国内石油钻机发展现状分析
中国工业设备网发表时间:2005-11-26 应用行业：石油
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【https://www.doczj.com/doc/854845837.html,编者按】20世纪90年代以来，为了使我国的石油工业满足国民经济日益增长的需要，国家提出了“利用国内外两种资源和开发国内外两个市场”的发展战略。根据这二发展战略和“稳定东部，发展西部”、“油气并举，向气倾斜”及“开发蓝色国土，发展海洋石油”的指导方针，我国的石油钻机在标准化水平、I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。本文主要介绍了国内石油钻机的发展及应用现状。
一、再次修订了我国石油钻机标准
为了适应我国石油工业发展的需要，缩小我国石油钻机与国际先进水平的差距，得进我国石油钻机的进一步发展，使我国的钻机标准与国际标准和通用技术要求接轨。1999年，我国又对1986年在GB 1806—79《石油钻机型式与基本参数》基础上制订的GB 1806一8国家石油钻机标准进行了修订(1993年复审后将GB 1806-86改为SY／T 5609—1993)，并制订了我国新的石油天然气行业标准SY／T5609—1999《石油钻机型式与基本参数》。新的石油天然气行业标准SY／T5609—1999《石油钻机型式与基本参数》从1999年12月1日起实施。
SY／T 5609—1999石油钻机标准有以下特点：
(1)我国石油钻机的级别由原标准的6级增加到9级。每个级别的代号数字以双项参数表示，前者乘以100为钻机名义钻深范围的上限数值，后者为以kN为单位计的最大钩载数值。采用双参数表示法来表示钻机的级别，最能集中地反映每级石油钻机最关键、最本质的特性和能力，是一种比较直观的表示钻机级别的方法。
新标准增加了ZJl0／600、ZJ30／1700和ZJ120／9000三种级别的石油钻机，并将原标准中4种级别的钻机进行了调整，即3200m级改为4000m(ZJ40/2250)；4500m级改为5000m(ZJ50／3150)；6000m级改为7000m(ZJ70／4500)；8000m级改为9000m(ZJ90／6750)／(ZJ90／5850)。这是根据以下几种情况确定的：
①我国油田用户的要求和全国油层井深分布的实际情况；
②21世纪我国沙漠、海洋深井勘探开发的需要；
③与国外石油公司合作，到海外去勘探开发原油和天然气；
④适应外贸出口的需要。
在新标准第8级钻机(90／6750)／(90／5850)、最大钩载6750(675)／5850(585)、钻井绳数12／10和最多绳数16／14中的90／5850，5850(585)，l0，14与原标准GB 1806—86(SY／T 5609—1993)中“80”级钻机的最大钩载、钻井绳数、最多绳数基本一致。这一级钻机的钩载储备因数2.19在美国石油钻机制造公司普遍采用的钩载储备范
围2～3之内。若要提高这一级钻机的钩载储备因数，只需将最多绳数由14根增加到16根，最大钩载加大到6750kN，这时的钩载储备因数便由2.19增加到2.52。在新标准中明确规定90／6750级钻机最大钩载6750kN、钻井绳数12和最多绳数16为优先选用参数。
(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，这与ISO相关的石油标准和FOCT 16293—82、STASR，6234—75《石油钻机基本参数》的规定保持了一致。这是新标准中的一项重要修订，这也符合我国加入世界贸易组织后，国内市场与国际市场接轨，我国石油钻机外贸出口，到境外承包钻井工程和与国外合作勘探开发石油、天然气的要求。为了满足和方便国内油田长期以来大量应用127mm(5in)钻杆与其他钻具组合成名义平均重量为36k／m钻柱钻井的实际需要，故在新标准中保留了原标准中127mm(5in)钻杆标定名义钻深范围的做法，但在新标准中明确规定以114mm钻杆的名义平均重30kg／g标定的名义钻深范围上限作为区分钻机级别的依据之一。
(3)在新标准中取消了原标准中“最大钻柱重量”参数，因为这一参数在国外石油钻机基本参数的标准中很少见到，似乎国外并不看重这一参数。其实根据新标准中提示的114mm钻杆柱的名义重量30kg／m和127mm钻杆柱名义平均重量36kg／m，分别乘以名义钻深范围上限，就可以得出最大钻柱重量这一参数来。故最大钻柱重量实质上是在明确钻杆规格和名义钻深范围上限的情况下就可以推导出来的参数。
(4)关于转盘开口直径的规格问题。在原标准的15、20、32三级钻机中，每一级钻机仅配一种规格的转盘，在新标准中，考虑不同井深的需要，每一级钻机均增加为两种规格，其余各级钻机也由原来的两种规格增加到3种规格，这样可使油田用户有充分的选择余地。
(5)关于钻井泵功率问题。在新标准中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，这样扩大了油田的选配范围，能更好地满足油田钻井的需要。
(6)关于钻台的高度问题。根据油气田对井口防喷器组安装的不同需要，在新标准中对钻机系列的各级钻机增加了钻台高度的品种数，扩大了油田用户对钻台高度的选配余地。
(7)为了提高120／9000级别钻机的起下钻速度，在新标准中，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)在石油钻机型式和型号的表示方法方面，根据我国石油钻机驱动、传动型式的发展，在钻机驱动、传动特征的表示方法上，在新标准中增加了用“Y”表示液压钻机、用“DJ”表示交流电动钻机、用“DZ”表示直流电动钻机和用“DB”表示交流交频电动钻机的型式内容，以便区分不同驱动特征的石油钻机。
(9)考虑原标准中推荐的柴油机转速，长期以来在指导国内柴油机生产和石油钻机合理选配柴油机特性参数的设计应用中，发挥了良好的技术规范作用，并已被国内广泛使用，故在新标准中取消了原标准中关于柴油机转速的推荐作法。
研制和开发出一批新型石油钻机
20世纪90年代以来，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
石油机械厂及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等单位，根据油田的要求和境外石油勘探开发的需要及1995年，原中国石油天然气总公司胜利油田石油钻机方案定型会议关于我国2000m及以下级别钻机，要大力提高轻便性和移运性，3000m及以下级别钻机，发展机械驱动钻机为主，4500m级别钻机，发展电驱动和机械驱动两种型式的钻机，6000m及以上级别的钻机，发展电驱动钻机为主的意见，先后研制出各种型式的石油钻机约25个品种。其中ZJ20(25)JD型、ZJ20J型、ZJ32J型(正车减速器传动型)和ZJ60L型钻机已在1993年中国石油设备协会钻采机械专业委员会组织的国内外技术发展水平跟踪与分析“石油钻采设备”中进行了全面介绍，本书只介绍上述4种型式钻机以外的各种石油钻机的型式与基本参数和性能特点。20世纪90年代我国新研制的石油钻机。
1．ZJl0B型石油钻机
该钻机是宝鸡石油机械厂为开发浅层油区于1998年设计制造的一种轻便钻机。它适用于石油、天然气、煤层气及地热井的勘探开发和油田修井作业。该钻机采用液力传动方式，无级讽速，功率利用率高；柴油机与变矩器匹配合理，使钻机的技术性能有较大提高；为适应快速搬迁的要求，传动部分分为两大块，转盘、绞车、变速箱为～个运输单元；液力变矩器和柴油机为一个运输单元，搬迁费用少，钻井成本低。
2．ZJl5X型石油钻机
该钻机是宝鸡石油机械厂1995年完成的国家级火炬计划项目和重点新产品，是我国研制的第一台斜井钻机，同年通过原中国石油天然气总公司组织的技术鉴定。与会专家认为ZJ15X斜井钻机的研制成功填补了国内空白，达到20世纪80年代同类钻机的国际先进水平。该钻机为车载式，具有良好的移动性，可钻与水平成45°~90°的斜直井，又是打浅层水平井的理想装备。该钻机采用了液压控制的机械手、扶正器、防喷器吊架、加压装置、井架起升、底座调平、气控变挡、气动卡瓦和液压顶部驱动等多项80年代国外钻机行业的先进技术，钻机转速和扭矩均可无级调节，具有倒划眼、起下钻及下套管循环钻井液的功能，大大改善了钻井的特性，处理故障能力强。
3．ZJl5型石油钻机
该钻机是一种车装设备，又称ZJl5型钻机车，是江汉第四石油机械厂1996年在Ⅺ系列修井机的基础上，根据油田用户的要求研制而成的。1997年获国家经贸委颁发的国家级新产品证书。
该钻机主要由10×8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4×5游动系统、死绳固定器及压力传感指重装置、转盘传动系统、液压绞车、钻台、气动卡瓦及司钻控制的液气路、电路系统等组成。具有整车布置合理，传动平稳，动力性好，移运灵活和起下钻速度快等特点，该车还采用了转盘防反转国家
专利技术，整机性能处于国内领先水平，是1500m井深钻井作业的理想设备。
4．ZJ20B型石油钻机
该钻机是宝鸡石油机械厂生产的配有多循环圆液力传动变速箱的新型钻机。液力变速箱由涡轮变矩器、偶合器、摩擦离合器等组成。该变速箱集减速、变速、分动于一体，传动柔合，实现了无级调速，可根据外界载荷自动调速，并具有手动、微动控制功能，可最大限度地满足科学钻井的需要。液力变矩器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。
ZJ20B型钻机1996年通过中国石油天然气总公司技术鉴定。与会专家一致认为，该种传动型式在钻机上属首次采用，达到了国内领先水平。
5．ZJ 20DY型石油钻机
该钻机是宝鸡石油机械厂1998年研制成功的新型电液驱动钻机。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，实现无级变速。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的驱动型式。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，减轻劳动强度，钻井效率高，可适应先进钻井工艺的要求。
6．GW—M1000型石油钻机
该钻机是宝鸡石油机械厂与中油长城钻井公司联合研制的用于沙漠地区钻井的拖挂式整体移运钻机。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，即可用牵引车拖动行驶，整体移运性好。K型伸缩式井架采用低位安装，井架整体采用液缸起升，上段采用钢丝绳伸缩；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；该钻机还采用了全摩擦离合器换挡密封绞车、整体密封式并车箱和翻转链条箱等新技术。GW—M1000型钻机填补了国内空白，1999年8月通过了出厂验收。
7．ZJ32J改型石油钻机
1996年，兰州石油化工机器总厂根据胜利油田石油钻机方案定型会议的意见，对原开发的窄V带3200m钻机进行了改型。改型后：原钻机的钻台升高；绞车从钻台上降低到后台的底座上；提高了柴油机的使用转速和功率；增加了可使钻井泵正转的正车减速箱；在配套方面更加灵活多样。
改型后钻机的主要特点是：
(1)钻台由原来的4．5m增加到6m，便于井口安装防喷器；块装结构；井架可低位安装。
(2)绞车从钻台改在后台lm高的底座上，吊装安全；动力爬台采用万向轴，安装找正方便。
(3)绞车型式可选6挡绞车或气胎离合器换挡的4挡绞车；动力输入可选万向轴或链条传动。
(4)猫头绞车与转盘变速装置采用万向轴连接，是否配备猫头绞车可由用户自选，且不影响转盘变速。
(5)提高了柴油机使用转速和功率；动力通过正车减速箱输出，使泵正转。
(6)传动并车后效率更高，钻井泵能获得更多功率。
(7)转盘传动装置埋于钻台平面以下，可使井口操作范围大和平坦安全。
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3种。
1)ZJ32一SLl型钻机
该钻机是1995年由兰州石油机械研究所与胜利石油管理局共同研制成功的，其主要特点是：
(1)钻台高4.5m，机房底座高0.5m，绞车不上台，安放在lm高的井架底座上。
(2)3台柴油机采用窄V联组皮带并车，重心低，运转平稳。
(3)采用液压盘式刹车。从数口深度超过3200m的钻井实践证明，液压盘式刹车安全可靠，能顺利完成接单根、送钻、起下钻、下套管、甩钻具等各项作业。对超过3200m 深的井，刹车优点更为突出。胜利油田32179队在钻完4口井后检查，刹车盘磨损量很小，刹车块仍可继续使用。
(4)绞车为3轴密闭绞车，低位安装。由于采用了液压盘式刹车，司钻可坐在司钻室内远距离操作。由于用操作手柄代替了带刹车的刹把，故不仅改善了司钻的工作环境，．而且也减轻了司钻的劳动强度。
(5)取消了猫头轴，井口操作全部机械化，减轻了钻井工人繁重的体力劳动，保证了井口作业安全可靠。
(6)从传动机组到绞车的传动链条，由独立的上台传动装置和两根万向轴代替，传动转盘的链条由转盘角传动箱和万向轴完成，故减少了搬家和安装链条拆装的麻烦。
(7)井架为Ⅱ型前开门结构，水平安装，整体提升，四腿着地，无绷绳。
(8)与大庆Ⅱ一130型和ZJ45J型钻机相比，柴油机及传动机组调转180°安装，实现了钻井泵正转。该钻机申报了6项国家专利，它们分别是：《石油钻机上台传动装置》（专利号：94241237.0）、《石油钻机转盘传劫装置》（专利号：94241236.2）、《剖分式径向气胎离合器》（专利号：95233587.5）、《石油钻机绞车爬台角度调节装置》（专利号：95234623．0）、《石油钻机井架人字架》 (专利号：95234622．2)、《石油钻机井架调节装置》（专利号：95234621．4)。
2)ZJ32L(宝)型钻机
该钻机是宝鸡石油机械厂1996年完成的国家级火炬计划项目和重点新产品，是一种新型液力传动链条并车钻机，同年通过原中国石油天然气总公司技术鉴定。与会专家认为，该钻机在传动方案与结构设计方面有创新，达到国外90年代初同类钻机的先进水平，填补了国产3200m液力传动链条并车钻机的空白。钻机的全摩擦离合器换挡绞车等3项技术获国家专利(专利号为：ZL93208592．X)。该钻机的主要特点是：
(1)钻机采用模块化的总体结构，传动由动力机组、整体密封的链条并车箱、低位安装的全摩擦离合器换挡绞车、转盘驱动箱、钻井泵和转盘等10大模块组成。
(2)各模块间采用万向轴连接并传递动力。
(3)动力机组与液力变矩器匹配合理，起动平稳，传动柔和；对柴油机有过载保护作用。
3)ZJ32L(兰)型钻机
该钻机是兰州石油化工机器总厂1997年研制成功的一种3200m中深井机械驱动钻机。用114mm钻杆井深可达4000m。钻机的主要技术性能特点是：
(1)钻台高6m，安装井口防喷器空间大，提高了钻井的安全性。
(2)绞车位于后台1.1m高度的底座上，低位吊装方便安全。
(3)绞车采用极为方便的气胎离合器换挡。
(4)全封闭整体式链条箱并车，搬家不用拆装链条，密封可靠，减少工人劳动，节约搬家时间。
(5)柴油机、并车传动、绞车、猫头绞车装置、转盘、钻井泵等机组间采用万向轴联结，安装找正方便。
(6)可提供万向轴和联组窄V带两种方式驱动钻井泵，用户可根据需要任选。
(7)在钻台上是否配置猫头绞车装置和是否带描沙滚筒，均由用户自选。
9．交流变频电驱动石油钻机
交流变频电驱动石油钻机的出现及其明显的优越性能，引起了国内外石油界的广泛关注。90年代以来，我国的科技人员和有关单位积极开展了把交流变频调速技术用于石油钻采设备电驱动的试验研究工作。1996年和1998年，有关单位与辽河、胜利等油田合作，成功地对ZJ20钻机的绞车、转盘、钻井泵、80t修井机和电动潜油泵进行了变频改造与交流变频电驱动试验。在上述实践的基础上我国先后研制成功下述3种机型的交流变频电驱动石油钻机。
1)ZJl5D型石油钻机
该钻机是大庆钻井二公司1998年研制成功的一种交流变频电驱动石油钻机。由于采用了先进的交流变频技术，钻机实现了两挡无级调速，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；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；井口配备了小型机械化工具，减轻了工人的劳动强度，提高了钻井作业的安全性，该钻机投入使用以来已钻井20多口，平均井深1100m，大大缩短了钻井周期。
2)ZJl5DB型石油钻机
该钻机是宝鸡石油机械厂1998年研制生产的我国第一台浅井数控交流变频钻机。钻机采用交流变频装置控制电动机实现对钻机的驱动；采用了西门子的矢量控制系统和400kW的变频电动机，频率范围为0～84Hz；电动机输出动力经变速箱后一路通过链条传动和气胎离合器驱动绞车，另一路通过转盘过桥轴及万向轴驱动转盘。
ZJl5DB钻机实现了恒功率无级调速和编程控制，还能将下钻过程中的势能反送到电网，节约能源，并取代电磁涡流刹车和水刹车，底座采用块装整拖结构，搬迁快，安装方便。
3)ZJ40／2250DB石油钻机
该钻机是兰州石油化工机器总厂、辽河油田、北京东昱电器公司等单位于1999年8月共同研制成功的我国第一台中深井交流变频调速电驱动石油钻机。该钻机与机械驱动钻机和AC—SCR—13(3钻机相比具有以下特点：
(1)该钻机采用交流变频数字化电传动系统，功率因数高，变频范围宽，过载能力大。
(2)调速精度高，在基频以上可恒功率无级调速，在基频以下可恒扭矩无级调速，能更好地满足起下钻和钻井工艺的需要。
(3)所用交流变频电动机没有碳刷换向器，运行时无电火花，不需制成防爆型，对高压油气井和欠平衡钻井更安全可靠，且维护费用低，容易操作管理。
(4)转盘转速和扭矩易于控制，能有效地提高钻井质量，减少井下事故，保护钻具。
(5)采用数字控制技术，可靠性高，自诊断和保护功能强，维修方便，易实现自动化控制。
(6)电传动系统配置3台主发电机组(自动并网)和一台不并网的辅助发电机组，当搬家到新井位时，辅助发电机组提前到达新井场，以供钻机安装与生活等方面的用电。
(7)变频系统配置4台变频调速控制柜，利用一拖一方式，分别驱动和控制绞车(转盘)及两台钻井泵，其中一台钻井泵控制柜可切换到驱动绞车的任一台电动机，提高了系统的可靠性；变频系统采用数字控制、微机控制、微机监控，并设有声光信号、控制信号、运行菜单及各种故障显示。
(8)马达控制中心对交流母线的电力进行分配，实现对所有交流电动机(主机的除外)、照明系统、生活设施及其他交流用电设备的控制。
(9)供气系统采用螺杆压缩机，冷冻式干燥器，并设有气电自动控制装置，可使压缩机自动启停。供油系统采用过滤密闭输送。
(10)所有电缆、管汇采用模块化设计，电缆、油、气、水、蒸汽等管线均铺装在成组的管线槽内，搬家时只需拆开槽间软管接头，即可模块化运输。
(11)钻台和电缆铺设设计，可满足纵向打丛式井的要求。
(12)采用双升式底座，可实现井架及台面设备低位安装与模块化运输。
(13)由于配备了两用水龙头和小鼠洞卡钳，故接单根方便省力。
(14)绞车采用的是开槽滚筒，可改善缠绳性能，延长钻井钢丝绳的使用寿命，绞车还配有电磁涡流刹车，下钻平稳，省力，并能延长刹车轮辋的使用寿命。
(15)1钻机包括主机、动力机组、变频系统、马达控制中心、油气水装置与管汇、钻台小型机械化、钻工房、钻杆架及其他辅助设备等共计45项。由于配套齐全，动力系统功率配备充足，钻井液固控系统配置容量大，故该钻机具有较强的自持能力。
(16)井架、底座、天车、游车、大钩、水龙头、转盘、钻井泵等设备均按API规范设计，并打有API会标。故整台钻机标准化程度高，可满足国内外石油勘探开发的需要。
该钻机于1999年9月正式运往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。由于该钻机的优越性能，在三口井的钻井过程中，整台钻机运转良好，运行可靠，维修简单，修理停钻时间为零，没有出现停机和整改，受到油田用户的欢迎和高度评价。2000年4月4日～4月5日，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，在辽河油田共同对ZJ40／2250DB钻机进行了鉴定，认为，该钻机的研制成功，填补了我国4000m交流交频调速石油钻机的空白，钻机主机性能达到90年代国际同类产品水平。鉴定会一致同意通过鉴定和正式投入生产。
具有世界先进水平的ZJ40／2250DB交流变频调速电驱动石油钻机的研制成功，代表我国石油机械工业的技术水平又上了一个新台阶。
随着电力电子技术、计算机技术的发展和高性能、大功率变频调速装置的研制成功，AC—GTO—AC石油钻机将会逐渐取代机械驱动和直流电驱动钻机，并成为石油钻机的发展方向。
12.ZJ45L型石油钻机
该钻机是兰州石油化工机器总厂研制出的一种变矩器、整体链条箱并车驱动的钻机，绞车布置在后台1.1m高的底座上，采用气胎离合器换挡。其他特点与ZJ32L型石油钻机相同。
11．ZJ50D型石油钻机
该型钻机有以下两种型号：
(1)ZJ50D(兰)型钻机
该钻机是兰州石油化工机器总厂1997年研制出的一种直流电驱动(AC—SDR—DC)钻机。已为油田生产数台，钻机的电系统可根据用户的意见配套，柴油发电机组、SCR 系统、MCC(马达控制中心)、直流电动机等设备可配国内的，也可配国外的。已生产的数台AC—SCR—DC钻机中的SCR和MCC，国内，主要是天水电气传动研究所和西安仪表厂生产的；国外，多为美国ROSSHILL公司的，个别也有美国鲍威尔公司生产的。直流电动机，国内主要是兰州电机厂和山西永济电机厂生产的，国外均为美国GE公司的产品。该钻机电传动系统主发电机的频率为50Hz，电压为600V；辅发电机的频率为50Hz，电压为400V；泥浆罐有效总容量为320m3；储气罐总容量7m3；柴油罐总容量68～85m3；三油品机油罐容量10m3；工业用水|罐总容量70～100m3；绞车强冷水罐容量50m3。
(2)ZJ50D(宝)型钻机
该钻机是由宝鸡石油机械厂总承包，并与原石油天然气总公司系统有关制造厂合作研制的AC—SCR—IX；直流电驱动石油钻机。采用柴油发电机组和串励直流电动机一对二控制方式；井架、底座和绞车均低位安装，用绞车动力分步起升；绞车为内变速并采用开槽滚筒和风冷式电磁涡流刹车；整台钻机可模块化运输，移运、安装方便；钻台为双升式起升，台面平整开阔，操作安全。该钻机1998年通过原石油天然气总公司出厂验收。
12.ZJ60DS型石油钻机
该钻机是我国继ZJ60L型沙漠边缘油田用6000m机械式深井钻机之后，又一台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。该钻机的动力采用5台美国卡特皮勒D399柴油机，带动5台交流发电机组并网，经可控硅整流，供6台主电动机使用，其中，4台电动机驱动2台钻井泵，2台电动机驱动绞车和转盘，同时向交流辅机、生活用电及井场照明供电。电控系统采用模拟控制加微机实现事故诊断、报警保护、显示和记忆。电路设计成模块化并具备自诊断能力，便于故障判断和迅速插拔更换，以保障停机率在0.1％以内。
该钻机1994～1996年1月完成制造、厂内总装调试和油田工业试验。1996年3月通过国家正式鉴定。与会专家认为，ZJ60DS电驱动沙漠石油钻机设计先进，布局合理，配套齐全，机械化程度高，在顺利完成两口深井(6300m，4000m)的工业性试验中，经历了低温-25℃、高温45℃、风力10级的沙暴和沙漠腹地205公里移运颠簸的考验，整台钻机性能良好，运行可靠，钻井时效高，机修停工率仅为0.64％，其中电控系统仅为0.019％，整台钻机操作方便，维修简单，能满足沙漠腹地恶劣环境下钻井工艺的要求，受到油田的一致好评。鉴定认为，该钻机的研制成功，标志着我国石油钻机的设计、制造和使用水平上了一个新台阶，取得了新突破，填补了我国沙漠深井石油钻机的空白，
总体上达到了90年代初的国际先进水平。
13.ZJ70D型石油钻机
该型钻机有以下两种机型：
(1)ZJ70(兰)型钻机
该钻机是兰州石油化工机器总厂根据油田和到国外承包钻井的需要于1998年在ZJ60DS石油钻机的基础上，以114mm(41/2in)钻杆标定的改型钻机。其井架、底座、天车、游车、大钩、水龙头、转盘、绞车、钻井泵等设备的型式、基本参数及承载能力与ZJ60DS钻机相同，但在动力系统方面，绝大多数采用了卡特皮勒3512柴油机发电机组。在钻机的总体布置方面按各油田的要求确定。其主要性能参数除表1—8中所列之外，在电传动系统方面主发电机的频率为50Hz，电压为600V；辅发电机组的频率为50Hz，电压为400V；直流电动机的电压为0～750V。另外，在钻井液、储气、柴油及工业的用水方面，泥浆罐的总容量为320m3；储气罐的总容量为7m3；柴油罐的总容量为68 m3；绞车强冷水罐的容量为50 m3；工业用水罐的总容量为70 m3。
(2)ZJ70(宝)型钻机
该钻机是由宝鸡石油机械厂(总承包)和中国石油集团系统有关单位于1999年共同研制成功的7000mAC—SCR—DC电驱动石油钻机。其主要特点是采用一对二控制方式，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。
研制出几种新型钻井泵
1．新型5缸钻井泵
北京龙基九天实业有限公司近年来开发出一种用于石油勘探开发的5缸1300型新结构钻井泵。该泵经国家专利局检索属国内外首创，已获国家专利(专利号：ZL96212342.0)，并已申请18个国家的国际专利。专家认为，该泵的研制成功将是取代国内外油田传统往复泵的换代产品，已被国家经贸委列入1999年国家重点技术创新项目，该泵与国内外油田现用传统3缸钻井泵相比具有以下特点：
(1)传统3缸钻井泵的动力端为曲柄连杆机构，由于3个曲柄的相位差为120°，冲程间的间歇很大，排出的钻井液是3个正弦波叠加，钻井液的液力脉动系数高达14％，致使设备震动大，零部件损坏快，输送钻井液的管线经常震裂，被迫停工修理，而新结构往复泵的动力端为斜盘一摆盘结构，去掉了传统的曲柄连杆机构，并把3缸增加到5
缸，且5缸为环形排列，旋转一周排出的钻井液是5个正弦波的叠加，钻井液的液力脉动系数仅为2.5％，液流脉动率小，水力特性好，钻井泵运转平稳，震动很小，在10MPa 泵压内，压力表指针几乎不劫。
(2)由于传统3缸钻井泵液流脉动率大，钻井液水力能量的连续性差，提供给水力破岩的水马力小，尤其在高压喷射钻井时，不能形成持续、稳定的高压液流，大大降低了水力破岩和携带岩屑的能力，从而影响了钻井速度。新结构5缸钻井泵水力能量连续性好，效能高，破岩作用和清洗井底岩屑能力强，可以提高钻井速度。
(3)传统3缸钻井泵由于波峰大，固井时易出现水头锥进效应，造成水泥浆锥进串槽，严重影响固井质量，甚至破坏油井造成严重的经济损失；在采油注水时，由于波峰大出现锥进现象后将大大降低原油采收率。而新结构5缸钻井泵由于液流脉动率小，用于固井时钻井液串槽的可能性小，有利于提高固井质量；用于采油时可大大提高原油的采收率和经济效益。
(4)传统3缸钻井泵的动力端由于是曲柄连杆机构，在运转中有上下死点，机械效率仅为70％左右，而且耗能大。新结构5缸钻井泵的动力端由于采用的是斜盘结构，运转时斜盘爬行坡度为20°，没有上下死点，泵和柴油机运转平稳省力，机械效率可达90％。
(5)在泵功率相同的情况下，新结构5缸钻井泵的重量只有传统3缸泵的1/2~2/3，并可在设计压力25MPa下持续运转，而传统3缸钻井泵由于上述问题只能在低于设计泵压25MPa下运转(油田往往只能在18～20MPa的泵压下工作)，故使用新结构5缸销井泵钻井时钻速比传统3缸泵钻井提高15％～20％，可大大缩短钻井周期和降低钻井成本，这对条件恶劣的油田、沙漠和海上油田更是一大优点。
(6)由于新结构钻井泵比传统的钻井泵在相同功率下，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，其发展前景可取代石油、化工、冶金、采矿、发电、印染等领域的传统用泵。
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联合研制出一种用于WT一50型钻机的YNB一20型双缸单作用液压钻井泵，该泵已成功地钻了数十口井。
其性能特点是：
(1)泵功率14.7kW(20hp)。
(2)与传统曲柄连杆机构3缸泵对比，加工零件减少30.63％；泵的重量降为59.23％；在相同出水压力下流量提高50％；泵的成本下降到54.7％。
(3)液压控制系统(HRS)可使油缸能自动往复运动，省去了电或机械控制装置，并能确保钻井泵在野外长期可靠工作。
在YNB一20型液压钻井泵的基础上，天津理工学院又研制了一种大功率双缸单作用液压钻井泵，该泵的主要性能参数是：最大缸套直径200mm；冲程360mm；额定冲数54min一1；最大排量20.35L／min；最小压力16MPa；最小排量9.97L／min；最大压力33MPa；额定功率370kW(500hp)；液压系统压力250bar；液压系统流量824L／min；油缸直径160mm；钻井泵重量小于3000kg。
该泵的特点是：
(1)两只液缸垂直布置在直立缸套同一轴线的正上方，各油缸活塞与缸套活塞共用一根活塞杆。
(2)油缸活塞在液压控制系统(HRS)的控制下作连续的匀速直线往复运动。
(3)两个油缸的往复运动交叉，并在换向时彼此提供流量补偿，使两个缸套排液的流量曲线合成一平直曲线。
(4)与传统曲柄连杆机构的3缸钻井泵比省去了空气包。
(5)两只缸套的活塞杆腔由护罩连成一个连通空间，注以清水后可自动清洗缸套壁。
(6)油缸工作时的支座反力通过立柱作用在泵头体上，构成一封闭力系，因此，免除了通常的泵体。
(7)缸套用压板固定在泵头上，可迅速更换缸套活塞组件。
(8)该泵根据不同情况需要可单台工作，也可以两台或3台泵并联而成更大功率的钻井泵。
若两台泵并联，则泵的功率就变成1000hp，3台泵并联则泵的功率就变成1500hp。
3．高压隔膜钻井泵
由上海大隆机器厂与郑州轻金属研究院联合研制的3KMl5／20型高压隔膜钻井泵于1995年12月通过国家经贸委、原机械部重大装备司及有关科研院所专家的技术鉴定。认为该泵技术先进，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。该泵的研制成功，填补了我国隔膜钻井泵的空白，其技术性能完全可以替代进口设备。
四、对石油井架现代设计方法进行了研究
北京石油勘探开发科学研究院机械所与石油大学(华东)于20世纪90年代初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
以模型井架为桥梁，并采用试验模态分析和有限元分析相结合的石油井架动态设计原理和方法，适用于石油钻机各种结构型式的井架，对K型井架具有工程实用价值。
该方法提出的前开口井架最佳动力计算模型(三维立体梁一杵混合元模型)，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。
该方法得出的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。
2．石油井架的可靠性设计法
该方法得出的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钩载级别的钻机井架。另外，该方法提出的井架构件截面可靠性设计与分析模式及井架构件抗力的分析规律和统计参数以及开发的计算机软件，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
该方法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。井架的非线性分析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。
该研究项目1995年10月通过了原中国石油天然气总公司科技局组织的评审验收，与会专家认为，石油井架现代设计方法的研究成果具有创新性，具有工程实用价值，可为我国石油机械科研、设计、制造单位钻机、修井机的井架设计提供科学的现代设计方法。
石油钻机在钻井过程中的振动在有些情况下非常强烈，这不仅影响钻井速度，缩短钻机使用寿命，而且对操作人员的身心健康也会产生有害影响。因此，研究钻机结构动态特性及其在钻井过程中的动力反应，对钻机的结构设计、参数设计、生产使用及钻机减振改造是十分必要的。为此，大庆石油学院与大庆钻井三公司共同开展了对在用ZJ-15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，以期了解ZJ-15型钻机的动态特性，在钻井过程中能否全开4挡，现有钻机动力传动系统配置是否合理，对
现有钻机如何进行减小振动改造等问题。他们首先采用模态分析技术来对钻机的振动模态进行试验分析。
石油钻机是一个结构非常复杂的系统，自由度无穷多，为了便于研究，必须对复杂的钻机系统进行合理的简化。在钻机的各系统中只有循环系统和动力设备与钻机主体是软连接，其余的系统和部件则是刚性连接并组成钻机的主体。如起升系统的绞车和旋转系统的转盘都安装在底座支撑的钻台上；起升系统的天车、游车、大钩、钢丝绳以及旋转系统的水龙头、钻具的重量都由井架来承担，井架通过其大腿牢固支撑在底座的两个下船上；起升和旋转的动力设备与传动设备都安装在钻机底座的传动底座部件上；一些辅助设备也都安装在底座支撑的台面上。可见钻机主体部分构成了以底座为支撑的刚性整性，那么这些设备和部件的质量都可以转化到钻机底座上。因此，研究石油钻机的振动特性就可以转化为研究钻机底座的等效振动问题，为了研究方便，把钻机底座看成是一个结构比较复杂的咒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特性的全部信息，可以用来描述系统的动态特性。
模态分析技术是用于对机械等工程结构系统进行动力学分析的现代化方法和手段，模态分析可定义为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。在解析分析中，模态参数是力学系统运动微分方程的特征值和特征向量；在试验分析中，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，由于应用解析法进行模态分析也是异常困难的，而且很难得出准确结果。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和对钻机进行模态分析是一种有效方法。
钻机振动模态测试系统由激振力锤、拾振器、信号放大器、低通滤波器以及信号采集计算机组成。信号传递路线见图1一l。
图1-1 底座振动模态测试系统组成
根据分析，石油钻机的振动特性可以转化为研究钻机底座的等效振动问题，那么振动测试点都可以布置在钻机底座上。钻机底座也是一个合结构，它由左、右上船、传动底座、左、右下船、绞车转盘座及4个支架等几大部件组成。各部分之间用螺栓及销子牢固连接。底座简化模型见图1—2。为了全面收集各部件上的信息，底座部件上共布置了24个测点。1997年9月，采用单点激振多点拾振的方式，对ZJ—15型钻机进行了振动模态测试，激振点取在底座过桥轴附近，拾振点取在如图1—2所示位置。采集到的
信号直接存入计算机硬盘。
用DASP大容量数据自动采集和处理系统，对现场测试的钻机振动模态数据进行传递函数分析和互功率谱密度分析后表明，钻机底座的钻台面结构整体性能较好，底座后部的左右上船与传动底座之间，底座前部与后部之间整体性能较差，这主要是底座前后两部分刚度不同造成。
对测试数据采用复模态多自由度模型进行曲线拟合，拟合后的频率响应特性与传递函数特性基本一致，说明对测试数据用复模态多自由度模型进行模态分析是合理的。
为了避免丢失模态，采用复模态多自由度摸型对所有测点的传递函数进行集总平均，得到平均后的频谱图，见图1—3。频谱图上每一个峰值代表一个振动模态。在截止频率为146拖的频率范围内取出18个峰值，因此，确定该钻机的模态阶数为18，即在该截止频率范8内可观测到18阶模态。各阶模态的固有频率和阻尼比见表1一lO。
图1-3 模态阶数确定
钻机在钻井过程中使用的挡位主要是3挡和4挡，现用钻机对应这两个挡位的动力设备及传动系统的运转频率见表1—11，这可能是引起系统共振的振源。
表1-10 各阶模态的固有频率和阻尼比
模态阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9
频率，Hz 6.274 18.56 22.02 29.363 35.948 37.996 44.517 52.594 60.024
阻尼比，% 6.072 2.646 0.000 2.3000 0.000l O．4456 O．0623 1.3246 0.0001
模态阶数 10 11 12 13 14 15 16 17 18
频率，Hz 67.95 73.56 75.74 83.578 t9l。434 97.35l 102.52 114.78 124.21
阻尼比，% 1.206 4.767 7.805 0.0001 O．000l O．2024 1.0297 0.0001 0.0001
表1-11 钻机动力设备及传动系统的转动频率
设备名称柴油机电动机变速箱输入轴变速箱输出轴滚筒轴猫头轴转盘
3挡(Hz) 20.0 12.33 12.333 9.530 2.754 2.547 2.649
4挡(Hz) 20.0 12.33 12.333 17.719 5.201 4.738 4.927
根据钻机上配置设备的工作转速范围进行分析得出，可能引起钻机强烈振动的频率区间是低阶模态区间，即主要是前3阶模态。第1阶模态的固有频率为6．274Hz，如果上下15％的范围为共振区，则共振区频率范围为5.333～7.215Hz。第2阶模态的固有频率为18.56Hz，如果上下15％的范围为共振区，则共振区频率范围为15.773～21.339Hz；由此可见，变速箱输出轴的转动频率17.719Hz在这个共振区频率范围内，这说明该钻机在钻井过程中使用4挡可能发生共振。第3阶模态的固有频率为22.02Hz，如果上下15％的范围为共振区，则共振区频率范围为18.714～25.318Hz。柴油机的运转频率为20.00Hz，该值落在了第2阶模态和第3阶模态的共振区中，如果柴油机安装在底座上，也可能引起共振。因此，钻机上的动力配置，传动装置的运转速度应该避开上述频率范围。如果不能避开，则需采取减振措施，以防发生共振。另外，底座的安装连接刚度对振动特性影响很大，操作工人应将底座的各部件牢筒连接。
从上述的测试和分析结果来看：把模态分析技术应用于钻机的动态研究是可行的，用复模态多自由度模型对钻机进行模态分析是合理的。钻机(低座)的分体制造与现有连接方式降低了钻机(低座)的整体刚度，操作人员在安装时应将各连接部位安装牢固。ZJ一15型钻机的前3阶模态可能会与钻机动力设备或传动设备的运转速度发生联系，是发生共振的危险区间，应尽量避开。