走入钻井井场,首先映入眼帘的是带有高高井架的庞然大物在辛勤劳作,它就是石油工人进行钻井作业的钻机。在钻井装备之中,钻机对钻井起着非常重要的作用,同时,一般身躯“高大”,可谓是“重中之重”的重器。
自从19世纪末发明旋转钻机以来,全球已有20多个国家生产制造石油钻机,除中国外,还有美国、德国、意大利、加拿大、俄罗斯、挪威等国家。中国第一台钻机是1957年研制的钻深1200米轻型钻机。1975年完成了中国首台自主研制的钻深3200米“大庆Ⅰ型”钻机,并成为当时中国石油钻机的主力机型,为石油工业发展做出了重要贡献,自此中国石油钻机进入自主研发阶段。此后中国成功研发了系列机械钻机和电驱动钻机,形成了钻深从1000米到12000米的系列钻机产品。
钻机在钻井中起着决定性作用。为了实现旋转钻井,打开地下通道,钻机必须具备以下三项基本功能:一是旋转钻进功能,可以提供旋转动力带动井下钻具和钻头旋转,破碎岩石,向地下钻进,钻出规定的井眼。二是循环携岩洗井功能,钻机可以循环钻井液,将钻头在井底破碎的岩屑通过钻井液的循环携带到地面,使井眼保持清洁不被岩屑堵塞,以便继续钻进;同时,循环钻井液还可冷却钻头,防止井壁坍塌;还可以对返出的钻井液净化处理,以便钻井液重复使用。三是起下钻具功能,钻机可以起升和下放钻柱或套管柱,当钻头磨损严重时,可以通过起下钻具将磨损钻头取出,更换新的钻头;在钻进的过程中,控制加在钻头上的钻压,送进钻具,以便快速钻进。此外,因为在一个井场钻完井后,需将庞大的钻机搬到另一个新的井场进行新井的钻井作业,所以钻机应有较好的搬迁移运性能。
钻机是一套具有多种功能、由多台设备组成的联合机组。整个联合机组比较庞大,各机组的工作状况和工作特点各不相同,按照各工作机组的特点,一般钻机包括旋转系统、循环系统、起升系统、动力系统、传动系统、控制系统、钻机底座和钻机辅助设备系统,俗称钻机八大系统:(1)旋转系统由转盘、水龙头或者顶部驱动钻井装置等组成,用于驱动钻具与钻头旋转以破碎岩层。(2)循环系统将钻井液循环到钻头再将其返回地面进行清洁和再循环,由钻井泵、地面管汇、钻井液罐、钻井液处理及净化设备(固控设备)等组成,其功能是循环钻井液、携带岩屑、清洁井筒、冷却钻头、保护井壁,并为井下动力钻具提供动力。(3)起升系统由绞车、井架、游动系统(天车、游车、大钩及钢丝绳)和辅助刹车等组成,用于在钻头磨损后,起升和下放钻柱,起出钻具更换钻头,在钻进时控制加在钻头上的钻压,送进钻具。(4)动力系统为钻机提供驱动动力,由发电机组、柴油机或电动机、压缩机等组成。(5)传动系统包括减速、并车、变速、正倒车等机械传动设备,液力、液压传动设备和电传动系统及装置等。(6)控制系统包括司钻操作控制台、监视系统、通信系统,油、气、水、电、液压控制装置,钻井仪器仪表测量、显示、记录设备等,用于控制和保证各工作机组协调地工作。(7)钻机底座用于安装井架、转盘、绞车等钻井设备,放置立根盒、井口工具和司钻房,转盘和地面之间的高度空间用于安装井口装置和防喷器组,并借助转盘承载钻具重量。(8)钻机辅助设备系统包括井控设备、供气、供水、供电、供油设备,钻鼠洞设备、吊装运输设备、井场活动用房及适应不同地域和环境的设施(如保温设施、防沙设施)等。钻机上的主要设备有绞车、转盘(顶驱)、钻井泵、井架、天车、游车、大钩、水龙头,俗称钻机八大件,八大件中绞车、转盘(顶驱)、钻井泵为钻机的三大工作机。
钻机主要参数有哪些?钻机的参数主要有名义井深、最大钩载、游动系统绳数、钢丝绳直径、绞车型号及功率、钻井泵型号及数量、井架形式与有效高度等。以ZJ120DB钻机为例,其名义钻深12000米(5英寸钻杆),最大钩载9000千牛,钢丝绳直径48毫米,最大快绳拉力851千牛,绞车型号JC-120DB,额定功率6000马力,挡数Ⅰ挡、无级调速,刹车型式为液压盘式+能耗制动,天车TC-900,钻井泵型号及台数F-2200HL3台,顶驱承载能力9000千牛,转盘名义开口直径1257.3毫米(491/2英寸),井架型式及有效高度为“K”型52米,底座型式及钻台高度为旋升式12米,高压管汇通径102毫米、最高压力70兆帕。