石油钻井设备及工具有哪些？
为了勘探与开采蕴藏在地层深处的石油和天然气，人们必须利用各种钻井设备与工具，钻穿坚硬而复杂的地层，这便是钻井工作的主要任务。为了满足我国石油工业飞速发展的需要，必须多打井、快打井、打好井，实现钻井速度翻番。为此，在充分调动人的积极因素的同时，还必须为钻井工作者提供先进的、性能良好的钻井设备与工具，充分利用现代科学技术为石油钻井工作服务。
钻井设备及工具包括地面钻井设备(石油钻机)以及钻头、钻柱等。
一、石油钻机1.钻机的组成现代石油钻机是一套大型联合机组。图5-2所示为旋转钻井的基本设备。根据钻井工艺中钻进,洗井,起、下钻具等工序的需要，一套钻机必须具备下列系统和设备：
图5-2 钻井设备
(1)起升系统。用于起、下钻具，更换钻头，下套管等作业。
(2)旋转系统。用于带动钻具旋转，破碎岩石，加深井眼。
(3)循环系统。用于循环钻井液以清洗井底，携出已被破碎的岩屑，保证连续钻进。
(4)动力设备。驱动绞车、转盘、钻井泵等工作机的动力设备，多用柴油机，也有部分钻机由交流或直流电动机驱动。
(5)传动系统。主要任务是把动力设备的能量传递和分配给各工作机。
(6)控制系统。为了指挥各系统协调地进行工作，在整套钻机中还装有各种控制设备，如机械、液动或电控制装置，配备有集中控制台和观测记录仪表等。
(7)底座。包括钻台底座、机房底座和钻井泵底座等。
(8)辅助设备。一般包括井口防喷装置、空气压缩设备、辅助发电设备、辅助起重设备、井口工具及活动房屋等。
2.井口工具为了起、下钻具和旋卸钻具，需要使用吊钳、吊卡和卡瓦等手动井口工具。
吊钳由几个镶有牙板的钳头和钳柄组成，它们之间用铰链互相连接。吊钳用来旋卸钻杆、钻铤等组成钻柱的各类下井工具的连接丝扣。吊钳都是内外两把(一正一反)成对使用，用猫头绳来旋扣。
吊卡用来悬持、提升和下放钻柱。吊卡的内径比钻杆外径略大，但比钻杆接头的外径小。工作时卡住钻柱接头，以便进行起、下钻。
当旋接或卸开钻柱时，位于井内的那段钻柱必须暂时悬挂在转盘上。装入转盘补心中的卡瓦是用来卡住钻杆并悬持钻柱的。
随着深井、硬地层及海洋钻井数量的迅速增加，起、下钻操作的工作量显著增加。用上述手动井口工具旋卸丝扣体力消耗大、工效低、又不安全，迫切需要改进。目前，已有多种形式的动力大钳和动力卡瓦广泛用于钻井生产中。加快了起、下钻速度，减轻了工人的劳动强度，为进一步实现钻井工作的全盘机械化、自动化打下了基础。
3.井口防喷器钻开高压油气层时有可能发生井喷，引起严重事故。为了在井喷发生时能控制井内钻井液和油、气、水的喷出，通常在钻台下面安装防喷器。目前国内外生产的钻机上都配备整套较完善的防喷器系统。如图5-3所示为压力等级在21～34MPa的防喷器组合。
图5-3 井口防喷器组示意图
一般每台钻机配备3～4套防喷器，如闸板防喷器、旋转防喷器和万能防喷器等。闸板防喷器有单闸板、双闸板和三闸板三种。闸板的结构又有盲闸板、孔闸板和剪刀闸板三种。孔闸板的芯子中心有孔，钻井过程中发生井喷时，可将钻柱与套管之间的环形空间封闭，防止井内的钻井液、油、气、水喷出，也称为钻杆防喷器。盲闸板防喷器也称为全封闭防喷器，其芯子可直接把井口封闭，用于井口无钻杆的情况下。剪刀闸板可以在紧急情况下剪断井中的管子，以保证井口安全。旋转防喷器的结构特点是：其橡胶芯子可以在抱紧钻杆的情况下随钻杆一起旋转，从而可以在封闭钻杆与套管环形空间的同时，满足边喷边钻的工艺要求。万能防喷器的胶皮芯子能在几秒钟内对任何钻具进行封闭，争取宝贵的抢险时间。
当钻机上配备有闸板防喷器、旋转防喷器和万能防喷器三类防喷器时，它们既可以单独使用，也可以重叠使用，可以实现边喷边钻，不压井起、下钻和反循环钻井等钻井新工艺。大多数防喷器都配有手动和液动两套控制装置，以便在紧急情况下远距离控制。
二、钻具在钻井中除必须配备一整套的地面钻井设备外，还要配备一系列井下钻井工具。包括钻井时下入井内的钻头、钻柱、井下动力钻具、取心工具以及一些辅助钻井工具(如事故处理工具)等。井下钻井工具简称为钻具。
钻柱是从钻头到地面全部管柱的总称。钻柱是连通地面与地下的枢纽，是实现优质快速钻井的重要手段和工具。随着钻井深度的不断增加，钻井工艺技术不断发展，对钻柱的性能要求也越来越高。目前，已广泛使用具有防斜、防震、防卡等作用，由一种或数种钻具组合而成的复合钻柱。这种复合钻柱与不同的工艺措施相互配合，可以控制井斜的变化、改善钻头的工作状态、减少卡钻事故，进而获得多方面的综合效益。
钻柱的使用贯穿于钻井作业的全过程，因此钻柱的作用有：(1)起下钻头；(2)施加钻压；(3)传递动力；(4)输送钻井液。钻柱在井下工况复杂、环境恶劣，往往是钻井设备和工具中的薄弱环节。正确选配钻柱、合理使用好钻柱，对于提高钻井速度、降低钻井成本有着不可忽视的重要意义。
钻柱由多种不同的钻具组成。其组成方式随钻井条件和钻井方法不同而有区别。组成钻柱的基本钻具包括钻铤、钻杆、方钻杆和配合接头。
1.钻铤钻铤又叫做加重钻杆。在钻井时，钻铤下面与钻头相连，用自身的重力给钻头施加压力。钻铤的特点是壁厚、强度和刚度大，受压后不易弯曲，因而有利于钻直井眼。
2.钻杆钻杆连接在钻铤和方钻杆之间。钻杆的两端装有相互连接用的接头。钻井工人习惯称单根钻杆为“单根”，2～3根钻杆连在一起时称之为“立根”。
钻杆的壁厚比钻铤薄。钻杆在井内旋转时与井壁摩擦而不断磨损，在拉、压与扭转力的作用下有时会出现折断事故。近年来，已广泛使用对焊接头钻杆和高强度铝合金钻杆等，从而减轻了钻柱重力，减少了钻杆的折断事故。
3.方钻杆方钻杆连接在钻柱的最上部，它的多边形截面与转盘中的方补心内孔相配合。方钻杆进入转盘后只能上下移动，因此在转盘旋转时，就能带动钻杆、钻铤和钻头旋转钻进。为了避免接单根后方钻杆入不了转盘，方钻杆的长度一般比钻杆长2～3m。
4.配合接头由于组成钻柱的钻具种类、尺寸和扣型不同，因此一般不能直接相互连接，需要使用配合接头才能连接成统一和谐的钻柱。
综上所述，钻铤、钻杆、方钻杆和配合接头等几种钻具构成了基本的钻柱。随着钻井工艺技术的发展，在钻井中除使用上述基本钻柱外，还研究开发出一系列能进一步提高钻井工作指标的复合钻柱。使用最广泛的是基本钻柱加三器(扶正器、减振器和震击器)构成的复合钻柱。钻具组成如图5-4所示。
图5-4 钻具组成示意
1—水龙头；2—配合接头；3—方钻杆；4—保护接头；5—钻杆；6—钻铤；7—配合接头；8—钻铤；9—钻头5.扶正器要用好钻头、提高钻速，就要强化钻井措施。一般情况下，钻压加得过大就会引起井斜。在钻井实践中往往根据地层的不同性质和防斜要求，用扶正器构成多种防斜钻柱。通常要使用好几个扶正器：下扶正器紧接在钻头之上，中扶正器距钻头约十几米。钻进时，扶正器与井壁接触，对钻头起扶正和导向作用。为了保证扶正器能较好地接触与支承井壁，其外径要尽可能接近钻头直径。
加用扶正器构成的防斜钻柱若设计和使用恰当，可以防斜，使井眼规则，保证钻头平稳工作，提高工作指标。实践证明，这些防斜措施是行之有效的。
6.减振器减振器能吸收钻井过程中所产生的冲击和振动负荷，从而提高钻头的使用寿命，减轻钻铤以及其他井下钻具的疲劳。减振器一般都装在靠近钻头的地方。
减振器的最主要构件是减振元件。有各种类型的减振元件：不锈钢网柱、橡胶筒、钢蝶形盘、钢弹簧及可压缩介质(水垫或气垫)等。有些减振器只能吸收垂直振动，而另一些减振器可以同时吸收垂直和扭转振动。
国外从20世纪50年代开始研究减振器，60年代推广使用，取得了明显的效益。
7.震击器由于普遍使用小间隙的扶正器、满眼钻具等防斜钻柱以及减振器等特殊钻具，增加了卡钻的可能性，尤其是在复杂地层中。国外很早就使用震击器，不仅仅把它作为打捞和处理卡钻事故的常用工具之一，而且在地层测试、取心钻进、侧钻、套铣等作业和正常钻进时也在钻柱中装接震击器。震击器的结构类型很多，有机械的和水力的等。它们都是采用一定的结构，在钻柱受拉作弹性伸长时积存弹性能量，当拉到一定位置时突然释放能量使震击器发生震击动作，震动被卡的下部钻柱以达到解卡目的。
三、钻头油气埋藏在地下，为了寻找油气，取得地下资源，必须大量地破碎岩石、钻穿地层。现在的钻井方法主要是用机械方法破碎岩石。破碎岩石的工具就称为钻头。
钻头是破碎岩石、形成井眼的主要工具。钻头的性能直接影响着钻井速度、钻井质量与钻井成本。如果能少用钻头迅速钻完一口井，那将会使整个钻进过程中的起、下钻次数减少，建井速度加快，钻井成本降低。因此，制造具有高破碎效率、坚固耐用的钻头，选择和使用好钻头，就具有特别重要的意义。
由于钻头所破碎的岩石性质不同、钻井目的和要求不同，在石油钻井中会使用多种不同类型的钻头，如刮刀钻头、牙轮钻头和金刚石钻头等。使用最广泛的是牙轮钻头，多用于中硬和坚硬地层以及深井中。刮刀钻头在我国一些高塑性、软地层的油田也有突出的地位。金刚石钻头在极硬地层和深井中使用效果较好。随着钻井技术的发展，钻头的类型和结构也在不断发展和改进。20世纪70年代以后，出现了以人造金刚石为切削元件的钻头。多年的现场使用效果已经证明，这种钻头具有很好的发展远景。
1.刮刀钻头刮刀钻头是旋转钻井中最早使用的一种钻头。这种钻头结构简单、制造方便，各油田都能自己设计和制造。刮刀钻头适用于钻松软的地层(如泥岩、页岩和泥质胶结的砂岩等地层)，可以取得很高的机械钻速和钻头进尺。但是，在钻硬且研磨性高的地层时，刀片吃入困难、钻头磨损快、机械钻速低，有时还出现憋跳现象，对钻具和设备寿命有一定的影响。尽管如此，只要我们正确使用，充分发挥刮刀钻头在软地层中钻进的优势，对提高钻井速度、降低钻井成本仍然是有效的。
20世纪70年代以后，我国开始研制和使用人造金刚石刮刀钻头。这种钻头刀翼的几何形状基本上与硬质合金镶块刮刀钻头相同，只是将部分硬质合金块换成了人造聚晶金刚石镶块。由于金刚石的耐磨性高于硬质合金，可以增加钻头的使用时间，延长钻头寿命，提高单只钻头进尺，创造出许多先进的钻井指标。
2.牙轮钻头牙轮钻头是石油钻井中使用最广泛的钻头。牙轮钻头旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎岩石的作用。牙齿与井底的接触面积小、比压高，工作扭矩小，工作刃总长度大。因而使牙轮钻头能适用于多种性质的岩石。常用的三牙轮钻头如图5-5所示。
图5-5 三牙轮钻头
目前，国内各钻头厂根据生产现场需要，不断引进先进技术，使牙轮钻头的生产在品种、数量和质量方面都得到很大的提高，已初步建立了国产牙轮钻头的产品系列。
根据牙齿的特征，将三牙轮钻头产品分为铣齿钻头和镶齿钻头两大类。其中铣齿钻头有六个系列，镶齿钻头有两个系列。
in、6in等规格的钻头。国外钻头系列十分繁杂，这里不做介绍。
3.金刚石钻头以金刚石做工作刃的钻头称为金刚石钻头。金刚石钻头早期是在地质钻探中使用，在石油钻井中使用只有四十多年的历史,最初只用在极硬地层和研磨性大的地层。近年来，金刚石钻头品种增加，使用范围扩大。从极软地层到极硬地层均可使用，并取得了满意的效果。
金刚石钻头的结构比较简单，主要由金刚石、胎体、钢体和接头等四部分组成，如图5-6所示。
图5-6 金刚石钻头
1—钢体；2—胎体；3—金刚石；4—接头接头上部有用于连接钻柱的丝扣。钢体与接头之间也用丝扣连接，然后焊死形成一体。钢体下部与胎体烧结在一起。胎体是固定金刚石的母体，由带粘结剂的碳化钨粉制成，中间有水眼，底面有水槽，侧面开有排屑槽。
聚晶金刚石切削块钻头是20世纪70年代后期美国钻井工业的一项重要成就。这种钻头的切削块是用人造金刚石单晶在高温高压下聚合而成的聚晶体。钻进时，聚晶体不断剥落，新的锋锐小晶体不断出露，因而能使切削块在磨损过程中不断地“自锐”。其切削刃是锋利、高耐磨、能够“自锐”的金刚石切削块，因此能在低钻压下取得高进尺(为牙轮钻头的4～6倍)和高钻速(为牙轮钻头的2倍以上)。聚晶金刚石切削块钻头有聚晶金刚石复合片钻头(简称PDC钻头)、热稳定聚晶金刚石钻头(简称TSP钻头或BDC钻头，也称巴拉斯钻头)、马赛克钻头和大复合片PDC钻头。
PDC钻头切削块上的聚晶金刚石复合片极薄极硬，比碳化钨底层的抗磨性高100倍以上。钻头工作时，由于碳化钨比复合片磨损得快，使复合片随时裸露出保持锐利的刃口。在较低的钻压下即可切入岩石，并在扭矩的作用下切削岩石。由于切削块可以“自锐”，这就使整个钻进过程中钻头以切削方式破碎岩石，从而能实现快速钻进。PDC钻头适用于软至中硬地层。
巴拉斯钻头的切削块是耐温1200℃的热稳定聚晶人造金刚石。热稳定聚晶金刚石切削块可制成三角体形、立方体形、圆柱体形和针状等多种几何形态。巴拉斯钻头以剪切和研磨方式破碎岩石，适合在中硬到硬地层使用，曾经获得过很好的钻井指标。四川川东地区的试验结果表明：用这种钻头在某些地层中钻进，比XHP5型三牙轮钻头平均钻头进尺提高2～4倍、机械钻速提高20%～40%、纯钻井成本下降10%～12%。
马赛克钻头既有热稳定聚晶块的耐高温性质，又兼有复合片的切削能力。
目前，天然金刚石钻头和大复合片PDC钻头在油田使用较多，能获得满意的经济效益。
超深井由于其建井、钻井和完井时间都比较长，而且普遍存在地层结构复杂的问题，因此对钻井设备的要求是：①可靠性高；②过载能力大，能够及时处理井下事故；③同时超深井钻井还有一个特殊性，就是起下钻所用的时间在整个钻井过程中所占的比重非常大，因此钻井效率也是考核钻机的一个非常重要的指标。
1.1.1 国外超深井钻机技术现状
为了适应勘探开发更深地层油气藏的需要，深井石油钻机趋向大型化，要求功率大、性能好、自动化程度高，可满足和适应深井钻井的多种需要。钻机钻深能力已达15000m，最大钩载达12500kN。为了提高起升工作效率，绞车功率有进一步提高的趋势，功率5220kW的绞车已经问世。另外，国外开始将交流变频技术应用于大型超深井钻机。
目前，美国钻机技术水平代表着国际上石油钻机的最高水平，其中以National Oilwell Varco公司为代表，其主要特点是：①钻机趋向大型化、结构型式多样化。如绞车功率可达4477kW，钻井深度可达15000m，泥浆泵的水马力达2350kW，车装式、拖挂式、橇装模块式种类齐全。②电气传动技术的进步使得传动更加简单，特别是广泛使用了交流变频驱动技术。已开发出Wirth和Varco ADS齿轮传动单轴绞车，还可以使用主电机能耗制动取代辅助刹车。③新型的一体化旋升式井架和底座、多节自升式井架的起放更安全，使钻机在钻井过程中更稳定，占用井场面积更小。④盘式刹车、顶部驱动钻井装置、立根自动排放机构、铁钻工装置的使用，使钻井智能化、自动化成为现实，使科学钻井成为可能。⑤钻机移运性能不断提高，快速搬迁能力成为钻机的关键竞争力。⑥注重以人为本，更加适应HSE要求。
挪威MH公司研究开发Ramrig液压驱动石油钻机，钻深15000m，额定载荷为9800kN。此外，前苏联乌拉尔重型机器制造厂、加拿大公司和德国德马克公司等均生产了钻井深度大于12000m的超深井钻机。
（1）美国NOV公司（National Oilwell Varco，国民油井瓦科公司）
早年生产的超深井钻机主要是直流电驱动，其代表产品主要有E3000/E3000-UDBE及4000-UDBE型，绞车功率分别为2237kW和2983kW，名义最大钻深分别可达9144m和12192m，为内变速多速绞车，主刹车有带式刹车和液压盘式刹车，辅助刹车均为电磁涡流刹车。由于受直流调速范围的限制及大功率链传动的结构限制，这种内变速多速绞车的发展有一定的局限性。随着交流变频技术的发展，大功率变频调速技术的成功应用，超深井钻机目前以交流变频驱动为主。
目前，美国NOV公司超深井钻机配置的绞车有单速和双速，基本都是齿轮传动，绞车功率为2983～5220kW，各个级别都有产品，主刹车采用的是主电动机能耗刹车，辅助刹车采用的是液压盘式刹车；配有 P型和 FC型钻井泵，功率均为1641kW，压力51.7MPa；配有的3种转盘；有7350kN、9800kN的大钩、水龙头（工作压力51.7MPa）。
国内进口有多台E3000型电驱动钻机，该钻机的主要技术参数见表1.1（纪人公等，1994）。
表1.1 美国NOV公司E3000型钻机基本参数
（2）美国Rowan公司
美国Rowan公司是一家生产制造大型钻井平台、特深井陆地钻机和海洋陆地钻井服务的上市公司，已生产制造了9 台 9000m和 3 台 12000m陆地特深井钻机，改造了12000m钻机2台。中国石化集团公司决定从Rowan公司购买一台12000m钻机，钻机基本参数见表1.2（孟祥卿等，2006）。
表1.2 美国Rowan公司12000m钻机基本参数
（3）前苏联的乌拉尔机械-15000型钻机
前苏联科拉超深井（СГ-3）于1970年5月开始钻进，其目的任务：①研究科拉半岛地区波罗的地盾太古宙结晶基底和含镍的贝辰加杂岩的深部结构，查明包括成矿作用在内的地质作用的特点；②查明大陆地壳内地震界面的地质性质并取得有关地球内部热状态、深部水溶液和气体的新资料；③获得最充分的有关岩石物质成分及其物理状态的信息，揭露和研究地壳花岗岩层和玄武岩层之间的边界带；④完善现有的和创立新的超深钻进的技术和工艺，以及深部岩石和矿石的综合地球物理研究方法（E.A.科兹洛夫斯基，1989）。
СГ-3井使用涡轮马达和铝合金钻杆，进行超前孔裸眼钻进，第一阶段钻进至7263m井深，采用乌拉尔机械-4З钻机（表1.3），第二阶段从7263m开始采用乌拉尔机械-15000钻机（表1.3）。
表1.3 科拉超深井的钻机技术参数
（4）德国的UTB-1型KTB钻机
联邦德国大陆深钻计划（KTB）是德国第一个国家的大规模地学研究计划，以超深孔的施工为中心，达到“进行关于地壳较深部位的物理、化学状态和过程的基础调查和评价，以了解内陆地壳的结构、成分、动力学和演变”的目的。KTB主孔（设计深度14000m）的钻机的研制、建造和操作运行是由UTB ULTRATIEF钻探股份公司来完成的，该公司由德国深钻有限公司（DEUTAG）、德国建井与深钻有限公司（DST）和国际深钻有限公司（ITAG）组成，钻机的主要技术参数见表1.4。
表1.4 UTB-1型KTB钻机技术参数
（5）德国Herrenknecht GmbH公司的InnovaRig钻机
2007年德国Herrenknecht GmbH公司研制了深部钻进和取心钻机InnovaRig（图1.1），该钻机的主要技术参数如表1.5。
图1.1 InnovaRig钻机
表1.5 InnovaRig钻机技术参数
1.1.2 国内超深井钻机技术现状
经过50年的努力，特别是改革开放后20多年的发展，目前国产石油钻机已形成了比较完整的系列，在品种和质量上基本能够满足在国内不同地区、不同井深和不同环境条件下进行油气资源勘探开发的需要。近年来，还有相当数量的国产钻机在国外承担钻井服务和国内的反承包钻井服务。从钻机设备制造来看，近几年已开发和生产了1000～7000m机械驱动钻机，机电复合驱动钻机和整拖式、轮式半拖挂整体移运式钻机，研制生产了4000～7000m各种型号直流电驱动钻机、交流变频电驱动钻机和3000m以下各种车装及橇装钻机。钻机制造厂家有宝鸡石油机械有限责任公司、兰州兰石国民油井石油工程有限公司、四川宏华石油设备有限公司、河南中原总机厂石油设备有限公司、南阳石油机械厂、中国石化集团江汉石油管理局第四石油机械厂、上海三高石油设备有限公司、胜利油田石油机械厂等。在借鉴国外先进技术的基础上，我国又相继开发和应用了绞车液压盘式刹车系统，集中控制司钻房、组合式液压站、全液压套管扶正机、液压猫头、液压绞车、各种型式的井口吊装装置，数显防碰装置、大功率柴油机、液力偶合器正车箱、直流电机、变频电机等项新技术和新装置。与此同时，各制造厂又结合国际市场的需要，在钻机满足要求方面也采取了新的措施，并在钻井机械化、智能化方面取得了新的进展，从而使国产钻机的设计、制造、配套技术和钻机整机质量有了明显的提高，大大缩短了与国外先进钻机的差距，取得了显著的成绩（华伟棠，2005）。
超深井钻机技术在国内近几年才开始研究，2004年由兰州兰石国民油井石油工程有限公司和美国国民油井公司共同研制的9000m直流电驱动钻机在科威特成套交货，尽管关键件的总体设计和生产制造由美国国民油井公司掌握，但这也是我国在超深井钻机研制方面迈出的第一步。国内由宝鸡石油机械有限责任公司2005年自主研发的首台9000交流变频电驱动钻机目前正在油田进行工业性试验。尽管该项目早在2001年就在国家经贸委立项，但由于受大功率变频控制技术的成熟度和大功率齿轮传动绞车可靠性等因素的影响，长期没有明确的用户，为此宝石机械公司进行了7000m交流变频电驱动、齿轮传动绞车钻机的研制，2003年7月完成工业性试验，为大功率交流变频技术的应用以及自动送钻技术的应用积累了一定的经验。随后，各个油田也看到了交流变频技术的优势，5000m、7000m交流变频电驱动钻机在国内市场的销量大幅增长。随着国际市场油价的升高，国内高难度井开采量的加大，超深井钻机的需求也突现。2004年年底中国石油集团公司组织行业专家对方案进行了评审，同时将9000m交流变频电驱动钻机列为集团公司2005年重点科研项目，至此，9000m交流变频电驱动钻机的研发正式进入实施阶段（罗超等，2007）。
目前，国内研制制造超深井钻机的厂家有宝鸡石油机械有限责任公司、兰州兰石国民油井石油工程有限公司、四川宏华石油设备有限公司和上海三高石油设备有限公司等。
1.1.2.1 宝鸡石油机械有限责任公司
研制的ZJ90/6750DB超深井钻机（图1.2；表1.6）于2006年8月13日在新疆油田准噶尔盆地腹部莫索湾的莫深1井（设计井深7380m）开钻使用，一开井径Φ660.4mm。2006年11月22日二开以4463m井深完钻，井径Φ444.5mm；2006年12月1日，顺利下入5000kN重、Φ339.7mm的技术套管4462.02m，一次性成功注入固井水泥300t。2007年3月以Φ311.1mm井径三开开钻，2007年7月24日以6406m井深完钻；2007年7月26日，顺利下入5106kN重、Φ244.5mm技术套管6403.37m。四开井径Φ215.9mm，2007年11月23日顺利钻至设计井深7380m并继续钻进，最后莫深1井加深到7600m。
图1.2 施工莫深1井的ZJ90/6750DB超深井钻机
表1.6 宝鸡石油机械有限责任公司9000m和12000m钻机技术参数
12000m钻机研制被列入国家863计划，ZJ120/9000DB超深井钻机的技术参数见表1.6，2007年11日出厂，在川科1井三开以后投入使用。川科1井位于川西坳陷孝泉构造（四川德阳市孝德镇东利村1组），设计井深8875m，采用五开井身结构，完钻井眼尺寸Φ215.9mm。2007年3月20日使用7000m钻机开钻，一开井径Φ660.4mm、Φ508mm表层套管下深497.08m。二开井径Φ444.5mm，2007年9月7日以3200m井深完钻。二开完钻后，2008年3月12日三开钻进使用国产12000m超深井钻机——ZJ120/9000DB（图1.3）。
图1.3 施工川科1井的ZJ120/9000DB超深井钻机
1.1.2.2 兰州兰石国民油井石油工程有限公司
ZJ90/5850DZ直流电驱动钻机（表1.7）性能特点：
1）采用以柴油机为动力，带动交流发电机，经可控硅整流，由直流电动机驱动绞车、转盘和泥浆泵的传动方式，即AC-SCR-DC传动。
2）电传动系统采用全数字式交流模块和全数字式DC直流模块。PLC逻辑程序控制、触摸显示屏。支持计算机及其打印（运行工况表）功能。电器工程师笔记本电脑和专用软件进行在线测试。系统具有对柴油机、发电机、SCR系统、直流电动机、断路器及其他单元进行检测、故障诊断、保护、运行工况定性和定量的显示和对系统的控制功能。
3）绞车滚筒开槽；主刹车采用液压盘式刹车，刹车力矩大，灵敏可靠。
盘刹操作手柄置于司钻控制房内，改善了司钻的工作环境，减轻了司钻的劳动强度；绞车的辅助刹车为电机能耗制动和电磁涡流刹车；绞车配有过卷阀防碰天车装置与智能游车位置控制系统，防止发生游车“上碰下砸”事故；绞车配有电机自动送钻装置，可实现恒钻压自动送钻以及零速度悬停功能。
表1.7 兰州兰石国民油井石油工程有限公司9000m钻机技术参数
4）转盘独立驱动装置由直流电机经两挡齿轮变速箱驱动转盘；既可由转盘电机经链条箱驱动转盘，又可由绞车电机经链条传动驱动转盘，二者实现互济，提高了钻机的可靠性，充分满足钻井工艺需要。
5）配备大功率三缸单作用泥浆泵，由窄V带驱动。
6）“H”型钢制造的“K”型井架，利用绞车动力整体起升，视野开阔，运输方便。
7）平行四边形整体起升式底座，可实现钻台面设备和井架低位安装，利用绞车动力整体起升。
8）钻机的主要机械部件：天车、游车、大钩、水龙头、转盘、井架、底座均符合API规范，打API会标。
ZJ90/5850DB交流变频电驱动钻机（表1.7）性能特点：
1）钻机采用机、电、数字、通讯一体化设计，应用当代先进成熟的矢量控制技术、交流变频技术、数字控制技术、总线通讯技术。
2）采用先进的全数字交流变频PLC控制技术，通过触摸屏及气、电、液、钻井参数的一体化设计，实现钻机智能化司钻控制。
3）单轴式交流变频齿轮传动绞车及速度数字化闭环控制，可合理利用功率，提高钻井时效。
4）转盘扭矩和泥浆泵泵压的数字化限制控制，实现过扭矩或超泵压保护。
5）智能游车位置控制，防止钻机发生游车“上碰下砸”事故。
6）绞车主刹车采用电机能耗制动，通过计算机定量控制制动扭矩。
7）采用主电机自动送钻，实现钻井给进的自动化；智能化司钻控制操作系统，使钻机的操作由技能型变为智能型；钻机采用网络控制系统，可实现设备信息共享、自动化控制、集中监视、生产管理和设备管理多种功能。
8）钻台设备低位安装，与井架一起整体起升。
9）全液压套管扶正机自动化程度高。
10）钻机的主要部机采用NOV（美国NOV公司）成熟技术并得到世界验证。
1.1.2.3 上海三高石油设备有限公司
上海三高石油设备有限公司研制的9000m钻机技术参数见表1.8。
表1.8 上海三高石油设备有限公司9000m钻机技术参数
钻杆柱是钻探施工中非常关键的一个环节，对于超深井钻进施工更是如此。钻杆柱在钻进中要承受拉伸、扭矩、振动、摩擦引起的附加阻力和温度等多项载荷的复合作用，工作条件十分恶劣。当钻井超过某一深度后，单是钻杆柱的自重就可能使钻杆柱发生破坏。
2.4.1 铝合金钻杆柱的性能
目前市场上可以得到的钻杆柱有钢钻杆柱和铝合金钻杆柱。如果不考虑温度限制的话，铝合金钻杆柱具有更大的钻深能力。前苏联在施工科学超深井时广泛采用了铝合金钻杆柱，表2.14是几种超深井施工常用的铝合金钻杆材料，它们具有不同的机械性能和耐温能力，施工时可分别用于不同的井段。表2.15显示了由这三种材料组成的14500m超深井钻杆柱。
表2.14 用于前苏联超深井钻进的铝合金材料
表2.15 前苏联14500m超深井铝合金钻杆柱设计
与通常采用的钢质钻柱相比，采用铝合金钻柱钻井有一系列优点，主要有如下几方面。
1）降低对钻机负荷的要求。反之，当钻机负荷一定时，可达的钻孔深度更大，相当于加大了钻机能力。例如，前苏联用铝合金钻柱施工15000m超深井，采用的钻机大钩负荷为4000～5000kN；而德国设计用钢钻柱施工的12000m超深井时，采用的最大大钩负荷为8000kN。这是因为铝合金材料的密度比钢的小得多，用于8.5in（215.9mm）口径的超深井铝合金钻杆（带钢接头）比钢钻柱有更大的钻深能力。铝合金的密度为2.8t/m3，钢的密度为7.8t/m3。即使带钢接头的铝合金钻杆也比钢钻杆轻得多，钻柱中由其自重产生的应力比钢钻柱中的也小得多。所以尽管铝合金的屈服强度比钢的要低，但铝合金钻柱比钢钻柱显示出更强的钻深潜力。目前，世界上大直径和小直径钻孔的深度记录都是铝合金钻柱创造的。前者是深度12262m的科拉超深井，钻孔直径8.5in；后者是深度5422m的南非金矿勘探孔，终孔直径为80mm。
2）可加速起下钻过程。试验结果表明，采用铝合金钻柱比钢钻柱，可节省起钻时间35%、节省下钻时间17%。
3）铝合金钻柱对套管的磨损比钢钻柱轻。
4）铝合金钻柱表面的液体阻力系数比钢钻柱的低15%～20%，因此可减少钻柱部分的流体压力损失。
5）钢质钻柱在含硫化氢的介质中极易受腐蚀损坏。铝合金材料对硫化氢不敏感，在此条件下用铝合金钻柱更为适宜。
然而，现有铝合金钻杆的使用也具有一定的局限性。现有的铝合金钻杆可承受的最高温度是200 ℃，相当于7000m井深。超过此温度后，铝合金的强度迅速降低。因此现有的铝合金材料不能满足13000m超深井（井底温度最高350℃左右）钻进施工的要求。
2.4.2 钢钻杆杆柱的性能
德国KTB主孔的设计孔深是12000m，实际上以9101m的深度完钻。该井施工采用钢钻杆，钢级为U160，是已知强度最高的钻杆钢级。KTB主孔的钻杆柱设计见表2.16。
表2.16 KTB主孔钻杆柱设计
目前我国已能生产钢级为V150的石油钻杆，其主要技术参数见表2.17。
表2.17 高强度（钢级V150）钻杆参数表
根据孙建华等人的设计和计算，采用V150钢钻杆施工13000m超深井时，钻杆柱的安全系数可达到1.5左右（表2.18）。因此建议我国施工13000m超深井的钻杆柱以V150钢钻杆为主要方案。为保险起见，在钻井的最深部位（10000m以上井段）使用U160钢级钻杆。
2.4.3 钻杆柱方案设计
13000m超深井钢钻杆柱设计见表2.18。
表2.18 13000m超深井钢钻杆柱设计
2、钻杆是一种尾部带有螺纹的钢管，用于连接钻机地表设备和位于钻井底端钻磨设备或底孔装置。钻杆的用途是将钻探泥浆运送到钻头，并与钻头一起提高、降低或旋转底孔装置。钻杆必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动。在油气的开采和提炼过程中，钻杆可以多次使用。钻杆分为方钻杆、钻杆和加重钻杆三类。连接次序为方钻杆（1根)+钻杆(n根，由井深决定）+加重钻杆（n根，由钻具组合设计决定）。
材质：优质地质钻杆，根据规格型号的不同选用不同的材料生产而成，直径34-50mm的，采用DZ50(45Mn2四五锰二)，直径60-89mm的钻杆采用R780（36Mn2v三六锰二钒）、R780（42Mnmo7四二锰钼七）为钻杆杆体材料，钻杆接头采用优质合金结构钢42CRMOA材料。
焊接工艺：杆体采用优质地质专用合金钢管，钻杆接头选用优质合金结构钢，经高压成型、真空调质处理，摩擦焊接而成。
规格：
Φ34mm Φ42mm Φ50mm Φ60mm Φ63.5mm
Φ73mm Φ89mm
常用长度：0.5m 0.8m 1m 1.5m
焊条选用3.2毫米直径的焊条焊接，电流在100-120A，采用冷焊焊接工艺焊接即可。
WEWELDING600特种合金钢焊条的应用
适用于焊接工具和模具、高速工具钢、热作工具钢、锰钢、铸钢、T-1钢、耐震钢、钒-钼钢、弹簧钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、未知钢、以及各种不同类型钢材之间的焊接等。如用于高压阀门、断裂螺栓的清除、轴的改造等等，效果非常理想。
WEWELDING600特种合金钢焊条的技术参数
抗拉强度：125,000 psi （862MPa）
屈服强度： 90,000 psi (620MPa)
延伸率：35%
焊后硬度：HRC23 (工作硬化后达到HRC47)
电源选择：交直流两用，直流时直流反接
WEWELDING600特种合金钢焊条的工艺参数
直径（毫米）φ2.4φ3.2φ4.0
电流（安培）40-8065-12090-150
包装重量（磅）222
WEWELDING600特种合金钢焊条的适用工艺
1、WEWELDING 600合金钢焊条（简称威欧丁600焊条）具有非常有利的热胀冷缩率，可使裂缝和扭曲最小。
2、在焊接对裂纹敏感的表面硬化金属时，作低层焊缝是理想的选择。
3、斜切厚重零件，形成一个90度的V形凹槽。
4、焊接高碳钢前须预热200℃；焊接弹簧钢时要控制焊接温度，以防弹簧软化。
5、维持短的电弧长度，并使用窄焊道以防止过热。
6、在除去熔渣之前，先让焊接部位冷却。
钻杆规格主要有：Φ34*1m、Φ42*1m、Φ50*1m、Φ60*1m、Φ63.5*1m、Φ73*1m等
见的有外径从2 7/8“ 到5“,钢级有 E75，X95，G105， S135四种。
API标准的E75到S135钢级，外径从2 3/8″到6 5/8″的系列石油钻杆以及具有高抗扭性能的双台肩接头钻杆和用于含硫油井的特殊钢级的BNK C95S钻杆。主要适用于油气勘探开发过程中的深井、水平井和大位移井的施工中。
