钻机

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索

钻机是在地表进行钻洞的机械设备,可以是大型户外的水井、油井、天然气井钻探设备,或者是单人可移动的小型设备,称为螺旋钻。钻机可以对地下矿藏进行取样,或者用于安装地下生产设备,例如地下机器、仪器、管道和井道。可以是安装在卡车、拖车、轨道上的移动设备,或者是较为固定的安装在陆地、海上结构(如钻井平台,一般称为“海上石油钻机”,尽管设计上并不含有钻机)。“钻机”这个词一般指钻探地球的地壳层的设备。

垂直井架
英国北约克郡的钻机

钻机包括:

  • 小型、便携型钻机,例如矿业钻探、水井、环境调查钻机。
  • 大型钻机,可对地壳进行深度超过上千米的钻探。在钻井过程中,泥浆泵泥浆钻杆钻头循环到套管环空中,对钻头进行冷却并去除切屑。钻机上的起升系统可以提升上百吨的钻杆。其他的设备可以将或沙泵入油藏,进行压裂作业,引导对原油或天然气离开油层升到地表。在偏远地区,钻机可带有永久居住设施、饮食,可提供给超过上百名员工的日常生活。海上钻机可以在离岸几百公里的距离作业,井上人员会进行轮换。

石油钻探业[编辑]

威灵顿盆地的巴肯地层
东德克萨斯州的史云逊定向井

石油天然气钻机可以用于确定地质藏层,并且钻探底层,将石油或天然气抽离地壳来到地表。在海上石油或天然气田上,进行钻井后,钻机将从井口脱离,然后安装一台服务钻机(一般体积更小),进行完井,并连接井口。[1]这样,原来的钻井钻机就可以用于钻探其他的井,同时允许提供专业服务,如完井、采油等。

历史[编辑]

File:Lingle Oil Rig.jpg
古老的钻机,现在展出在美国怀俄明州林戈尔市的西部历史博物馆,曾经用它钻了很多口水井,很多现在还在使用。
中国自贡市的古老钻机

直到19世纪内燃机发明以前,钻探岩石的主要方法还是靠人或动物的体力。用于生产盐的水井钻探始于中国宋朝,“和碗口一样小”,用于深井钻探的考古发现目前展出在自贡市的盐业博物馆内。[2]根据《盐业世界历史》一书,中国清朝时期的水井,也是位于自贡市,大约深度为3,300尺,是当时世界上最深的钻井。[3]利用机械方式钻探这种水井一直保留到1970年,当时,还在用凸轮迅速提起和放下3 mm的钢管。

东德克萨斯州的史云逊井,夜间

:

巴肯的Helmerich & Payne Flex钻机
巴肯的H&P钻机,夜间

1970年间,在油气行业以外,使用泥浆循环的牙轮钻头已经被气动活塞所替代。反循环(RC)钻机对于浅井已经很老旧,目前只在岩石无法使用其他方法的时候使用。RC钻机速度更快、更高效,在冶金的过程中更好用,可以承载更坚硬更持久的钻头,压缩机也可提供高气压,进行更深、更快的钻探。金刚石探头从发明以来几乎没有变过。

移动钻机[编辑]

在早期采油过程中,钻机一般是半永久性的,井架一旦建好会一直到完井后才拆除。后来,钻机开始成为可以从一口井移到另一口井,造价更高。一些小型作业的钻机更像移动起重机,一般用于钻探水井。大型陆地钻机必须拆成零件,然后搬运到下一口井,这个过程可能持续几周。

小型移动钻机一般用于钻探深层地基,钻机的范围从100连续旋翼式螺钻(CFA)到采石场用的小型气动钻。这些钻机的技术和大型油井钻机类似,只是体积更小。

而下面的这些钻机从机械学上和以前的钻机不同,但在方法上,还是岩屑从切割面移除,并通过钻机回收到地表上。

钻机分类[编辑]

钻机分为很多种,很多钻机可以转换、结合不同的钻探技术。钻机可以大致分为下列属性:

根据驱动分[编辑]

  • 机械 — 使用自身的发动机(一般为柴油发动机)驱动液力变矩器、离合器和传动装置
  • 电动 — 主要机械设备由电气驱动,一般使用施工现场的内燃机发电
  • 水力 — 钻机一般使用水力驱动
  • 气动 — 钻机一般使用压缩空气驱动
  • 蒸汽动 — 钻机使用蒸汽发动机和泵(20世纪以后淘汰)

根据钢管分[编辑]

  • 钢缆 — 使用钢缆提起和放下钻杆
  • 传统 — 使用不同类型的金属或塑料钻杆
  • 盘管 — 使用巨大的盘管和井内钻探马达

按照立柱长度分[编辑]

(根据起下钻时,立柱的长度进行区分)

  • 单钻杆 — 一次只能提起一根钻杆,有时有垂直的管架;
  • 双钻杆 — 可以提起由两根钻杆构成的立柱,即每两个单根接一次立柱;
  • 三钻杆 — 可以提起由三根钻杆构成的立柱,顶驱系统常用;
  • 四钻杆 — 可以提起由四根钻杆构成的立柱。

根据旋转和钻探方式分[编辑]

  • 无旋转,包括直推式钻机和大部分服务钻机
  • 转盘 — 是通过旋转方钻杆来驱动钻柱(en:Kelly drive
  • 顶驱 — 通过钻管组顶部安装一个马达,沿着井架上的一条垂直轨道上下活动,进行旋转和循环
  • 声波 — 一般利用振动能驱动钻杆
  • 锤形 — 利用旋转和冲击力(参见潜孔钻头)

根据井架位置分[编辑]

根据钻探类型分[编辑]

因为不同的钻探类行,可以让钻杆以不同的方式进入钻孔,每种都有优势和劣势,根据可以钻探的深度、取样类型、成本、插入率分,有两种基本的钻探类行:岩屑钻探和岩芯钻探。

螺旋钻孔[编辑]

螺旋钻孔是利用螺旋形钻机旋转进入地面,土壤通过螺旋的刀片的空隙提升到地面上。空心钻杆可以对较软的土壤,如沼泽等土壤不会自然张开的土壤进行钻探、地质钻探、对矿藏进行土壤工程地球化学勘察。固体飞行钻/短管螺旋钻用于坚硬土壤钻探,有时候,采矿竖井利用螺旋钻杆钻探,小型钻杆可以安装在卡车上,大型螺旋钻杆可用于放置桥基等。

螺旋钻杆一般用于相对较软的未结固物质或恶劣天气的岩石,特点是节约、快速。

File:Well spudder 8606.jpg
西维吉尼亚州金柏尔的水井钻机,这些缓慢的钻机已经逐渐被旋转钻机替代

冲击旋转鼓风钻(RAB)[编辑]

RAB钻机一般用于探矿(也称为潜孔钻机),使用气动活塞驱动的“锤子”高速驱动重型钻杆钻进岩石中。钻头是中空的,钢结构,一般有20 mm钨条插入钢基作为“钨键”,钨键是钻头的切割面。

岩屑被吹出钻条来到地表。使用空气或空气和泡沫的混合物把切割物提升到地面。

RAB钻机一般用于采矿 勘探、水钻孔、采矿上的爆破钻孔,以及工程方面的其他用途。RAB生成的样品质量比较低,因为切割物是吹出钻头,可能被其他岩石污染。 RAB钻探较深的时候,如果遇到水、可能迅速堵住钻孔,妨碍岩屑吹出钻孔。可以使用稳定器(钻孔器)抵消这种阻碍,稳定器是一种钻杆上固定的一大块圆柱形钢材,恰好与钻孔的尺寸吻合,侧面有滚筒,一般插有钨条,可以不断把岩屑往上推。

使用高压空气压缩机,可以将900-1150 cfm的空气,以300-350 psi的压力灌入钻孔内,保障钻探深达1250 m的钻孔,因为高压空气可以吹开岩石碎屑和水,但是也要取决于岩石的密度和重量,以及钻头的磨损程度。

空心钻[编辑]

空心钻等方法使用加硬处理的钢材钨材刀片对未固结地面进行钻探。钻头的周围有三片刀片,可以切割未固结地面。抛光棒条的内部是空心的,内有管道,通过注入压缩空气把岩屑通过内管和钻杆之间组成的环空,吹回到地表上。然后岩心通过内管再吹回到地表上,如果要收集岩心的话,可以通过其中的样品分离器收集。通过在钻杆顶部加入钢管继续钻探,空心钻有时候可以取到大块岩心。

这种方法可以用于钻探已经风化的风化层,因为钻机、钢条、钨条都没法钻探到“新鲜”的岩石。但是一般空心钻比RAB管用,可以提供更有代表性的岩心。空心钻可以钻到大约地下300米。因为岩屑可以通过钻杆内部回收到地表,同时比传统钻探岩心从钻杆外部和井壁之间回收到地表相比,污染较少。这种方式一般也比RAB更加昂贵。

顿钻钻井[编辑]

File:SpeedStar.jpg
SpeedStar顿钻钻井,美国纽约州巴尔斯顿温泉

顿钻钻井是水井的一种传统钻井方式,大部分大型直水井都采用这种方式,特别是在基岩含水层上完成的深井,都是用这种方式。尽管这种方式在近些年已经逐渐淘汰,使用了其他更快的钻探技术。但这种方式仍用于大直径、深层基岩井的钻探,特别是在广大农村地区的水井。通过钻头冲击岩石,将岩石打碎成很多页岩,增加了出水量。

也称为发射型钻井,有时候称为“铲凿”,利用提起和落下重型碳化钻头击碎表层岩石,钻杆由上部钻杆、一系列“震击器”(内部锁连“震击条”把多余的能量传导到钻头上,帮助移动卡住的钻头)和钻头。在钻井的过程中,钻杆周期性离开井口,同时放下打捞筒收集岩屑(岩石碎屑和土壤等等)。打捞筒是一个桶型工具,底部有一个井盖门。如果钻孔干燥,需要加入水让岩屑流入到打捞筒中。提升的时候,关上井盖门,提起岩屑并扔掉。由于必须提起和放下钻杆才能继续钻进,一般使用套管(更大尺寸的外套钢管)取回上层土壤岩屑,并稳定钻孔。

顿钻钻井比类似尺寸的旋转钻机更加便宜、简单,尽管噪音非常大,钻进较慢。世界最深记录的顿钻钻井是在纽约钻进12,000英尺(3,700米)。一般的Bucyrus Erie 22可以钻进大约1,100英尺(340米)。因为顿钻钻井不像旋转钻机使用空气注入钻孔,而是使用绳子绑着的打捞筒,技术上来说深度没有限制。

顿钻钻井现在在美国已经过时了,一般用于非洲和第三世界国家。钻进较慢、顿钻钻井会增加钻井的成本和工资。美国的钻井工资一般为US$200每天每人,在非洲一般仅为US$6每天每人,所以发展中国家还在使用老式钻机。顿钻钻井可以钻到25英尺(7.6米)至60英尺(18米)坚硬岩石/日。根据尺寸和地层硬度不同,新型的带有潜孔锤(DTH)的旋转顶级头钻机可以钻到500英尺(150米)或更深。

反循环钻机(RC)[编辑]

在西澳大利亚纽曼市的反循环钻机
File:RC Rig sideview.jpg
反循环钻机(侧面图)

RC类似于空心钻机,其岩心也是通过钻杆内部回收地面。钻机原理是通过气动活塞(类似于“锤子”)驱动钨钢钻头。RC钻机的设备体积更大,深度超过500米。RC钻机理想上钻出干岩屑,而大型空气压缩机在钻头前进之前将干燥岩石回收。RC钻机更慢、费用更高,但是比RAB和空心钻机的效果更好,比金刚石钻机更便宜,一般广受矿业开采欢迎。

反循环是通过将空气注入钻杆,产生差异压力,气动提升水和岩屑到钻杆内部,达到钻孔顶部的偏滤器。然后通过连接在旋风分离器顶部的样品管。岩屑通过旋风分离器内部移动,最后落在底部的空隙,通过样品袋进行回收。

最常用的RC钻机能达到直径5-8英寸(13-20cm),具有圆形的钨键从钻头伸出,需要钻穿页岩和耐磨岩石,当钨键磨损后,钻探速度变慢,有时候可能需要数小时到数周。钨棒和钻头非常昂贵,如果设备在钻孔下面丢失往往对于公司成本损失很大。很多公司会定期重磨钻头上的钨棒,加速钻探。一般如果配件从钻孔丢失,一般不会是通过钻杆,而是通过钻头上的钻头、钻锤、稳定器等。这往往会导致操作失败、金属疲劳、破坏钻探环境,或者导致钻井设备卡在钻孔内。

RC钻头是气动的(有时也有水动),以减少粉尘,保持钻头温度,并协助回收岩屑,开炮眼的时候也会用水。钻井泥浆,也称“钻井液”混合水泵入钻杆内,通过沙土黏着,帮助回收样品。有时使用“钻井泡沫”(如“加速泡”),将更多细微的岩屑回收到地表。如果钻头接触坚硬岩石,则将一个钻铤(钻环)通过钻杆下入钻孔,一般为PVC管,有时候钻铤也由金属套管制成。开孔是指防止井壁塌方,从上方压住钻杆。钻铤可以达到60米深,根据土壤条件,如果钻探坚硬岩石的时候一个钻铤可能不够。

反循环钻一般由后勤车、钻机组成,后勤车一般是卡车,上面有供给钻机的水和柴油,以及其他修井设备。备用设备是搭载有备用引擎的备用车辆和助推发动机。发动机通过高压管连接钻机,尽管RC钻机自身有助推发动机和空气压缩机能产生气压,但是因为钻机空间有限,还需要额外的发电机提供压力。发电机一般装在备用车上。RC钻机上的压缩机一般输出压力为1000 cfm、500 psi(500 L·s?1于3.4 MPa)。另外,备用空气压缩机输出压力为900-1150cfm、300-350 psi,一般为2-4组,通过多阀门管汇连接到钻机。

金刚石钻机[编辑]

File:Layne Rig57.jpg
混合金刚石钻机(金刚石钻机和反循环钻机的混合)。现在用于金刚石钻探

金刚石钻机金刚石钻探)使用镶有金刚石的环形钻头,连接在中空的钻杆底部,对坚硬岩石进行圆柱形切割。用于制造金刚石钻机的金刚石的尺寸各不相同,一般为精细到超精细的钻石级别,金刚石和金属的混合比例是根据钻头所切割的不同岩层的硬度。金刚石的尺寸和数量根据岩石硬度确定。高强度钢低金刚石量用于切割碎裂程度高的岩石,低强度钢高金刚石量用于切割硬质岩石。钻头的空隙让水可以到达切割面,有主要三个作用 — 润滑、冷却、回收钻孔的岩屑。

File:Diamondcorebits.jpg
金刚石钻头

当从钻孔中取回岩心管后,进行分类,钻探人员会用岩心扳手把岩心的后部拧下来,把岩心分为几段,并放入相应的岩心盒。然后清洗、测量岩心,用锤子破碎,放入岩心盒。进行记录后,地质专家会分析岩心并确定钻探地点是否适宜未来开采。

直推式钻头[编辑]

通过直接推进和捶打,而不需要旋转钻杆,进行钻探的几种不同的钻机和钻机设备的统称。虽然不是传统意义的钻探,但是 — 结果相同。钻孔相同。直接推进式钻机包括针入测试钻机(CPT)和直推取样钻机,如PowerProbeGeoprobe类型。直推钻机一般只用于钻探疏松土壤和非常软的岩石。

CPT钻机发展成了特殊测试设备(如电子锥),使用大型液压油缸的土壤取样器。很多CPT钻机承载能力很强(往往达到20吨)作为液压油缸的反推动力,达到20 kN。另外,小型轻型CPT钻机和海上CPT钻机一般使用,如螺旋入地锚生成反应力。在理想情况下,CPT钻机能产生250–300米/日的作业深度。

直推式钻机使用液压缸、液压锤把空心的岩心取样器推入泥土、地下水中,钻探的速度和深度大大取决于土壤类型、取样器尺寸和钻机的重量和马力。直推式钻机一般只用于浅层土壤取样,优势是在正确土壤类型下,可快速、低成本产生大量高质量土壤样品,一般每天为50到75米。和锤式不同,直推式也可和声波(震动)方式联合使用,提高效率。

液壓螺旋钻机[编辑]

油井的钻探是使用镶嵌碳钢的固定金刚石切面(或嵌入金刚石)三牙轮钻头。选用这种钻头是因为不需要回收样品,目的是达到油气层。旋转中空钻头将皂土重晶石混入钻井泥浆中,作为润滑、冷却、清洗钻头之用,同时控制井压,平衡钻孔井壁,去除岩屑。泥浆从钻杆外部(称为环空)回到表面。检查泥浆中的岩屑,称为录井。另一种方式是电子录井,一般用于评估可能的油气藏的存在性。钻井后可以使用得到钻中测量工具在钻探中进行验证,或钻探后使用井下侧脸工具进行测量。

钻机的旋转系统一般于1900年代用于美国,在1845年由法维尔发明,用于欧洲早期的钻井工业。原来使用高压水而不是泥浆,在使用金刚石钻机前几乎对硬质岩石无效。[4] 螺旋钻机的技术突破在1901年,当时安东尼·弗朗西斯·卢卡斯结合了蒸汽钻机和泥浆代替水。[5]

油气生产带有安全风险,可能污染环境,如天然气爆燃导致火灾,油气泄露污染水源、土壤和地下水等。因此,各国都需要复杂的安全系统和专业人员进行生产。

科技限制[编辑]

油井钻机

钻探技术从19世纪稳步发展,但是有一些基本的限制因素,限制了最大钻井深度。

所有钻孔都应配合外径,钻孔直径必须比钻机更大。钻探的摩擦力可能减少钻机的外径,除非在金刚石钻头的使用中,使用更细的钻棒和套管可以继续钻探。套管一般为保护井壁防止塌方的空心钢管,材料为金属或PVC。其他金刚石钻孔也需要从大尺径开始,随着外径逐渐磨损,在套管内放入更细的钻头。另外,钻孔可以扩大,在油气钻探中,保持钻孔直径与下一个套管连接点直径相同是常见做法。

关于冲击技术,主要限制是气压,空气达到活塞的压力不同,引发往复运动,从而利用足够力量破碎和粉碎岩石。随着深度增加,钻杆内体积增加,需要更大的压缩机达到运营压力。另外,地下水普遍存在,随着深度增加地下水增加。钻杆内的空气必须足够将地下水压到地表,压力还需要将岩屑带到地表。因此超过500 m后很少使用反循环钻探,因为成本限制达到极限,金刚石钻头更为经济。

金刚石钻机的深度一般可达1200 m。如果成本不是问题,可达极限深度,因为不需要克服水压。然而,必须保持水循环将岩屑带到地表、进行冷却和润滑,同时减少钻杆钢壁的摩擦。如果水循环缺失,钻杆会顿钻,会损坏钻头卡住钻机。

如果没有足够的润滑和冷却,钻头会软化。因为金刚石是已知的最硬物质,莫氏硬度为10,必须牢牢镶嵌在钻探面上。钻头重量、钻探力都必修控制。

深海油气开发中特别的一种钻探技术称为超深钻项目

新钻探技术研究[编辑]

研究包括喷水切割等离子体切割、地热核裂变切割和激光切割。

使用高能的电子等离子体可用于深井钻探,这种方法可能替代传统的钻机科技。可以产生大尺径的钻孔,而不需要替换钻头。

偏离原因[编辑]

很多钻孔轻微偏离设计路径,这是因为钻机工作面的扭矩,由于钢钻杆的松动和螺旋结合的松动、岩脉的变化和岩石的结构、钻头接触不同岩层和硬度的时候发生折射,另外,斜孔一般向上偏离,因为钻头偏向钻孔下部,导致钻头轻微倾斜。偏离如果影响取样信息,必须进行勘测。有时候在地表进行同样位移抵消偏离趋势,钻孔的底部会接近所需位置。油井钻探一般使用定向钻探(如从同一个地表位置钻几个不同的井)。

钻机设备[编辑]

钻机和基本操作简图

钻机一般至少包括下列一些设备:参见油井钻机

连接钻机,有不同类型,#23 & #24一般安装与井口,方式液体和气体意外从井下外溢。#23是环空型(一般称为Hydril),#24是闸板防喷器全封闭防喷器。#24也称变径闸板(VBR),与一般立管闸板的压力和封闭力相同,可封闭多种钻杆、生产钻杆、套管,而无需更换闸板。一般使用锥形钻杆的时候使用VBR(使用不同尺径的钢管)。

  • 离心机:将泥沙从钻井液中依靠离心力分离的工业设备。
  • 固控设备:为钻机准备钻井泥浆的设备。
  • 链钳:带锁连的扳手。
  • 脱气器:从钻井泥浆中分离空气、天然气的设备。
  • 除砂器除泥器:包含一系列水力漩流器,将泥沙从钻井泥浆中分离。
  • 绞车:(#7)是带有线轴的设备,拉近、拉出从而提升和放下游车(#11)。
  • 钻头:(#26)是钻机终端的设备,用于钻探岩石。可喷射钻井液。
  • 钻杆:(#16)空心管,用于将底部钻具组合(BHA)连接到地表设备,同时作为钻井液的套管。在图中为“立管”或为2到3条连接在一起的钻杆,垂直站立在井架内,一般使用跳脱管节约时间。
  • 提升器:抓固钻杆、套管的抓固设备,用于提升或放下钻杆或套管。
  • 井下动力钻具:水力驱动的设备,放于钻头上方,用于单独旋转钻头。
  • 泥浆泵:(#4)用来循环钻井液的泵。
  • 泥浆池:(#1)储存钻井液的池子。
  • 转盘:(#20)旋转钻杆和工具的轮盘。
  • 振动筛:(#2)钻井液从钻孔泵回地表后,从钻井液中分离岩屑的设备。

参见[编辑]

参考[编辑]

  1. ^ Baars, D.L.; Watney, W.L.; Steeples, D.W.; and Brostuen, E.A. Petroleum; a primer for Kansas Educational Series, no. 7. Kansas Geological Survey. 1989年: 40 [18 April 2011]. "After the cementing of the casing has been completed, the drilling rig, equipment, and materials are removed from the drill site. A smaller rig, known as a workover rig or completion rig, is moved over the well bore. The smaller rig is used for the remaining completion operations." 
  2. ^ Xianyao Li; Zhewen Luo. China's Museums. Cambridge University Press. 3 March 2011: 210–211. ISBN 978-0-521-18690-2. "By the time of the Song Dynasty, Chinese craftsmen had invented special tools for digging small-mouth-diameter wells" 
  3. ^ Mark Kurlansky. Salt: A World History. Random House. 18 March 2011: 364. ISBN 978-0-307-36979-6. 
  4. ^ Public Domain 本條目出自已经处于公有领域的:Petroleum//Chisholm, Hugh (编). 大英百科全書 第十一版. 剑桥大学出版社. 1911年年. 
  5. ^ Roughnecks, Rock Bits And Rigs: The Evolution Of Oil Well Drilling Technology In Alberta, 1883-1970 By Sandy Gow, Bonar Alexander Gow Published by University of Calgary Press, 2005 ISBN 1-55238-067-X