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中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計文獻綜述
系 別： 工程技術(shù)系
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動
姓 名： 羅金華
學(xué) 號： 05208323
2012 年 2 月 18 日
用發(fā)展的眼光，創(chuàng)造新鉆機
摘 要
由于世界石油資源緊張，油氣勘探開發(fā)掀起高潮，交通樞紐的建設(shè)，各種自然災(zāi)害的搶救等，帶動鉆機裝備迅速發(fā)展。以科技創(chuàng)新為核心，不斷擴展鉆機的優(yōu)越性能，以自動化、智能化鉆機構(gòu)筑平臺，以高可靠性、安全性和先進性創(chuàng)造國際名牌鉆機，滿足國內(nèi)鉆機新技術(shù)的要求，提高鉆機的國際市場競爭力。通過調(diào)查和查閱文獻，深感我國的的鉆機在很多的方面都需要進行改進。
關(guān)鍵字：鉆機發(fā)展 頂驅(qū) 智能化鉆機 機器人技術(shù)
前言
鉆機是石油鉆井用的成套重型機械設(shè)備，是油田上各種機械設(shè)備中最大、最重并具有不可或缺重大作用的裝備?？梢院敛豢鋸埖卣f，鉆機是油氣田的設(shè)備之王。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，鉆機也在不斷發(fā)展，鉆井能力越來越強，功率越來越大，傳動越來越先進，機械化、自動化程度越來越高。為了適應(yīng)淺海、海灘、沙漠和丘陵等不同地帶油氣藏的勘探和開發(fā)，美國、德國、法國、加拿大、意大利、墨西哥和羅馬尼亞等國先后開發(fā)可各種類型的石油鉆機。其中美國的鉆機技術(shù)和銷售業(yè)績在世界上穩(wěn)居首位，所以與國際技術(shù)接軌，實際上是與以美國為代表的鉆機技術(shù)及API規(guī)范接軌。
1獨立自主發(fā)展超大型鉆機
1.1世界陸地和海洋油氣勘探向超深井發(fā)展
國外公司紛紛制造超大型鉆機以搶先占領(lǐng)國際市場，我國也有同樣的需要，是否需要自主研發(fā)超大型鉆機有2種意見：一是肯定要，二是有些鉆井承包商認(rèn)為，這種鉆機充其量只需要1-2臺，自己造比引進成本高，應(yīng)該引進。這種觀念早年較多，如今顯然不合時宜。為解決我國油氣資源嚴(yán)重不足，必須擴展勘探領(lǐng)域和深度，提高石油自給率，以滿足國內(nèi)日益增長的市場需求，保證國家石油戰(zhàn)略儲備的安全，必須提高我國超大型鉆機的設(shè)計制造水平，打破大國的技術(shù)壟斷，獨立自主研發(fā)超大型鉆機，主要是2000-15000m井深的交流變頻電動鉆機，以獨創(chuàng)技術(shù)進軍世界鉆機制造先進行列。
1.2國內(nèi)外超大型鉆機發(fā)展現(xiàn)狀
美國最大的NOV公司生產(chǎn)的4000－VOBE型直流電動鉆機(12000m井深)，2940kW(4000 hp)多速絞車和電磁剎車，現(xiàn)仍在生產(chǎn)供應(yīng)。近年以制造交流變頻電動鉆機為主，絞車額定功率2940－5220kW(4000－7100hp)，齒輪傳動單軸絞車， 有單速和雙速2種，主輔剎車采用主電機能耗制動， 副剎車采用液壓盤式剎車，配9800kN游車大鉤和水龍頭，TDS－1000型頂驅(qū)1102kW(1500hp)，提升能力907t，工作扭矩97.82kN/m，轉(zhuǎn)速0－270 r/min。WIRTH公司生產(chǎn)的交流變頻電動鉆機，絞車功率為2205kW(雙速)~4410kW(單速)，另外還生產(chǎn)4410kW多速絞車，用14繩能提升11900kN，鉤速17m/s，也生產(chǎn)2205kW(3000hp)的高壓鉆井泵。我國蘭石國民油井石油工程有限公司(簡稱蘭石公司)2004年生產(chǎn)了9000m直流電動鉆機，寶雞石油機械有限責(zé)任公司(簡稱寶石公司)2005年生產(chǎn)了9000m交流變頻電動鉆機，二者絞車都是2940kW(4000hp)，2007年寶石公司研發(fā)了12000m鉆機。
1.3我國在鉆機設(shè)計制造方面與國際相比存在差距
創(chuàng)新觀念不強，自主知識產(chǎn)權(quán)不多。
部分基礎(chǔ)件及電控系統(tǒng)尚需引進。
鉆機質(zhì)量和可靠性較低。
交流變頻電動鉆機性能尚未充分發(fā)揮，機械化自動化水平不高。
HSE及生態(tài)理念尚不到位。
2自動送鉆系統(tǒng)成為鉆機的常備裝置
自動送鉆的發(fā)展石油鉆機的自動送鉆裝置已發(fā)展多年，早在20世紀(jì)50年代，美國EMSCO、NASCO公司就有氣控轉(zhuǎn)差摩擦式送鉆裝置問世，前蘇聯(lián)有絞車下放驅(qū)動柱塞泵節(jié)流式送鉆裝置。在國內(nèi)，1988年，蘭石廠研制出ADE-1型全自動送鉆裝置。1986年以后，絞車用液壓盤式剎車取代了帶剎車，擺脫了司鉆全天候扶剎把送鉆的繁重體力勞動，司鉆坐在控制室內(nèi)握手柄手動送鉆，因手柄無手感，只靠指重表，比扶剎把更難控制，迫切要求改善這種困境。90年代末期出現(xiàn)了以液壓盤剎車為執(zhí)行機構(gòu)的自動送鉆裝置，我國北石所2003年研制的CED-I型電子司鉆，其中包含自動送鉆功能。美國VARCO公司推出以ETN剎車為執(zhí)行機構(gòu)的電子司鉆，美國BEN-TEC公司、德國WIRTH公司相繼推出以獨立送鉆小電機——能耗制動為依托的自動送鉆裝置。以上3種裝置適用于在機械驅(qū)動鉆機和直流電動鉆機上配置。交流變頻電動鉆機適用的自動送鉆裝置除了獨立送鉆電機的一種外，還有送鉆電機加絞車主電機能耗制動聯(lián)合送鉆和美國TDC公司推出的單獨以絞車主電機能耗制動送鉆3種方式。據(jù)報道，絞車主電機送鉆最高鉆速能達到80M/H，最低送鉆速度沒有透露。
3頂驅(qū)成為鉆機的常備裝置
3.1頂驅(qū)的發(fā)展
頂部驅(qū)動鉆井裝置（簡稱頂驅(qū)）以其對復(fù)雜井處理事故能力強、鉆井時效高，從1983年上市即打破了百年傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤鉆井方法，成為20世紀(jì)鉆井裝備三大革新的佼佼者。美國VARCO公司自1981年研制試驗樣機TDS-1型，1983年正式生產(chǎn)出第１臺TDS-3型直流電驅(qū)動頂驅(qū)（500T、1000HP），1993年生產(chǎn)出TDS-7S型交流變頻電驅(qū)動雙電機整體式頂驅(qū)，1994年到1997年生產(chǎn)出系列TDS-8SA、9SA、10SA型便攜式交流變頻電動頂驅(qū)、11SA，高度和自重大為降低。至今，VARCO公司頂驅(qū)已生產(chǎn)出約1200臺／套，占全世界頂驅(qū)總數(shù)的80%。全世界共有8個國家11個公司生產(chǎn)頂驅(qū)，主要的還有加拿大的TESCO和CANRLG公司，液壓頂驅(qū)則以挪威的MHCO公司生產(chǎn)臺數(shù)最多（約120臺／套）。我國1997年由北石所設(shè)計，寶石廠生產(chǎn)出第1臺DQ60D型直流電動頂驅(qū)，此后，又研制出系列交流變頻電動頂驅(qū)，其質(zhì)量、性能能與VARCO產(chǎn)品媲美，暢銷國內(nèi)外（包括美國），供不應(yīng)求，成為科研成果產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)品走向世界的先進典型，其1000T級DQL20BSC型頂驅(qū)也于2008－04出廠。我國盤錦遼河油田天意公司已研制出系列交流變頻電動頂驅(qū)32臺／套，已成功投入應(yīng)用。
3.2結(jié)構(gòu)完善過程
頂驅(qū)經(jīng)過25年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)和功能日益完善。由動力水龍頭發(fā)展成頂驅(qū)；由直流雙速驅(qū)動到交流變頻單速驅(qū)動；從水龍頭與電機減速箱分體式結(jié)構(gòu)到整體式；從氣胎摩擦式剎車到液壓盤剎；從另設(shè)低速大扭矩液壓行星輪減速沖扣器到主電機上、卸扣；從環(huán)形背鉗到側(cè)掛對開式背鉗，目前結(jié)構(gòu)已臻非常完美，形成由8大部件合一的集成體。
3.3頂驅(qū)成為鉆機的常備裝置
全世界所有海洋平臺鉆機全部裝備頂驅(qū)，并且全部更新或改裝成交流變頻驅(qū)動的，對于陸地鉆機，APR規(guī)定凡鉆非直井的鉆機都必須配備頂驅(qū)，所以頂驅(qū)已成為大型頂驅(qū)成為鉆機的常備裝置鉆機的常備裝置。動力水龍頭（液壓水龍頭）也是從管柱頂部驅(qū)動鉆井和修井的，從廣義上講也屬于頂驅(qū)的范疇，只是不配備管子處理裝置，結(jié)構(gòu)簡潔輕便，適合在ZJLO、ZJL5、ZJ20型三級鉆機上配備，在XJ90、XJLLO、XJL35型修井機上也適用。ZJ30、ZJ40鉆機名義鉆深2500-3200171，是我國鉆井的主力機型，占鉆機總數(shù)的45%，占鉆井總數(shù)的75%，為它們配備輕便的DQ30Y、DQ40Y型液壓頂驅(qū)，取代轉(zhuǎn)盤、方鉆桿和水龍頭，實為優(yōu)秀方案。
4沒有機械化妄談智能化
4.1鉆機的機械化自動化和智能化
當(dāng)前，國外自動化鉆機發(fā)展的水平已經(jīng)達到鉆臺和二層臺無人化，一人室內(nèi)操縱作業(yè)，一人場地維修，最大提升能力4540KN（7000M井深），如美國A10—32、AID40型自動鉆機，意大利DRILLMECHH系列全液壓自動鉆機等。直到目前，還沒有一臺智能化鉆機問世，市場上的智能鉆機、智能修井機、智能抽油機、智能儀表等都出自制造商的美好愿望，其實際性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達不到智能化水平，對鉆機更不能隨意貫以“智能化”的虛名，實現(xiàn)智能化必須首先實現(xiàn)全機械化和全自動化。目前我國制造的鉆機還處于半機械化、半自動化的水平，鉆臺和二層臺還需要4-5人從事重體力勞動，機械化裝備僅限于動力鉆桿鉗和套管鉗、液壓貓頭和小絞車、方鉆桿旋扣器和吊卡、卡瓦等，自動化裝備僅是部分鉆機配備了盤式剎車自動送鉆系統(tǒng)，交流變頻電動鉆機能耗制動送鉆系統(tǒng)尚未達到全自動化水平。
目前，我國已有108.5KN/M的2種輕便型鐵鉆工樣機在試用（榮盛公司、南陽二機公司各一），氣動卡瓦也在試用，但立根排放系統(tǒng)尚屬空白，落后國外30年。究其原因：一是難度大；二是成本高，沒有投資；三是鉆井勞動力充足，沒有緊迫感。但從貫徹ＨＳＥ要求層面來看，實在是最大的缺口，最大的差距。
4.2智能機械
由于電力電子技術(shù)、微電子控制技術(shù)、機器人技術(shù)、總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機和軟件工程技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代機械裝備正朝著自動化、智能化方向發(fā)展，產(chǎn)品制造正朝著自動化、智能化制造流水線邁進。
4.3智能機械的特點
具有類似人的智能，即感知功能、思維功能和行為功能。感知功能指有視覺、聽覺、嗅覺和觸覺等工能；思維功能指有分析、計算、綜合、歸納、推理、判斷和決策等功能；行為功能有說、寫、畫、做等表達行動的能力及自學(xué)習(xí)、自診斷、記憶、創(chuàng)造等功能。
智能機械的核心是智能計算機系統(tǒng)，具有高級人機接口，可接受語言、手稿、圖表、曲線和圖象資料。能綜合運用人工智能技術(shù)，模仿和延伸、擴展人的智能，處理和解決復(fù)雜的問題。人工智能技術(shù)重要分支之一就是人工智能專家系統(tǒng)ANES，ANES與計算機軟件有本質(zhì)的區(qū)別，它沒有算法解，只將專家的經(jīng)驗和知識表示為計算機能接受和處理的符號形式，在不確定、不精確的信息基礎(chǔ)上，采用專家的推理方法和控制策略，達到專家級解決問題的水平。但是人類積累的經(jīng)驗和知識難以用規(guī)劃和邏輯的方法來描述，ANES較多地采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型ＡＮＮ來處理。
4.4機器人技術(shù)
機器人技術(shù)是20世紀(jì)10大技術(shù)革命學(xué)科之一，第1臺工業(yè)機器人在美國20世紀(jì)60年代中期問世，但是從發(fā)展速度和經(jīng)濟效益層面來看，還要首推日本，它擁有世界機器人總量的70%，企業(yè)機器人普及率達到55%，在機械制造業(yè)中普及率達到98%，全日本機器人制造業(yè)有250家。當(dāng)今機器人的功能和應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展迅速，工業(yè)機器人在各種作業(yè)中從事繁重的重復(fù)性的裝卸搬運操作，節(jié)約了工人的體力勞動80%－100%，并且它不會產(chǎn)生自然人的“厭煩”、“疲倦”心理和生理的障礙及操作失誤，因此，機器人的耐苦性、持續(xù)性、穩(wěn)定性、高速性和精密性都遠(yuǎn)勝于自然人，能大幅度地提高勞動生產(chǎn)率。進一步擴大應(yīng)用領(lǐng)域，即從事危險性、危害性工作，諸如SIMS制造系統(tǒng)、汽車生產(chǎn)線、核電站反應(yīng)堆維修、高幅射環(huán)境、高壓（如海底探礦），高溫、低溫、噪聲、粉塵、有毒（噴漆、電鍍）、劇毒（H.S氣等）、掃雪、運炸藥、排險等工作。對于這些危險、危害性工作，機器人具有“免疫功能”。 我國在石油工業(yè)中機器人的應(yīng)用比較落后，僅有海洋鉆機的鐵鉆工和臥一豎排管系統(tǒng)，油井搶險滅火機器人（水力切割井口、換裝BOP等），各鉆采機械制造廠、柴油機廠、鋼管廠的SIMS中的機器人和機械手，庫房搬運機器人等。今后，在深海、極地勘探和維修、大漠腹地和邊遠(yuǎn)地區(qū)的油氣開采中，機器人和遙控智能機器人將大有用武之地。
總 結(jié)
當(dāng)前，國際石油鉆井技術(shù)發(fā)展的總趨勢是以信息化、智能化、自動化為特點，向自動化鉆井階段發(fā)展。國際鉆境界字20世紀(jì)80年代以來，在隨鉆測量和隨鉆底層評價技術(shù)，實時鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集，處理與應(yīng)用技術(shù)，復(fù)雜解構(gòu)井的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)以及自動化鉆機的研制，海洋鉆井技術(shù)等方面不斷取得突破性發(fā)展。我們應(yīng)該堅持有所為有所不為，選準(zhǔn)內(nèi)容制定規(guī)定，并按3個層次發(fā)展鉆井技術(shù)，即成熟計劃產(chǎn)業(yè)化，在艷技術(shù)成熟化和高興創(chuàng)新技術(shù)自動化，把自主創(chuàng)新放在重要位置。在21世紀(jì)，重點發(fā)展與自動化鉆井有關(guān)的主要技術(shù)，即復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，鉆井信息技術(shù)，新型綠化無污染鉆井液，隨鉆測量和隨鉆底層評價技術(shù)，井下動態(tài)數(shù)據(jù)的采集、處理與應(yīng)用系統(tǒng)，信息流閉環(huán)系統(tǒng)及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)鉆井技術(shù)，現(xiàn)在平衡鉆井技術(shù)和柔管技術(shù)等，繼續(xù)解決深井、超深井鉆井技術(shù)難題，進一步完善和推廣油氣層保護技術(shù)和小井眼產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，加強鉆井理論研究。
21世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)特別是工程科學(xué)技術(shù)一步高速發(fā)展的世紀(jì)?，F(xiàn)在石油鉆井技術(shù)的總體發(fā)展趨勢是從科學(xué)化鉆井的成熟階段向?qū)崿F(xiàn)自動化鉆井階段邁進。通過不懈的努力，相信在不久的將來，我國的石油鉆井制造業(yè)將使用石油鉆井機朝著機電液一體化方向邁進一大步，為建造具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的新型石油鉆機，加快我國石油鉆機機械化、智能化步伐，提高石油鉆井隊勞動生產(chǎn)率，以及鉆井隊出國打井提供具有競爭力的鉆機而做出新的貢獻。
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