钻井装备方案

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3.5.1 对13000m科学超深井钻机的要求

（1）载荷能力

对13000m超深井钻机最基本的要求是载荷要求 。采用的钻机必须能够承受钻进作业时的最大钻杆柱载荷以及固井作业时的最大套管柱载荷。

以表3.14的数据为基础
，并考虑一定的余量，13000m超深井钻井施工的最大钻杆柱载荷在4000kN以内
。

根据该井套管程序设计 ，最重的套管柱是298.5mm的技术套管
，总长度为9500m，总重量约为7480 kN（壁厚按11.05mm考虑 ，未扣除浮力）。

根据钻机调研的结果
，宝鸡石油机械厂生产的ZJ120/900DB钻机可以满足该井钻井施工的载荷要求 。

（2）高效施工能力

高效施工能力主要涉及两方面问题，即快速起下钻能力和接立根钻进能力
。

超深井钻机必须具有快速起下钻的能力。由于该井施工具有井深大和取心多的两个特点 ，起下钻次数多 、时间长 。根据测算
，当取心钻进比率为5%时，该井的钻进施工时间总约为8.7年 ，其中起下钻时间2.4年
，占总时间的27.6%
。如果要全孔连续取心，即取心钻进比率为100% ，钻进施工时间为21.4年，其中起下钻时间12年
，占总时间的56.2%。13000m超深井钻井日费用相当高，约为20万元/天 。这意味着 ，将需要巨额的费用用于该井的起下钻施工
。我们在制定13000m超深井的钻机方案时必须考虑采取有效的技术措施
，以提高起下钻施工效率，降低施工成本。

俄罗斯（前苏联）和德国都施工过科学超深井 ，他们当时遇到了同样的问题 。他们主要采取了两项技术措施来解决高速起下钻的问题
。第一项措施是提高钻台操作效率
，在钻杆柱的卡夹、拧卸和移摆等操作环节采用高效率的施工装备，如有气动卡瓦
、铁钻工、钻杆移摆机械手等。第二项措施是加高井架 ，以实现长立根操作
，减少钻具拧卸次数，从而减少施工时间 。前苏联施工科拉超深井时采用的立根长度是37m；德国施工KTB主孔时采用的立根长度是40m。

接立根钻进通过采用顶部驱动钻井装置（顶驱）来实现
。顶驱不使用方钻杆 ，不受方钻杆长度限制
，避免了钻进9m左右接单根的麻烦。取而代之的是利用立柱（长度30～40m）钻进，大大节省了接单根的时间 ，从而节约了钻井时间 。

（3）应付井内复杂情况的能力

应付井内复杂情况的能力也通过采用顶驱来实现
。采用顶驱，可实现接长立根钻进和倒划眼以及在任意位置接钻杆
，这些都是有利于应付井内复杂情况的技术措施。

（4）钻机能耗

超万米科学钻井的施工时间很长，短的也需要几年 ，长的可达10～20年 。这么长时间施工
，采用低能耗钻机尤为重要，对钻机的使用成本有重大的影响作用
。

（5）钻机的使用性能

钻机的使用性能涉及钻进参数的控制范围 、控制精度
、超载能力和操作控制的方便性等来体现。

（6）其他特殊要求

13000m超深井钻机除了满足以上要求之外 ，至少还须满足以下两项特殊要求：

1）配备泥浆冷却系统 。13000m超深井的井底温度可能超过300℃
，出口泥浆温度≥100℃
。必须对返回地表的泥浆经过冷却后再投入使用，否则钻进施工会由于高温而难以为继。

2）配备连续循环钻井系统 。德国人采用有限元程序对KTB主孔深井阶段温度变化进行模拟的结果：在钻井直径8.5in、钻井深度9000m 、水基泥浆
、泵量1500L/min的条件下 ，原始地层温度与动态循环温度之间的温差为65～75℃
。根据这一结果
，可以考虑在井底温度升高至对井底钻具内的电子器件和钻井液有严重影响时，采用连续循环钻井系统 ，实现钻进和起下钻过程中泥浆持续循环
，从而使井底温度降低。

3.5.2 13000m科学超深井钻机方案

我国现有的最大石油钻机是宝鸡石油机械厂研制的ZJ120/9000DB 型钻机（图3.7），其最大钻井深度能力为12000m 。该钻机的主要性能参数见表3.15。

图3.7 ZJ120/900DB钻机

表3.15 宝鸡石油机械有限责任公司9000m和12000m钻机技术参数

ZJ120/9000DB钻机是一台交流变频电驱动钻机 ，具有能耗低、操控性好 、超载能力强的特点
。从载荷能力说，该钻机已基本能满足13000m科学超深井钻进施工的需求。因此可以此钻机为基础
，按照以上提出的对13000m科学超深井钻机的要求，对钻机进行适当的改造 ，最终形成13000m科学超深井钻机（参数见表3.16） 。钻机的顶驱
、泥浆泵、循环 、固控和井控系统可采用现有12000m钻机的配套设备
。

钻机改造的基本思路如下：

1）提高钻机井架高度
，以实现40m的立根长度；

2）加装北京石油机械厂的DQ120BSC型交流变频顶驱（参数见表3.17）；

3）配备泥浆冷却系统；

4）配备连续循环钻井系统；

5）增设钻杆
、套管移摆自动系统。

表3.16 ZJ130/9750DB钻机的设计参数

表3.17 北京石油机械厂交流变频顶部驱动钻井装置主要技术参数

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