现代钻井机械概论ch1-1

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§1.1 国外现代石油钻机发展现状
该项计划在实验室研究中使用的两台强大、 该项计划在实验室研究中使用的两台强大、 有效高能的激光器： 有效高能的激光器： 1、中红外高级化学兆瓦级激光发生器 (MIRACL) 原来是海军装备在舰船上， 原来是海军装备在舰船上，用以将来袭的导 弹或飞机上“穿洞” 以达到将其击毁的目的， 弹或飞机上“穿洞”，以达到将其击毁的目的，其 能量为7千瓦，波长为1.34 1.34米 能量为7千瓦，波长为1.34米。 据军方的研究人员介绍，此方法由美国 据军方的研究人员介绍， PHILLIPSE（菲利普斯）公司进行现场试验， PHILLIPSE（菲利普斯）公司进行现场试验，其穿 像三明治一样的岩层几乎就在数秒之间” 透“像三明治一样的岩层几乎就在数秒之间”。其 穿透速度至少是目前常规钻机的100 100倍 穿透速度至少是目前常规钻机的100倍。
第一章 现代石油钻机
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§1.1 国外现代石油钻机发展现状
为了适应浅海、海滩、 为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵等不同地 带油气藏的勘探和开发，美国、德国、法国、 带油气藏的勘探和开发，美国、德国、法国、加拿 意大利、 大、意大利、墨西哥和罗马尼亚等国先后开发可各 种类型的石油钻机。 种类型的石油钻机。 其中美国的钻机技术和销售业绩在世界上 稳居首位，所以与国际技术接轨， 稳居首位，所以与国际技术接轨，实际上是与以美 国为代表的钻机技术及API规范接轨。 API规范接轨 国为代表的钻机技术及API规范接轨。
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1998年 1998年2月24日，由美国气体研究院、美 24日 由美国气体研究院、 国空军、美国海军联合发起了一个研究计划， 国空军、美国海军联合发起了一个研究计划，即“ 激光钻井”，这是利用美国军方的“星球大战”技 激光钻井” 这是利用美国军方的“星球大战” 术转化到民用工业应用系列项目的一个内容。 术转化到民用工业应用系列项目的一个内容。 这项计划预计用5年时间，耗资600万美元， 600万美元 这项计划预计用5年时间，耗资600万美元， 研制目的包括激光钻井与完井， 研制目的包括激光钻井与完井，其直接研制产品是 一台激光钻机。 一台激光钻机。
三、新型液压石油钻机 进人20 20世纪 90年代以来 年代以来， 进人20世纪 90年代以来，随着大功率液压 元器件可靠性的提高， 元器件可靠性的提高，特别是比例插装阀技术水平 的提高，挪威MH公司采用其特长的液压技术， MH公司采用其特长的液压技术 的提高，挪威MH公司采用其特长的液压技术，推出 了全液压驱动的绞车、转盘、钻井泵。 了全液压驱动的绞车、转盘、钻井泵。 与此前已推出的全液压顶驱、 与此前已推出的全液压顶驱、管子排放系 液压机械手及天车型液压升沉补偿器， 统、液压机械手及天车型液压升沉补偿器，构成了 海洋钻机的机械化、智能化操作系统。 海洋钻机的机械化、智能化操作系统。
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5）激光钻井是一种清洁钻井，激光击碎、 激光钻井是一种清洁钻井，激光击碎、 熔化和蒸发岩石，钻井中无钻屑上返到地面， 熔化和蒸发岩石，钻井中无钻屑上返到地面，对环境 的影响其微； 的影响其微； 过程具有导向性。 6）过程具有导向性。
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2、化学氧化碘激光发生器（COIL） 化学氧化碘激光发生器（COIL） 这种发生器最初是美国空军用于跟踪和击毁 敌方导弹的激光武器。 敌方导弹的激光武器。 这种激光器所具有的波长与振幅的准确控制 使得在气田中钻探定向井、侧钻井成为可能， 性，使得在气田中钻探定向井、侧钻井成为可能，其 钻探深度可为5000 5000米 其能量为1.6兆瓦，波长为3.4 1.6兆瓦 钻探深度可为5000米；其能量为1.6兆瓦，波长为3.4 米。 PHILLIPSE公司使用化学氧化碘激光发生器， PHILLIPSE公司使用化学氧化碘激光发生器， 公司使用化学氧化碘激光发生器 利用光纤输送能量，在岩石上钻出1英寸的孔， 利用光纤输送能量，在岩石上钻出1英寸的孔，这或 许是真正的小井眼钻井。 许是真正的小井眼钻井。
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1．核心技术——交流变频调速技术 核心技术 交流变频调速技术 交流变频调速技术是一种涉及电动机理 自动控制理论、电路拓扑理论、 论、自动控制理论、电路拓扑理论、电力电子技 微电子及计算机技术的综合性交叉技术 综合性交叉技术。 术、微电子及计算机技术的综合性交叉技术。 专家认为交流变频电驱动钻机是现代高 新技术与石油钻井机械的有机结合， 新技术与石油钻井机械的有机结合，具有强大的 生命力，是现代石油钻机的发展趋势。 生命力，是现代石油钻机的发展趋势。
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激光钻井技术的潜在优势： 激光钻井技术的潜在优势： 激光钻机重量轻，一辆拖车可运到井场； 1）激光钻机重量轻，一辆拖车可运到井场； 2）激光钻井的井场很小，也许只有普通井 激光钻井的井场很小， 场的十分之一甚至更小； 场的十分之一甚至更小； 激光能够穿透各种类型的岩石， 3）激光能够穿透各种类型的岩石，而且速 度很快，明显提高机械钻速， 度很快，明显提高机械钻速，减少钻机平均工作天数 和起下钻时间； 和起下钻时间； 激光钻井不需要常规钻头和常规钻柱， 4）激光钻井不需要常规钻头和常规钻柱， 钻成的井眼小，激光将岩石熔化， 钻成的井眼小，激光将岩石熔化，在井壁形成一种陶 瓷样的保护层，无需下套管固井，因此钻井成本很低， 瓷样的保护层，无需下套管固井，因此钻井成本很低， 也许只有常规旋转钻井的十分之一甚至更低； 也许只有常规旋转钻井的十分之一甚至更低；
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图1-6 挪威 Hitec公司和 Hitec公司和 美国National Oilwell公 美国National Oilwell公 司联合研制绞车
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§1.1 国外现代石油钻机发展现 状
后来，国外钻机承包商纷纷发展AC-GTO后来，国外钻机承包商纷纷发展AC-GTOAC AC石油钻机 石油钻机。 AC石油钻机。 1997下半年至1998年 下半年至1998 1）1997下半年至1998年9月，英国北海油 田的很多海上平台选用了交流变频石油钻机， 田的很多海上平台选用了交流变频石油钻机，而且 把许多平台的直流驱动装置改造为交流驱动。 把许多平台的直流驱动装置改造为交流驱动。 1998年上半年 ALSTON在英国的子公 年上半年， 2）1998年上半年，ALSTON在英国的子公 司承接了斯伦倍尔石油公司5套石油钻机， 司承接了斯伦倍尔石油公司5套石油钻机，同时还 负责对北海平台AC SCR-DC钻机进行改造 AC钻机进行改造。 负责对北海平台AC-SCR-DC钻机进行改造。 TPC公司于2000年推出了智能化电驱动钻机， 公司于2000年推出了智能化电驱动钻机 3）TPC公司于2000年推出了智能化电驱动钻机， 包括动态钻井系统、扭矩安全系统、泵同步系统、 包括动态钻井系统、扭矩安全系统、泵同步系统、 起下钻能量监控系统、防倒扣系统等， 起下钻能量监控系统、防倒扣系统等，是采用信息 技术对传统电驱动钻机改造的典范。 技术对传统电驱动钻机改造的典范。
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一、交流变频电驱动石油钻机（AC-GTO-AC石 交流变频电驱动石油钻机（AC-GTO-AC石 油钻机） 油钻机） 电驱动钻机发展历程： 电驱动钻机发展历程： 交流电驱动钻机（AC-AC） 交流电驱动钻机（AC-AC） 直流电驱动钻机（DC-DC） 直流电驱动钻机（DC-DC） 可控硅整流直流电驱动钻机（AC-SCR-DC） 可控硅整流直流电驱动钻机（AC-SCR-DC） 交流变频电驱动钻机（AC-GTO-AC）： ）：交 交流变频电驱动钻机（AC-GTO-AC）：交 流发电机-变频调速器流发电机-变频调速器-交流电动机
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（9）容易实现钻机的自动化、智能化和对 容易实现钻机的自动化、 外界变化的自适应控制。 外界变化的自适应控制。 10）安装、拆卸、搬迁方便灵活。 （10）安装、拆卸、搬迁方便灵活。
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二、激光石油钻机 早在20世纪60年代和70年代， 20世纪60年代和70年代 早在20世纪60年代和70年代，国外就开展 过激光钻井研究。 过激光钻井研究。 由于当时的激光技术水平有限，研究认为： 由于当时的激光技术水平有限，研究认为： 在技术上，用激光钻井需要的能量太大，实现不了； 在技术上，用激光钻井需要的能量太大，实现不了； 在经济上，激光钻井太昂贵，不合算。 在经济上，激光钻井太昂贵，不合算。 正是这一结论在此后25 25年的时间妨碍了激 正是这一结论在此后25年的时间妨碍了激 光技术在石油钻井领域的研究与应用， 光技术在石油钻井领域的研究与应用，尽管这期间 激光技术取得了飞速的发展， 激光技术取得了飞速的发展，特别是冷战期间美国 星球大战计划开发的激光武器， 星球大战计划开发的激光武器，其能量足以击袭毁 导弹，摧毁地面目标。 导弹，摧毁地面目标。
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3．突出特点 钻机的绞车、转盘可实现无级变速 无级变速， （1）钻机的绞车、转盘可实现无级变速，调 速范围宽；能以极低的速度恒扭矩输出， 速范围宽；能以极低的速度恒扭矩输出，对井下钻 具的事故处理、侧钻、修井、钻井液小排量作业、 具的事故处理、侧钻、修井、钻井液小排量作业、 优选参数钻井作业十分有利。 优选参数钻井作业十分有利。 电动机的超载能力强， （2）电动机的超载能力强，大大提高了钻机 的提升能力和处理事故的能力。 的提升能力和处理事故的能力。 可大大简化钻机的机械结构（ （3）可大大简化钻机的机械结构（恒功率宽 调速）。 调速）。 具有限制转盘扭矩功能， （4）具有限制转盘扭矩功能，可防止钻具或 机件扭断。 机件扭断。
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