1、機械科學與工程學院機械科學與工程學院maxQ第一節第一節 鉆機概述鉆機概述第二節第二節 鉆機的基本參數鉆機的基本參數第三節第三節 鉆機的發展和展望鉆機的發展和展望maxQ現代石油鉆機是一套龐大的聯合機組，包現代石油鉆機是一套龐大的聯合機組，包括的內容廣，涉及的種類多，它隨著鉆井方括的內容廣，涉及的種類多，它隨著鉆井方法、鉆井技術的發展而不斷發生變化和完善。法、鉆井技術的發展而不斷發生變化和完善。本章首先介紹鉆井工藝對鉆機的要求及鉆機本章首先介紹鉆井工藝對鉆機的要求及鉆機的組成和分類，然后介紹鉆機的基本參數及的組成和分類，然后介紹鉆機的基本參數及鉆井機械的發展水平與展望。鉆井機械的發展水平與展望

2、。 maxQ（1） 鉆井的目的：尋找和開采石油和天然鉆井的目的：尋找和開采石油和天然氣。氣。（2）機械系統的組成：任何一部機械系統）機械系統的組成：任何一部機械系統都是由四大部分組成，即動力設備、傳動設都是由四大部分組成，即動力設備、傳動設備、控制設備和工作機。備、控制設備和工作機。動力設備動力設備傳動設備傳動設備工作機工作機控制設備控制設備控制設備控制設備輔助設備輔助設備maxQ動力機動力機:為了使工作機工作，必須使工作機為了使工作機工作，必須使工作機有一定的動力。有一定的動力。傳動設備：將動力機的動力傳遞給工作的傳動設備：將動力機的動力傳遞給工作的中間裝置。作用：變速、傳遞動力、改變運中間

3、裝置。作用：變速、傳遞動力、改變運動形式和規律。動形式和規律。工作機：是機械系統中進行工作以執行系工作機：是機械系統中進行工作以執行系統的特定任務，直接實現機械系統功能。統的特定任務，直接實現機械系統功能?？刂圃O備：使工作機、動力機和傳動設備控制設備：使工作機、動力機和傳動設備maxQ等能按照人們的要求或指定的規律彼此協調等能按照人們的要求或指定的規律彼此協調地定解，以準確可靠地實現整機功能。地定解，以準確可靠地實現整機功能。 輔助設備：輔助工作機完成工作任務的設輔助設備：輔助工作機完成工作任務的設備。備。 鉆機是一套綜合機組，它也與其它機械系鉆機是一套綜合機組，它也與其它機械系統一樣，包括動

4、力設備、傳動設備、控制設統一樣，包括動力設備、傳動設備、控制設備和工作機。備和工作機。 鉆機的動力設備：柴油機、電動機。鉆機的動力設備：柴油機、電動機。 maxQ鉆機的傳動設備：齒輪傳動、鏈條傳動、鉆機的傳動設備：齒輪傳動、鏈條傳動、皮帶傳動、氣傳動、液壓傳動（液力傳動）、皮帶傳動、氣傳動、液壓傳動（液力傳動）、電傳動。電傳動。鉆機的控制設備：電控、計算機控制、氣鉆機的控制設備：電控、計算機控制、氣控、液控、手控。控、液控、手控。鉆機的工作機：絞車、天車、轉盤、泥漿鉆機的工作機：絞車、天車、轉盤、泥漿泵、鉆桿、鉆頭泵、鉆桿、鉆頭maxQ（3）鉆井工藝）鉆井工藝鉆井（鉆井（drilling）是利

5、用機械設備，將地層）是利用機械設備，將地層鉆成具有一定深度的園柱形孔眼的工程。利鉆成具有一定深度的園柱形孔眼的工程。利用鉆頭旋轉破碎巖石，形成井深；用鉆桿將用鉆頭旋轉破碎巖石，形成井深；用鉆桿將鉆頭送到井底，用大鉤、天車、游車和絞車鉆頭送到井底，用大鉤、天車、游車和絞車起下鉆桿；用鉆盤及水龍頭帶動鉆頭、鉆桿起下鉆桿；用鉆盤及水龍頭帶動鉆頭、鉆桿旋轉；用泥漿泵循環，泥漿帶出井底巖屑旋轉；用泥漿泵循環，泥漿帶出井底巖屑旋轉鉆井。旋轉鉆井。maxQ（4）井身結構設計：在鉆井前，根據地質）井身結構設計：在鉆井前，根據地質資料，鉆井工程師要作井身結構設計。資料，鉆井工程師要作井身結構設計。井身結構是指下

6、入井中的套管層數、直徑井身結構是指下入井中的套管層數、直徑和下入深度，以及套管直徑與井眼（鉆頭直和下入深度，以及套管直徑與井眼（鉆頭直徑）的關系。徑）的關系。根據地質條件不同，井身結構設計不同：根據地質條件不同，井身結構設計不同：1）導管）導管防止地表土層坍塌，起導向作用，防止地表土層坍塌，起導向作用，不固定，很淺，不固定，很淺，2 40m。maxQ2）表層套管）表層套管加固上部疏松巖層的井壁和加固上部疏松巖層的井壁和安裝防噴器，一般安裝防噴器，一般3 500m。3）技術套管）技術套管用來隔離生產上部油、氣、用來隔離生產上部油、氣、水、鹽巖層或噴、塌、漏、膨脹等復雜地層，水、鹽巖層或噴、塌、漏

7、、膨脹等復雜地層，加固淺層疏松易塌井筒和安裝防噴器。加固淺層疏松易塌井筒和安裝防噴器。技術套管根據地層條件而定，中深井盡量技術套管根據地層條件而定，中深井盡量不下技術套管，深井、地層復雜的井，下不下技術套管，深井、地層復雜的井，下12層，在復雜地層的深井下層，在復雜地層的深井下24層。層。maxQ4）油層套管）油層套管形成形成堅固的井筒，用來堅固的井筒，用來射孔，最后一層套射孔，最后一層套管。管。各層套管與井壁之各層套管與井壁之間都注入水泥加固間都注入水泥加固。導管表層套管技術套管油層套管D管lmaxQmaxQ（5）鉆井工藝對鉆機的要求）鉆井工藝對鉆機的要求鉆井工藝對鉆井機械設備的基本要求有以

8、下幾鉆井工藝對鉆井機械設備的基本要求有以下幾方面：方面：1) 要有足夠的起升功率：即有足夠的起重能要有足夠的起升功率：即有足夠的起重能力，保證起得動，起得快。力，保證起得動，起得快。2) 要有旋轉鉆進的能力；要求鉆機能為鉆具要有旋轉鉆進的能力；要求鉆機能為鉆具提供一定的轉速和扭矩，并保持一定的鉆壓。提供一定的轉速和扭矩，并保持一定的鉆壓。maxQmaxQ3) 要有清除巖屑的能力，要求能提供具有一要有清除巖屑的能力，要求能提供具有一定壓力和流量的鉆井液，有效地沖洗井底，并定壓力和流量的鉆井液，有效地沖洗井底，并將巖屑攜出井外。將巖屑攜出井外。此外，鉆機要適應不同地區的鉆井需要，如沙此外，鉆機要適

9、應不同地區的鉆井需要，如沙漠、沼澤、海洋等同時因鉆機的流動性大，漠、沼澤、海洋等同時因鉆機的流動性大，要求設備容易安裝、拆卸和運輸鉆機的操作要求設備容易安裝、拆卸和運輸鉆機的操作和維修工作必須簡單易行，易損件便于更換。和維修工作必須簡單易行，易損件便于更換。 maxQ根據鉆井工藝中鉆井、洗井、起下鉆具各根據鉆井工藝中鉆井、洗井、起下鉆具各工序以及處理鉆井事故的要求及現代化技術工序以及處理鉆井事故的要求及現代化技術水平的條件，整套轉盤旋轉鉆機必須具備下水平的條件，整套轉盤旋轉鉆機必須具備下列設備：列設備： 1）旋轉系統）旋轉系統 2）循環系統）循環系統 3）起升系統）起升系統 4）動力驅動）動力

10、驅動 5）傳動系統）傳動系統 6）控制系統）控制系統 7）鉆機底座）鉆機底座 8）輔助設備）輔助設備1 1Q VN 絞傳 游滾=鉆機工作動畫演示鉆機工作動畫演示maxQmaxQmaxQ1旋轉系統旋轉系統作用：旋轉鉆具（鉆桿、鉆頭）不斷破碎巖石。作用：旋轉鉆具（鉆桿、鉆頭）不斷破碎巖石。組成：轉盤、水龍頭、方鉆桿、鉆桿、鉆鋌、鉆組成：轉盤、水龍頭、方鉆桿、鉆桿、鉆鋌、鉆頭等。頭等。2循環系統循環系統作用：清除、攜帶井底已碎巖屑，潤滑井壁，冷作用：清除、攜帶井底已碎巖屑，潤滑井壁，冷卻轉頭。卻轉頭。組成：鉆井泵、地面管匯、鉆井液池、鉆井液槽組成：鉆井泵、地面管匯、鉆井液池、鉆井液槽 、鉆井液凈化設

11、備，調配鉆井液設備鉆井液凈化設備，調配鉆井液設備 。maxQ3起升系統起升系統作用：起下鉆具、更換鉆頭、控制鉆頭送作用：起下鉆具、更換鉆頭、控制鉆頭送進、完井時下套管等進、完井時下套管等 組成：主絞車、輔助絞車組成：主絞車、輔助絞車(或貓頭或貓頭)、輔助剎、輔助剎車、游動系統車、游動系統(包括鋼絲繩、天車、游車和大包括鋼絲繩、天車、游車和大鉤鉤)、井架、吊環、吊卡、卡瓦、大鉗、立根、井架、吊環、吊卡、卡瓦、大鉗、立根等等 。maxQ4動力驅動設備動力驅動設備 作用：驅動絞車，轉盤和鉆井泵等工作機。作用：驅動絞車，轉盤和鉆井泵等工作機。組成：柴油機及其供油設備，或交流、直流電動組成：柴油機及其供

12、油設備，或交流、直流電動機及其供電、保護、控制設備等。機及其供電、保護、控制設備等。 5傳動系統傳動系統 作用：聯結發動機與前三個工作機組，把發動機作用：聯結發動機與前三個工作機組，把發動機的能量傳遞并分配給各工作機。并有減速、并車、的能量傳遞并分配給各工作機。并有減速、并車、倒車、變速機構等。倒車、變速機構等。 組成：機械傳動、液力傳動組成：機械傳動、液力傳動(渦輪傳動渦輪傳動)、液壓傳、液壓傳動、氣傳動等動、氣傳動等 。maxQ 6控制系統控制系統 作用：指揮各機組協調進行工作作用：指揮各機組協調進行工作 。組成：組成：機械控制設備：手柄、踏板，杠桿等；氣動或液機械控制設備：手柄、踏板，杠

13、桿等；氣動或液動控制設備：開關、調壓閥、工作缸等；電控制設動控制設備：開關、調壓閥、工作缸等；電控制設備：開關、變阻器、啟動器、繼電器等，以及集中備：開關、變阻器、啟動器、繼電器等，以及集中控制臺和觀察記錄儀表等控制臺和觀察記錄儀表等 。在自動化程度較高的現在鉆機上配備有由計算機在自動化程度較高的現在鉆機上配備有由計算機幾種控制的自動控制，隨時對幾十個鉆井參數進行幾種控制的自動控制，隨時對幾十個鉆井參數進行監測、轉化、分析、處理，然后得出調整意見，保監測、轉化、分析、處理，然后得出調整意見，保證實現最優鉆井。證實現最優鉆井。maxQ7鉆機底座鉆機底座 作用：承載、安裝鉆機、鉆井泵、運移。作用：

14、承載、安裝鉆機、鉆井泵、運移。組成：鉆臺底座、機房底座、鉆井泵底座。車裝組成：鉆臺底座、機房底座、鉆井泵底座。車裝電機的底座就是汽車或拖車底盤電機的底座就是汽車或拖車底盤 。8. 輔助設備輔助設備 作用：為鉆機提供必要的生活、生產保證。作用：為鉆機提供必要的生活、生產保證。組成：供氣設備、供水設備、鉆鼠洞設備、井口組成：供氣設備、供水設備、鉆鼠洞設備、井口防噴設備、輔助發電設備、輔助起重設備，在寒冷防噴設備、輔助發電設備、輔助起重設備，在寒冷地區鉆進時還需要配備保溫設備。地區鉆進時還需要配備保溫設備。 maxQ隨著鉆井生產的不斷發展，鉆機的使用條隨著鉆井生產的不斷發展，鉆機的使用條件也越來越多

15、樣化，所以相應地出現了各種件也越來越多樣化，所以相應地出現了各種類型的鉆機。影響鉆機類型與組成的因素有：類型的鉆機。影響鉆機類型與組成的因素有：鉆井方法；鉆井用途；鉆井深度、井眼尺寸鉆井方法；鉆井用途；鉆井深度、井眼尺寸與鉆具尺寸；鉆井地區的條件（如電力或燃與鉆具尺寸；鉆井地區的條件（如電力或燃料供應、交通運輸、氣象條件）等。料供應、交通運輸、氣象條件）等。maxQ1按鉆井方法劃分按鉆井方法劃分 (1)沖擊鉆機：如鋼絲繩沖擊鉆機沖擊鉆機：如鋼絲繩沖擊鉆機(頓鉆鉆機頓鉆鉆機)、地面發動振動鉆機、爆炸鉆井鉆機、電火花鉆井地面發動振動鉆機、爆炸鉆井鉆機、電火花鉆井鉆機。鉆機。 (2)地面發動旋轉鉆機

16、：如轉盤旋轉鉆機、頂部地面發動旋轉鉆機：如轉盤旋轉鉆機、頂部動力水龍頭旋轉鉆機等。動力水龍頭旋轉鉆機等。 (3)井底發動鉆機：如井底沖擊振動鉆具、井底井底發動鉆機：如井底沖擊振動鉆具、井底旋轉鉆具（渦輪鉆具、螺桿鉆具、電動鉆具）。旋轉鉆具（渦輪鉆具、螺桿鉆具、電動鉆具）。maxQ2按鉆井深度的不同劃分按鉆井深度的不同劃分 (1)淺井鉆機：淺井鉆機：鉆井鉆井井深井深2000m (2)中深井鉆機：鉆井深度在中深井鉆機：鉆井深度在5000m以下。以下。 (3)深井鉆機：鉆井深度為深井鉆機：鉆井深度為5000m7000m。 (4)超探井鉆機：鉆井深度為超探井鉆機：鉆井深度為70009000m。 特深井

17、鉆機：鉆井深度在特深井鉆機：鉆井深度在9000m以上。以上。 maxQ 3按使用地區的不同劃分按使用地區的不同劃分 (1)陸用鉆機：用于正常陸地勘探、鉆井。陸用鉆機：用于正常陸地勘探、鉆井。 (2)海洋鉆機：用于海上鉆井平臺。按不同使用條件海洋鉆海洋鉆機：用于海上鉆井平臺。按不同使用條件海洋鉆機又分：機又分：1)移動式：沉底、自生式、鉆井船、半潛式。移動式：沉底、自生式、鉆井船、半潛式。2)固定式：固定式：淺海。淺海。 (3)沙漠鉆機：用于在沙漠地區勘探、鉆井。沙漠鉆機：用于在沙漠地區勘探、鉆井。 (4)小井眼鉆機（小井眼鉆機（90%的丼眼直徑小于的丼眼直徑小于7”或或70%的丼眼直徑的丼眼直

18、徑 小于小于7” ） (5)連續柔管鉆機連續柔管鉆機 (6)叢式井鉆機叢式井鉆機 (7)套管鉆機套管鉆機maxQ4. 按動力設備的不同來劃分按動力設備的不同來劃分(1)柴油機驅動鉆機：以柴油機為動力通過機械傳動或柴油機驅動鉆機：以柴油機為動力通過機械傳動或液力傳動的鉆機。液力傳動的鉆機。(2)直流電驅動鉆機：工作機用直流電動機驅動。用柴直流電驅動鉆機：工作機用直流電動機驅動。用柴油機或燃氣輪機帶動發電機供電，或從電力網供電。供直油機或燃氣輪機帶動發電機供電，或從電力網供電。供直流電者稱為直流電者稱為直-直流電驅動；供交流電經整流者稱為交直流電驅動；供交流電經整流者稱為交-直直流電驅動。這種型式

19、的鉆機適用于海上鉆井。流電驅動。這種型式的鉆機適用于海上鉆井。(3)交流電驅動鉆機：交流電驅動鉆機： 適用于有工業電網的油田內部鉆適用于有工業電網的油田內部鉆井。井。maxQmaxQmaxQmaxQmaxQ5按驅動方式的不同來劃分按驅動方式的不同來劃分(1)單獨驅動：各工作機單獨單獨驅動：各工作機單獨選擇大小不同的發動機驅動，選擇大小不同的發動機驅動，如圖如圖1-2所示。多用于電驅動，所示。多用于電驅動，其傳動簡單、安裝容易，但功其傳動簡單、安裝容易，但功率利用率低、設備總重量大。率利用率低、設備總重量大。 圖圖1-2 單獨驅動方案單獨驅動方案動力動力轉盤轉盤絞車絞車泥漿泵泥漿泵maxQ (2

20、)統一驅動：絞車，轉盤及泵統一驅動：絞車，轉盤及泵三個工作機由同一動力機組驅動，三個工作機由同一動力機組驅動，圖圖1-3b為大慶為大慶I-130型鉆機的方案。型鉆機的方案。大部分鉆機采取這種方案。統一大部分鉆機采取這種方案。統一驅動也可以只包括一臺泵驅動也可以只包括一臺泵(另加一另加一臺單獨驅動泵臺單獨驅動泵)，圖，圖1-3a為為ZJ-130鉆機方案。統一驅動的鉆機功率鉆機方案。統一驅動的鉆機功率高，發動機有故障時可相互調劑，高，發動機有故障時可相互調劑，但它的傳動復雜但它的傳動復雜,安裝調整費事，安裝調整費事，傳動效率低。傳動效率低。圖圖1-3 統一驅動方案統一驅動方案(a)(b)轉盤轉盤絞

21、車絞車泥漿泵泥漿泵泥漿泵泥漿泵絞車絞車轉盤轉盤動力動力動力動力maxQ (3)分組驅動：動力的組合分組驅動：動力的組合介于前兩種之間，三個工作介于前兩種之間，三個工作機的驅動可有兩種方案，如機的驅動可有兩種方案，如圖圖1-4所示，這種鉆機的效率所示，這種鉆機的效率利用率比單獨驅動者高，傳利用率比單獨驅動者高，傳動比統一驅動者簡單，還可動比統一驅動者簡單，還可以將兩組工作機安裝在不同以將兩組工作機安裝在不同高度和分散的場地上。高度和分散的場地上。圖圖1-4 分組驅動方案分組驅動方案(a)(b)轉盤轉盤絞車絞車泥漿泵泥漿泵轉盤轉盤絞車絞車泥漿泵泥漿泵動力動力動力動力maxQ 鉆機的基本參數是反映全

22、套鉆機工作性鉆機的基本參數是反映全套鉆機工作性能的主要數量指標，它是設計和選擇使用鉆能的主要數量指標，它是設計和選擇使用鉆機的基本依據。機的基本依據。 鉆機的基本參數包括：鉆機的主參數、鉆機的基本參數包括：鉆機的主參數、起升系統參數、旋轉系統參數、循環系統參起升系統參數、旋轉系統參數、循環系統參數。數。maxQ1、名義鉆井深度名義鉆井深度 名義鉆井深度是指鉆機在規定的鉆井繩數下用名義鉆井深度是指鉆機在規定的鉆井繩數下用114mm（4 1/2）鉆桿所能鉆達的最大井深。）鉆桿所能鉆達的最大井深。 名義鉆深范圍是指該級鉆機能夠經濟利用的最小井名義鉆深范圍是指該級鉆機能夠經濟利用的最小井深至最大井深。

23、深至最大井深。例如，例如，ZJ50/3150鉆機鉆機名義鉆井深度名義鉆井深度為為5000m，井深再，井深再增加，就超過了鉆機起升系統的額定工作能力。增加，就超過了鉆機起升系統的額定工作能力。 ZJ50/3150鉆機鉆機名義鉆深范圍為名義鉆深范圍為35005000 m。maxQ2、最大鉤載、最大鉤載 鉆機的最大鉤載是指鉆機的最大鉤載是指鉆機在規定的最大繩數下，鉆機在規定的最大繩數下，在解卡和下套管等非常規作業時不允許超過的載荷在解卡和下套管等非常規作業時不允許超過的載荷極限值，包括動載荷在內。極限值，包括動載荷在內。鉆井過程中可能遇到的鉆井過程中可能遇到的較大載荷有較大載荷有: (1)起鉆操作剛

24、開始起動加速時鉤載增加了動載起鉆操作剛開始起動加速時鉤載增加了動載,下下井操作完了剎車時也有較大動載產生井操作完了剎車時也有較大動載產生,靜動載之和構靜動載之和構成起下鉆過程中最大鉤載。成起下鉆過程中最大鉤載。 (2)處理卡鉆事故時拔鉆桿的拉力處理卡鉆事故時拔鉆桿的拉力,它以鉆桿拉斷載它以鉆桿拉斷載荷為極限荷為極限(此拉斷載荷由鋼材最小屈服強度來決定此拉斷載荷由鋼材最小屈服強度來決定)。maxQ(3)下套管時，大尺寸的技術套管柱重量或最深的下套管時，大尺寸的技術套管柱重量或最深的油層套管柱重量都比鉆桿柱重量大。油層套管柱重量都比鉆桿柱重量大。 (4)下套管遇阻時下套管遇阻時,要上提下放套管柱以

25、期破阻通過要上提下放套管柱以期破阻通過.此時大鉤的上提載荷以套管柱斷裂載荷的此時大鉤的上提載荷以套管柱斷裂載荷的80%為極限。為極限。以上四項載荷，據統計分析以第以上四項載荷，據統計分析以第2，4項為最大，當項為最大，當井深小于井深小于2500m時，套管柱較輕，也很少遇阻，所以時，套管柱較輕，也很少遇阻，所以第第2項載荷可能最大，當井深大于項載荷可能最大，當井深大于2500m時，則以第時，則以第4項載荷為最大。項載荷為最大。maxQ3、鉆機總功率、鉆機總功率 鉆機總功率是指為三大工作機組及輔助設備總共配鉆機總功率是指為三大工作機組及輔助設備總共配備的功率備的功率,以保證鉆井過程中能量的消耗。鉆

26、機總功以保證鉆井過程中能量的消耗。鉆機總功率根據其驅動方式的不同可分別按下式計算：率根據其驅動方式的不同可分別按下式計算：單獨驅動的鉆機單獨驅動的鉆機(圖圖1-2)： (1-1)m axNNNNNN總發 起發 輔發 泵發 輔發 轉，統一驅動的鉆機統一驅動的鉆機( (參見圖參見圖1-3)1-3) maxNNNNN總發泵發起發輔發轉，(1-2)maxQ分組驅動的鉆機：分組驅動的鉆機：轉盤與絞車分成一組，鉆井泵單獨分成一組轉盤與絞車分成一組，鉆井泵單獨分成一組(參見參見圖圖1-4a)QKqL靜柱轉盤單獨分一組，泥漿泵與絞車分成一組轉盤單獨分一組，泥漿泵與絞車分成一組( (參見圖參見圖1-4b)1-4

27、b)Q靜(1-3a)(1-3b)maxQ(一一)大鉤靜載荷大鉤靜載荷在鉆井過程中，大鉤勻速提升井中全在鉆井過程中，大鉤勻速提升井中全部鉆柱重量構成大鉤的靜載荷。如忽略部鉆柱重量構成大鉤的靜載荷。如忽略吊環吊卡的重量吊環吊卡的重量,大鉤靜載荷為大鉤靜載荷為: m a x NN N N N 總發 起 發 泵發 輔發 轉，KK摩鋼（ 1 - ）K系數系數K應綜合考慮鉆桿與井壁摩擦及鉆應綜合考慮鉆桿與井壁摩擦及鉆桿在鉆井液中受浮力的影響，井越深桿在鉆井液中受浮力的影響，井越深。摩摩阻系數阻系數K越大，鉆井液相對密度越大，浮越大，鉆井液相對密度越大，浮力也越大，力也越大， 則減輕系數則減輕系數 越小。越

28、小。 Qq L靜柱(1-4)m a xLmaxQ鉆桿柱每米重量鉆桿柱每米重量 值可以從表值可以從表1-1中查出，它是光鉆中查出，它是光鉆桿重加上兩端加厚部分、接頭桿重加上兩端加厚部分、接頭(或接箍或接箍)的重量除以立根的重量除以立根的長度得來的。鉆柱中考慮有的長度得來的。鉆柱中考慮有80-100m的鉆鋌，則推薦的鉆鋌，則推薦用表用表1-1中中 的計算值。的計算值?；谏鲜鰞杉唇普J為起鉆時大鉤的靜載就是鉆柱基于上述兩即近似認為起鉆時大鉤的靜載就是鉆柱在空氣中的重量。在空氣中的重量。 鋼（ 1 - ）鋼（ 1 - ）Q QG qLG 游 靜 游 柱游(1-5)maxQ類類別別通 稱通 稱尺 寸尺

29、 寸in外徑外徑(D)mm厚度厚度()mm單位重量單位重量（ q桿桿） N/m鉆柱計算單重鉆柱計算單重（q柱柱）N/m注注鉆鉆桿桿60.373.088.9101.6114.3127.0139.77.115.516.458.388.569.1910.5497100139204242265361196245294314412全部按全部按API-70常用常用套套管管114.3 27.0 39.7 68.3 77.8 93.77.377.529.1710.599.29.53197219292409380434API-7032872813241425152m a xLmaxQ(二二)游動系統結構、快繩拉

30、力和鋼繩直徑游動系統結構、快繩拉力和鋼繩直徑1、游動系統結構、游動系統結構 游動系統結構是指天車和游車的滑輪數目和有效游動系統結構是指天車和游車的滑輪數目和有效工作繩數工作繩數(z)，如游動系統為，如游動系統為56，指的是游車五輪，指的是游車五輪和天車六輪，除快繩、死繩以外的有效工作繩數和天車六輪，除快繩、死繩以外的有效工作繩數z=25=10。起重量越大的鉆機，由于鋼繩強度的限。起重量越大的鉆機，由于鋼繩強度的限制，要采用更多的有效繩數，即更多輪數的游動系制，要采用更多的有效繩數，即更多輪數的游動系統。游動系統的最大結構用于起升統。游動系統的最大結構用于起升Qmax，在起升，在起升Q柱時鋼絲可

31、以少穿兩個輪子?？蓞⒖急頃r鋼絲可以少穿兩個輪子?？蓞⒖急?-2按井深或最按井深或最大起重量選定游動系統結構。大起重量選定游動系統結構。maxQ最大井深最大井深（ ）km鉆機最大鉆機最大起重重量起重重量(Qmax),kN游動系統游動系統結構結構有效繩數有效繩數(z)鋼繩直徑鋼繩直徑（d繩繩）mm游動系統運游動系統運動件重量動件重量(G游游)，kN 22532456.387849801225156819602450313639204 54 54 66 65 66 66 76 76 788810101012121225283228323532353849597898118147176QqLG 1 柱

32、 游maxQ2、游動系統起重量、游動系統起重量Q游 Q游雖然不是鉆機的基本參數，但在今后的計算中經雖然不是鉆機的基本參數，但在今后的計算中經常遇到，所以單獨提出來。常遇到，所以單獨提出來。當在最大井深時，鉤載為最低起升工作擋當在最大井深時，鉤載為最低起升工作擋V時，游時，游動系統起重量動系統起重量Q1為為: 142515256875781 . 0 5 QPz游快游(1-6)(1-7)maxQ3、起升時的快繩拉力、起升時的快繩拉力 P快當大鉤載荷為當大鉤載荷為Qmax時：時：式中式中 游動系統效率。游動系統效率。 /( )VAD返頭QPz游快游m a x m a xm a x2 . 5 1 .

33、0 52 . 6QQP n Pz z 斷 快游 游(1-8)maxQ4、鋼繩直徑、鋼繩直徑 d繩在確定鋼繩直徑時，首先要算出最大快繩拉力在確定鋼繩直徑時，首先要算出最大快繩拉力P快max，一般鋼繩的破斷安全系數取為一般鋼繩的破斷安全系數取為n=2.5，要求鋼繩所具有的，要求鋼繩所具有的破斷載荷為：破斷載荷為：同理，根據一定的鋼繩和游動系統結構，也可確定出同理，根據一定的鋼繩和游動系統結構，也可確定出該系統的最大起重量該系統的最大起重量 ma x2 . 6zPQ斷游(1-9)kbVlz(1-10)maxQ(三三) 井架高度井架高度 H井架高度是指鉆臺頂平面至天井架高度是指鉆臺頂平面至天車臺底平面

34、的垂直高度，它主要車臺底平面的垂直高度，它主要取決于立根長度取決于立根長度l，游動系統各部，游動系統各部件高度和緩沖高度件高度和緩沖高度h，如圖，如圖1-6所示，所示，可用經驗公式確定：可用經驗公式確定： H=1.7l (1-11)根據上示，對于由兩單根組成根據上示，對于由兩單根組成的的24m長的里根，采用長的里根，采用41m高的井高的井maxQ架。對于由三單根組成的架。對于由三單根組成的2730m長的立根，長的立根，則采用則采用4653m高的井架高的井架 。 精確計算精確計算: H= H1+ H2 +l+ H3 + H4 + H5 + H6 H1鉆臺高度，鉆臺高度， H2對扣找正空間，對扣找

35、正空間， l立根長，立根長， H3 大鉤水龍頭自由空間，大鉤水龍頭自由空間， H4 大鉤長，大鉤長， H5 游車長，游車長， H6 緩沖高度。緩沖高度。maxQ(四四) 起升速度和擋數起升速度和擋數1）大鉤的起升速度直接影響著起下鉆的機動起升時）大鉤的起升速度直接影響著起下鉆的機動起升時間間(見第三章見第三章)，尤其是最低起鉆工作速度，尤其是最低起鉆工作速度V1，它又決定，它又決定著其他各擋的速度。為了減少機動起升時間，新型鉆著其他各擋的速度。為了減少機動起升時間，新型鉆機越來越加大了絞車功率，使機越來越加大了絞車功率，使 V1由原有的由原有的0.2m/s提高提高至至0.5 m/s左右，這樣，

36、機動起升時間可降低左右，這樣，機動起升時間可降低25% 。可?？沙踹x初選V1=0.450.5m/s。最高起升速度最高起升速度 Vk不能選得過高，它受到立根長度、不能選得過高，它受到立根長度、快繩速度和操作安全的限制，一般按下述經驗公式選快繩速度和操作安全的限制，一般按下述經驗公式選定：定： maxQ式中式中 z 有效繩數；有效繩數； b 系數，取系數，取3或或4，在起下操作機械化水平高的條件，在起下操作機械化水平高的條件下選用下選用4。 輕、中型鉆機輕、中型鉆機Vk小，超重型鉆機小，超重型鉆機Vk大。大。2）擋數，增設擋數可以提高功率利用率，減少工作時間，）擋數，增設擋數可以提高功率利用率，減

37、少工作時間，提高鉆機效率。提高鉆機效率。擋數設定原則：功率利用率最大原則。擋數設定原則：功率利用率最大原則。N=Q1V1=Q2V2=QnVn（1-12）Q1QQ2Q3Q4V1V4V3V2maxQ但擋數過多時會使變速機構復雜，時間節省幅度但擋數過多時會使變速機構復雜，時間節省幅度不大。不大。起升擋數起升擋數 K= 4 8輕、中型鉆機輕、中型鉆機K小，重型鉆機小，重型鉆機K大。大。另設另設12個事故擋個事故擋 ，絞車結構上的第一、第二擋，絞車結構上的第一、第二擋常為事故擋，起升第一擋多設在結構上的第三擋。常為事故擋，起升第一擋多設在結構上的第三擋。用液力變矩器或直流電機驅動的絞車可以保證最用液力變

38、矩器或直流電機驅動的絞車可以保證最小的起升釩動時間消耗。但為了提高變矩器或電機小的起升釩動時間消耗。但為了提高變矩器或電機的使用效率，仍設的使用效率，仍設23變速擋。變速擋。 maxQ(五五)大鉤功率、絞車功率和起升機組功率大鉤功率、絞車功率和起升機組功率 設設V1為大鉤最低起鉆速度為大鉤最低起鉆速度(m/s)，Q1為以為以V1起升時的起升時的游動系統起重量游動系統起重量(理論起重量，理論起重量，kN)。起升功率即大鉤功率起升功率即大鉤功率 N=Q1V1 絞車功率即絞車輸入功率絞車功率即絞車輸入功率 起升系統發動機應配備功率起升系統發動機應配備功率 11KQVN發起發鉤=m a x4Q D d

39、 V22- 6返大頭（ -）1 0（1-13）（1-14）（1-15）maxQ絞車輸入軸軍滾筒軸的傳動效率絞車輸入軸軍滾筒軸的傳動效率 ;滾筒纏繩及滾筒軸效率，取值滾筒纏繩及滾筒軸效率，取值0.97； 講動系統效率，可以采取講動系統效率，可以采取API推薦值對推薦值對 z =6，8，10， 12者，者， =0.876，0.841，0.810，0.770； 功率儲備系數；功率儲備系數；發動機至大鉤的傳動效率；發動機至大鉤的傳動效率； 發動機效率；發動機效率； 發動機組并車效率，可參考表發動機組并車效率，可參考表1-3選取。選取。全部傳動效率，將發動機輸出軸到滾筒軸前所有傳動副全部傳動效率，將發動

40、機輸出軸到滾筒軸前所有傳動副 的效率相乘可得此值參見表的效率相乘可得此值參見表1-3。 在傳動方案設計出來以前在傳動方案設計出來以前,可近似取可近似取 = 0.55-0.65。 滾m a x11 0 m m ()2D D鉆盤發 鉤 發 鉤發 并 傳游滾發并傳m a xD頭q桿 發 鉤發 并 傳游滾maxQ對于功率儲備系數對于功率儲備系數K來說，柴油機直接驅動來說，柴油機直接驅動的起生系統應取的起生系統應取K=1.25-1.35；柴油機液力傳動；柴油機液力傳動的起升系統取的起升系統取K=1；單獨為絞車配備的柴油機，；單獨為絞車配備的柴油機，可以按間歇功率計算；電動機驅動的起升系統可以按間歇功率計

41、算；電動機驅動的起升系統或其它部件，按表或其它部件，按表1-4取取K值以確定電動機的額值以確定電動機的額定功率定功率(即工作時間率即工作時間率Jc=25%時的輸出功率時的輸出功率)。 maxQ表表13發動機和機械傳動效率發動機和機械傳動效率發動機或傳動副名稱發動機或傳動副名稱 效率效率()發動機或傳動副名稱發動機或傳動副名稱效率效率()柴油機（非曾雅柴油機（非曾雅增壓）增壓）080085萬向軸萬向軸滑動軸承滑動軸承097滾動軸承滾動軸承099直流發電機直流發電機直流電動機直流電動機085095交流電動機交流電動機088092渦輪傳動渦輪傳動075O85液力力偶合器液力力偶合器0.95097三角

42、皮帶傳動三角皮帶傳動094096液力變矩器液力變矩器O80090滾動輔承滾動輔承0995柴油機并車柴油機并車二臺二臺095兩個滾動軸承支承的軸兩個滾動軸承支承的軸099三臺三臺0.92滾筒纏繩、滑輪繞繩滾筒纏繩、滑輪繞繩098柴油機液力傳動并車柴油機液力傳動并車二臺二臺098滾筒軸部件滾筒軸部件0.97 三臺三臺 095轉盤部件轉盤部件0.93鏈傳動鏈傳動開式開式095鉆井泵機械傳動部分（不包括水力部分鉆井泵機械傳動部分（不包括水力部分)085O88閉式閉式098齒輪傳動齒輪傳動圓柱齒輪圓柱齒輪098圓錐齒輪圓錐齒輪097圓弧齒輪圓弧齒輪099maxQ表表1-4 交流電動機的儲備系數交流電動機

43、的儲備系數電動機型號電動機型號工作類型工作類型KJZR輕級輕級0.050.75JZRH中級中級0.750.85重級重級0.91.0特重級特重級1.01.2J2各級各級0.9JO2，JO3各級各級1.0maxQ旋轉系統參數主要包括轉盤開口直徑、轉盤轉速、旋轉系統參數主要包括轉盤開口直徑、轉盤轉速、轉盤功率。轉盤功率。1轉盤的開口直徑轉盤的開口直徑D盤轉盤的開口直徑指轉盤取出大方補心后轉臺內的轉盤的開口直徑指轉盤取出大方補心后轉臺內的通孔直徑通孔直徑 ，可根據鉆機最大井深開鉆用的最大鉆頭，可根據鉆機最大井深開鉆用的最大鉆頭直徑決定。直徑決定。 目前目前D盤的通用尺寸有的通用尺寸有450，520，7

44、00mm等，分別等，分別適用于中深、深和超深井。適用于中深、深和超深井。游maxQ2轉盤的轉速和擋數轉盤的轉速和擋數轉盤的轉速和鉆頭破碎巖石的能力密切相關，選擇轉盤的轉速和鉆頭破碎巖石的能力密切相關，選擇合適的轉盤轉速，目的是在可能的條件下獲得較快的合適的轉盤轉速，目的是在可能的條件下獲得較快的鉆井進尺。鉆井進尺。根據鉆井經驗：鉆井速度正比于轉盤轉速的平方根。根據鉆井經驗：鉆井速度正比于轉盤轉速的平方根。但是，當轉速超過但是，當轉速超過350400r/min時，鉆井速度的增長時，鉆井速度的增長就不明顯了。這主要是由于牙輪鉆頭牙齒與巖石接觸就不明顯了。這主要是由于牙輪鉆頭牙齒與巖石接觸的時間過短

45、，巖石還來不及破裂，同時過高的轉速會的時間過短，巖石還來不及破裂，同時過高的轉速會使空轉鉆桿柱的功率消耗加大，因此常用的轉速控制使空轉鉆桿柱的功率消耗加大，因此常用的轉速控制為為50300r/min最好。最好。maxQ一般在開鉆時為中軟地層，多用大尺寸鉆頭，轉速一般在開鉆時為中軟地層，多用大尺寸鉆頭，轉速也較高，也較高， n始=150300r/min。接近完鉆時多為地層，為了防止鉆頭損壞和磨損過接近完鉆時多為地層，為了防止鉆頭損壞和磨損過快，一般取快，一般取n終=60105r/min。 在處理事故和取心時需要更低的轉速，一般取在處理事故和取心時需要更低的轉速，一般取n事故 =2530r/min

46、 。根據以上三種轉速可見，轉盤的調速范圍約為根據以上三種轉速可見，轉盤的調速范圍約為10。當通過絞車傳動轉盤時，絞車的擋數可滿足轉盤的當通過絞車傳動轉盤時，絞車的擋數可滿足轉盤的要求。當采用變矩器或直流電機驅動轉盤時，擋數可要求。當采用變矩器或直流電機驅動轉盤時，擋數可少些，有少些，有2-3個擋就足夠了。個擋就足夠了。 maxQ3轉盤的功率轉盤的功率 N轉 在鉆井過程中，動力機傳給轉盤的動力主要消耗在鉆井過程中，動力機傳給轉盤的動力主要消耗于以下幾方面，旋轉鉆頭破碎巖石、旋轉鉆桿柱和旋于以下幾方面，旋轉鉆頭破碎巖石、旋轉鉆桿柱和旋轉地面設備（包括轉盤本身、方鉆桿和水龍頭）。因轉地面設備（包括轉

47、盤本身、方鉆桿和水龍頭）。因此，轉盤消耗的功率為：此，轉盤消耗的功率為： N轉=N1+N2+N3 （1-16）式中式中 N1帶動鉆頭破巖及克服鉆頭與井底摩擦所消帶動鉆頭破巖及克服鉆頭與井底摩擦所消 耗的功率耗的功率 ； N2旋轉鉆桿柱所消耗的功率；旋轉鉆桿柱所消耗的功率； N3旋轉地面設備所消耗的功率。旋轉地面設備所消耗的功率。 maxQ應為驅動轉盤的發動機配備的功率為應為驅動轉盤的發動機配備的功率為 m a x2 8 0()VD返頭（1-17） 發 鉤發 并 傳游滾q桿功率儲備系數；功率儲備系數； 發動機到轉盤的傳動效率。發動機到轉盤的傳動效率。 maxQ1、最大、最小排量和泵組中泵的臺數。

48、、最大、最小排量和泵組中泵的臺數。泵組排量泵組排量 Q=(D2-d2)V返 10-6/4 （1-18）D,d分別為井眼直徑和鉆桿直徑，分別為井眼直徑和鉆桿直徑，mm；V返 環形空間中鉆井液的返回速度，為了保環形空間中鉆井液的返回速度，為了保證足夠的排量，一般證足夠的排量，一般 : A=182280游maxQKNN轉發轉發轉傳(1-19)此時此時開鉆時井筒直徑，即最大鉆頭直徑，開鉆時井筒直徑，即最大鉆頭直徑，mm。 mm23QQQQ單單大單雙 缸 雙 作 用 泵 ， 單 泵 排 量= 0 . 0 50 . 0 63 / s鉆 井 泵三 缸 雙 作 用 泵 ， 單 泵 排 量= 0 . 0 40

49、. 0 53 / s泵 臺 數 =臺 。泵組最大排量泵組最大排量 Q大是為了滿足開鉆時最大井筒中是為了滿足開鉆時最大井筒中洗井排屑的需要，所以洗井排屑的需要，所以maxQ泵的臺數泵的臺數 即對所有鉆機都應至少配備兩臺泵，超重型鉆機即對所有鉆機都應至少配備兩臺泵，超重型鉆機應配三臺泵。應配三臺泵。 maxQ單泵最小排量單泵最小排量Qmin，是為了滿足完鉆時在最小井筒，是為了滿足完鉆時在最小井筒中洗井的需要，同時也是為了滿足中洗井的需要，同時也是為了滿足“低排量、高泵低排量、高泵壓壓”方式的噴射鉆井的需要。方式的噴射鉆井的需要。 Q min=(D2頭min-d 2)V返 10-6/4 （1-20）

50、 一般單泵最小排量一般單泵最小排量 Q min=0.015-0.020m3/s。如如Q min過大將使深井中的管道壓力損失過高，同過大將使深井中的管道壓力損失過高，同時泵壓過高，但可能鉆頭壓力降并不高，不能發揮時泵壓過高，但可能鉆頭壓力降并不高，不能發揮噴射鉆井的威力。噴射鉆井的威力。 游maxQ2、最大泵壓、最大泵壓Pmax 泵壓主要消耗于循環管路壓力降和鉆頭噴嘴壓力泵壓主要消耗于循環管路壓力降和鉆頭噴嘴壓力降兩方面降兩方面 。即。即 P泵=P管+P頭P管=P桿+P鋌+P環+P匯 （1-21）式中：式中：P泵泵壓，泵壓，MPa； P管循環管路壓降，循環管路壓降，MPa； P桿鉆桿鉆桿(包括接

51、頭包括接頭)內的壓力降，內的壓力降，MPa； P鋌鉆鋌內的壓力降，鉆鋌內的壓力降，MPa； P環環形空間的壓力降，環形空間的壓力降，MPa； maxQ P匯地面管匯（包括地面管線、立管、水龍地面管匯（包括地面管線、立管、水龍頭、及方鉆桿）的壓力降，頭、及方鉆桿）的壓力降，MPa； P頭鉆頭水眼的壓力降，鉆頭水眼的壓力降，MPa；最大泵壓出現在鉆井達最大井深時，此時泵使用最大泵壓出現在鉆井達最大井深時，此時泵使用的是最小直徑缸套，為滿足噴射鉆井的需要必須保的是最小直徑缸套，為滿足噴射鉆井的需要必須保證：證：P頭=(1/2 2/3)Pmax P管=(1/3 1/2) Pmax 即即 Pmax =(

52、2 3)P管 （1-22） 前者適用于超深井，后者適用于中深井。前者適用于超深井，后者適用于中深井。maxQ3. 泵組功率泵組功率泵組的水功率泵組的水功率:N水=PQ 103 （1-23）泵組輸入功率泵組輸入功率:N泵=N水/泵 （1-24） 式中：式中：泵 鉆井泵的總效率，考慮泵中水力損失、容鉆井泵的總效率，考慮泵中水力損失、容積損失和機械摩擦損失，可選用積損失和機械摩擦損失，可選用 泵 0.700.80。maxQ應為驅動泵的發動機配備的功率：應為驅動泵的發動機配備的功率：N發泵=KN泵/發泵 （1-24）式中式中 發泵 發動機至泵組的傳動效率；發動機至泵組的傳動效率； K動力儲備系數，泵為

53、無載啟動，啟動時動力儲備系數，泵為無載啟動，啟動時不需功率儲備，但在正常鉆進時，循環可能遇阻，不需功率儲備，但在正常鉆進時，循環可能遇阻，為此取為此取K=1.1(柴油機直接驅動柴油機直接驅動)；K=1(柴油機柴油機-液力液力變矩器驅動變矩器驅動)。如用柴油機驅動鉆井泵時，應以其持續功率來計如用柴油機驅動鉆井泵時，應以其持續功率來計算。算。maxQ級 別10/60015/90020/135030/170040/2250名義鉆深 m 127mm鉆桿114mm鉆桿最大鉤載，kN500-800500-1000600 700-140080018001200-2000135015

54、00-25001600-300017002000-32002500-4002250我國鉆機系列（GB/T23505-2009 ）級 別50/315070/450090/6570120/9000150/11250名義鉆深 m 127mm鉆桿114mm鉆桿最大鉤載，kN2800-45003500-500031504000-60004500-700045005000-80006000-900065707000-100007500-1200090008500-1250010000-1500011250maxQ我國鉆機系列中規定鉆機型號表示方法我國鉆機系列中規定鉆機型號表示方法ZJ改型序號（改型序號用阿

55、拉伯數字表示）改型序號（改型序號用阿拉伯數字表示）鉆機特征：鉆機特征： L鏈條并車鉆機；鏈條并車鉆機； J V帶并車鉆機；帶并車鉆機； C齒輪齒輪傳動鉆機；傳動鉆機；Y液壓鉆機；液壓鉆機； DJ交流電動鉆機；電動鉆機；DZ直流電直流電動鉆機；動鉆機；DB交流變頻電動鉆機交流變頻電動鉆機鉆機級別：分子以鉆機級別：分子以100m為單位計的鉆機名義鉆深范圍的上限為單位計的鉆機名義鉆深范圍的上限， 分母為分母為1 kN為單位計的最大鈎載為單位計的最大鈎載 鉆機代號鉆機代號移動方式：移動方式：自行式車裝鉆機用自行式車裝鉆機用Z表示；半拖掛車裝鉆機用表示；半拖掛車裝鉆機用T表示表示maxQ一、鉆機承載的大型化一、鉆機承載的大型化 二、大型鉆機模塊化二、大型鉆機模塊化三、中小鉆機車載化、小型化三、中小鉆機車載化、小型化四、鉆機操作自動化、控制智能化四、鉆機操作自動化、控制智能化 maxQ 在發展鉆井新技術的同時在發展鉆井新技術