国内外齿条齿轮钻机现状

杨洁， 徐勇， 蔡俊， 万文妮

（长江大学机械工程学院，湖北荆州434023）

0 引言

常规钻机是利用绞车、钢丝绳、天车、游车等组成的起升系统带动大钩或者顶部驱动装置对管柱进行起升、下放作业。由于在下钻过程中不能主动提供钻压，因此对水平井及浅层油气藏进行作业时需要钻垂直井眼，通过垂直段的钻柱重量为钻头提供钻压，而齿条齿轮钻机却能较好地解决上述问题。自20世纪90年代以后，为了加大油气井的开采力度，开采老油田剩余井、水平井分支开采、产层多目标开发等方法都得到了广泛的应用。因此需要大力发展水平井、定向井以及大位移井的开采技术。多功能齿条齿轮钻机的研发成功以及相应技术的不断革新提高了水平井及大位移井的开采效率，解决了水平井开采过程中的轨迹控制、钻压施加以及定向控制等难题。

图1 VR-500液压齿条齿轮钻机

图2 Finder 250T动力头装置

图3 Finder 250T起升系统

1 齿条齿轮钻机定义

齿条齿轮钻机是利用齿轮齿条在竖直方向上的运动带动顶部驱动装置进行钻井作业。齿条齿轮钻机与常规钻机最大的区别在于起升系统的组成。齿条齿轮钻机突破常规钻机起升系统的固有组成，将动力装置设计在井架上。其动力装置取代了常规钻机的绞车、天车、游车的功能，并且取消了易损件钢丝绳的使用。同时齿条齿轮钻机的井架与常规钻机的井架结构也有较大的区别-井架上设计有齿条及导轨。与常规钻机相比，齿条齿轮钻机的特点归纳如下：1）设计紧凑、占地面积小、模块化设计得到很大的应用，提高了快速搬迁的市场竞争力；2）齿条齿轮钻机的钻深跨度大，从2000m到5000m不等。证明了齿条齿轮钻机不仅在浅层油气藏得到广泛的应用，在中深层油气藏也有很大的发挥空间；3）齿条齿轮钻机朝着自动化、无人化操作方向发展。这些钻机配备有顶驱、管子处理装置、动力毛道以及铁钻工等设备，操作人员可以减少到2～3人，大幅度提高钻井安全性能；4）从结构上看，取消了绞车、天车、游车等装置，简化了钻井设备，取消了钢丝绳等易损部件，提高了钻井效率。在实际应用中，在下放钻柱时，齿条齿轮的啮合传动为钻头提供钻压，有利于水平井及定向井的开采。

2 国外齿条齿轮钻机发展现状

国外齿条齿轮钻机出现时间较早，钻机制造设备已经日趋成熟。最具代表特点的是美国的American Augers、德国的Max Streicher以及挪威的TTS Sense公司。

美国American Augers公司设计的齿条齿轮钻机为车载式钻机，没有绞车、转盘、猫头、鼠洞以及钻台横梁，这种钻机的智能型及模块化程度高。配有水平-垂直液压管子操作装置，不仅使操作人员控制在2～3名，并且大大减少了占地面积。全套钻机的占地面积约为2 090 m2，起升系统中的动力头装置采用6台液压马达配备行星齿轮减速箱组成，动力头装置带动滑车在井架上进行运动。生产的钻机有2007年的VR-300齿条齿轮单根钻机以及2009年推出的VR-500齿条齿轮单根钻机，如图1所示。

挪威的TTS Sence公司（EDM公司）在2001年推出全世界首个齿条齿轮修井机，型号为250 K。随后在2005年推出型号为Finder 250T交流变频齿条齿轮陆地钻机。齿条采用模块化设计，采用销子连接形成齿条链，井架采用密闭桅杆式结构，在井架的顶部与底部各配备一个惰性的张紧轮为齿条链提供导向，由6台固定在井架下部的交流变频电动机+传动箱+齿轮驱动，如图2、图3所示。

德国的Max Streicher钻机的起升系统与挪威的TTS Sence公司设计上有很大的不同，在实际钻井过程中，齿轮通过固定在井架上的齿进行运动，除此之外，固定在井架上的传动带为动力头装置提供导向作用。推出的钻机主要型号有2005年的 VDD370、2009年的VDD200以及VDD400三种型号。起升系统特点如图4所示。

通过归纳，将三家钻井公司钻机主要参数进行对比，如表1所示。

图4 德国Max Streicher钻机起升系统

表1 钻机主要参数对比

3 国内齿条齿轮钻机的现状

我国对齿条齿轮钻机的研究相对国外则较少。目前宝鸡石油机械有限公司、南洋二机石油装备（集团）有限公司等厂家已相继投入齿条齿轮钻机的自主研发中。国内对齿条齿轮钻机研究相对深入的学者有任福深、王威等，这些学者集中于齿条齿轮钻机起升系统进行了有关液压仿真、多体动力学以及相似样机研制等方面的研究，为齿条齿轮钻机的设计提供了依据及学术指导。同时关于齿条齿轮钻机起升系统或动力头装置的设计也有很多公司及学者提出专利设计。

图5 2 000 m全液压齿条齿轮钻机

南阳二机石油装备（集团）有限公司设计研发的2 000 m全液压齿条齿轮钻机采用车载式底盘，如图5所示。适用于欠平衡钻井、小井眼钻井修井、一般性修井、不压井作业、老井重钻和开窗侧钻等，作业效率高。名义钻深达到2 000 m，最大钩载为1 580 kN，可以达到的最大提升速度为0.6 m/s。动力头装置由4台液压马达+减速器构成，动力头装置与顶部驱动装置设计为一个整体，完成钻井过程中的起下钻、钻进等作业。起升系统的运动形式是通过齿轮带动动力头及顶驱装置与固定在井架上的齿条啮合进行传动。同时钻机采用管子自动处理装置，能够完成抓取钻杆、移送钻杆至井口、上扣、鞋扣、将钻杆移回指定位置的操作。

宝鸡石油机械有限责任公司设计的TS40/225DB型齿条齿轮钻机的名义钻井深度为4 000 m，动力头装置采用4套永磁电动组成，其中2套电动机也为顶部驱动钻井装置的动力设备，如图6所示。整套钻机的结构紧凑、能耗低、传动效率高。起升系统的运动形式采用齿轮与安装在井架上的齿条啮合来运动，同时配备导向滑轮，实现在井架上的上下运动。最大提升钩载达到2 250 kN，提升的最高速度可以达到1.2 m/s，刹车装置配备有主刹车与辅助刹车，其中主刹车采用盘式紧急制动，辅助刹车采用能耗制动的方式。

图6 TS40/225DB齿条齿轮钻机

4 齿条齿轮钻机的发展趋势

齿条齿轮钻机的核心技术为起升系统中动力头装置的研制。动力头装置在设计时不仅需要满足不同时刻钻速的要求，更需要根据实际钻井工况调整钻头钻压。国内外齿条齿轮钻机的发展现状表明，动力头装置的设计特点并不单一，起升系统的起升方式也有差别。根据不同的钻井工况，选择合适的动力头传动方式，是提升齿条齿轮钻机钻井性能的必要条件。通过对动力头的设计及优化，不仅能够提升齿条齿轮钻机的性能，更能够使齿条齿轮钻机更好地适应钻井现场的需要。

齿条齿轮钻机最大的优点是能够提供下压力，适合浅层油气藏及水平井的开发利用，但是在直井下或者斜井方面应用较少。合理利用齿条齿轮钻机模块化、紧凑化的特点，设计开发适合各种工况的齿轮齿轮钻机，拓展齿条齿轮钻机的市场，也将是齿条齿轮钻机的发展趋势之一。

5 结语

1）齿条齿轮钻机的结构及工作原理决定了其与常规钻机的不同之处，即在下钻过程中能够提供下压力，适合浅层油气藏及水平井的开发利用。国内外针对齿条齿轮钻机做了大量的研究，取得了优异的研究成果，并已投入钻井现场使用。

2）动力装置作为齿条齿轮钻机的核心部件，在美国的American Augers、德国的Max Streicher、挪威的TTS Sense公司以及国内的宝鸡石油机械有限公司、南洋二机石油装备（集团）有限公司的设计中各具特点，说明齿条齿轮钻机的适应性能很强，仍具备很大的发展空间。

3）液压系统、电控系统及齿条齿轮技术的提高能够促进齿条齿轮钻机智能化、机械化的发展，因此应该继续加强电、液技术以及齿条齿轮技术的研究与应用。

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