第一节 产品定义及发展历程
石油钻机指在石油钻井中，带动钻具破碎岩石，向地下钻进，获得石油或天然气的机械设备。
一部常用石油钻机主要由动力机、传动机、工作机及辅助设备组成。一般有八大系统（起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统、动力驱动系统、钻机底座、钻机辅助设备系统），要具备起下钻能力、旋转钻进能力、循环洗井能力。其主要设备有：井架、天车、绞车、游动滑车、大钩、转盘、水龙头（动力水龙头）及钻井泵（现场习惯上叫钻机八大件）、动力机（柴油机、电动机、燃气轮机）、联动机、固相控制设备、井控设备等。
工作原理
吊环与吊环座之间用销轴连接，吊环座与钩杆焊接成一体，筒体与钩身用左旋螺纹连接，并用止动块防止螺纹松动。钩身和筒体可沿钩杆上、下运动。内、外负荷弹簧的作用是起钻时能使立根松扣后向上弹起。
通体内装有机油。止推轴承的座圈将油腔分为两部分，座圈上开有油孔。由于油流到通过的阻尼作用，吸收了其下钻作业时钩身的冲击震动，可以防止钻杆街头螺纹损坏。
通体上端由6个小弹簧和定位盘组成定位装置，借助定位与吊环座环形接触面之间的摩擦力，可以防止提升空吊卡时转动使调换转位，方便井架工操作。
我国石油钻机发展成绩显著40多年来,我国石油钻机经历了仿制、引进、消化、吸收的过程,现已进入以自主开发为主的阶段。近10年来,我国石油钻机技术得到最为快速的发展,制造能力得到极大提高。我国钻机制造厂制造的各种钻机已基本满足我国石油勘探开发工作自身的需要,先后开发了适于陆地、沙漠及海洋作业的石油钻机,传动技术已发展到机械传动、直流电传动、交流变频电传动及机、电复合传动并举。我国石油钻机技术及制造能力的发展为我国石油工业实施低成本战略,参与国际市场竞争及保证我国石油安全奠定了良好的基础。
我国石油钻机发展成绩显著
1 、钻机的钻深能力满足了我国目前勘探开发工作的普遍需要
我国石油钻机制造厂已先后开发了钻深能力达1000～7000m的各型钻机,满足了目前我国石油工业勘探开发工作的普遍需要,并且已批量出口。宝鸡石油机械有限责任公司(以下称宝石机械)通过中国石油技术开发公司还向全球最大的钻井公司Nabors公司出口了3台7000m交流变频钻机,这标志着我国石油钻机已开始进入世界高端市场。我国自行设计的9000m交流变频钻机也即将在宝石机械产出,9000m钻机的研制成功,将极大地推动我国石油工程服务技术的发展。
2 、钻机的移运性能基本满足了高移运性或不同作业区域的要求
在钻机的移运性上,我国石油钻机设计人员做了大量卓有成效的工作,常规陆地钻机的设计已经引入模块化设计理念,从而降低了对现场起吊设备的要求,减少了运输车次。此外,还开发了2000～4000m车装钻机,1000～5000m拖挂钻机,进一步提高了钻机的移运性能,实现了产品的集成化或模块化安装及运输,满足了丘陵、戈壁、沙漠等特殊地区作业的需要。特别是4000～5000m拖挂钻机,正为我国钻井工程服务参与国际市场竞争发挥重要作用。
3 、钻机传动技术达到国外同类产品先进水平
经过40余年的发展,我国已开发了机械传动、直流电传动、交流变频电传动、机电复合传动及交、直流电复合传动钻机。交流变频电传动钻机代表了我国石油钻机技术的最高水平,它应用了交流变频调速技术,使绞车、转盘、钻井泵都实现了无级调速。由于调速范围大,绞车设计为单轴,经减速器驱动。体积小,质量轻,故障少,可实现极低速及恒扭矩输出,还可实现数控恒钻压自动送钻。这对提高钻井效率、优化钻井工艺和处理井下事故等都十分有利。其司钻控制系统控制精确,操作简单,使司钻摆脱了繁重的体力劳动。据不完全统计,到2005年10月,我国已生产交流变频电驱动钻机145台,其中宝鸡石油机械有限责任公司就达101台,我国生产交流变频电驱动钻机数量为全球之最。宝石机械能与全球最大的钻井公司Nabors公司一次签约出口3台7000m交流变频电驱动钻机,这标志着我国交流变频电驱动钻机技术达到了世界同类产品先进水平。
4、海洋钻机已基本满足我国海洋钻井的需要
海洋钻机多数选配与陆地相同的石油钻机并按海上作业的要求加以模块化,其适于海上作业的程度体现了整个钻机的技术水平。我国制造厂从20世纪90年代起向国内海洋平台提供成套钻井设备。1991年至1995年,兰州石油化工机器厂为惠州21-1平台提供了ZJ45钻机(5英寸钻杆),为惠州26-1、32-2、32-3平台提供了ZJ32钻机(5英寸钻杆)。2004年,宝石机械分别向惠州19-2、19-3平台提供了7000m直流电驱动钻机,向春晓项目提供了7000m直流电驱动钻机,2005年向南堡35-2平台提供了5000m直流电驱动钻机,目前正为番禺30-1平台制造7000m直流电驱动钻机。
我国自产海洋钻机在使用中都表现出了良好性能。通过这些钻机的设计制造,我国制造厂锻炼了队伍,积累了经验,提高了设计制造能力,完全具备了设计制造7000m以下海洋钻机的能力。
5、 盘式刹车得到普遍应用我国从20世纪90年代开始研制盘式刹车。
目前该种刹车已得到普遍应用,约85%的钻机都配备了盘式刹车。该刹车的应用降低了司钻的劳动强度,提高了作业过程的安全性,利用盘式刹车可实现恒钻压自动送钻,提高送钻的均匀性,减小钻压波动,提高机械钻速。我国的盘式刹车已达到国际先进水平,不仅在陆地钻机上得到普遍使用,宝石机械还把它用在惠州及春晓的海洋7000m钻机上,也表现出良好的可靠性和安全性。
6 、顶部驱动钻井装置已实现产业化生产
20世纪90年代,中国石油勘探开发 研究 院机械所与宝鸡石油机械厂(现宝石机械的母体)合作研制成功4500kN顶部驱动钻井装置,使我国成为世界上能生产顶部驱动钻井装置的第5个国家。目前,石油勘探开发 研究 院机械所已和北京石油机械厂合作实现了4500kN交流变频顶部驱动钻井装置制造的产业化,6750kN交流变频顶部驱动钻井装置样机也已研制成功,准备为9000m钻机配套。同时,宝石机械的4500kN交流变频顶部驱动钻井装置也即将出样机。我国顶部驱动钻井装置已达到国外同类产品的先进水平,可满足我国目前钻机的配套要求。
总之,我国现有石油钻机技术总体上接近或达到了国外同类产品的先进水平。目前,基本可以满足国内勘探开发工作的一般性需要。但是, 行业 的整体技术与国外的差距也是不可忽视的。这些差距导致我国石油钻机已满足不了我国工程技术服务开拓国际市场的需要,更满足不了我国石油工业实施新的钻井技术的需要。
第二节 产品特点及应用领域 分析
石油钻机给石油的开采带来了很大的便利，是开发石油不可缺的设备。同时也带动了经济发展，开拓了市场。
石油钻机安装运输方便，投入使用快捷，对陆地、沙漠、海洋等地区的开发，体积小，重量轻，全数字控制，设置安全。
石油钻机使用广泛，对油田生产起着关键性作用，促进了经济的发展，为市场带来了大大的帮助。
石油钻机的主要系统：
1、起升系统
为了起升和下放钻具、下套管以及控制钻压、送进钻具，钻具配备有起升系统。
起升系统包括绞车、辅助刹车、天车、游车、大钩、钢丝绳以及吊环、吊卡、吊钳、卡瓦等各种工具。
起升时，绞车滚筒缠绕钢丝绳，天车和游车构成副滑轮组，大钩上升通过吊环、吊卡等工具实现钻具的提升。下放时，钻具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度。在正常钻进时，通过吊环、吊卡等工具实现钻具的提升，下放时，钻具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度。在正常钻进时，通过刹车机构控制钻具的送进速度，将钻具重量的一部分作为钻压施加到钻头上实现破碎岩层。
2、旋转系统
旋转系统是转盘钻机的典型系统，其作用是驱动钻具旋转以破碎岩层，旋转系统包括转盘、水龙头、钻具。
根据所钻井的不同，钻具的组成也有所差异，一般包括方钻杆、钻杆、钻铤和钻头，此外还有扶正器、减震器以及配合接头等。
其中钻头是直接破碎岩石的工具，有刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头等类型。钻铤的重量和壁厚都很大，用来向钻头施加钻压，钻杆将地面设备和井底设备联系起来，并传递扭矩。方钻杆的截面一般为正方形，转盘通过方钻杆带动整个钻柱和钻头旋转，水龙头是旋转钻机的典型部件，它既要承受钻具的重量，又要实现旋转运动，同时还提供高压泥浆的通道。
3、循环系统
为了将井底钻头破碎的岩屑及时携带到地面上来以便继续钻进，同时为了冷却钻头保护井壁，防止井塌井漏等钻井事故的发生，旋转钻机配备有循环系统。
循环系统包括钻井泵，地面管汇、泥浆罐、泥浆净化设备等，其中地面管汇包括高压管汇、立管、水龙带，泥浆净化设备包括震动筛、除砂器、除泥器、离心机等。
钻井泵将泥浆从泥浆罐中吸入，经钻井泵加压后的泥浆，经过高压管汇、立管、水龙带，进入水龙头，通过空心的钻具下到井底，从钻头的水眼喷出，经井眼和钻具之间的环行空间携带岩屑返回地面，从井底返回的泥浆经各级泥浆净化设备，除去固相含量，然后重复使用。
4、动力设备
起升系统、循环系统和旋转系统是钻机的三大工作机组，用来提供动力，它们协调工作即可完成钻井作业，为了向这些工作机组提供动力，钻机需要配备动力设备。
钻机的动力设备有柴油机、交流电机、直流电机。
柴油机适应于在没有电网的偏远地区打井，交流电机依赖于工业电网或者是需要柴油机发出交流电，直流电机需要柴油机带动直流发电机发出直流电，目前更常用的情况是柴油机带动交流发电机发出交流电，再经可控硅整流，将交流电变成直流电。
5、传动系统
传动系统将动力设备提供的力和运动进行变换，然后传递和分配给各工作机组，以满足各工作机组对动力的不同需求。
传动系统一般包括减速机构、变速机构、正倒车机构以及多动力机之间的并车机构等。
由柴油机直接驱动的钻井多采用统一驱动的形式，传动系统相对复杂，由交直流电动机驱动的钻机多采用各机组单独或分组驱动的形式，传动系统得到了很大的简化。
6、控制系统
为了保证钻机的三大工作机组协调的工作，以满足钻井工艺的要求，钻机配备有控制系统。
控制方式有机械控制、气控制、电控制和液控制等。
目前，钻机上常用的控制方式是集中气控制。司钻通过钻机上司钻控制台可以完成几乎所有的钻机控制：如总离合器的离合；各动力机的并车；绞车、转盘和钻井泵的起、停；绞车的高低速控制等。
8、井架和底座
井架和底座用来支撑和安装各钻井设备和工具、提供钻井操作场所。井架用来安装天车、悬挂游车、大钩、水龙头和钻具，承受钻井工作载荷，排放立根；底座用来安装动力机组、绞车、转盘、支撑井架，借助转盘悬持钻具，提供转盘和地面之间的高度空间，以安装必要的防喷器和便于泥浆循环。
9、辅助设备
为了保证钻井的安全和正常进行，钻机还包括其他的辅助设备，如防止井喷的防喷器组，为钻井提供照明和辅助用电的发电机组，提供压缩空气的空气压缩设备以及供水、供油设备等。
第三节 产业链概述
一、在产业链中的位置
产业链定义：即从一种或几种资源通过若干产业层次不断向下游产业转移直至到达消费者的路径，它包含四层含义：一是产业链是产业层次的表达。二是产业链是产业关联程度的表达。产业关联性越强，链条越紧密，资源的配置效率也越高。三是产业链是资源加工深度的表达。产业链越长，表明加工可以达到的深度越深。四是产业链是满足需求程度的表达。产业链始于自然资源、止于消费市场，但起点和终点并非固定不变。
产业链是一个包含价值链、企业链、供需链和空间链四个维度的概念。这四个维度在相互对接的均衡过程中形成了产业链 这种“对接机制”是产业链形成的内模式，作为一种客观规律，它像一只“无形之手”调控着产业链的形成。
产业链是产业经济学中的一个概念，是各个产业部门之间基于一定的技术经济关联，并依据特定的逻辑关系和时空布局关系客观形成的链条式关联关系形态。产业链主要是基于各个地区客观存在的区域差异，着眼发挥区域比较优势，借助区域市场协调地区间专业化分工和多维性需求的矛盾，以产业合作作为实现形式和内容的区域合作载体。
产业链的本质是用于描述一个具有某种内在联系的企业群结构，它是一个相对宏观的概念，存在两维属性：结构属性和价值属性。产业链中大量存在着上下游关系和相互价值的交换，上游环节向下游环节输送产品或服务，下游环节向上游环节反馈信息。
产业链分为接通产业链和延伸产业链。
接通产业链是指将一定地域空间范围内的断续的产业部门(通常是产业链的断环和孤环形式)借助某种产业合作形式串联起来；
延伸产业链则是将一条既已存在的产业链尽可能地向上下游拓深延展。产业链向上游延伸一般使得产业链进人到基础产业环节和技术研发环节，向下游拓深则进入到市场拓展环节。产业链的实质就是不同产业的企业之间的关联，而这种产业关联的实质则是各产业中的企业之间的供给与需求的关系。
随着技术的发展，迂回生产程度的提高，生产过程划分为一系列有关联的生产环节。分工与交易的复杂化对使得在经济中通过什么样的形式联结不同的分工与交易活动成为日益突出的问题。企业组织结构随分工的发展而呈递增式增加。因此，搜寻一种企业组织结构以节省交易费用并进一步促进分工的潜力，相对于生产中的潜力会大大增加。企业难以应付越来越复杂的分工与交易活动，不得不依靠企业间的相互关联，这种搜寻最佳企业组织结构的动力与实践就成为产业链形成的条件
图表 1 产业链形成模式示意图
如图所示，产业链的形成首先是由社会分工引起的，在交易机制的作用下不断引起产业链组织的深化。在图中，C1、C2、C3表示社会分工的程度，其中，C3>C2>C1表示社会分工程度的不断加深；A1、A2、A3表示市场交易的程度，A3>A2>A1表示市场交易程度的不断加深；B1、B2、B3表示产业链的发展程度，其中，B3>B2>B1表示产业链条的不断延伸和产业链形式的日益复杂化。三个坐标相交的原点0，表示既无社会分工也无市场交易更无产业链产生的初始状态。
从C1点开始，而不是从坐标原点开始，意味着社会分工是市场交易的起点，也是产业链产生的起点 社会分工C1的存在促进了市场交易程度A1的产生，在A1作用下，需要B1的产业链形式与它对接 B1这种产业链形式的产生又促进了社会分工的进一步发展，于是，社会分工就从C1演化到C2。相应地，在C2的作用下，市场交易程度从A1发展到A2，A2又促进了产业链形式从B1发展到B2。接着，按照同样的原理，B2促使C2发展到C3，C3又促使A2发展到A3，又促使产业链从B2发展到B3.....如此周而复始，使产业链不断形成发展。
产业链形成的动因在于产业价值的实现和创造产业链是产业价值实现和增值的根本途径。任何产品只有通过最终消费才能实现，否则所有中间产品的生产就不能实现。同时，产业链也体现了产业价值的分割。随着产业链的发展，产业价值由在不同部门间的分割转变为在不同产业链节点上的分割 产业链也是为了创造产业价值最大化，它的本质是体现“1+1>2”的价值增值效应。这种增值往往来自产业链的乘数效应，它是指产业链中的某一个节点的效益发生变化时，会导致产业链中的其他关联产业相应地发生倍增效应 产业链价值创造的内在要求是：生产效率≥ 内部企业生产效率之和(协作乘数效应)；同时，交易成本≤内部企业间的交易成本之和(分工的网络效应)。企业间的关系也能够创造价值。价值链创造的价值取决于该链中企业间的投资。不同企业间的关系将影响它们的投资，并进而影响被创造的价值。通过鼓励企业做出只有在关系持续情况下才有意义的投资，关系就可以创造出价值来。
石油钻机 行业 的产业链结构 分析 ：上游原材料供应商，中游石油钻机生产商，下游石油钻机应用商，此外还有贯穿产业链的物流配送厂家、销售厂家等。
图表 2 石油钻机的产业链结构图
二、相关 行业 简述
我国钻机的发展现状和未来方向
一、连续管钻井技术配套完善，技术和应用快速发展
连续管钻井是国外20世纪90年代发展起来的一项新技术，也是国外大力 研究 和发展的热门钻井技术之一。连续管钻井可通过最大限度地降低钻井液浸入和随之而来的地层损害，以提高储层的产能。另一个优势是在钻机空间或噪音受到限制时，使用连续油管钻机比使用常规钻机更为有利。由于连续管操作简便，施工安全，污染小和占地少，操作人员仅需3～4人，作业效率很高，施工效果好，从而备受欢迎。
进入21世纪来，我国钻井技术得到快速发展，常规钻井技术得到进一步强化，特色钻井技术优势明显，钻井装备与工具发展迅速；深井钻井、欠平衡和气体钻井、水平井等方面取得了技术突破，整体技术水平得到很大的提升，与国外差距不断缩小。成功研制出具有自主知识产权的12000米大型成套钻机及其配套装备，自主知识产权的CGDS-1地质导向钻井系统研制成功，使我国成为世界上继美、法之后第三个掌握此项高端技术的国家。欠平衡/气体钻井提速和保护油气层技术得到广泛应用，成功研制出具有自主知识产权的气体钻井空压机、膜制氮装置及长寿命空气锤等配套装备与工具，实现了气体钻井技术装备的国产化。膨胀管、波纹管、套管钻井、电磁波测量、自动垂直钻井系统正逐步进入试验和应用阶段，大大提升了我国钻井的整体实力，使我国由钻井大国逐步向钻井强国发展。
二、钻井装备向大型化、自动化和模块化方向发展
近年来，国外石油钻机能力不断增加，自动化配套进一步完善。为适应深部、深海油气藏和更大位移井的需要，石油钻机设备趋向大型化和自动化。高性能的机、电、液一体化技术促进石油钻机的功能进一步完善。
钻机整体向着交流变频调速电驱动石油钻机（AC－GTO－AC）方向发展。为提高作业效率，同样钻深能力为12～15千米的钻机，绞车功率从原来配置4000马力增大至5000～6000马力；转盘最大开口尺寸由原来491/2英寸增大至601/2英寸；钻井泵单台输入功率由1600马力升至2000～2200马力。海洋钻机钻井泵单台输入功率已有3000马力的样机。
20世纪90年代中期出现了交流变频驱动、液压传动的大功率绞车，并成为发展趋势。挪威MH公司为海上开发了Ram鄄rig（油缸）钻机。德国Bentec和美国TPC等公司先后开发了用于电驱动钻机的智能化产品，减轻了操作人员的劳动强度，提高了钻井作业效率。如自动送钻装置、软扭矩系统、钻井泵同步装置等。顶部驱动装置应用越来越普遍，正成为深井钻机的标准配置。
三、用钻井机钻井方式提高油气产量、提高开发效益已成为钻井发展的主要趋势
国际上钻井技术的发展趋势已经由传统的建立油气通道发展到采用钻井手段来实现勘探开发地质目的，提高单井产量和最终采收率。水平井、分支井、鱼骨井技术、最大储层接触井等特殊工艺井技术由于进一步提高了油藏暴露面积，有利于提高采收率、降低吨油开采成本而得到推广应用。水平井等特殊工艺井得到规模应用，美国和加拿大年水平井数分别占总井数的9%以上，大位移井的水平位移超过了1万米。
为提高储层钻遇率从而提高单井产量，地质导向钻井、旋转导向钻井技术在国外也已经进入大规模商业化应用阶段，成为大斜度井、水平井和小井眼侧钻多分支井油藏开发的重要手段。采用连续油管技术进行水平井钻井，已成为提高单井产量、油田增产和开发难动用储量的主导技术。
四、不断研发钻井机钻井高新技术，实现优快钻井，达到降低钻井成本、及时发现和保护油气层已成为国外钻井发展的趋势
国内外钻井 行业 围绕降低钻井成本、发现和保护油气层、提高单井产量为目标，迅速发展钻井技术。防斜打快技术向准确控制井斜、大幅度提高机械钻速方向发展，地质导向技术向提高特殊工艺井轨迹控制精度方向发展，大位移井向1万米及以上的水平位移方向发展，分支井向六级以上分支井的施工方向发展，小井眼钻井正向着微井眼方向发展。
在降低钻井成本方面，国外公司先后开发了Verti-Trak和PowerV直井钻井系统。利用该项技术，井斜最小可以保持在0.1度以内，机械钻速可以提高2～3倍。较好地解决了易斜地层和极特殊条件下的自动垂直钻井难题，具有明显的经济效益；依托随钻测井和随钻地震技术的NDS无风险钻井技术，达到了优化钻井过程、缩短钻井工期的目的；膨胀管专利技术，主要用于封隔复杂井段，减少井眼尺寸，也用于套管补贴、多分支井建井。减少井下复杂，降低钻井成本。
在发现和保护油气层方面，针对中、低压油气藏难以经济有效开发，探索利用气体等作为循环介质钻井，获得了成功。即通过往钻井液中注入降密度剂，从而达到降低钻井液密度，实现欠平衡钻井，达到发现和保护油气层的目的。
五、井下测量和控制仪器与工具朝智能化、自动化进一步发展
近年来随钻测量、随钻测井技术处于强势发展之中。随钻测井系列不断完善，已研制了适用于各种井眼尺寸的工具。其测量参数已逐步增加到近20种钻井和地层参数，仪器距离钻头越来越近。
与前几年的随钻测井相比，现在的随钻测井仪器更靠近钻头，近钻头传感器离钻头只有1～2米的距离。可靠性高、稳定性强，可更好地评价油、气、水层。随钻测井为用户实时提供决策信息，有助于避免井下复杂情况的发生，引导井眼沿着最佳轨迹穿过油气层。
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