第一节 国内井下作业设备产品 技术工艺 研发动态
井下作业施工过程中，需要使用一些专门的机械设备，井下作业机械设备主要包括动力设备、提升设备和辅助设备。
动力设备是指在井下作业施工中所使用的通井机和修井机等，它们是井下作业过程中的主要动力来源。
动力设备的事故隐患主要包括发动机系统和刹车制动系统的一些常见故障没有及时排除。发动机系统的事故隐患主要是柴油机功率不足，排烟气色不正常，机油压力不正常，机油温度过高和水温过高等常见故障。这些事故隐患的存在一般不易造成人身伤害事故，但当调速器出现故障没有及时排除，有可能造成机毁人亡的恶性事故。刹车制动系统的事故隐患主要是由于开工前检查不细致，造成刹车失灵，启动发动机时没有按规定程序操作，造成通井机前进或倒车；调整刹车后，锁紧螺丝没有上紧，刹车带与连杆脱开，致使没有刹车；作业施工中，操作者离开操作室，没有拉死刹车，造成顿、溜钻等恶性事故。
在作业施工中为确保安全生产，预防事故的发生，必须做到按程序做好施工前的准备工作，仔细检查各系统，及时排除事故隐患；制定合理的巡回检查路线和检查点，有专人负责检查；刹车制动系统检查后要进行试操作，操作人员离开操作室要拉死刹车，并严禁带负荷；冬季施工要做好发动机保温工作。
提升设备主要由井架、游动滑车、大钩和钢丝绳等构成的提升系统。
在井下作业施工过程中，超负荷使用井架或井架基础地面不平整、坚实、有油水污泥、绷绳坑不符合技术规范等，会使井架下沉、倾斜与翻转，造成恶性事故；起放井架前修井机不平衡，易导致起放过程中井架倾倒；起升井架时注意力不集中或操作技术不熟练，使上段井架窜出，发生恶性事故；修井机对井口超过标准距离，导致起放井架时撞坏井口设备。
第二节 国外井下作业设备产品 技术工艺 研发动态
随着科学技术迅速发展，近年石油和天然气钻采设备也在常规基础上有突破性飞跃。
国外石油钻井曾达到的最高技术水平。陆地石油勘探井最大钻井深度为13000米，是在科拉半岛钻的CT3号勘探井。陆地石油生产井最深达9583.2米，是美国1974年在俄克拉荷马州Washitail27—10N—9W号井创造的记录。
海洋石油勘探井最深达7881.82米,是1996年壳牌近海石油公司在美国OCS海湾创造的记录。海洋石油最大钻井深度是6963米，是美国HP公司在路易斯安娜州西三角洲27区块所钻的井。海洋石油采气井最深达7393.23米，是1995年Mobile石油公司在美国阿拉巴马州水域创造的记录。
海洋石油（气）钻井工作水深最深达2347米，是1999年5月在美味墨西哥湾海底进行钻井时创造。2000年末，又在墨西哥湾WalkerRidge海区，由BHP公司创钻井水深达2696米。
一、美国
美国采油设备处于世界领先地位。抽油机至今是采油设备中最常用的设备，在世界上约占机械采油的80%以上。美国Lufkin公司是最有名的抽油机制造公司，世界上最大载荷的抽油机是该公司生产的A系列前置式气平衡抽油机，最大载荷为194kN。抽油机一般寿命在15年以上。Lufkin公司早期曾生产过一台配有2（1/2）〃涡轮涡杆减速器的小型抽油机，自从1921年安装使用直到1996年已经连续运转75年之久，累计运转时间为470000小时，目前还可使用，是世界上最长寿命的抽油机。法国Mape公司生产的H系列液压驱动长冲程抽油机最大载荷为199kN。
潜油泵是石油开采中后期强采的主要手段之一，美国是潜油泵生产技术水平最高的国家，而原苏联是潜油泵产量最大的国家。电潜泵的关键技术是电机密封保护、电缆高温绝缘等。美国潜油泵可适用于井液高温150℃、压力25Mpa，井下无故障运行时间达650天以上。雷达公司在美国四家主要生产公司中占首位，其产量占美国约10000套中的一半左右。雷达公司的产品品种、规格齐全、可以满足4（1/2）〃~13（3/8）〃全部油井套管的需要，电机容量为7.5~830hp，电缆可适应最高工作温度为450F。其产品无论品种、规格还是技术一直处于不断改进之中，以达到提高效率、降低成本、延长无障碍运行时间，适应不同工况的目的。
美国Emsco公司于1998年在休斯敦召开的OCT会议上推出绞车功率为5000hp的钻机，钻深能力为15000米。用于当时世界上最先进的排水量为10万吨的《DiscovererEnterpruse》远洋钻井船上。
美国Natioaloil—wall公司制造了绞车功率为7200hp的钻机，装备在韩国三星船厂建造的《NavisExploveri1》钻井浮船上，该船工作水深为10000英尺，这类特深井钻机主要用于海洋深水，超深井、大角度井和水平井的钻井。
美国National—wall公司、Emsco公司、Dreco公司生产的钻机质量最好，使用寿命可过10~15年。
顶部驱动钻机排在篡位的是美国Vatco公司，该公司生产的TDS—65型AC—SCR—DC电驱动顶部驱动装置提升载荷为7500kN、TD—8SA型交流变频驱装置提升载荷为6500kN，其采用的交流感应电动机最高效率为97%。美国Nationaloil—wal公司研制的PS2—750型顶驱装置，套筒载荷为7520kN。
美国Nationaloil—wall公司生产的最大型钻井泵14—P—2200，输入功率为2200hp。Emsco公司生产的FC—2200钻井泵，最大输入功率也是2200hp，这两种泵是目前世界上最大功率的钻井泵，14—P—2200钻井泵最高泵压为79.1Mpa，是目前世界最高泵压的钻井泵。美国GardnerDenver公司的P2—11钻井泵，输入功率为1600hp，最主要的钻井泵为52.7Mpa，使用寿命90%以上泵可达15年以上。钻井泵易损件寿命也是被关心的问题，美国Reed公司生产的缸套，在20Mpa压力条件下，普通缸套寿命300小时；双金属缸套600~800小时；陶瓷缸套1600~2400小时。
美国Cameron公司生产的U型闸板防喷顺最大开口直径为263/4英寸，工作压力为2Mpa，美国Hgdritl公司生产的闸板防喷器，开口直径为11英寸，最高工作压力为140.6Mpa，这些是当前世界上开口直径最大，压力最高的闸板防喷器。Cameron公司的环形防喷器最大开口直径是211/4英寸，工作压力为140.6Mpa。防喷器胶芯的最高寿命也是Cameron创造，其D型组合胶芯防喷器，在封闭条件下，可连续通过钻杆接头800~1000次。
美国NationalSupply公司、Kobe公司、Trico公司等生产的水力活塞泵和水力喷射泵代表了当前国际最高水平。Kobe公司的水力活塞泵在国际市场上占有较大份额，其下泵深度为1524~4572m。水力喷射泵适用于井况复杂、稠油、结蜡和含沙油井采油，适用于有杆泵和电潜泵难以开采的油井。Kobe公司的水力喷射泵最大排量4769m3/d，最大工作深度4054m，泵效25%~33%。
美国气举采油井数占机采井总数的12%，占机采中采油量的33%，最深井深3658m，环空注气排量达12719m3/d。原苏联气举采油井数占机采井总数的5.5%，气举采油量占总产量的14%。生产投捞式气举阀最有名的公司有美国的Camco公司和OTIS公司。
美国Franks公司、Ideco公司和CardWell公司的修井机代表了国际先进水平。Franks公司的修井机用4（1/2）〃钻杆时，修井深度可达3657m；用2（7/8）〃油管修井时，修井最大深度可达7620m。Ideco公司修井机，修井最大深度7620m。CardWell公司和英国的Wilson公司的修井机修井最大深度都是9144m。
二、日本
KOKEN公司是日本最大的钻机和地下及海底开发机械及设备的制造厂商。KOKEN公司多年智力于建筑机械，海洋工程及设备的开发与 研究 ，合作及制造多种的相关设备及机械。KOKEN公司的主要产品有：全液压式回转冲击并用快速钻机，大口径挖掘机，向上挖掘式大口径钻机，万能型大口径挖掘机，逆循环式大口径岩盘挖掘机等。
三、欧盟
1、法国
Dowell—Schlemberge公司最大的压裂泵工作压力在105Mpa时排量为0.35m3/min；在44Mpa时，排量为1.255m3/min。美国Hallibarton公司最大的压裂泵，工作压力105Mpa时，排量0.59m3/min；工作压力29Mpa时，排量2.15m3/min，水力功率1016kW。美国液压驱动增压压裂泵最大功率3281kW、最大工作压力140Mpa、最大排量8m3/min，这是当前最高的技术指标。
2、德国
KSB公司生产的最大2025CA型注水泵，流量为4454m3/h，扬程3798m，泵效86.5%。法国生产的最大的为HDT—28—25型注水泵、流量为550m3/h、扬程2630m、泵效80%。原苏联生产的最大的3380—185型离心注水泵，流量380m3/h，扬程1850m，泵效77%~78%。英国Weir公司生产的DKSF37型离心注水泵站，流量为1230m3/h，扬程1640m，泵站运行效率83%，注水泵效率85%。美国生产的注水泵最大流量是1365m3/h，最大扬程3600m。
德国德马克公司开发的UTB—1型钻机，钻深为12000~14000米，绞车输入功率4000hp。
3、英国
Weir公司和美国Kobe公司生产的水力涡轮泵，排量范围为182~15163m3/d，最大扬程为3352.8m，泵效为48%~60%，离心泵涡轮机组效率为23.1%~33.2%，常规型耐温200℃，特殊型可耐温300℃，一般井下无故障运行时间为2年。
4、挪威
MH公司 研究 开发Ramrig液压驱动石油钻机，钻机钻深15000米，额定载荷为1000kN。
5、原苏联乌拉尔重型机器制造厂生产的Y—1500型钻机，最大钻深15000米，采用铝合金钻杆，大钩载荷只有4000kN。
第三节 2007-2008年国内外井下作业设备 技术工艺 研发成果回顾
2007年11月16日,国家“863”计划重点课题项目，我国首台具有自主知识产权的12000m特深井石油钻机,在中国宝鸡石油机械有限责任公司研制成功。此台12000米钻机是目前全球技术最先进的特深井陆地石油钻机。该钻机采用国际最先进的全数字化交流变频控制技术,作业全部实现了智能化控制,其特深井钻机技术自主创新在我国实现了多项重大突破:该钻机井架、底座等主要承载件采用了高强度耐低温材料,并有相关制造工艺保障,钻机其他设备采用了相应的防低温措施,能保证在-40℃环境条件下进行正常钻井作业,钻机适应环境能力强。
首次研制开发了功率为4400kW(6000hp)绞车,采用单滚筒齿轮传动,创新设计的挂合结构实现了绞车滚筒的快速离合,提高了安全性,便于维修,并可降低运行成本,绞车采用模块化结构设计,有效地解决了调运、安装和维护问题；首次采用液缸起升人字架,绞车低位工作,起升方便安全,整体设计合理。
自行研制的52MPa、1640kW(2200hp)高压钻井泵,缸套、活塞等易损件 研究 取得突破,提高了整机的可靠性；首次研制开发了开口直径1257mm转盘及承载能力72t的死绳固定器等部件与钻机配套,大钩与水龙头的攻关也取得重大突破,解决了特深井钻机的集成配套问题；钻机的电控系统解决了绞车四台电机驱动时电机负荷的均衡分配,采用电机无冲击切入切出及气、电、液、钻井仪表一体化等控制技术,该系统具有双冗余控制和完善的保护功能,提高了钻机的先进性、可靠性和智能化水平；首次研制开发了承载能力900t的井架、底座、天车、游车、大钩、吊环,实现了低位安装,靠绞车的动力一次性整体起升；首次研制开发了承载能力675t,适应-40℃环境温度要求的水龙头。钻机的总体技术方案和集成技术属国际领先水平。
第四节 2009-2012年井下作业设备 技术工艺 研发趋势 分析
井下作业设备种类繁多，以下就以钻探机、采油设备和防喷器等为例， 分析 其未来工艺研发趋势。
1、钻探机
钻机是在地质勘探中，带动钻具向地下钻进，获取实物地质资料的机械设备。又称钻探机。主要作用是带动钻具破碎孔底岩石，下入或提出在孔内的钻具。可用于钻取岩心、矿心、岩屑、气态样、液态样等，以探明地下地质和矿产资源等情况。钻进深度为2～15000米。一般由动力机、回转器或动力头、孔底加压与给进装置、卷扬钻机钻床机等4部分组成。按破碎岩石的方式，可分为回转式钻机、冲击式钻机、冲击回转式钻机等。
随着钻探技术的迅速发展,未来我国钻机发展的趋势为:
1)专业化钻机得到快速发展。如适应各种环境和工艺技术发展的沙漠钻机、海洋钻机、斜井钻机、小井眼钻机、特深井钻机、连续管钻机等。
2)规模向两极化方向发展。深井石油钻机趋向大型化(1500m,MAX12500kN)、轻便钻机趋向小型化(车载为主)。
3)钻机控制实现自动化、智能化。顶驱、盘式刹车技术逐步成熟,电动控制技术、液压驱动技术和可靠性逐步提高。
4)大力发展新型石油钻机,采用人性化的设计,先进的机械自动化,高效的钻机操作和监控系统,装置模块化,以提高钻机运移性,最终达到提高钻井效率,大大降低钻井成本的目的。
2、采油设备
油田开采已有上百年的历史。采油设备从最初的游梁式磕头机开始，经过科技人员的不断努力，根据开采油层和地质情况的变化，先后又开发了潜油电泵采油系统，螺杆式抽油机、电泵，皮带式抽油机及现在技术上比较新颖、先进的直线电机、抽油机等，从采油原理及经济适用性而言都各有优缺点。
目前，采油设备的发展趋势是液压采油装置，它包含水力活塞泵、水力喷射泵、多功能液压采油装置等，其中以辽宁中广产的多功能液压采油装置最具代表性。当然由于我国研制多功能液压采油装置的时间较晚，在技术和性能上还有许多需要改进和完善的地方，但这一新技术已经走到了世界前列，应用前景非常看好，随着我国科技技术的不断进步，在不久的将来，这一技术必将获得广泛的应用，成为石油采油 行业 的又一次新技术革命。
随着科技的进步，必将出现更多、更新的设备投放于采油设备上，使生产力得到更大的发展，采油水平更上一个台阶，必将朝着更环保、更节能、更趋于合理化的方向发展。因此虽然游梁式磕头机、潜油电泵、螺杆泵、直线电机、多功能液压采油装置等采油设备还将在一定时期内长期共存，但发展的趋势已日见明显，多功能液压采油装置将是未来的研制方向，成为各个科研部门竞争的焦点。
3、防喷器
防喷器作为井控装置的关键部件，对钻井、修井、试油等作业过程中控制井口压力，防止井喷事故起着非常重要的作用。目前，国内防喷器生产主要集中在宝鸡石油机械厂、华北石油荣盛机械制造有限公司、江苏信得石油机械厂、上海申开厂等厂家，生产的产品包括闸板防喷器、环形防喷器、分流器、带压作业装置等，已经初步实现了系列化、规模化生产，基本满足了国内井控市场的需求。
针对目前我国国内防喷器生产现状和存在的问题，预测未来在防喷器的研发和开发趋势有以下几方面内容：
1、加大通径为430ram-680mm大口径和压力超过105Mpa的超高压防喷器的试制工作力度。利用大型计算机对壳体等承压件进行三维有限元应力 分析 和非线形设计，用35000t大型水压机锻造成型，或采用炉外精炼法铸造，努力解决承压件毛坯铸锻工艺落后问题，避免材质内部出现缺陷。对于环形壳体可采用厚钢板卷筒后焊接成型，承压件焊接采用埋弧自动焊。对于防喷器的主要零件，采用刚度好、振动小、精度高的大型数控机床进行加工，进一步提高防喷器的承压稳定性能。
2、用液压锁紧结构防喷器逐步代替手动锁紧防喷器。设计增加专门的锁紧机构，当需要较长时间封井时，通过液压将钻具密封，然后依靠楔块自动锁紧。这种结构形式进一步提高了机械化程度，适用范围将更加广泛。
3、在生产闸板防喷器的剪切闸板时，可通过优化材料化学成分和改进热处理工艺等措施，提高材料抗H2S性能。还可以使用钴基多相合金NSR3005作为剪切闸板的剪切刃，将其焊接在由超耐热不锈钢UNSR66286制成的闸板上，达到防H2S目的。
第五节 井下作业设备产品现行技术同类替代技术发展
1、潜油电泵替代磕头机
2008年沈北新区沈阳新城石油机械厂宣布，由该厂自主研发的“无杆数控往复式潜油电泵”获得国家发明专利，这将彻底更新替代世界上采油应用百年的“磕头机”。
沈阳新城石油机械厂利用磁悬浮技术原理，经过三年多时间的刻苦攻关，自行研制出“无杆数控往复式潜油电泵”。这种采油设备环保节能50%以上，克服了传统“磕头机”耗能、耗材、占地面积大、效益低且采油方式受限的缺点，并于2007年12月获得国家知识产权局实用新型专利。通过在大庆、辽河等油田多口单井的运行实践证明，该产品各项技术指标均超过原采油设备性能，完全可以取代传统的采油机械。
2、套管钻井
套管钻井是一种全新的钻井工艺技术,被誉为是21世纪的前沿钻井技术之一。与套管钻井工艺相配套的套管钻机取消了常规的钻杆,用套管代替钻杆进行钻井。钻机安装在拖车上,采用电液驱动的顶驱装置,通过套管传递扭矩,并带动安装在套管底部钻具组上的钻头旋转钻进。
钻头固定在一个专用钻具组的前部,钻具组锁定在套管的底部,并用钢丝绳与钻台上起下钻头的专用绞车相连,当需要换钻头时,将锁定装置打开,利用绞车将钻具起出,更换新钻头后再用绞车将钻具送入井底,锁定在套管底部,操作非常方便迅速。
套管钻井中的钻头直径小于套管内径,若需钻出大于套管外径的井眼,则需在钻头上部的钻具上安装一可以收缩的扩孔钻头,钻进时,扩孔钻头张开,这样就可以钻出大于套管外径的井眼。钻机的钻进过程也就是下套管的过程,套管下到井里不再提起,完钻后即可进行固井。套管钻机钻井具有以下优点:
1)简化了钻机结构,减小了钻机尺寸,降低了钻机成本,钻机更轻便,且容易操作和搬迁。2)套管钻井节省了大量的钻井管材,节约了大量与钻杆、钻铤有关的采购、运输、检验、维护和更换的费用。3)采用钢丝绳起钻比传统的钻杆起钻快5～10倍,减少了起下钻时间。4)由于套管自始至终留在井内,大大减少了地层膨胀、井壁坍塌、键槽、台阶和意外事故的发生,而且不再有抽吸作用和压力波动,从而使井控状况得到大大改善。5)套管钻机在起下钻更换钻头或测井时,可继续循环钻井液,防止钻屑沉积,减少卡钻和井涌发生。6)套管钻机钻井,可以使钻井液水力参数、环空上返速度和清洗井筒的状况得到大大改善。7)钻机钻井可大大降低钻井成本,据估计,一口井深3000m的井,与常规钻机钻井相比,所需费用可节省30%以上,其经济效益十分明显。
套管钻井技术是一项正在迅速发展的技术,有着广阔的应用前景。套管钻机是一种新型的钻井设备,随着套管钻井工艺技术的完善和推广,套管钻机也必将会得到进一步的发展。
随着交流变频技术的迅速发展,交流变频电驱动石油钻机会取代可控硅直流电驱动钻机,该型钻机具有现用机械驱动钻机和直流电驱动钻机无可比拟的优越性能,将成为陆地和海洋石油钻机发展的换代产品。
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