特深油井钻机.docx

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特深油井钻机

特深油井钻机

——宝石机械12000米特深钻井机

工程总投资：

1亿元以上

工程期限：

2006年——2009年

1907年打成的中国陆上第一口油井——陕西延长油田延一井

   石油被誉为工业的血液，自1848年俄国人谢苗诺夫在巴库地区钻出第一口油井以来，世界石油钻探已经走过160多年历史。

随着钻探技术的发展，带来了石油产量的提升，到2009年世界石油总产量已经达到35.25亿吨。

但是随着各国油气开采强度日益增大，地下浅中层油气资源迅速减少。

地下深层油气资源和深海油气资源开采，成为解决未来世界能源供应的重要途径。

   以我国为例，我国是个油气资源较少的国家。

在已探明储量中，地下1000-5000米浅中层油气资源的开发度已超过60%；而5000米以下的深部底层，尚属于比较陌生的领域。

尤其是在西部地区，塔里木、准噶尔、柴达木、鄂尔多斯等盆地，石油资源近73%埋藏在5000米以下深部地层，尚有数十亿吨的石油储量可供勘探开采。

中部地区是天然气富集区，有超过一半的天然气资源量在深部地层。

要想获得地下深层油气资源，超深井钻采装备至关重要。

2007年11月15日，由陕西宝鸡石油机械有限责任公司（简称宝石机械）生产的，我国首台12000米特深井钻机通过出厂验收，标志着我国在这一领域获突破性进展。

   油井钻机主要用于地下油气资源勘探和开采，一般由井架、绞车、转盘、大钩、天车、水龙头、钻杆、钻头等部分组成，钻进深度为2-15000米。

油气钻井按深度划分，4500-6000米属于深井，6000-9000米属于超深井，超过9000米的属于特深井。

与此相对应，超深井钻机规格可分为6000米、7000米、8000米、9000米、10000米、12000米和15000米。

美国是世界上油气钻井历史最长、工作量最大、技术水平最高的国家，同时也是拥有深井钻机最多的国家。

全世界约有90多台9000米以上的特深井钻机，美国就占80多台，其中8台钻深超过10668米。

   自古以来，上天、入地、下海就是人类挑战自然界的三大壮举。

近50年来，人类已经踏上了月球，并且将太空探测器送到了太阳系边缘；载人潜水器也已到达10911米深的马里亚纳海沟。

但是我们对于脚下的陆地却不甚了解。

迄今为止人类最深的钻井深度为12262米，甚至连地壳都没能钻透。

可以说是“上天有路，入地无门”。

科学家只能通过研究地震波、地磁波、火山爆发，以及地质环境模拟计算，来解释地球内部的秘密。

地球内部结构模型，地壳只是表面薄薄的一层，但人类至今仍未能钻透地壳。

   地球是一个平均半径6371公里的椭球体，由地表至地心依次为地壳、地幔、地核。

其中地壳只是地球表面一层薄薄的岩石硬壳，平均厚度为17公里。

大陆地壳平均厚度33公里，山区最厚可达70公里（我国青藏高原）。

海洋地壳则显著变薄，仅有7公里左右。

地壳上部由沉积岩、花岗岩组成，称为硅铝层；下部由玄武岩或辉长岩类组成，称为硅镁层。

地球上的油气资源多数位于地壳内。

莫霍面是地壳与地幔的分界面，由南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇于1909年发现。

地幔深入地下2900公里，体积占地球总体积的83.3%。

地幔分为两层，由地壳以下至1000公里处，称为上地幔，由较软的橄榄岩组成，处于半熔融岩浆状态。

地下1000-2900公里区域称为下地幔，由金属硫化物和氧化物组成，处于极端高温和高压环境，呈固体状态。

据科学家推测，在上地幔内，也可能存在大量油气资源。

古登堡面是地幔与地核的分界面，由美国物理学家古登堡于1914年发现。

地核是地球最核心的部分，体积与火星相当，质量占地球总质量的31.5%，分为液态外核、过渡层与固态内核。

由于地核离地面太深，所以人类至今对它了解得很少。

有科学家根据地质活动测算，内地核温度可达到5000摄氏度，几乎与太阳表面一样热。

地核内部压强可达到360万个大气压（每平方厘米3600吨），足以将任何坚硬物质挤碎。

高温、高压，坚硬的岩石，变幻莫测的地质条件，高昂的钻探成本，这些因素给特深井钻探带来了极高的难度。

1848年，俄国人谢苗诺夫发现石油后，巴库地区井架如林。

□ 世界深井钻探技术发展

　　深井钻井技术的发展始于20世纪30年代末，美国于1938年钻成世界上第一口4573米的深井，1949年钻成6255米的超深井。

俄罗斯于1992年创造了12262米的特深井世界纪录。

德国于1994年钻成一口9107米的特深井（大陆科学钻探井）。

特深井钻探会面临各种技术挑战，全球能钻4500米以上深井的国家有80多个，有30多个国家能钻6000米以上的超深井，而能钻8000米以上超深井的国家只有6个。

迄今为止，全世界已钻成8000米以上的超深井共计12口，其中美国6口，前苏联2口，挪威1口，奥地利1口，德国1口，中国1口。

　　我国深井钻探技术起步较晚，大体经历了三个阶段：

第一阶段是1966-1975年的起步阶段。

1966年7月28日我国在大庆油田钻成第一口深井“松基6井”，井深4719米。

此后又陆续在大港、胜利和江汉油田打成了4口超过5000米的深井，初步积累了深井钻探经验。

当时用的设备是经改造加固的3200米钻机和塔式井架，钻杆从苏联进口，钻头在上部地层用刮刀，下部地层用滚动轴承三牙轮钻头。

第二阶段是1976-1985年的初步发展阶段。

1976年4月30日在四川地区完成了第一口超深井“女基井”，井深6011米。

此后完成了100多口深井，10口超深井，其中两口井深超过7000米（四川关基井7175米，新疆固2井7002米）。

主要设备是从罗马尼亚批量进口的6000米深井钻机，总数超过100台，成为陆地钻深井的主力钻机。

第三阶段是1986年至今的规模应用阶段。

国内各大石油企业、科研单位、高等院校重点针对塔里木盆地、川东地区深层油气勘探进行了复杂地质条件下深井超深井钻井技术联合攻关，大大提高了深井超深井钻井技术水平。

从1985年起我国陆续引进了美国的5000-9000米的电驱动钻机22台。

90年代中期我国研制成功了6000米深井电驱动钻机，达到90年代的国际水平。

随着深层勘探开发的加快，1986至1997年我国共完成深井超深井688口，其中超深井34口。

近年来，我国在深井机械钻速、钻井周期、单井钻头用量等方面都取得了很大进步，完成了一批高难度的复杂深井，同时在深井钻探装备上也有了很大发展。

   2005年11月27日，塔里木油田部署在新疆英吉沙县钻成“英深1井”，井深7258米，成为当时国内最深的井。

2006年7月12日，中国石化西北分公司在新疆塔河油田部署的“塔深1井”，成功钻至井深8408米，用时462天，被誉为“亚洲第一深井”。

2007年12月21日，新疆石油管理局在准格尔盆地莫索湾地区完成“莫深1井”，井深7500米；使用陕西宝石机械生产的我国首台9000米交流变频超深井钻机。

2009年8月7日，宝石机械生产的我国首台12000米超深井钻机，在四川德阳完成国内第一口海相超深科探井——川科一井，完钻井深为7560米。

该井对于推动海相科技难题的解决以及地质科学探索具有重要意义。

□ 陕西宝石机械概况

   陕西宝鸡石油机械厂始建于1937年5月，前身为陇海铁路宝鸡机车修理分厂。

1953年5月，划归燃料工业部石油管理总局领导，命名为“石油管理总局第一机械厂”。

1955年，石油工业部成立，更名为“石油工业部第一机械厂”。

1958年6月，工厂划归陕西省，受省重工厅领导，更名为“陕西省宝鸡石油机械厂”。

1991年1月1日，工厂划归中国石油天然气总公司。

2002年11月15日，宝鸡石油机械厂改组为宝鸡石油机械有限责任公司。

2008年，公司成为中国石油天然气集团公司独资设立的一人有限责任公司。

宝石机械现有员工4000余人，拥有各类设备2000余台（套），占地85万平方米，总资产33亿元，是全球最大的陆地钻机和泥浆泵研发制造企业，年产钻机上百台，产量连续4年位居全球首位。

   建厂70多年来，宝石机械为我国钻探事业提供了大量装备。

2001年，陕西宝石机械为我国大陆科学钻探工程提供了一台ZJ70D型钻机。

这是我国石油系统研制的第一台7000米超深井钻机。

ZJ70D钻机按国家标准设计制造，符合美国API规范，设计钻井深度7000米（41/2in钻杆）-6000米（5in钻杆），最大钩载4500KN，最大钻柱重量220吨，绞车最大功率2000马力，4档无级变速，提升系统绳系6×7，钢绳直径φ38mm，泥浆泵功率2×1180千瓦，转盘开口直径925.5mm（371/2in），2档无级变速；井架为前开口型，高45米；钻台为双升式，高9米。

该钻机首次采用了国产液压盘式刹车，司钻控制信号采用双线传输形式，提高了控制系统的可靠性。

   大陆科学钻探工程是全世界穿过造山带最深部位的科学深钻计划，1999年选址江苏东海县安峰镇毛北村，投资1.76亿元，设计井深5000米，获取岩心用于研究地质构造。

2001年8月4日正式开钻，至2005年4月18日竣工，完井深度5158米，孔径256毫米。

主孔获得5118.2米珍贵岩心和气流体样品，在地下3910米的极端条件下发现了大量微生物。

科研人员将微生物活体成功培养为一株兼性厌氧菌，从而发现了新的细菌DNA基因。

   2005年12月9日，陕西宝鸡石油机械公司研制的，我国首台9000米交流变频钻机通过专家评审验收。

使我国成为继美国、意大利、挪威等国之后，全面掌握此项技术的少数国家之一。

该机由新疆石油管理局钻井公司订购，用于准噶尔盆地腹部莫索湾地区的“莫深1井”。

该井是克拉玛依油田的一口重点探井，设计井深7380米，投资超过3.5亿元，由90001钻井队施工，是中石油有史以来单井投资最大的风险探井。

2006年5月26日，钻机运至施工现场，经过12天组装后，于6月6日完成井架、底座起升任务，8月13日正式开钻。

至2007年12月21日，完井深度达到7500米，创下六项国内陆地钻井新纪录，完成了我国最重套管柱的下放。

9000米交流变频钻机采用最先进的全数字化交流变频控制技术，实现了智能化控制。

该机拥有5项国家专利，名义钻深9000米，最大钩载6750千牛；模块化设计总体布局合理，并在抗寒、耐高温、防渗漏、防腐蚀、防爆和防沙等方面均有完备的设计。

莫深1井成功后，美国公司立即与宝石机械签订了9000米钻机采购合同，累计获得8台订单。

12000米钻机在总装试验场

□ 我国首台12000米超深井钻井

   为在四川东北部地下深层寻找油气田，2006年5月，中石化集团举行全球招标会，准备采购三台12000米特深井钻机。

参与竞标的有美国国民油井瓦科（NationalOilWellVarco）及陕西宝石机械等厂商。

美国国民油井瓦科是世界最大的石油装备供应商，已有逾80年历史，旗下通过兼并拥有多家老牌企业，技术水平居世界领先地位。

最终通过竞标，陕西宝石机械以技术总分第一、制造成本最低和交货期最短，战胜国外竞争对手，一举拿下全部三台12000米钻机合同。

   合同到手后，宝石机械迅速组织技术专家组，与客户制定技术方案。

项目还被科技部列入“国家863计划重点课题”。

12000米特深井钻机是个复杂的技术集成项目，涉及众多学科，主要研究内容包括：

6000马力交流变频电驱动钻井绞车及盘式刹车系统，承载9000kN的井架与底座，承载9000kN天车、游车、大钩、吊环及6750kN水龙头，开口直径491/2英寸的转盘，钻井泵易损件可靠性及寿命研究，钻井钢丝绳研制，电机、传动控制系统的系统匹配及优化。

　　这台钻机的钢结构塔式井架高达52米，相当于20层楼房，重达数百吨。

由于井架要长期暴露在零下40摄氏度的极端低温，和55摄氏度的高温环境下工作，因此必须选用高强度耐低温钢材。

为了确保新型钢材的焊接质量，技术人员经过3个多月的努力，终于完成了焊接工艺试验。

为了培训焊工，专门从哈尔滨请来具有国际资质的焊工培训师，厂内260多名优秀焊工参加培训，只有130人通过考试，拿到了操作证书。

井架在地面组装后，因为高度和自身重量，有可能“扶”不起来，一旦出现这种情况，那就是重大事故。

国内一家同行，就是因为一台大型钻机交货后没有“扶”起来，企业因此一蹶不振。

为此，宝石机械对井架结构进行优化，使井架主体重量减轻了15%。

钻机的大钩、游车、天车、水龙头等主要承重部件，对钢材的硬度、塑性等指标有着很高要求。

12000米钻机大钩要负荷900吨的重量，相当于吊起90辆10吨重的卡车，同时要求能在零下40摄氏度的低温下工作。

这对钢材的性能指标提出严格的要求。

宝石机械铸造分厂的技术人员，反复研究钢材配方，仅在成品阶段的试验就失败了三次，最后终于冶炼出满足要求的新型钢材，被命名为“大钩钢”，并申请了专利。

为确保可靠性，他们专门投资400多万元，建成了亚洲最大的2000吨拉力试验台，以超过设计承载标准1倍的负荷测试钻机部件。

宝石机械铸造分厂员工在浇铸铸件

　　12000米钻机需要一个直径1.96米的高精度弧齿锥齿轮驱动转盘，开口直径1.257米。

这是钻机的核心部件之一，靠它才能将动力传递到万米地下。

而加工这么大的转盘，有着极高难度，宝石机械曾经加工过的转盘，最大尺寸只有1.6米。

公司将这个重任交给即将退休的高级工程师刘志学，历时三个月，终于完成了这个亚洲最大的转盘。

钻机的绞车提升能力达6000马力，由株洲南车电机公司研制，在采用模块化设计充分满足钻机安装和运输要求的同时，通过对减速箱结构的创新设计，实现了绞车主电机与绞车的快速离合。

钻机泥浆泵采用宝石机械自行研制的52兆帕、2200马力高压泵。

控制系统是钻井的心脏部分。

这台钻井使用世界先进的交流变频控制新技术，由西安宝德自动化股份有限公司研制。

以计算机控制、数字矢量变频传动控制和以网络技术为基础的冗余系统结构，绞车采用高精度四电机负荷分配控制，是国内第一台12000米超深井变频驱动钻机控制系统。

能通过编制程序进行全过程控制，实现作业数字化、智能化。

根据参数变化，这台钻机会判断工况，进而自动加速、减速、刹车，当遇到故障时还能自动报警，钻机安全系数较高。

此外，该钻井还研制了12米旋升式底座、72吨承载能力的耐低温死绳固定器，承载能力675吨，适应零下40度环境要求的水龙头。

   2007年11月15日，经过一年多时间的研制，我国第一台ZJ120DB型12000米特深井钻机巍然挺立在陕西宝石机械的钻机实验场，顺利通过了中石油集团和中石化集团共同组织的出厂验收。

该钻机的整体技术水平达到了国际领先水平，打破了美国、挪威等国在该领域的垄断地位。

此时正值陕西宝鸡石油机械公司成立70周年。

   2008年3月12日，首台12000米钻机经过数月时间的安装调试，开始承担川西海相深层科学探索井（川科一井）的钻井任务。

川科一井位于四川绵竹市孝德镇东利村1组，是中石化在四川盆地川西坳陷孝泉构造部署的一口科学探索井，总投资约3亿元，原设计井深8875米，后改为7540米，由胜利油田99101钻井队承钻。

该井于2007年3月20日开钻，起先使用宝石机械公司生产的7000米钻机打井作业，顺利钻至3200米后，于2008年3月12日改用宝石机械研制的国内首台12000米钻机继续钻进。

5月12日，四川汶川发生强烈地震，绵竹是重灾区。

该井经受了强烈地震的考验，经过震后检测，设备各系统运行良好，一切正常，充分显示了该钻机的先进性和可靠性。

12000米钻机在钻入海相地层后，创出了川西地区一系列高新指标，特别是在欠平衡施工井段（4671米-5431.7米），纯钻进时间为837.75小时，平均机械钻速达到每小时1.02米，比较常规钻井平均机械钻速提高了30%。

2009年8月7日，我国首台12000米钻机不辱使命，顺利完成川科一井的钻探任务，完钻井深为7560米。

它的完钻，把我国超深油气藏勘探开发水平提高到一个新层次，对于推动海相科技难题的解决以及地质科学探索具有重要意义，并将极大地提升我国石油钻井队伍在国际油气勘探市场的竞争力。

世界第一口千米深井——燊海井

□ 世界矿井钻探发展历史