(一)總體設(shè)計(jì)技術(shù)

石油鉆機(jī)是完成石油鉆井任務(wù)的主要工具。從其出現(xiàn)之日起，就與鉆井工藝密不可分。相互促進(jìn)，共同發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外鉆井技術(shù)和裝備也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。回顧鉆井技術(shù)和裝備發(fā)展的歷史，可以看到促進(jìn)鉆井技術(shù)及裝備的發(fā)展的動(dòng)力主要有：提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；降低消耗；提高可靠性、安全性和環(huán)保要求；以及經(jīng)濟(jì)性要求——將成本降到最低。對(duì)鉆機(jī)的要求可從鉆井工藝的發(fā)展需求上看出：

※鉆井速度更快

1、起升系統(tǒng)能力不斷加大

隨著鉆井工藝的不斷完善，特別是隨著定向井、水平井鉆井工藝的不斷成熟，鉆井深度不斷加大，或有一些大斜度井、水平井，雖然垂直深度并不大，但水平位移大。這就要求鉆機(jī)的起升能力不斷加大。更由于海洋深水鉆井作業(yè)的需要，使鉆機(jī)的起升能力達(dá)到空前的高度。如今，鉆井深度為7000m的鉆機(jī)已很普遍，9000m～15000m鉆機(jī)也已出現(xiàn)，15000m以至更大鉆機(jī)的出現(xiàn)也是指日可待的。隨著鉆機(jī)起升能力的加大，也伴隨著如頂驅(qū)、鉆井泵等裝置的不斷加大，從而引起鉆機(jī)設(shè)計(jì)、制造上的不斷突破。

2、絞車、鉆井泵功率不斷加大

在起升能力加大的同時(shí)，要提高鉆井效率，必須要提高絞車和鉆井泵的功率。絞車功率已從2205kW（3000hp）到2941kW（4000hp）以至出現(xiàn)了4412kW（6000hp）的絞車。鉆井泵也從735kW～956kW（1000hp～1300hp）到1176kW（1600hp）以至出現(xiàn)了1618kW（2200hp）的鉆井泵。同時(shí)，鉆井泵的最高泵壓也從20MPa升高到35MPa。鉆井泵功率的加大和配置臺(tái)數(shù)的增多，以及最高泵壓的加大，也使得實(shí)現(xiàn)深井和超深井的高壓噴射鉆井工藝成為可能。也就提高了鉆井的效率。

3、控制參數(shù)不斷增多

為不斷提高鉆井速度和鉆井效率，特別是隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的不斷成熟，鉆進(jìn)過(guò)程中司鉆要監(jiān)視和控制的參數(shù)也不斷增多。從原有的鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓三個(gè)主要參數(shù)，增加到8～10個(gè)之多。這就要求鉆機(jī)的測(cè)量控制系統(tǒng)有更高的能力。在加裝多參數(shù)測(cè)量?jī)x的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了數(shù)字化鉆機(jī)，以至智能化鉆機(jī)。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)的不斷完善和全面普及，無(wú)疑是促進(jìn)鉆機(jī)向數(shù)字化，以至智能化方向發(fā)展的強(qiáng)有力的推動(dòng)力。

4、輔助設(shè)備不斷增多

為不斷提高鉆井速度和鉆井效率，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，井場(chǎng)輔助設(shè)備也不斷增多。主要體現(xiàn)在：

(1)鉆井液固相控制設(shè)備的增多：鉆井液固相控制設(shè)備由原有的振動(dòng)篩、除砂器、除泥器、除氣器，增加了離心分離機(jī)，（真空）除氣器。鉆井液配置設(shè)備也增加了如剪切泵，出現(xiàn)了密封的添加劑加入裝置等。

(2)氣液分離設(shè)備和油水分離設(shè)備的增多。

(3)井口機(jī)械化程度不斷提高：液壓套管扶正機(jī)、二層臺(tái)液壓機(jī)械手、鉆柱機(jī)械化上下臺(tái)設(shè)備。

(4)氣源凈化和強(qiáng)制冷卻設(shè)備等專用輔助設(shè)備。

※適應(yīng)性更廣

1、鉆機(jī)分檔合理

2、驅(qū)動(dòng)方式多樣化

3、機(jī)械化程度不斷提高

4、自動(dòng)化程度不斷提高

5、智能化程度不斷提高

6、新型鉆井方式不斷出現(xiàn)

※消耗降低

1、功率分配更合理

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更巧妙

3、占地面積小

4、短距離整體移動(dòng)

5、完井方式的改變

※可靠性、安全性、環(huán)保要求不斷提高

1、部件、整機(jī)的可靠性要求不斷提高，故障停機(jī)時(shí)間有嚴(yán)格要求。

2、部件、整機(jī)的可維護(hù)性提高，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可修復(fù)。

3、HSE（健康、安全、環(huán)保）要求提高。包括HSE設(shè)計(jì)理念和HSE管理體系的形成。

※經(jīng)濟(jì)性要求不斷提高

1、鉆機(jī)配套更靈活。

2、鉆機(jī)根據(jù)不同環(huán)境需求專門設(shè)計(jì)、制造。

3、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵要求獨(dú)立驅(qū)動(dòng)

※靈活性提高

1、配套更靈活

2、運(yùn)移方式多樣化

3、井架形式多樣化

4、底座形式多樣化

◎概括起來(lái)，鉆機(jī)設(shè)計(jì)、制造的趨勢(shì)如下：

1、全面規(guī)劃、合理布局

制訂標(biāo)準(zhǔn)，使絞車按功率合理分級(jí)，鉆機(jī)按鉆井深度合理分級(jí)，常規(guī)鉆機(jī)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造，使用戶更方便的選擇，更靈活、經(jīng)濟(jì)的使用鉆機(jī)。

2、部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)制造

鉆機(jī)大部件，如：絞車、大鉤、游車、水龍頭、鉆井泵等，按標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)成標(biāo)準(zhǔn)化的部件，鉆機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)像搭積木式的選用即可。

3、鉆進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式多樣化

現(xiàn)有轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)、底部驅(qū)動(dòng)、頂部驅(qū)動(dòng)和復(fù)合驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式，可供用戶根據(jù)需要選擇。

4、測(cè)量控制系統(tǒng)進(jìn)一步加強(qiáng)

測(cè)控系統(tǒng)從井口控制到井底測(cè)量多點(diǎn)測(cè)控，安全監(jiān)控，信息自動(dòng)測(cè)控傳遞，直到智能化鉆機(jī)、數(shù)字化鉆機(jī)。

5、輔助設(shè)備機(jī)械化程度進(jìn)一步提高

如配備鉆柱自動(dòng)排放和上下臺(tái)裝置、鉆井液處理設(shè)備、防噴器吊裝裝置等。

6、適應(yīng)新工藝的發(fā)展

新型鉆機(jī)不斷出現(xiàn)，如小井眼鉆井鉆機(jī)、套管鉆井鉆機(jī)、連續(xù)管鉆井鉆機(jī)、膨脹管鉆井鉆機(jī)等。還有如欠平衡鉆井鉆機(jī)、空氣鉆井鉆機(jī)、泡沫鉆鉆井鉆機(jī)等。

◎目前各級(jí)鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

1、對(duì)3 000 m以下的鉆機(jī)，由于鉆井載荷小、鉆井周期短、搬家頻繁，要求鉆機(jī)要具有良好的移運(yùn)性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)先進(jìn)性和可靠性。根據(jù)地域條件和運(yùn)輸條件的要求，可分為車裝鉆機(jī)和撬裝鉆機(jī)兩種形式，應(yīng)大力推廣車裝鉆機(jī)，同時(shí)發(fā)展撬裝鉆機(jī)，電力供應(yīng)充足的地區(qū)，使用電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)。今后需要開(kāi)發(fā)高速柴油機(jī)、阿里遜傳動(dòng)箱和小節(jié)距傳動(dòng)鏈條。

2、4 000 m鉆機(jī)是當(dāng)前乃至今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)在國(guó)內(nèi)使用的主力機(jī)型鉆機(jī)，市場(chǎng)需求量較大。該級(jí)別鉆機(jī)要充分體現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)輸單元少、拆裝方便、移運(yùn)快捷、可靠性高、價(jià)格適中等特點(diǎn)。對(duì)于該級(jí)別鉆機(jī)應(yīng)以機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)為主，其重點(diǎn)是發(fā)展機(jī)電復(fù)合型鉆機(jī)、適當(dāng)發(fā)展交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)。

3、5 000—9 000 m鉆機(jī)，由于多用于鉆探井、深井和開(kāi)發(fā)井，對(duì)該級(jí)別鉆機(jī)要求技術(shù)含量高、性能先進(jìn)、質(zhì)量可靠、操作維修簡(jiǎn)便、機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化程度高，并具有良好的移運(yùn)性。

4、提高鉆機(jī)集裝化程度和高移運(yùn)性能，是今后亟待解決的重點(diǎn)。大型鉆機(jī)應(yīng)采用輪式運(yùn)輸方式；中、小型鉆機(jī)應(yīng)采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)大模塊運(yùn)輸形式或車載形式。要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是必須對(duì)模塊合理組合，簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、減小設(shè)備外形尺寸和減輕設(shè)備重量等方面下功夫。

5、10000 m級(jí)鉆機(jī)在國(guó)內(nèi)尚屬空白，為適應(yīng)向更廣闊領(lǐng)域及更深層埋藏油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的需要，應(yīng)積極進(jìn)行前期開(kāi)發(fā)。

(二)鉆機(jī)主機(jī)

經(jīng)過(guò)50多年的努力，特別是改革開(kāi)放后20多年的發(fā)展，目前國(guó)產(chǎn)石油鉆機(jī)已經(jīng)形成了比較完整的系列，在品種和質(zhì)量上基本能夠滿足在國(guó)內(nèi)不同地區(qū)、不同井深和不同環(huán)境條件進(jìn)行油氣資源勘探，開(kāi)發(fā)的需要。近年來(lái)還有相當(dāng)數(shù)量的國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)在國(guó)外承擔(dān)鉆井服務(wù)。寶雞石油機(jī)械廠、蘭州蘭石國(guó)民油井石油工程有限公司、南陽(yáng)二機(jī)廠、江漢四機(jī)廠等鉆井設(shè)備制造廠已開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)了2 000～9 000 m機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)、機(jī)電復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)和整拖式、輪式半拖掛整體移運(yùn)式鉆機(jī)；研制了4 000～9 000m各型直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)、交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)和3 000 m以下各種車裝及撬裝鉆機(jī)。發(fā)展方向主要有：

1、提高鉆機(jī)的鉆深能力

目前，我國(guó)石油鉆機(jī)最大鉆深能力為9000 m(4-1/2英寸鉆桿)，滿足不了勝利、塔里木等油田超深井陸上油田鉆井的需要，更滿足不了陸上及海上鉆超深水平井及大位移井的需要，也滿足不了我國(guó)工程技術(shù)服務(wù)隊(duì)伍出國(guó)作業(yè)的特殊需要。目前，我國(guó)鉆機(jī)絞車的最大功率為1471 kW，而美國(guó)Varco 公司的交流變頻絞車功率已達(dá)5220kW，德國(guó)Wirth公司生產(chǎn)的交流變頻鉆機(jī)絞車已達(dá)4922kW，鉆深能力可達(dá)15 000m。

2、研制大型拖掛鉆機(jī)

拖掛鉆機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是移運(yùn)性好，搬家車次少、時(shí)間短，節(jié)約成本，適于在沙漠、平坦地區(qū)作業(yè)。特別在沙漠地區(qū)，如用陸上常規(guī)鉆機(jī)鉆井，其運(yùn)輸將成為主要問(wèn)題。我國(guó)拖掛鉆機(jī)最大鉆深能力為5000 m，而在美國(guó)7000m拖掛鉆機(jī)的技術(shù)已很成熟，顯然我國(guó)拖掛鉆機(jī)滿足不了工程技術(shù)