值和特征向量。实验分析中，模态参数是试验测得系统的固有频率、阻尼和振型。对于已经简化的石油钻机系统，应用解析法进行模态分析异常困难，而且很难得出精确结果。因此，通过试验并采用单点激振频响函数法，依据单点激振，各响应点拾振的频率响应函数来提取模态参数是对钻机进行模态分析的一种有效方法。,1.2 国内石油钻机发展现状,钻机振动模态测试系统组成：激振力锤、拾振器、信号放大器、低通滤波器以及信号采集计算机。,力锤,力传感器,891型测振仪信号放大器,低通滤波放大器,钻机（底座）,拾振器,INVLF-8波信号放大器,COINV计算机数据采集系统,1.3 国内石油钻机发展水平分析,一、与国外的主要差别及原因分析 1、主要差别 1）从适应更广领域及更深埋藏油气勘探开发的需要看，我国超过7000m钻深能力的石油钻机还比较少，适应沙漠、戈壁、沼泽地等条件的钻机研制工作刚刚起步。2）为适应地貌开阔条件，集装程度较高的钻机研制虽然已经起步，但如何使其拆成便于公路运输的小块组件尚未考虑，限制了这种石油钻机在西部沙漠油田的使用；我国专用搬家车辆研制刚刚起步，在国外承包钻井工程中，搬家安装时占用车辆多，操作工人多和耗时长的问题十分突出。,1.3 国内石油钻机发展水平分析,3）机械化、智能化进程滞后，水平较低，既影响钻井进度和井身质量的提高，同时也应影响在国际市场上的竞争力。4）对于已经生产的石油钻机，主机与国外差距不大，但总体方案上不能满足具体地区与钻井工艺要求。5）各部件之间的合理配置还有待优化。6）国产石油钻机如何体现HSE要求的自觉性还有待加强。,1.3 国内石油钻机发展水平分析,7）普遍采用小钻机装大部件，或整体上加大动力储备，造成大马拉小车，加大了能耗；大量使用进口元器件，虽然提高了整机的可靠性，但大大增加了制造成本；不少配套件如振动筛、钻井仪表、二层台逃生装置等也要大量进口，已通过国际质量认证的国内可替代产品还比较少。8）整个石油钻机研制工作基本停留在仿造与跟踪阶段，创新所占比例较小。,1.3 国内石油钻机发展水平分析,2、原因分析 1）需求不旺 需求是石油钻机发展的重要动力。对于特大型钻机、不同集装程度钻机及机械化、智能化系统，因需求不旺而没有提到议事日程上来。2）基础薄弱 可供石油钻机使用的国产基础件品种少，质量差，尤其是用于高移运性钻机的高速柴油机、液力机械换档箱、轴承等基础件不过关，很难参与国际市场竞争。,1.3 国内石油钻机发展水平分析,3）观念落后 重主机轻配套的观念还没有根本改变。配套系统依然靠引进关键设备与技术支撑局面；钻机各个系统合理配置未受到重视，重硬件轻软件的倾向严重制约了石油钻机的发展。4）消化不力 引进国外先进技术后，在消化吸收上所作的工作还太少，再加上技术改造资金短缺，致使独创技术很少，另外制造技术与设备陈旧，劳动生产率低，零件加工工序多，使产品质量很难再上新的台阶。,1.3 国内石油钻机发展水平分析,二、对我国石油钻机发展的建议 1、相关技术方面 当前，国外石油钻井技术发展的总趋势是以信息化、智能化、自动化为特点，向自动化钻井发展。国际钻井界20世纪80年代以来，在5个方面不断取得进展：1）随钻测量和随钻地层评价技术 2）实时钻井数据采集、处理与应用技术 3）复杂结构井的产业化技术 4）闭环旋转导向钻井技术以及自动化钻机（样机）的研制 5）海洋钻机技术,1.3 国内石油钻机发展水平分析,21世纪，我们应按3个层次发展钻井技术，即 成熟技术产业化，在研技术集成化，高新创新技术自主化，把自主创新放在重要位置。在21世纪初期，重点发展与自动化钻井有关的主要技术；继续解决深井、超深井钻井技术难题；进一步完善和推广油气层保护技术和小井眼产业化技术；加强钻井理论研究。,1.3 国内石油钻机发展水平分析,2、设备方面 目前，我国石油勘探开发的重点是：稳定东部，发展西部。进军海外。开发适应不同作业环境的钻机，对我国石油装备制造厂家来说既是机遇又是挑战。大的原则：深井钻机自动化、中深井钻机模块化、浅井钻机车装化 同时，在注意主机的同时，也应重视其配套。各厂家在对目前已经形成规模的系列产品不断完善的基础上，还要逐步考虑：,1.3 国内石油钻机发展水平分析,1）一体化钻机 2）大庆130替代型钻机 3）沙漠石油钻机 4）丛式井钻机 5）海洋石油钻机 小批生产1320-VE型和1625-DE型海洋石油钻机。6）浅海和海滩石油钻井装置 进一步完善现有座底式钻井船，开发新一代水深6m座底式钻井船以及浅海和海滩运输设备。7）微型轻便石油钻机,1.3 国内石油钻机发展水平分析,3、其他方面 从世界范围来看，中国的石油设备综合制造能力应该是仅次于美国。从目前的发展现状及趋势看，生产能力主要集中在钻机及配套装备的制造上。为加快钻机发展步伐，建议：1）应从面向国际市场、塑造中国石油钻井装备品牌高度来认识国内石油钻井装备制造业，建立相应的石油钻机行业协调机制。2）建立科研-生产-应用相结合的钻井装备研发体系，充分配置资源，促进钻井装备的发展。,1.3 国内石油钻机发展水平分析,3）充分利用国内市场资源，以市场换技术促进国内装备技术及制造水平的尽快提高。4）筹借资金用于创新项目及技术改造。5）重视基础部件及与主机相配套辅机的开发，提高钻机成套生产能力。6）培养高素质石油钻机专门人才，这是石油钻机快速发展之本。,