國內外齒條齒輪鉆機現狀

楊潔， 徐勇， 蔡俊， 萬文妮

（長江大學機械工程學院，湖北荊州434023）

0 引言

常規鉆機是利用絞車、鋼絲繩、天車、游車等組成的起升系統帶動大鉤或者頂部驅動裝置對管柱進行起升、下放作業。由于在下鉆過程中不能主動提供鉆壓，因此對水平井及淺層油氣藏進行作業時需要鉆垂直井眼，通過垂直段的鉆柱重量為鉆頭提供鉆壓，而齒條齒輪鉆機卻能較好地解決上述問題。自20世紀90年代以后，為了加大油氣井的開采力度，開采老油田剩余井、水平井分支開采、產層多目標開發等方法都得到了廣泛的應用。因此需要大力發展水平井、定向井以及大位移井的開采技術。多功能齒條齒輪鉆機的研發成功以及相應技術的不斷革新提高了水平井及大位移井的開采效率，解決了水平井開采過程中的軌跡控制、鉆壓施加以及定向控制等難題。

圖1 VR-500液壓齒條齒輪鉆機

圖2 Finder 250T動力頭裝置

圖3 Finder 250T起升系統

1 齒條齒輪鉆機定義

齒條齒輪鉆機是利用齒輪齒條在豎直方向上的運動帶動頂部驅動裝置進行鉆井作業。齒條齒輪鉆機與常規鉆機最大的區別在于起升系統的組成。齒條齒輪鉆機突破常規鉆機起升系統的固有組成，將動力裝置設計在井架上。其動力裝置取代了常規鉆機的絞車、天車、游車的功能，并且取消了易損件鋼絲繩的使用。同時齒條齒輪鉆機的井架與常規鉆機的井架結構也有較大的區別-井架上設計有齒條及導軌。與常規鉆機相比，齒條齒輪鉆機的特點歸納如下：1）設計緊湊、占地面積小、模塊化設計得到很大的應用，提高了快速搬遷的市場競爭力；2）齒條齒輪鉆機的鉆深跨度大，從2000m到5000m不等。證明了齒條齒輪鉆機不僅在淺層油氣藏得到廣泛的應用，在中深層油氣藏也有很大的發揮空間；3）齒條齒輪鉆機朝著自動化、無人化操作方向發展。這些鉆機配備有頂驅、管子處理裝置、動力毛道以及鐵鉆工等設備，操作人員可以減少到2～3人，大幅度提高鉆井安全性能；4）從結構上看，取消了絞車、天車、游車等裝置，簡化了鉆井設備，取消了鋼絲繩等易損部件，提高了鉆井效率。在實際應用中，在下放鉆柱時，齒條齒輪的嚙合傳動為鉆頭提供鉆壓，有利于水平井及定向井的開采。

2 國外齒條齒輪鉆機發展現狀

國外齒條齒輪鉆機出現時間較早，鉆機制造設備已經日趨成熟。最具代表特點的是美國的American Augers、德國的Max Streicher以及挪威的TTS Sense公司。

美國American Augers公司設計的齒條齒輪鉆機為車載式鉆機，沒有絞車、轉盤、貓頭、鼠洞以及鉆臺橫梁，這種鉆機的智能型及模塊化程度高。配有水平-垂直液壓管子操作裝置，不僅使操作人員控制在2～3名，并且大大減少了占地面積。全套鉆機的占地面積約為2 090 m2，起升系統中的動力頭裝置采用6臺液壓馬達配備行星齒輪減速箱組成，動力頭裝置帶動滑車在井架上進行運動。生產的鉆機有2007年的VR-300齒條齒輪單根鉆機以及2009年推出的VR-500齒條齒輪單根鉆機，如圖1所示。

挪威的TTS Sence公司（EDM公司）在2001年推出全世界首個齒條齒輪修井機，型號為250 K。隨后在2005年推出型號為Finder 250T交流變頻齒條齒輪陸地鉆機。齒條采用模塊化設計，采用銷子連接形成齒條鏈，井架采用密閉桅桿式結構，在井架的頂部與底部各配備一個惰性的張緊輪為齒條鏈提供導向，由6臺固定在井架下部的交流變頻電動機+傳動箱+齒輪驅動，如圖2、圖3所示。

德國的Max Streicher鉆機的起升系統與挪威的TTS Sence公司設計上有很大的不同，在實際鉆井過程中，齒輪通過固定在井架上的齒進行運動，除此之外，固定在井架上的傳動帶為動力頭裝置提供導向作用。推出的鉆機主要型號有2005年的 VDD370、2009年的VDD200以及VDD400三種型號。起升系統特點如圖4所示。

通過歸納，將三家鉆井公司鉆機主要參數進行對比，如表1所示。

圖4 德國Max Streicher鉆機起升系統

表1 鉆機主要參數對比

3 國內齒條齒輪鉆機的現狀

我國對齒條齒輪鉆機的研究相對國外則較少。目前寶雞石油機械有限公司、南洋二機石油裝備（集團）有限公司等廠家已相繼投入齒條齒輪鉆機的自主研發中。國內對齒條齒輪鉆機研究相對深入的學者有任福深、王威等，這些學者集中于齒條齒輪鉆機起升系統進行了有關液壓仿真、多體動力學以及相似樣機研制等方面的研究，為齒條齒輪鉆機的設計提供了依據及學術指導。同時關于齒條齒輪鉆機起升系統或動力頭裝置的設計也有很多公司及學者提出專利設計。

圖5 2 000 m全液壓齒條齒輪鉆機

南陽二機石油裝備（集團）有限公司設計研發的2 000 m全液壓齒條齒輪鉆機采用車載式底盤，如圖5所示。適用于欠平衡鉆井、小井眼鉆井修井、一般性修井、不壓井作業、老井重鉆和開窗側鉆等，作業效率高。名義鉆深達到2 000 m，最大鉤載為1 580 kN，可以達到的最大提升速度為0.6 m/s。動力頭裝置由4臺液壓馬達+減速器構成，動力頭裝置與頂部驅動裝置設計為一個整體，完成鉆井過程中的起下鉆、鉆進等作業。起升系統的運動形式是通過齒輪帶動動力頭及頂驅裝置與固定在井架上的齒條嚙合進行傳動。同時鉆機采用管子自動處理裝置，能夠完成抓取鉆桿、移送鉆桿至井口、上扣、鞋扣、將鉆桿移回指定位置的操作。

寶雞石油機械有限責任公司設計的TS40/225DB型齒條齒輪鉆機的名義鉆井深度為4 000 m，動力頭裝置采用4套永磁電動組成，其中2套電動機也為頂部驅動鉆井裝置的動力設備，如圖6所示。整套鉆機的結構緊湊、能耗低、傳動效率高。起升系統的運動形式采用齒輪與安裝在井架上的齒條嚙合來運動，同時配備導向滑輪，實現在井架上的上下運動。最大提升鉤載達到2 250 kN，提升的最高速度可以達到1.2 m/s，剎車裝置配備有主剎車與輔助剎車，其中主剎車采用盤式緊急制動，輔助剎車采用能耗制動的方式。

圖6 TS40/225DB齒條齒輪鉆機

4 齒條齒輪鉆機的發展趨勢

齒條齒輪鉆機的核心技術為起升系統中動力頭裝置的研制。動力頭裝置在設計時不僅需要滿足不同時刻鉆速的要求，更需要根據實際鉆井工況調整鉆頭鉆壓。國內外齒條齒輪鉆機的發展現狀表明，動力頭裝置的設計特點并不單一，起升系統的起升方式也有差別。根據不同的鉆井工況，選擇合適的動力頭傳動方式，是提升齒條齒輪鉆機鉆井性能的必要條件。通過對動力頭的設計及優化，不僅能夠提升齒條齒輪鉆機的性能，更能夠使齒條齒輪鉆機更好地適應鉆井現場的需要。

齒條齒輪鉆機最大的優點是能夠提供下壓力，適合淺層油氣藏及水平井的開發利用，但是在直井下或者斜井方面應用較少。合理利用齒條齒輪鉆機模塊化、緊湊化的特點，設計開發適合各種工況的齒輪齒輪鉆機，拓展齒條齒輪鉆機的市場，也將是齒條齒輪鉆機的發展趨勢之一。

5 結語

1）齒條齒輪鉆機的結構及工作原理決定了其與常規鉆機的不同之處，即在下鉆過程中能夠提供下壓力，適合淺層油氣藏及水平井的開發利用。國內外針對齒條齒輪鉆機做了大量的研究，取得了優異的研究成果，并已投入鉆井現場使用。

2）動力裝置作為齒條齒輪鉆機的核心部件，在美國的American Augers、德國的Max Streicher、挪威的TTS Sense公司以及國內的寶雞石油機械有限公司、南洋二機石油裝備（集團）有限公司的設計中各具特點，說明齒條齒輪鉆機的適應性能很強，仍具備很大的發展空間。

3）液壓系統、電控系統及齒條齒輪技術的提高能夠促進齒條齒輪鉆機智能化、機械化的發展，因此應該繼續加強電、液技術以及齒條齒輪技術的研究與應用。

［1］ 申守慶.多功能齒條齒輪鉆機：一種很有生命力的新型鉆機［J］.石油與裝備，2009（3）：68-71.

［2］ Akerman S.New rig drills shallow reserves more efficiently［J］.E&P，2007，80（10）：39-42.

［3］ Mazerov K.Multifunctional rank and pinoin technology takes shape in oilfield as versatile，mobile rigs［J］.Drilling Contractoe，2008，64（5）：32-39.

［4］ Sandrea I，Sandrea R.Global oil reserves-1：recovery factors leave vast target for EOR technologies ［J］.Oil&Gas Journal，2007，105（41）：51-54.

［5］ 任福深，王威，劉曄，等.基于AMESim的齒輪齒條鉆機動力頭起升裝置液壓系統仿真分析［J］.石油礦場機械，2012，41（5）：14-17.

［6］ 任福深，程曉澤，馬若虛，等.齒輪齒條鉆機相似樣機研制［J］.科學技術與工程，2011，29（11）：66-68.

［7］ 任福深，馬若虛.齒輪齒條鉆機起升系統多體動力學建模與分析［J］.科學技術與工程，2012，20（12）：96-99.

［8］ 何鴻，賀懷慶，葉強，等.TS40/2250DB型鉆機動力裝置設計分析［J］.石油礦場機械，2013，42（9）：41-44.

［9］ 王文爾，張軍帥，尹永晶，等.2000 m全液壓齒輪齒條鉆機［J］.石油機械，2011，39（2）：58-63..