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【论文摘要】我国石油钻井装备已初步踏入国际市场。为了适应这种形势，在发展常规钻井装备方面，要建立名副其实的质量管理体系，切实改善产品的制造质量；要以提高钻机运移性、增强设备对当地环境和后勤保障条件适应能力为主要目标，改进产品设计；要借鉴国外新近出现的创新技术，有计划地发展新产品。在发展新技术新装备方面，钻井液池容积统计系统和早期井涌探测仪等自动化检测仪表、轻便顶驱装置、旋转闭环钻井系统、欠平衡压力钻井技术和功率大重量轻的五缸钻井泵等，都是值得下力气研究开发的项目。

关于常规石油钻井装备的发展

　　1.常规钻井装备的现状

　　(1)钻机形成系列，基本满足国内市场需要
　　根据GB1806—86《钻机型式与基本参数》形成的钻机系列包括了钻深从1500m至6000m的钻机,基本满足了国内钻井需要。但这种钻机系列存在基本参数与国外钻机不相符合的问题。国外钻机的钻深是按照φ73～127mm(～5英寸)钻杆尺寸给出的，国标则是统一按φ127mm钻杆标称钻深。这种基本参数规定常使国产钻机在竞标时不能明确表明钻深能力。现在各厂家已经仿照国外规定标明钻深,国标也将作出相应修改。
　　(2)主要部件基本适应国际市场需要
　　国产钻机部件，特别是按照引进技术生产的钻机部件，如天车、游车大钩、水龙头、转盘、钻井泵、绞车、井架以及部分传动件等，已能基本适应国际市场的要求。这些部件在结构形式、材料和热处理规范方面，已基本达到国外同类产品水平，可能或者已经向国际市场销售。外商认为我国的“石油钻机部件可用，距离世界先进水平尚有15～20年差距”。这里所谓的差距，主要是指产品的质量水平和技术性能与国外新产品的差距。
　　(3)配套部件或零件与国际标准差距较大
　　①机械传动钻机　国际上钻深3000m以浅的钻机主要是机械传动钻机。为了简化传动，采用柴油机加阿里森传动箱结构。国产高速柴油机和阿里森传动箱等技术较复杂的产品的综合技术性能较差，尚未达到先进水平。
　　②电驱动钻机　国产电驱动钻机已经开始由AC—SCR—DC驱动向AC变频驱动过渡。交流变频驱动具有优良的驱动性能，可靠性高。但目前国产电气设备不论产品规格或者产品质量，都与国际先进水平还有一定距离。
　　③传动件　国产盘式离合器和气胎式离合器大都是由主机厂根据配套需要生产，并无专业化厂家，以致产品规格品种不全，产品质量很难适应钻井机械高速重载的工作条件。其他如链条、传动胶带、橡胶件、气动件、液压件以及轴承等产品质量，也还不能适应钻机恶劣工作条件的要求，工作寿命短。国产钻机与先进产品的差距在很大程度上表现在故障率高，而大多数故障都是由于基础件质量差造成的。
　　④钻井液净化系统　钻井液净化系统的主要部件，如振动筛、旋流器、离心机、搅拌器、除气器、气液分离器和砂泵等，我国都有产品。但是除了产品制造质量差以外，技术水平也比较落后。例如很多厂家生产的振动筛，其配套筛布质量差，寿命短，而多数振动筛又不能采用国际通用的筛布。又如缺乏结构合理的气液分离器；砂泵未形成系列；剪切泵尚无成熟的产品，等等。
　　此外，净化系统中现有的罐系结构也不尽合理，罐系的连接缺乏方便而简单的连接件，例如气胎由壬等使用极为方便的产品。
　　其他如液面平衡器、顶部阀等虽然结构简单，由于无人组织生产，配套很不方便。
　　(4)产品可靠性差
　　产品可靠性差主要表现在基础件制造质量差和有的厂家不重视产品质量。例如焊接件焊接质量差或漏焊，外观质量差；部件组装不合格，内部留有铁屑，不合格零件进入组装；不经批准采用代用材料；试验无记录和技术文件不全等。
　　由于产品可靠性差，钻机设计受到很大的限制。例如国外2000m以浅的钻机都配备单泵，仅在钻井工艺需要时再加配一个机泵组，而我国的钻机之所以都要配备双泵，就是因为钻井泵的可靠性差。由此导致钻机运移性差和安装工作量大的问题，其实也就是我国钻机总体设计上存在的主要问题。
　　(5)钻机国产化水平有待提高
　　钻机国产化水平不高的原因，一是配套件的生产缺乏应有的组织，已如前述；二是缺乏一种实用和完整的产品目录。
　　近年来由于我国的出口产品增加，生产厂家组织生产了不少符合国际标准的产品。例如60Hz的电动机在我国已经有不少厂家零星组织生产，完全适应国际标准，价格低廉，远销国外，但未列入产品样本，以致用户不能及时购到产品。我国的石油机械产品综合样本很有用处，但是收录不全，还不能完全起到应有的作用。

　　2.常规钻井装备要提高制造质量和改进产品设计

　　(1)提高产品制造质量
　　从使用中暴露的问题可以发现，提高产品的可靠性一般不存在复杂的技术问题。关键在于必须提高对产品质量重要性的认识。
　　可靠性的提高，通常应该体现在设计的合理性、材料性能的提高、热处理工艺的进步和建立名副其实的质量管理体系。事实上，我国设计的部分产品确有结构不合理的问题，解决这一问题的途径之一，就是对这种产品必须进行反复的工艺性试验，从中得出改进设计的合理方案。材料性能的提高，固然有待于我国材料工业的发展，尚须假以时日。但是，有的厂家在材料代用问题上往往过于轻率，说到底也是不重视产品质量的具体表现。至于质量管理体系，从理论上讲各厂家已经建立起来了，事实上有的是形同虚设。例如，有的部件内部在试车过程中还留有铁屑；有的不经设计部门同意就擅自改动重要部件的安装调整，以及工序间无检验记录，质量管理文件残缺不全等等。
　　 综上所述，国产钻机存在的差距除了设计和技术水平上的原因外，主要问题反映在制造质量方面。为了尽快提高钻机的制造水平，集团公司已组织钻机的监造，对制造质量的提高无疑起到了明显的推动作用。由第三方参与产品设计和制造质量的监督也是国际通用的方式，应该长期坚持下去。
　　毫无疑问，在提高产品质量的同时，必须有计划地发展产品的规格品种，否则国产钻机的配套和国产化水平就难以提高。
　　(2)改进产品设计
　　国产设备在参与国际市场竞争中，暴露的问题很多，以致往往不能中标，或者运营亏损，其主要原因与钻机的总体设计关系甚大。
　　①提高钻机的运移性　一般情况下，国外钻深3000m以浅钻机的搬迁只要12～14车次即可完成，而我国缺乏合适的运载车辆，钻机搬迁车次不可能减少，而且国内传统的钻机配套方式与国际上不同。国外钻机一般只保持基本配置，特殊情况再租用设备或者增加配置。例如2000m以浅的钻机一般配单泵，5000m钻机配双泵。其他辅助件如套管钳、钻井液处理设备和顶部驱动装置等都采用租赁方式。钻机固定配置设备较少有利于提高钻机的运移性。
　　②提高设备对环境条件的适应能力　提高我国钻井装备对环境条件，例如对低温环境和高温环境的适应能力，应是钻机总体设计追求的目标，而这正是目前我国装备的薄弱环节，也是影响装备可靠性的重要方面。
　　③设备应该适应当地的后勤保障条件　国家和地区不同，采用的标准也多有差异。为了适应国际市场的需要，也为了便于在国外取得配件供应，应该作出努力使产品能够适应不同的国际标准。例如管路连接和电器件连接都必须符合国际市场上的通用标准。在设备设计、材料试验、热处理、产品试验和质量管理等方面，也都必须按照国际标准规范自已的产品。

　　3.常规钻井装备的创新

　　在提高常规钻井装备经济实用性的基础上，要根据提高装备性能的需要有计划地发展新产品。
　　为了发展轻便钻机和小井眼钻井设备，需要开发较小功率而运移性好的钻井泵。例如北美市场很受欢迎的Dardner-Denver公司的三缸泵，性能良好，重量轻，特别适合与要求运移性高的钻机配套。
　　为了提高钻机的性能，需要开发高压大排量且运移性好的钻井泵。最近美国出现了功率达1500kW而质量不到5t的五缸泵。
　　为了改进绞车的控制性能而开发的盘式刹车，国外采用的是可以直接安装在滚筒轴端使用的气控制盘式刹车，其控制系统与钻机气控制系统同源，可以省去昂贵的液压控制系统，摩擦片的动、静摩擦系数相等，可以作为自动送钻系统的执行机构。
　　上述这些创新技术，值得我国借鉴，应该投入力量，认真研究发展。

关于钻井新技术新装备的发展

　　可以认为，工艺的进步归根结底在于装备的进步，而装备的进步又必须服从于工艺的进步。装备的发展是一项系统工程，需要各方面的相互配合才能实现。

　　1.新技术新装备的研究

　　(1)关于喷射钻井
　　我国开展喷射钻井已有近20年历史，井底水功率已达到1.16kW/cm²(10马力/平方英寸)以上，有的甚至超过1.62kW/cm²(14马力/平方英寸),远远超过0.64kW/cm²(5.5马力/平方英寸)，的所谓经典钻井理论规定值。但是在喷射钻井技术的应用中也出现了一些问题。一是国产钻井泵可靠性差，管汇耐压强度不够，使用中常出现故障；二是没有从综合经济效益出发考虑，在2000m以浅的井中使用喷射钻井技术，从而带来钻机总体设计不合理的弊端。
　　(2)关于设备的机械化和自动化
　　一般认为国外装备发展方向之一是机械化和自动化。笔者认为实现机械化和自动化，必须以提高装备的工艺性能为主要目标；必须以取得最大的经济效益为宗旨；必须以高度的可靠性为基础。
　　我国目前的工业基础还比较薄弱，产品的质量比较差，零部件越多的设备，其整体可靠性越差。如果片面追求机械化和自动化，可能会陷入困境。目前应该根据上述原则，主要发展一些与工艺进步有关的自动化检测仪表，例如可靠性高的钻井液池容积统计系统(PVT)和早期井涌探测仪等。
　　(3)关于顶部驱动装置
　　目前国产顶部驱动装置主要是满足国内需要。我国的主要油田是在陆上，因此降低重量，减小尺寸，发展轻便顶部驱动产品系列，应该是下一步发展的目标。与此同时，要学习国外对顶驱装置采用租赁这样一种节约投资的好方式。
　　(4)关于水平井技术
　　近来国外着重开发的旋转闭环钻井系统具有比马达控向系统更突出的优点，仅就其转盘控向系统^［2］而言，就有诸多优点。例如，钻井效率高，可以避免使用马达控向系统时可能出现的事故，可以选用最适合地层的钻头，从而使钻井效率提高20%～30%；井眼清洗好，可减少卡钻事故；可以预测并易于控制井身轨迹；钻井成本低，等等。
　　(5)关于欠平衡压力钻井技术
　　由于钻井液对地层的污染常常掩盖了油气显示，导致勘探成功率的低下，所以各国都很重视欠平衡压力钻井技术的应用。我国也应该加强研究应用的力度。
　　欠平衡钻井技术的核心，一是要有优良的钻井液处理技术，二是要配备完善的井控装置。此外还要具备可靠的井涌探测仪表和高速钻井液加重设备。对井控装置的要求是：在控制环空压力的同时，可以继续钻进；在井液流动和关井的情况下都能够接卸钻柱；在压力下允许起下钻，以更换钻头或者井底钻具组合；在导流器发生故障时能够提供后备的环空井控能力；具有能够改变环空压力的设备，以使地面设备的额定工作压力不被超过；不依靠导流器系统能够实现放喷和压井；能够快速和安全地关井。

　　2.装备的革新以促进工艺进步为主要目标

　　以上述的高速五缸泵为例，这种泵不仅提高了钻机的运移性，而且降低了泵输出的压力脉冲幅度，从而有利于采集以压力脉冲方式传输的数据。又如用于配制钻井液的剪切泵是提高钻井液性能的设备。这些都是值得下力气发展的项目。

　　3.装备配套以获取最大经济效益为宗旨

　　装备应该努力实现钻井工艺的要求，以追求最大的经济效益为宗旨。例如，高压喷射钻井技术对于提高深井的钻井速度有明显的效果，钻井装备就应该满足这种钻井工艺的要求。对于2000m以浅的井，主要是通过缩短建井周期来获取最大经济效益，因此国外钻井承包商不实施高压喷射钻井，一般采用单泵钻进。这样，钻机运移性增强，操作人员减少，建井周期缩短，承包商得到的是最大的经济效益。