跳至內容

鑽機

維基百科,自由的百科全書

鑽機或稱鑽井架,是在地表進行鑽洞的機械設備,可以是大型戶外的水井、油井、天然氣井鑽探設備,或者是單人可移動的小型設備,稱為螺旋鑽。鑽機可以對地下礦藏進行取樣,或者用於安裝地下生產設備,例如地下機器、儀器、管道和井道。可以是安裝在卡車、拖車、軌道上的流動裝置,或者是較為固定的安裝在陸地、海上結構(如鑽井平台,一般稱為「海上石油鑽機」,儘管設計上並不含有鑽機)。「鑽機」這個詞一般指鑽探地球的地殼層的設備。

垂直井架
英國北約克郡的鑽機

鑽機包括:

  • 小型、便攜型鑽機,例如礦業鑽探、水井、環境調查鑽機。
  • 大型鑽機,可對地殼進行深度超過上千米的鑽探。在鑽井過程中,泥漿泵泥漿鑽杆鑽頭循環到套管環空中,對鑽頭進行冷卻並去除切屑。鑽機上的起升系統可以提升上百噸的鑽杆。其他的設備可以將或沙泵入油藏,進行壓裂作業,引導對原油或天然氣離開油層升到地表。在偏遠地區,鑽機可帶有永久居住設施、飲食,可提供給超過上百名員工的日常生活。海上鑽機可以在離岸幾百公里的距離作業,井上人員會進行輪換。

石油鑽探業

威靈頓盆地的巴肯地層
東德克薩斯州的史雲遜定向井

石油天然氣鑽機可以用於確定地質藏層,並且鑽探底層,將石油或天然氣抽離地殼來到地表。在海上石油或天然氣田上,進行鑽井後,鑽機將從井口脫離,然後安裝一台服務鑽機(一般體積更小),進行完井,並連接井口。[1]這樣,原來的鑽井鑽機就可以用於鑽探其他的井,同時允許提供專業服務,如完井、採油等。

歷史

中國自貢市的古老鑽機

直到19世紀內燃機發明以前,鑽探岩石的主要方法還是靠人或動物的體力。用於生產鹽的水井鑽探始於中國宋朝,「和碗口一樣小」,用於深井鑽探的考古發現目前展出在自貢市的鹽業博物館內。[2]根據《鹽業世界歷史》一書,中國清朝時期的水井,也是位於自貢市,大約深度為3,300尺,是當時世界上最深的鑽井。[3]利用機械方式鑽探這種水井一直保留到1970年,當時,還在用凸輪迅速提起和放下3 mm的鋼管。

東德克薩斯州的史雲遜井,夜間

:

巴肯的Helmerich & Payne Flex鑽機
巴肯的H&P鑽機,夜間

1970年間,在油氣行業以外,使用泥漿循環的牙輪鑽頭已經被氣動活塞所替代。反循環(RC)鑽機對於淺井已經很老舊,目前只在岩石無法使用其他方法的時候使用。RC鑽機速度更快、更高效,在冶金的過程中更好用,可以承載更堅硬更持久的鑽頭,壓縮機也可提供高氣壓,進行更深、更快的鑽探。金剛石探頭從發明以來幾乎沒有變過。

移動鑽機

在早期採油過程中,鑽機一般是半永久性的,井架一旦建好會一直到完井後才拆除。後來,鑽機開始成為可以從一口井移到另一口井,造價更高。一些小型作業的鑽機更像移動起重機,一般用於鑽探水井。大型陸地鑽機必須拆成零件,然後搬運到下一口井,這個過程可能持續幾周。

小型移動鑽機一般用於鑽探深層地基,鑽機的範圍從100連續旋翼式螺鑽(CFA)到採石場用的小型氣動鑽。這些鑽機的技術和大型油井鑽機類似,只是體積更小。

而下面的這些鑽機從機械學上和以前的鑽機不同,但在方法上,還是岩屑從切割面移除,並通過鑽機回收到地表上。

鑽機分類

鑽機分為很多種,很多鑽機可以轉換、結合不同的鑽探技術。鑽機可以大致分為下列屬性:

根據驅動分

  • 機械 — 使用自身的發動機(一般為柴油發動機)驅動液力變矩器、離合器和傳動裝置
  • 電動 — 主要機械設備由電氣驅動,一般使用施工現場的內燃機發電
  • 水力 — 鑽機一般使用水力驅動
  • 氣動 — 鑽機一般使用壓縮空氣驅動
  • 蒸汽動 — 鑽機使用蒸汽發動機和泵(20世紀以後淘汰)

根據鋼管分

  • 鋼纜 — 使用鋼纜提起和放下鑽杆
  • 傳統 — 使用不同類型的金屬或塑料鑽杆
  • 盤管 — 使用巨大的盤管和井內鑽探馬達

按照立柱長度分

(根據起下鑽時,立柱的長度進行區分)

  • 單鑽杆 — 一次只能提起一根鑽杆,有時有垂直的管架;
  • 雙鑽杆 — 可以提起由兩根鑽杆構成的立柱,即每兩個單根接一次立柱;
  • 三鑽杆 — 可以提起由三根鑽杆構成的立柱,頂驅系統常用;
  • 四鑽杆 — 可以提起由四根鑽杆構成的立柱。

根據旋轉和鑽探方式分

  • 無旋轉,包括直推式鑽機和大部分服務鑽機
  • 轉盤 — 是通過旋轉方鑽杆來驅動鑽柱(Kelly drive英語Kelly drive
  • 頂驅 — 通過鑽管組頂部安裝一個馬達,沿着井架上的一條垂直軌道上下活動,進行旋轉和循環
  • 聲波 — 一般利用振動能驅動鑽杆
  • 錘形 — 利用旋轉和衝擊力(參見潛孔鑽頭)

根據井架位置分

根據鑽探類型分

因為不同的鑽探類行,可以讓鑽杆以不同的方式進入鑽孔,每種都有優勢和劣勢,根據可以鑽探的深度、取樣類型、成本、插入率分,有兩種基本的鑽探類行:岩屑鑽探和岩芯鑽探。

螺旋鑽孔

螺旋鑽孔是利用螺旋形鑽機旋轉進入地面,土壤通過螺旋的刀片的空隙提升到地面上。空心鑽杆可以對較軟的土壤,如沼澤等土壤不會自然張開的土壤進行鑽探、地質鑽探、對礦藏進行土壤工程地球化學勘察。固體飛行鑽/短管螺旋鑽用于堅硬土壤鑽探,有時候,採礦豎井利用螺旋鑽杆鑽探,小型鑽杆可以安裝在卡車上,大型螺旋鑽杆可用於放置橋基等。

螺旋鑽杆一般用於相對較軟的未結固物質或惡劣天氣的岩石,特點是節約、快速。

西維吉尼亞州金柏爾的水井鑽機,這些緩慢的鑽機已經逐漸被旋轉鑽機替代

衝擊旋轉鼓風鑽(RAB)

RAB鑽機一般用於探礦(也稱為潛孔鑽機),使用氣動活塞驅動的「錘子」高速驅動重型鑽杆鑽進岩石中。鑽頭是中空的,鋼結構,一般有20 mm鎢條插入鋼基作為「鎢鍵」,鎢鍵是鑽頭的切割面。

岩屑被吹出鑽條來到地表。使用空氣或空氣和泡沫的混合物把切割物提升到地面。

RAB鑽機一般用於採礦 勘探、水鑽孔、採礦上的爆破鑽孔,以及工程方面的其他用途。RAB生成的樣品質量比較低,因為切割物是吹出鑽頭,可能被其他岩石污染。 RAB鑽探較深的時候,如果遇到水、可能迅速堵住鑽孔,妨礙岩屑吹出鑽孔。可以使用穩定器(鑽孔器)抵消這種阻礙,穩定器是一種鑽杆上固定的一大塊圓柱形鋼材,恰好與鑽孔的尺寸吻合,側面有滾筒,一般插有鎢條,可以不斷把岩屑往上推。

使用高壓空氣壓縮機,可以將900-1150 cfm的空氣,以300-350 psi的壓力灌入鑽孔內,保障鑽探深達1250 m的鑽孔,因為高壓空氣可以吹開岩石碎屑和水,但是也要取決於岩石的密度和重量,以及鑽頭的磨損程度。

空心鑽

空心鑽等方法使用加硬處理的鋼材鎢材刀片對未固結地面進行鑽探。鑽頭的周圍有三片刀片,可以切割未固結地面。拋光棒條的內部是空心的,內有管道,通過注入壓縮空氣把岩屑通過內管和鑽杆之間組成的環空,吹回到地表上。然後岩心通過內管再吹回到地表上,如果要收集岩心的話,可以通過其中的樣品分離器收集。通過在鑽杆頂部加入鋼管繼續鑽探,空心鑽有時候可以取到大塊岩心。

這種方法可以用於鑽探已經風化的風化層,因為鑽機、鋼條、鎢條都沒法鑽探到「新鮮」的岩石。但是一般空心鑽比RAB管用,可以提供更有代表性的岩心。空心鑽可以鑽到大約地下300米。因為岩屑可以通過鑽杆內部回收到地表,同時比傳統鑽探岩心從鑽杆外部和井壁之間回收到地表相比,污染較少。這種方式一般也比RAB更加昂貴。

頓鑽鑽井

頓鑽鑽井是水井的一種傳統鑽井方式,大部分大型直水井都採用這種方式,特別是在基岩含水層上完成的深井,都是用這種方式。儘管這種方式在近些年已經逐漸淘汰,使用了其他更快的鑽探技術。但這種方式仍用於大直徑、深層基岩井的鑽探,特別是在廣大農村地區的水井。通過鑽頭衝擊岩石,將岩石打碎成很多頁岩,增加了出水量。

也稱為發射型鑽井,有時候稱為「鏟鑿」,利用提起和落下重型碳化鑽頭擊碎表層岩石,鑽杆由上部鑽杆、一系列「震擊器」(內部鎖連「震擊條」把多餘的能量傳導到鑽頭上,幫助移動卡住的鑽頭)和鑽頭。在鑽井的過程中,鑽杆周期性離開井口,同時放下打撈筒收集岩屑(岩石碎屑和土壤等等)。打撈筒是一個桶型工具,底部有一個井蓋門。如果鑽孔乾燥,需要加入水讓岩屑流入到打撈筒中。提升的時候,關上井蓋門,提起岩屑並扔掉。由於必須提起和放下鑽杆才能繼續鑽進,一般使用套管(更大尺寸的外套鋼管)取回上層土壤岩屑,並穩定鑽孔。

頓鑽鑽井比類似尺寸的旋轉鑽機更加便宜、簡單,儘管噪音非常大,鑽進較慢。世界最深記錄的頓鑽鑽井是在紐約鑽進12,000英尺(3,700米)。一般的Bucyrus Erie 22可以鑽進大約1,100英尺(340米)。因為頓鑽鑽井不像旋轉鑽機使用空氣注入鑽孔,而是使用繩子綁着的打撈筒,技術上來說深度沒有限制。

頓鑽鑽井現在在美國已經過時了,一般用於非洲和第三世界國家。鑽進較慢、頓鑽鑽井會增加鑽井的成本和工資。美國的鑽井工資一般為US$200每天每人,在非洲一般僅為US$6每天每人,所以發展中國家還在使用老式鑽機。頓鑽鑽井可以鑽到25英尺(7.6米)至60英尺(18米)堅硬岩石/日。根據尺寸和地層硬度不同,新型的帶有潛孔錘(DTH)的旋轉頂級頭鑽機可以鑽到500英尺(150米)或更深。

反循環鑽機(RC)

RC Drill Rig
在西澳大利亞紐曼市的反循環鑽機

RC類似於空心鑽機,其岩心也是通過鑽杆內部回收地面。鑽機原理是通過氣動活塞(類似於「錘子」)驅動鎢鋼鑽頭。RC鑽機的設備體積更大,深度超過500米。RC鑽機理想上鑽出干岩屑,而大型空氣壓縮機在鑽頭前進之前將乾燥岩石回收。RC鑽機更慢、費用更高,但是比RAB和空心鑽機的效果更好,比金剛石鑽機更便宜,一般廣受礦業開採歡迎。

反循環是通過將空氣注入鑽杆,產生差異壓力,氣動提升水和岩屑到鑽杆內部,達到鑽孔頂部的偏濾器。然後通過連接在旋風分離器頂部的樣品管。岩屑通過旋風分離器內部移動,最後落在底部的空隙,通過樣品袋進行回收。

最常用的RC鑽機能達到直徑5-8英寸(13-20cm),具有圓形的鎢鍵從鑽頭伸出,需要鑽穿頁岩和耐磨岩石,當鎢鍵磨損後,鑽探速度變慢,有時候可能需要數小時到數周。鎢棒和鑽頭非常昂貴,如果設備在鑽孔下面丟失往往對於公司成本損失很大。很多公司會定期重磨鑽頭上的鎢棒,加速鑽探。一般如果配件從鑽孔丟失,一般不會是通過鑽杆,而是通過鑽頭上的鑽頭、鑽錘、穩定器等。這往往會導致操作失敗、金屬疲勞、破壞鑽探環境,或者導致鑽井設備卡在鑽孔內。

RC鑽頭是氣動的(有時也有水動),以減少粉塵,保持鑽頭溫度,並協助回收岩屑,開炮眼的時候也會用水。鑽井泥漿,也稱「鑽井液」混合水泵入鑽杆內,通過沙土黏着,幫助回收樣品。有時使用「鑽井泡沫」(如「加速泡」),將更多細微的岩屑回收到地表。如果鑽頭接觸堅硬岩石,則將一個鑽鋌(鑽環)通過鑽杆下入鑽孔,一般為PVC管,有時候鑽鋌也由金屬套管制成。開孔是指防止井壁塌方,從上方壓住鑽杆。鑽鋌可以達到60米深,根據土壤條件,如果鑽探堅硬岩石的時候一個鑽鋌可能不夠。

反循環鑽一般由後勤車、鑽機組成,後勤車一般是卡車,上面有供給鑽機的水和柴油,以及其他修井設備。備用設備是搭載有備用引擎的備用車輛和助推發動機。發動機通過高壓管連接鑽機,儘管RC鑽機自身有助推發動機和空氣壓縮機能產生氣壓,但是因為鑽機空間有限,還需要額外的發電機提供壓力。發電機一般裝在備用車上。RC鑽機上的壓縮機一般輸出壓力為1000 cfm、500 psi(500 L·s?1於3.4 MPa)。另外,備用空氣壓縮機輸出壓力為900-1150cfm、300-350 psi,一般為2-4組,通過多閥門管匯連接到鑽機。

金剛石鑽機

金剛石鑽機金剛石鑽探)使用鑲有金剛石的環形鑽頭,連接在中空的鑽杆底部,對堅硬岩石進行圓柱形切割。用於製造金剛石鑽機的金剛石的尺寸各不相同,一般為精細到超精細的鑽石級別,金剛石和金屬的混合比例是根據鑽頭所切割的不同岩層的硬度。金剛石的尺寸和數量根據岩石硬度確定。高強度鋼低金剛石量用於切割碎裂程度高的岩石,低強度鋼高金剛石量用於切割硬質岩石。鑽頭的空隙讓水可以到達切割面,有主要三個作用 — 潤滑、冷卻、回收鑽孔的岩屑。

當從鑽孔中取回岩心管後,進行分類,鑽探人員會用岩心扳手把岩心的後部擰下來,把岩心分為幾段,並放入相應的岩心盒。然後清洗、測量岩心,用錘子破碎,放入岩心盒。進行記錄後,地質專家會分析岩心並確定鑽探地點是否適宜未來開採。

直推式鑽頭

通過直接推進和捶打,而不需要旋轉鑽杆,進行鑽探的幾種不同的鑽機和鑽機設備的統稱。雖然不是傳統意義的鑽探,但是 — 結果相同。鑽孔相同。直接推進式鑽機包括針入測試鑽機(CPT)和直推取樣鑽機,如PowerProbeGeoprobe類型。直推鑽機一般只用於鑽探疏鬆土壤和非常軟的岩石。

CPT鑽機發展成了特殊測試設備(如電子錐),使用大型液壓油缸的土壤取樣器。很多CPT鑽機承載能力很強(往往達到20噸)作為液壓油缸的反推動力,達到20 kN。另外,小型輕型CPT鑽機和海上CPT鑽機一般使用,如螺旋入地錨生成反應力。在理想情況下,CPT鑽機能產生250–300米/日的作業深度。

直推式鑽機使用液壓缸、液壓錘把空心的岩心取樣器推入泥土、地下水中,鑽探的速度和深度大大取決於土壤類型、取樣器尺寸和鑽機的重量和馬力。直推式鑽機一般只用於淺層土壤取樣,優勢是在正確土壤類型下,可快速、低成本產生大量高質量土壤樣品,一般每天為50到75米。和錘式不同,直推式也可和聲波(震動)方式聯合使用,提高效率。

液壓螺旋鑽機

油井的鑽探是使用鑲嵌碳鋼的固定金剛石切面(或嵌入金剛石)三牙輪鑽頭。選用這種鑽頭是因為不需要回收樣品,目的是達到油氣層。旋轉中空鑽頭將皂土重晶石混入鑽井泥漿中,作為潤滑、冷卻、清洗鑽頭之用,同時控制井壓,平衡鑽孔井壁,去除岩屑。泥漿從鑽杆外部(稱為環空)回到表面。檢查泥漿中的岩屑,稱為錄井。另一種方式是電子錄井,一般用於評估可能的油氣藏的存在性。鑽井後可以使用得到鑽中測量工具在鑽探中進行驗證,或鑽探後使用井下側臉工具進行測量。

鑽機的旋轉系統一般於1900年代用於美國,在1845年由法維爾(Fauvelle)發明,用於歐洲早期的鑽井工業。原來使用高壓水而不是泥漿,在使用金剛石鑽機前幾乎對硬質岩石無效。[4] 螺旋鑽機的技術突破在1901年,當時安東尼·弗朗西斯·盧卡斯英語Anthony Francis Lucas結合了蒸汽鑽機和泥漿代替水。[5]

油氣生產帶有安全風險,可能污染環境,如天然氣爆燃導致火災,油氣泄露污染水源、土壤和地下水等。因此,各國都需要複雜的安全系統和專業人員進行生產。

科技限制

油井鑽機

鑽探技術從19世紀穩步發展,但是有一些基本的限制因素,限制了最大鑽井深度。

所有鑽孔都應配合外徑,鑽孔直徑必須比鑽機更大。鑽探的摩擦力可能減少鑽機的外徑,除非在金剛石鑽頭的使用中,使用更細的鑽棒和套管可以繼續鑽探。套管一般為保護井壁防止塌方的空心鋼管,材料為金屬或PVC。其他金剛石鑽孔也需要從大尺徑開始,隨着外徑逐漸磨損,在套管內放入更細的鑽頭。另外,鑽孔可以擴大,在油氣鑽探中,保持鑽孔直徑與下一個套管連接點直徑相同是常見做法。

關於衝擊技術,主要限制是氣壓,空氣達到活塞的壓力不同,引發往復運動,從而利用足夠力量破碎和粉碎岩石。隨着深度增加,鑽杆內體積增加,需要更大的壓縮機達到運營壓力。另外,地下水普遍存在,隨着深度增加地下水增加。鑽杆內的空氣必須足夠將地下水壓到地表,壓力還需要將岩屑帶到地表。因此超過500 m後很少使用反循環鑽探,因為成本限制達到極限,金剛石鑽頭更為經濟。

金剛石鑽機的深度一般可達1200 m。如果成本不是問題,可達極限深度,因為不需要克服水壓。然而,必須保持水循環將岩屑帶到地表、進行冷卻和潤滑,同時減少鑽杆鋼壁的摩擦。如果水循環缺失,鑽杆會頓鑽,會損壞鑽頭卡住鑽機。

如果沒有足夠的潤滑和冷卻,鑽頭會軟化。因為金剛石是已知的最硬物質,莫氏硬度為10,必須牢牢鑲嵌在鑽探面上。鑽頭重量、鑽探力都必修控制。

深海油氣開發中特別的一種鑽探技術稱為超深鑽項目

新鑽探技術研究

研究包括噴水切割等離子體切割、地熱核裂變切割和激光切割。

使用高能的電子等離子體可用於深井鑽探,這種方法可能替代傳統的鑽機科技。可以產生大尺徑的鑽孔,而不需要替換鑽頭。

偏離原因

很多鑽孔輕微偏離設計路徑,這是因為鑽機工作面的扭矩,由於鋼鑽杆的鬆動和螺旋結合的鬆動、岩脈的變化和岩石的結構、鑽頭接觸不同岩層和硬度的時候發生折射,另外,斜孔一般向上偏離,因為鑽頭偏向鑽孔下部,導致鑽頭輕微傾斜。偏離如果影響取樣信息,必須進行勘測。有時候在地表進行同樣位移抵消偏離趨勢,鑽孔的底部會接近所需位置。油井鑽探一般使用定向鑽探(如從同一個地表位置鑽幾個不同的井)。

鑽機設備

鑽機和基本操作簡圖

鑽機一般至少包括下列一些設備:參見油井鑽機

連接鑽機,有不同類型,#23 & #24一般安裝與井口,方式液體和氣體意外從井下外溢。#23是環空型(一般稱為Hydril),#24是閘板防噴器全封閉防噴器。#24也稱變徑閘板(VBR),與一般立管閘板的壓力和封閉力相同,可封閉多種鑽杆、生產鑽杆、套管,而無需更換閘板。一般使用錐形鑽杆的時候使用VBR(使用不同尺徑的鋼管)。

  • 離心機:將泥沙從鑽井液中依靠離心力分離的工業設備。
  • 固控設備:為鑽機準備鑽井泥漿的設備。
  • 鏈鉗:帶鎖連的扳手。
  • 脫氣器:從鑽井泥漿中分離空氣、天然氣的設備。
  • 除砂器除泥器:包含一系列水力漩流器,將泥沙從鑽井泥漿中分離。
  • 絞車:(#7)是帶有線軸的設備,拉近、拉出從而提升和放下游車(#11)。
  • 鑽頭:(#26)是鑽機終端的設備,用於鑽探岩石。可噴射鑽井液。
  • 鑽杆:(#16)空心管,用於將底部鑽具組合(BHA)連接到地表設備,同時作為鑽井液的套管。在圖中為「立管」或為2到3條連接在一起的鑽杆,垂直站立在井架內,一般使用跳脫管節約時間。
  • 提升器:抓固鑽杆、套管的抓固設備,用於提升或放下鑽杆或套管。
  • 井下動力鑽具:水力驅動的設備,放於鑽頭上方,用於單獨旋轉鑽頭。
  • 泥漿泵:(#4)用來循環鑽井液的泵。
  • 泥漿池:(#1)儲存鑽井液的池子。
  • 轉盤:(#20)旋轉鑽杆和工具的輪盤。
  • 振動篩:(#2)鑽井液從鑽孔泵回地表後,從鑽井液中分離岩屑的設備。

參見

參考

  1. ^ Baars, D.L.; Watney, W.L.; Steeples, D.W.; and Brostuen, E.A. Petroleum; a primer for Kansas Educational Series, no. 7. Kansas Geological Survey. 1989: 40 [18 April 2011]. (原始內容存檔於2020-11-08). After the cementing of the casing has been completed, the drilling rig, equipment, and materials are removed from the drill site. A smaller rig, known as a workover rig or completion rig, is moved over the well bore. The smaller rig is used for the remaining completion operations. 
  2. ^ Xianyao Li; Zhewen Luo. China's Museums. Cambridge University Press. 3 March 2011: 210–211 [2013-12-25]. ISBN 978-0-521-18690-2. (原始內容存檔於2016-05-04). By the time of the Song Dynasty, Chinese craftsmen had invented special tools for digging small-mouth-diameter wells 
  3. ^ Mark Kurlansky. Salt: A World History. Random House. 18 March 2011: 364 [2013-12-25]. ISBN 978-0-307-36979-6. (原始內容存檔於2016-05-02). 
  4. ^ Public Domain 此句或之前多句包含來自公有領域出版物的文本: Chisholm, Hugh (編). Petroleum. Encyclopædia Britannica (第11版). London: Cambridge University Press. 1911. 
  5. ^ Roughnecks, Rock Bits And Rigs: The Evolution Of Oil Well Drilling Technology In Alberta, 1883-1970 By Sandy Gow, Bonar Alexander Gow Published by University of Calgary Press, 2005 ISBN 1-55238-067-X