志高钻井机动力头轴承如何拆换

⑴ 顶部驱动装置原理

什么是顶部驱动钻井系统？编辑

所谓的顶驱，就是可以直接从井架空间上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液、接单根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作的钻井机械设备。
见图：它主要有三个部分组成：导向滑车总成、水龙头-钻井马达总成和钻杆上卸扣装置总成。
该系统是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。经实践证明：这种系统可节省钻井时间20%到30%，并可预防卡钻事故，用于钻高难度的定向井时经济效果尤为显著。

3顶部驱动系统的研制过程：编辑
1、钻井自动化进程推动了顶部驱动钻井法的诞生。
二十世纪初期，美国首先使用旋转钻井法获得成功，此种方法较顿钻方法是一种历史性的飞跃，据统计，美国有63%的石油井是用旋转法钻井打成的。
但在延续百多年的转盘钻井方式中，有两个突出的矛盾未能得到有效的解决：其一、起下钻时不能及时实现循环旋转的功能，遇上复杂地层或是岩屑沉淀，往往造成卡钻。其二、方钻杆的长度限制了钻进的深度（每次只能接单根），降低了效率，增加了劳动的强度，降低了安全系数。
二十世纪七十年代，出现了动力水龙头，改革了驱动的方式，在相当的程度上改善了工人的操作条件，加快了钻井的速度以及同期出现的“铁钻工”装置、液气大钳等等，局部解决了钻杆位移、连接等问题，但远没有达到石油工人盼望的理想程度。

TDS-3SB
二十世纪八十年代，美国首先研制了顶部驱动钻井系统TDS-3S投入石油钻井的生产。80年代末期新式高扭矩马达的出现为顶驱注入了新的血液和活力。TDS—3H、TDS—4应运而生，直至后来的TDS-3SB、TDS-4SB、TDS-6SB。
二十世纪九十年代研制的IDS型整体式顶部驱动钻井装置，用紧凑的行星齿轮驱动，才形成了真正意义上的顶驱，既有TDS到IDS，由顶部驱动钻井装置到整体式顶部驱动钻井装置，实现了历史性的飞跃。
2、挪威DDM-HY-650型顶部驱动钻井装置：
最大载荷6500kN，液压驱动，工作扭矩为55kN.m，工作时最大扭矩为63.5kN.m，工作转速为130—230r/min，液压动力压力为33MPa，排量1600L/min，水龙头吊环到吊卡上平面的距离为6.79米，质量17吨。
3、加拿大8035E顶部驱动钻井装置：
额定钻井深度5000米，额定载荷3500kN，输出功率670kW，最大连续扭矩33.10kN.m，最高转速200r/min，质量为8.6吨。最低井架高度要求39米。
4、美国ES-7型顶部驱动钻井系统：
采用25kW直流电机驱动钻柱，连续旋转扭矩34.5kN.m，间歇运转扭矩41.5kN.m，额定载荷5000kN，最高转速300r/min，钻井液压力35.1MPa，系统总高7.01米，质量8.1吨。
5、国产DQ-60D型顶部驱动钻井装置。
额定钻井深度6000m，最大钩载4500kN，动力水龙头最大扭矩40kN.m，转速范围0—183r/min，无级调速；直流电机最大输出功率940kw；倾斜臂最大倾斜角，前倾30°，后倾15°；回转半径1350mm；最大卸扣扭矩80kN.m；上卸扣装置夹持钻杆的范围Ø89—Ø216mm（3½—8½ in）。

4顶部驱动钻井装置的结构：编辑
（一）、 顶部驱动钻井装置主要有以下部件和附件组成:
1、水龙头－－钻井马达总成（关键部件）；
2、马达支架/导向滑车总成（关键部件）；
3、钻杆上卸扣总成（体现最大优点的部件）；
4、平衡系统；
5、冷却系统；
6、顶部驱动钻井装置控制系统；
7、可选用的附属设备。
顶部驱动钻井装置的主体部件，主要包括：
1、钻井马达；
2、齿轮箱；
3、整体水龙头；
4、平衡器。
钻井马达的冷却系统：
马达的冷却为风冷。
1、近距离安装鼓风机
2、加高进气口的近距离安装鼓风机
3、远距离安装鼓风机近距离就是近距离向马达提供冷却风，取风高度在马达行程最低点距离钻台6米以上。
远距离安装鼓风机：
在不能保证提供安全冷却空气的情况下，例如：井架为密闭式的即可采用直径8in软管冷却系统，且鼓风机马达为40hp（比近距离安装提高了一倍），马达安在二层平台，从井架外吸进空气，增加的马力用于驱使空气流过较长的进气软管。
（二）、导向滑车总成
整个导向滑车总成沿着导轨与游车导向滑车一起运动。当钻井马达处于排放立根的位置上时，导向滑车则可作为马达的支撑梁。导轨有单轨和双轨两种。
（三）、钻杆上卸扣装置
主要组成部件：
1、扭矩扳手
2、内防喷器和启动器
3、吊环连接器和限扭器
4、吊环倾斜装置
5、旋转头
扭矩扳手总成提供钻杆的上卸扣的手段。他位于内防喷器下部的保护接头一侧，他有两个液缸在扭矩管和下钳头之间。
钳头有一直径为10in的夹紧活塞，用以夹持与保护接头相连接的钻杆母扣。范围：3½in--7⅜in。
钻杆上卸扣装置另有两个缓冲液缸，类似大钩弹簧，可提供丝扣补偿行程125mm。
内防喷器是全尺寸、内开口、球型安全阀式的。带花键的远控上部内防喷器和手动的下部内防喷器形成井控防喷系统，内防喷器采用6⅝in正规扣，工作压力为105MPa。
吊环倾斜装置：
有两种功用：
1、吊鼠洞中的单根。
2、接立柱时，不用井架工在二层台上将大钩拉靠到二层台上。若行程1.3米的倾斜装置不能满足要求则可选择2.9米的长行程吊环倾斜装置。
平衡系统的主要作用是防止上卸接头扣时螺纹的损坏，其次在卸扣时可帮助公扣接头从母扣接头中弹出，这依赖于它为顶部驱动钻井装置提供了一个类似于大钩的152 毫米的减震冲程。是因为使用顶部驱动钻井装置后没有再安装大钩了；退一步说，即使装有大钩，它的弹簧也将由于顶部驱动钻井装置的重量而吊长，起不了缓冲作用。

5顶部驱动装置操作过程编辑
接立根钻进
接立根钻进是顶部驱动钻井装置普遍采用的方式。采用立根钻进方法很多。对钻从式井的轨道钻机和可带立根运移的钻机，钻杆立根可立在井架上不动，留待下一口井接立根钻进使用。若没有立根，推荐两种接立根方法：一是下钻时留下一些立根竖在井架上不动，接单根下钻到底，用留下的立根钻完钻头进尺；二是在钻进期间或休闲时，在小鼠洞内接立根。为安全起见，小鼠洞最好垂直，以保证在垂直平面内对扣，简化接扣程序。还应当注意接头只要旋进钻柱母扣即可，因为顶部驱动钻井钻井马达还要施加紧扣扭矩上接头。
接单根钻进
通常在两种情况需要接单根钻进。一种是新开钻井，井架中没有接好的立根；另一种是利用井下马达造斜时每9．4 m必须测一次斜。吊环倾斜装置将吊卡推向小鼠洞提起单根，从而保证了接单根的安全，提高了接单根钻进的效率。接单根钻进程序如下：
1 钻完单根坐放卡瓦于钻柱上，停止泥浆循环(图a)；
2 用钻杆上卸扣装置上的扭矩扳手卸开保护接头与钻杆的连接扣；
3 用钻井马达旋扣；
4 提升顶部驱动钻井装置。提升前打开钻杆吊卡，以便让吊卡通过卡瓦中的母接箍(图b)；
5 起动吊环倾斜装置，使吊卡摆至鼠洞单根上，扣好吊卡；
6 提单根出鼠洞。当单根公扣露出鼠洞后，关闭起动器使单根摆至井眼中心(图c)；
7 对好钻台面的接扣，下放顶部驱动钻井装置，使单根底部进入插入引鞋(图d)；
8 用钻井马达旋扣和紧扣，打背钳承受反扭矩；
起下钻操作
起下钻仍采用常规方法。为提高井架工扣吊卡的能力和减少起下钻时间，可以使用吊环倾斜装置使吊卡靠近井架工。吊环倾斜装置有一个中停机构，通过它可调节吊卡距二层台的距离，便于井架工操作。
打开旋转锁定机构和旋转钻杆上卸扣装置可使吊卡开口定在任一方向。如钻柱旋转，吊卡将回到原定位置。起钻中遇到缩径或键槽卡钻，钻井马达可在井架任一高度同立根相接，立即建立循环和旋转活动钻具，使钻具通过卡点。
倒划眼操作
1、使用顶部驱动钻井装置倒划眼
可以利用顶部驱动钻井装置倒划眼，从而防止钻杆粘卡和破坏井下键槽。倒划眼并不影响正常起钻排放立根，即不必卸单根。
2、倒划眼起升程序
倒划眼起升步骤如下(参见下图)：
1) 在循环和旋转时提升游车，直至提出的钻柱第三个接头时停止泥浆循环和旋转(图a)，即已起升提出一个立根；
2) 钻工坐放卡瓦于钻柱上，把钻柱卡在简易转盘中；
3) 从钻台面上卸开立根，用钻井马达旋扣(倒车扣)；
4) 用扭矩扳手卸开立根上部与马达的连接扣，这时只有顶部驱动钻井装置吊卡卡住立根。在钻台上打好背钳，用钻井马达旋扣（图b）；
5) 用钻杆吊卡提起自由立根(图c)；
6) 将立根排放在钻杆盒中(图d)；
7) 放下游车和顶部驱动钻井装置到钻台(图e)；
8) 将钻井马达下部的公接头插入钻柱母扣，用钻井马达旋扣和紧扣。稍微施加一点卡瓦力，则钻杆上卸扣装置的扭矩扳手就可用于紧扣；
9) 恢复循环，提卡瓦，起升和旋转转柱，继续倒划眼起升。
一、下管套
顶部驱动钻井装置配用500～750 t吊环和足够额定提升能力的游动滑车，就能进行额定重量500～650 t的下套管作业。为留有足够的空间装水龙头，必须使用4．6 m的长吊环。
将一段泥浆软管线同钻杆上卸扣装置保护接头相连，下套管过程中可控制远控内防喷器的开启与关闭，实现套管的灌浆。
如果需要，也可使用悬挂在顶部驱动钻井装置外侧的游动滑车和大钩，配用Varco BJ规定吊卡和适当的游动设备，按常规方法下套管。顶部驱动钻井装置起下套管装置如图3—5所示。

6顶部驱动钻井装置的优越性编辑
1、节省接单根时间。顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，不受方钻杆长度的限制也就避免了钻进9米左右接一个单根的麻烦。取而带之的是利用立根钻进，这样就大大减少了接单的时间。按常规钻井接一个单根用3—4min计算，钻进1000米就可以节省4-5h。
2、倒划眼防止卡钻。由于不用接方钻杆就可以循环和旋转，所以在不增加起下 钻时间的前提下，顶部驱动钻井装置就能够非常顺利的将钻具起出井眼，在定向钻井中，这种功能可以节约大量的时间和降低事故发生的机率。
3、下钻划眼。顶部驱动钻井装置具有不接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。
4、节省定向钻进时间。该装置可以通过28米立根钻进、循环，这样就相应的减少了井下马达定向的时间。
5、人员安全。顶部驱动钻井装置，是钻井机械操作自动化的标志性产品，终于将钻井工人从繁重的体力劳动中解救出来。接单根的次数减少了2/3，并且由于其自动化的程度高，从而大大减少了作业者工作的危险程度，进而大大降低了事故的发生率。
6、井下安全。在起下钻遇阻、遇卡时，管子处理装置可以在任何位置相连，开泵循环，进行立根划眼作业。
7、设备安全。顶部驱动钻井装置采用马达旋转上扣，操作动作平稳、可以从扭矩表上观察上扣扭矩，避免上扣过赢或不足。最大扭矩的设定，使钻井中出现憋钻扭矩超过设定范围时马达就会自动停止旋转，待调整钻井参数后再进行钻进。这样就避免了设备长时间超负荷运转，增加了使用寿命。
8、井控安全。该装置可以在井架的任何位置钻具的对接，数秒钟内恢复循环，双内防喷器可安全控制钻柱内压力。
9、便于维修。钻井马达清晰可见。熟练的现场人员约12小时就能将其组装和拆卸。
10、使用常规的水龙头部件。顶部驱动装置可使用650吨常规水龙头的一些部件，特殊设计后维修难度没有增加。
11、下套管。顶部驱动钻井装置的提升能力很大（650吨），在套管和主轴之间加一个转换头（大小头）就可以在套管中进行压力循环。套管可以旋转和循环入井，从而减少缩径井段的摩阻力。
12、取心。能够连续钻进28米，取心中间不需接单根。这样可以提高取心收获率，减少起钻的次数与传统的取心作业相比它的优点明显。污染小、质量高。
13、使用灵活。可以下入各种井下作业工具、完井工具和其他设备，即可以正转又可以反转。
14、节约泥浆。在上部内防喷器内接有泥浆截流阀，在接单根时保证泥浆不会外溢。
15、拆卸方便。工作需要时不必将它从导轨上移下就可以拆下其他设备。
16、内防喷器功能。起钻时如果有井喷的迹象即可由司钻遥控钻杆上卸扣装置，迅速实现水龙头与钻杆的连接，循环钻井液，避免事故的发生。
17、其他优点：采用交流电机驱动，减低维修保养费用；特别适用于定向井和水平井，因为立根钻进能使钻杆尽快的通过水平井段的一些横向截面。

7顶驱钻井装置与常规钻井设备的比较编辑
钻井效率明显提高。
A、从钻井到起下钻或从起下钻恢复钻进状态，该装置不存在常规钻机的上、卸水龙头和方钻杆所造成的时间损失。
B、不存在常规钻机转盘方补心蹦出所造成的停工。
C、不用钻鼠洞。
D、立根钻进，从而减少了常规钻井接单根上提钻柱需从新定工具面角的时间。
E、在井下纯作业时间增多，上扣、起下钻、测量和其他非纯钻进时间减少。
立柱钻进节省了大量的时间
A、减少了坍塌页岩层扩眼或清洗井底的时间。
B、在井径不足需扩眼或首次下入足尺寸稳定器进行扩眼时减少了钻进时间。
C、在同一平台钻丛式井，不用甩钻具或卸立柱。
D、不需要接单根就能够回收最大长度的岩心。
E、定向钻井时，减少了定向时间。
连续旋转和循环降低了风险。
A、连续的旋转和循环是顶部驱动钻井装置的重要特征。
B、顶部驱动钻井装置允许使用少量的、比较便宜的润滑剂、钻井液或添加剂。
c、减少了钻柱或昂贵的井下工具卡钻的几率。
有利于井控。
A、任何时间和位置的于钻柱对接。
B、随时可以进行的循环和旋转。
C、减少钻柱被卡后，上卸方钻杆的危险作业程序。
安全性提高。
A、减少了使用大钳和猫头等，降低了钻井工人作业危险。
B、减少许多笨重的工作，提高了起升重钻具的安全性。
C、自动吊卡，消除了人工操作吊卡的事故隐患。
D、井控安全性得到大大提高。
E、遥控防喷盒，防止泥浆溅落到钻台上，增加了工作的安全性。
作业时间的比较
起下钻

非生产

纯钻进

典型钻井的作业时间分配

30%

40%

30%

顶部驱动钻井装置钻井时间分配

25%

35%

40%

水平井费用比较
项 目

转盘/方钻杆

顶驱装置

日成本，美元

40800

43000

测深，M

2000

2000

机械钻速， m/h

30

30

日进尺

240

288

钻2000m所需天数

8.3

6.9

单井成本，美圆

338640

296700

单井用顶驱节约，美圆

41940

8口井用顶驱节约，美圆

335120

8维护保养以及操作注意事项编辑
强电系统
1)、防尘、防潮是最主要的两条。SCR主控柜、综合柜在尚未置放在空调房前必须注意防潮、防尘，并且
不能在温度过高(45°C以上)、过低(一10℃以下)的环境中工作。放置一段时间重新启用前，须用吸尘器将元件积存的尘埃除去，然后用电吹风将元件烘干，最后须测绝缘电阻值，至少在1MΩ以上，一般应在5MΩ以上。只有在进行了以上步骤以后，方可启动SCR。
2)、一定要先启动鼓风电机，然后选择主电机的转向。再给定额定电流值(即额定钻井扭矩值)，最后开动主电机，即给出一个电压值(转速值)。
3)、一般说来应先启动冷却风机及合上励磁开关后再合主开关。如先合主开关，那就该尽快合上励磁关。
4)、运行中要随时注意观察电流大小(PLC操作柜上的扭矩表反映出主电机工作电流的大小)。
5)、各部分电缆应连接牢靠，焊接部位不应有虚焊现象。
6)、由于光线照射及空气的氧化作用，电缆会发生老化现象，使用二年以后应注意观察有无裂开、剥落老化现象，一般说，使用四年后应更换电缆。
弱电控制系统
1)、PLC柜、操作柜均为正压防爆系统，要配备动三大件，保证空气的干燥、清洁，不含易燃、易爆危险气体。
2)、使用操作柜时应先合上电源开关，再打开操作柜开关，最后打开PLC开关，停止操作时先关PLC，再关操作柜，最后关电源柜。
3)、PLC柜操作柜也应注意防潮防尘，但因其具有防爆结构，相应地防潮防尘能力也较强。
主电机
1)、吸风口应朝下，防止雨水进入。
2)、主电机外壳不应承受本身重量以外的负荷。
3)、由于主电机停止转动，加热器即自动加热，当长期不用时应关掉加热电路。
4)、电枢及励磁部分的绝缘电阻应大于1MΩ，当小于0．8MΩ时必须先烘干再工作。
5)、主电机轴伸锥度、粗糙度、接触斑点均应符合要求。
6)、由于泥浆管路从电机中心穿过，故在密封要求上必须严格。
7)、正常钻井时，每天应在主轴承部位加润滑脂。
液压系统
1)、油箱的液位不低于250mm，油温不高于80℃。
2)、过滤器应定期更换滤芯(3月至6月)，具有发讯装置 的过滤器更应勤清洗和制订相应的更换措施。
3)、液压油必须干净，在使用三个月以后应更换。
4)、开泵前，吸油口闸阀一定要打开，出口管应与系统连起来。
5)、管路连接一定要可靠，注意各部位组合垫。o形圈不要遗忘，在不经常拆卸的螺纹处可以使用密封胶。
6)、滤芯应经常清洗，半年应重新更换滤芯，二年至三年应更换高压胶管。
7)、要防止在拆装、搬运、加油、修理过程中外界 污染物进入系统。
8)、液压源的溢流阀应调整至略高于泵的压力限定值，一般地不要在无油流输出情况下启动泵。
本体部分：
减速箱是一个传递动力和运动的重要部件，润滑油应经常更换(三个月至半年)，油面应保持一定高度，初次装配需经充分空运转跑合，出厂前应更换为干净的润滑油。减速箱内装有铂电阻温度传感器，箱体外装有温度变送器，用来监视润滑油的温度，现已调整为75℃，超过此温度，PLC操作柜相应的红灯将显示，并有声报警。
两个防喷器（手动、液动各一个）均应密封可靠，试压在50Mpa以上。正常情况下当主轴转动时，不得操作内防喷器，只有发生井喷井涌时才操作，使之关闭。起下钻时为节省钻井液的消耗，应将内防喷器关闭，开钻前一定要先打开内防喷器，再开钻井泵。
上卸扣机构应根据钻杆的尺寸选择相应牙板，各油缸之间的协调动作借助于减压阀、顺序阀来调整。
上卸扣机构与回转头相连的链条长度应调整合适，略微松弛一些，可起到安全的作用。

⑵ 钻井队八大件六块铁指的是什么

钻井八大件与钻井八大系统

钻井的八大件:天车，大钩、游车、井架、泥浆泵、水龙头、绞车、转盘

1井架

井架由井架的主体、人字架、天车台、二层台、工作梯、立管平台、钻台和井架底座等几个部分组成，主要用于安放和悬挂天车、游车、大钩、吊环、液气大钳、液压绷扣器、吊钳、吊卡等提升设备与工具。

2天车

天车一般是多个滑轮装在同一根芯轴或两根轴心线一致的芯轴上。现在的天车大都是滑轮通过滚柱轴承装在一根芯轴上。芯轴一般是双支承的，轴的直径较大，芯轴的一端或两端有黄油嘴，芯轴里有润滑油道。润滑脂从黄油嘴注入，以润滑轴承。

3游车

游车的形状为流线型，以防起下时挂碰二层台上的外伸物。同时，游车要保证一定的重量，以便它在空载运行时平稳而垂直地下落。现在，钻机各型游车都是一根芯轴，滑轮在轴上排成一列，其结构与天车相似。

4大钩

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大钩是提升系统的重要设备，它的功用是在正常钻进时悬挂水龙头和钻具，在起下钻时悬挂吊环起下钻具，完成起吊重物、安放设备及起放井架等辅助工作。目前使用的大钩有两大类。一类是单独的大钩，其提环挂在游车的吊环上，可与游车分开拆装，如DG—130型大钩;另一类是将游车和大钩做成一个整体结构的游车大钩，如MC—400型游车大钩。为防止水龙头提环从大钩中脱出，在钩口处装有安全锁体、滑块、拔块、弹簧座及弹簧等构成的安全锁紧装置。为悬挂吊环和提放钻具，钩身压装轴及挂吊环轴用耳环闭锁，用止动板防止两支撑轴移动。钩身与钩杆用轴销连接，钩身可绕轴销转一定角度。

5绞车

绞车是构成提升系统的主要设备，是组成一部钻机的核心部件，是钻机的主要工作机械之一。其功用是:提供几种不同的起升速度和起重量，满足起下钻具和下套管的需要;悬挂钻具，在钻进过程中送钻和控制钻压;利用绞车的猫头机构上、卸钻具螺纹;作为转盘的变速机构和中间传动机构;当采用整体起升式井架时用来起放井架;当绞车带捞砂滚筒时，还担负着提取岩心筒、试油等项工作;帮助安装钻台设备，完成其他辅助工作。 6水龙头

在一部钻机中，水龙头既是旋转系统的设备，又是循环系统的一个部件。它悬挂于大钩之下，上接有水龙带，下接方钻杆。在钻进时，悬挂并承受井内钻柱的全部重量，并将钻柱与水龙带连接起来，构成钻井液循环通道。

7转盘

转盘主要由水平轴、转台、主轴承、壳体、方瓦及方补心等组成，其主要作用是带动钻具旋转钻进和在起下钻过程中悬持钻具、卸开钻具螺纹以及在井下动力钻井时承受螺杆钻具的反向扭矩。转盘的动力经水平轴上法兰或链轮输入，通过锥齿轮转动转台，借助转台通孔中的方瓦和方补心带动方钻杆、钻柱和钻头转动;同时，方补心允许方钻杆轴向自由滑动，实现边旋转边送进。

8泥浆泵

泥浆泵，是指在钻探过程中向钻孔里输送泥浆或水等冲洗液的机械。泥浆泵是钻探设备的重要组成部分。在常用的正循环钻探中,它是将地表冲洗介质??清水)泥浆或聚合物冲洗液在一定的压力下，经过高压软管)水龙头及钻杆柱中心孔直送钻头的底端，以达到冷却钻头、将切削下来的岩屑清除并输送到地表的目的。

常用的泥浆泵是活塞式或柱塞式的，由动力机带动泵的曲轴回转，曲轴通过十字头再带动活塞或柱塞在泵缸中做往复运动。在吸入和排出阀的交替作用下，实现压送与循环冲洗液

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的目的。

钻井作业的八大系统: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

1、起升系统

起升系统是必不可少的，一般由井架、绞车、天车、游车、大钩、滚筒和钢丝绳组成。起升系统一般具有以下功能:

1)下放、悬吊或起升钻柱、套管柱和其他井下设备进、出井眼;

2)起下钻、接单根和钻进时的钻压控制。

2、旋转系统

旋转系统由转盘、水龙头、钻头、钻柱组成。其主要功能是保证在钻井液高压循环的情况下，给井下钻具提供足够的旋转扭矩和动力，以满足破岩钻进和井下其它要求。 3、循环系统

循环系统由泥浆泵、泥浆池(钻机的“心脏”)、立管、水龙带、分离装置组成。其主要功能有以下几点:

1)从井底清楚岩屑;

2)冷却钻头和润滑钻具。

泥浆的功能有以下几点:

1)悬浮和携带钻屑;

2)润滑和冷却钻具;

3)稳定井壁;

4)平衡地层压力;

5)传递水平功率

6)泥浆录井。

泥浆的循环流程:

泥浆泵—地面高压汇管—立管—水龙带—水龙头—钻柱—(方钻杆、钻杆、钻铤)—钻头—环形空间—地面排出管线—固控设备—泥浆池—泥浆泵。

4、驱动与传动系统

驱动与传动系统由动力机、与传动部分组成。动力机一般为柴油机或电动机，传动部分由联轴器、离合器、变速箱、皮带传动及链条传动等装置组成。

驱动与传动系统主要功能是产生动力，并把动力传递给泥浆泵、绞车和转盘。

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5、气控系统

气控系统由控制机构、传输管线、阀门、执行机构(气动离合器等)以及气压及等组成。其主要功能是确保对整个钻机各个工作机构及其部件的准确、迅速控制，使整机协调一致的工作。

驱动与传动系统、气控系统组成了钻井的动力系统。

6、井控系统

井控系统由防喷器组、节流管汇、压井管线以及液、气控制机构组成。其主要功能是控制井内的压力，防止底层流体无控制地流入井中。

防喷器的功能:

1)密封钻具;

2)强行起下钻;

3)悬挂钻具;

4)手动、液动锁紧闸板;

5)用作分液系统;

6)可以剪断钻具。

节流管汇:由一系列特殊的、可远程控制的管线组成，用井口防喷器组关井后，司钻可以通过它释放井底压力，不至于造成井下失控。

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⑶ 钻井设备是什么

钻井设备主要指的是钻机。现代石油钻机是一套联合的工作机组，由动力机、传动箱、绞车、天车、游动滑车、大钩、水龙头、转盘、钻井泵以及钻井液净化设备等组成，还有井架、底座等结构，以及电力、液压和空气动力等辅助设备。当前，我国乃至世界广泛使用的是旋转钻井法，其相应的钻井设备称为转盘旋转钻机，见图4-1。

一、钻机的组成

根据钻井工艺各工序的不同要求，一套钻机必须具备下列系统和设备。

（一）起升系统

起升系统主要包括主绞车、辅助绞车（或猫头）、辅助刹车（水刹车、电磁刹车等）、游动系统（包括钢丝绳、天车、游动滑车和大钩）以及悬挂游动系统的井架等。另外还有起下钻具操作使用的工具及设备（吊环、吊卡、卡瓦、大钳、立根移运机构等）。绞车是该系统的核心部件。

图4-1典型旋转钻井设备

①—转盘；②—防喷器组（二）旋转系统

钻机的旋转系统主要由转盘、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤、配合接头、钻头等组成，转盘驱动方钻杆、钻杆、钻头破碎岩石，钻出井眼，所以转盘是该系统的核心设备。另外，丛式井或定向井还需配备井下动力钻具，这就构成了旋转钻进系统。

（三）循环系统

钻井液循环系统设备主要由钻井泵、振动筛、除砂器、除泥器、离心机、钻井液罐、钻井液枪、钻井液搅拌器、混合漏斗等组成，钻井泵是该系统的核心设备。

（四）动力系统

动力系统为钻机提供动力。不同的钻机配备的动力设备不一样。机械钻机主要以柴油机为动力设备，电动钻机主要以电动机为动力设备。目前国内外主要以柴油机和柴油发电机作为钻机动力源。

（五）传动系统

传动系统的主要任务是把动力设备的机械能传递和分配给绞车、钻井泵和转盘等工作机。传动系统在传递和分配动力的同时具有减速、并车、倒车等特种功能。石油钻机的传动方式有机械传动（包括万向轴、减速箱、离合器、链传动和三角带传动等）、机械—涡轮传动（液力传动）、电传动、液压传动。

（六）控制系统

为了使钻机各个系统协调工作，钻机上配有气控制、液压控制、机械控制和电控制等各种控制设备，以及集中控制台和显示仪表等。

（七）底座系统

钻机底座是钻机组成重要部分，包括钻台底座、机房底座和钻井泵底座等。车装钻机的底座就是汽车或拖拉机的底盘。钻机底座主要用来安装钻井设备，以及方便钻井设备的移运等。

（八）辅助系统

成套钻机除具有上述的主要设备外，还必须配备供气设备、井口防喷设备、钻鼠洞设备、辅助发电设备及起重设备，在寒冷地区钻井时还应配备保温设备，以保证钻机能安全、可靠运行。

二、钻机类型

（一）按钻井深度划分

（1）浅井钻机：指钻井深度不大于2500m的钻机，主要有用于钻地质调查井的钻机、岩心钻机、水井钻机、地震及炮眼钻机等；

（2）中深井钻机：指钻井深度在2500～4500m之间的钻机；

（3）深井钻机：指钻井深度在4500～6000m之间的钻机；

（4）超深井钻机：指钻井深度超过6000～9000m之间的钻机；

（5）特超深井钻机：指的是钻井深度超过9000m的钻机。

上述的中深井钻机、深井钻机、超深井钻机主要用于钻生产井、注水井及勘探井等深井。

（二）按驱动设备类型划分

（1）机械驱动钻机：包括柴油机直接驱动或柴油机—液力驱动的钻机，以及采用三角胶带、链条、齿轮等主传动副进行统一、分组或单独驱动的钻机。

（2）电驱动钻机：包括交流电驱动钻机、直流电驱动钻机等。目前主要采用AC-AC交流电驱动，AC-SCR-DC可控硅整流直流电驱动及AC-DC-AC交流变频电驱动。

（3）液压钻机：通过液压动力和传动方式驱动的钻机。

三、钻机标准

石油钻机标准主要包括钻机参数标准、钻机最大井深标准、钻机等级标准及钻机型号标准。

（一）钻机参数标准

（1）名义钻深范围：钻机在规定的钻井用绳下，使用规定的钻柱时钻机的经济钻井深度范围。

（2）最大钩载：钻机在规定的最多绳数下进行作业时，大钩上所允许的最大载荷。

（3）钻井绳数：用于正常钻进、起下钻柱时的游动系统（属上述起升系统）有效绳数。

（4）游动系统最多绳数：钻机配备的天车、游车轮系所能提供的最多有效绳数。

（二）钻机等级标准

我国对石油钻机等级规定了九个级别，即ZJ10/585，ZJ15/900，ZJ20/1350，ZJ40/2250，ZJ50/3150，ZJ70/4500，ZJ90/6750，ZJ120/9000。

其中“ZJ”为钻机汉语拼音字头；10、15、20、40、50、70、90、120为最大钻井深度（单位为m）的1/100；585、900、1350、2250、3150、4500、5850、6750、9000为钻机最大钩载（单位为kN）。

（三）石油钻机型号标准

下面举例说明钻机型号标准：

ZJ15/900DBZ-2，表示交流变频自走式车载钻机，最大钻深1500m，最大钩载900kN，第三代产品；

ZJ40/2250L，表示链条为主驱动原型模块式机械钻机，最大钻深4000m，最大钩载2250kN；

ZJ50/3150DB-1，表示模块式交流变频电驱动钻机，最大钻深5000m，最大钩载3150kN，第二代产品；

ZJ70/4500DZ：表示模块式DC-SCR-DC驱动的可控硅整流电驱动钻机，最大钻深7000m，最大钩载4500kN。

四、钻井绞车

钻井绞车不仅是起升系统设备，而且也是整个钻机的核心部件，是钻机三大工作机之一。

（一）钻井绞车应具备的功能

根据钻井工艺的特点，所配备的绞车应具有以下功能：

（1）具有足够大的功率。有提升最重钻柱和解卡能力，在最低转速下钢丝绳能产生足够大的拉力，保证游动系统安全可靠。

（2）各提升部件具有足够的强度和刚度。滚筒、滚筒轴、轴承以及各机构、易损件具有足够长的寿命。

（3）绞车滚筒具有足够的尺寸和容绳量，保证缠绳状态良好以延长钢丝绳寿命。

（4）能适应起重量的变化，具有足够的起升挡数，以提高功率利用率，节约起升时间。

（5）具有灵敏而可靠的刹车机构及强有力的辅助刹车，能准确调节钻压、均匀送进钻具，在下钻过程中能随意控制下放速度以及能在较省力的状态下将最重钻柱载荷刹住。

（6）具有一个或两个猫头——紧扣猫头和卸扣猫头，以满足用大钳紧扣和卸扣及其他辅助起重的需要，有时还应配有死猫头。

（7）具有稳定的支架和底座；整个绞车不应超重、超宽、超长、超高，以免给运输带来困难；传动部分应有严密的保护罩，易损件要拆卸、更换方便。

（8）采用集中控制，使控制手柄、刹把、指重表等集中在司钻控制台上，便于司钻的操作。

（二）绞车的结构类型

绞车种类繁多，有多种分类方法，如按轴数分，有单轴、双轴、三轴及多轴绞车；按滚筒数目分，有单滚筒和双滚筒绞车；按提升速度分，有二速、三速、四速、六速、八速绞车。常用的是三轴绞车。

五、钻井泵

钻井泵是钻井液循环系统中的关键设备，现场习惯称为泥浆泵，一般用于在高压下向井底输送高黏度、高密度和含砂量较高的钻井液（同时也是井底动力钻具的动力液），以便冷却钻头和携带岩屑等。

（一）钻井泵的分类

钻井泵的种类较多，石油矿场上常用的是三缸单作用卧式往复泵，这种泵活塞在液缸中往复一次吸入或排出液体。

我国用于石油和天然气钻井的国产钻井泵已逐步系列标准化，如3NB××1000，3NB××1300，3NB××1600等。其中NB表示“钻井泵”、NB前面的数字表示泵的液缸数，无数字则为双缸泵；NB的下标表示设计序号，后面的数据表示泵的额定输入功率（单位为hp）。

（二）钻井泵的基本参数

钻井泵工作能力的大小可以用其基本参数来表示，分别是流量、压头、功率、效率、冲次和泵压。

1．流量

流量是指在单位时间内泵通过排出管输出的液体量。流量通常以体积单位表示，又称为体积流量，其单位为L/s或m3/s。钻井泵中的流量又分为平均流量和瞬时流量，现场上所说的流量一般是指平均流量。石油矿场上又习惯把流量称作排量。

2．压头

压头指的是单位质量的液体经泵压所增加的能量，也称为扬程。

3．功率和效率

功率是指泵在单位时间内所做的功。一般把在单位时间内发动机传到泵轴上的能量称作输入功率或主轴功率。把在单位时间内液体经过泵后增加的能量称作泵的有效功率。功率的单位为“kW”。泵的效率是指有效功率与输入功率之比。

4．冲次

泵的冲次是指在单位时间内活塞的往复次数，单位为“次/min”。

5．泵压

泵压是指泵排出口处的液体压力，单位为“MPa”。

⑷ 对于钻井行业，如果井位不足如何加强设备与人员管理

**公司设备入库井队管理规定

因钻井工作量压缩，井位不足，公司入库钻机显著增多，为加强设备入库井队的人员、薪酬、设备等各方面管理，经公司研究，特制定本规定。

一、干部管理

1、设备入库井队看护工作由该队队长、指导员负责，带领该队部分员工进行看护。

2、队长、指导员要制定详细的看护设备值班计划，做到干部24小时现场值班，严格交接班制度，做好值班情况及交接班记录。

3、值班期间要不定时巡查，对设备进行清点，并做好巡查记录，防止发生被盗事件。

4、值班期间要组织有关人员对相关设备做好防腐、防水、防冻工作。

5、值班干部要坚守岗位，不得脱岗、离岗、睡岗，严禁酒后上岗，违者，将给予当事人500元经济处罚。

6、严禁用公司设备、生产物资拉关系、送人情，私自拆卸设备零部件。如有违反，公司将根据设备、生产物资原值给予一定经济处罚（不低于1000元）；严禁私自倒卖、处理生产物资，违者，公司将按有关规定严肃处理，并追究相关责任人的责任。

7、值班期间如果发生设备、生产物资丢失，值班干部要及时上报公司机动办、保卫办，并落实责任人，公司将按有关规定追究相关人员责任。

8、值班干部每天早晨要向公司生产调度室汇报干部值班情况，每少汇报一次，给予值班干部50元经济处罚。

9、公司将组织有关部门人员不定期进行督导检查，如发现无干部值班，给予队长、指导员各1000元经济处罚。

二、薪酬管理

1、人员安排

设备入库的井队，由干部、大班人员执行设备临时看护任务，其余人员根据生产需要分配到生产井队。

2、薪酬待遇

（1）设备看护人员，基本工资保持不变，享受公司平均奖的70%，不享受津补贴；

（2）如上级薪酬政策发生变化，规定中的薪酬待遇标准也将相应进行调整。

三、安全管理

1、上岗人员坚守岗位，严禁擅离职守，每班设备看护人员不少于两人。

2、严禁私自决定拆换设备零部件。

3、严禁外来人员进入设备看管区域，确保设备完好无损。

4、设备区域禁止吸烟或动用明火，预防火灾发生。

5、看管设备人员严禁酒后上岗或在岗饮酒。

四、设备管理

1、井队入库设备由该队队长、指导员负责带领看护管理。

2、看护人员负责每月及时对入库设备进行维护保养，所有设备入库后（特别是动力设备，电气设备）必须进行覆盖，做好防水、防腐、防火、防盗工作，防止设备丢失或损坏。

3、严禁外来人员进入库区拆卸设备。

4、设备看护人员要坚持24小时轮流值班，并填写值班记录，交接班前，必须认真进行巡查，双方确认无异常签字后，方可交接班。

5、值班人员一旦发现设备损坏或丢失，要落实责任人，及时向机动办、保卫办汇报。

五、技术管理

1、三吊一卡等井口工具清点数量，清洗干净后做好防水、防腐工作，放于材料房内。

2、短钻铤、螺旋扶正器、钻铤提升短节清点数量，做好防腐工作，放于专用摆放架内。

3、钻具接头、内防喷工具和打捞工具清点数量，做好防腐工作，放于接头房内。

4、钻头盒子、小补芯、钻具提升护丝、小鼠洞卡盘、钻具通径规、井控数据牌等工具清点数量，做好防腐工作，放于材料房内。

5、指重表、记录仪和相关管线统一存放于材料房内稳固位置，上部严禁压放重物，指重表管线内传感液放空吹净，防止堵塞或冻裂。

6、手压泵、钻头量规、卡尺、小量程压力表、水眼取出器等手工具清点数量，存放于技术员房内。

7、测斜仪探管确保电池电量充满，防止电量亏空失效，并装入探管装箱内，测斜仪浮筒清洗干净，一并交技术办公室保存。

8、泥浆计量器具清点数量，清洗干净，交技术办公室保存。

9、以上封存的仪器工具要列出详细清单，一式三份（井队、技术办公室、物资配送队各一份）妥善保管。

10、未经技术办公室同意，不得将封存的仪器及工具转交其他单位或个人使用。

六、基层建设

1、严格按照公司思想政治工作要点，制定本单位年度思想政治工作计划。围绕总公司、公司主题活动，有计划的组织本队员工开展各项生产活动，认真组织实施，并撰写季度、年度工作总结。

2、加强停工期间员工观念引导工作。针对当前的形势，每季度组织一次有关会议精神、行业动态、职业道德、改革形势、主题活动等方面的形势任务教育。

3、随时掌握停工期间职工思想动态变化，按月开展职工思想动态分析，查找问题，分析思想波动的原因，制定相应的整改措施。

4、设备入库井队暂不参与当季度基层建设考核。

七、野营房管理

1、入库野营房同钻机设备一起门对门摆放，两栋野营房间距控制在0.5米以内。

2、看设备期间，除带走个人物品，野营房内物品除电视、微机等需上交公司相关部门保存外，其它标配物品一律不得缺失、损坏，务必保持随时出库时入住使用条件。野营房出库使用时，因房内物品缺失、损坏需重配或维修发生的费用全额计入井队单机单井成本考核。

3、须指派责任心较强的专门看护人员对野营房进行24小时轮流看护，看护人员需认真看护巡查，不得擅离职守，同时做好交接班工作，一旦发现闲杂人员进入需进行劝离，发生盗抢应立即上报公司保卫办，以便及时进行处理。

4、因看护人员看管不力，造成野营房门、窗、空调及房内物品损坏、丢失的，视责任大小和损失情况，对责任看护人员予以500元—3000元罚款处理，从严追究井队正职责任。出库时重配或维修发生的费用全额计入井队单机单井成本考核，对监守自盗或倒卖物资的人员，公司将予以严肃处理。

八、资产管理

1、入库钻机设备，井队要提供入库资产明细表，机动、计划、财务等相关部门做好入库设备的检查核实工作，保证入库设备的真实性和完整性。

2、设备入库后，各部门要进行入库设备的核实工作，保证入库设备和账上设备的账实相符，并定期对井队实物资产进行复查核对，保证就地封存资产完整无缺缺。

3、井队要做到24小时轮流值班，看护人员要定时对设备进行复查核实，并做好防盗、保养工作，保证设备不丢不坏。若发现设备有损坏或丢失，要及时上报相关部门。

九、党风廉政建设

1、严格遵守党的政治纪律，党员干部带头讲学习、讲政治、讲正气，顾全大局、维护团结，认真执行重大事项报告等制度，自觉接受监督。

2、设备入库期间，党员干部要廉洁奉公、忠于职守，不利用职务之便谋取不正当利益，不从事非法经营、兼职取酬等活动。

3、艰苦奋斗，勤俭节约，从严执行“八项规定”和公司各项规章制度，严格按程序办事，杜绝讲排场、比阔气、挥霍公款、铺张浪费等现象。

4、设备入库期间，正职干部要坚持多与所属人员沟通交流，关心员工疾苦，坚持公开、公平、公正的原则，妥善处理涉及员工切身利益的问题，努力做好本职工作，杜绝侵害员工利益的行为。

5、落实“一岗双责”，把本单位所属党员干部看设备时间以外的监督管理，纳入党风廉政建设责任制，及时了解和掌握本单位党员干部正常上岗时间以外的情况。设备入库单位所属党员干部在正常上岗以外发生违法违纪问题的，除对行为人严肃处理外，本单位正职因失察、失管，应承担相应的领导责任。

6、加强对党员干部的教育监督，停待看井期间要组织党员干部学习《中国共产党纪律处分条例》、《党员领导干部廉洁从业若干准则》、《职工违纪违规处分规定》以及党风廉政建设方面有关规定，组织党员干部进行讨论，收看警示教育片，进一步筑起反腐倡廉的思想防线。

7、严格规范党员干部廉洁从业行为，加强生产、生活物资管理，做到不丢失、不浪费，不擅自处理废旧生产、生活物资。不用生产、生活物资送人情、搞关系或以物易物，为个人或小团伙谋取利益。

8、党员干部要遵守社会公德，不参加涉黄、赌、毒等与职务、身份不相称的活动。管住自己的嘴，不该吃得不去吃；管住自己的手，不该拿得不要拿；管住自己的腿，不该去的地方不要去，谨慎交友，诚信做人。

十、综合治理

1、井队入库设备由该队队长、指导员负责带领看护管理。

2、看护人员负责每月及时对入库设备进行维护保养，做好防水、防腐、防火、防盗工作，防止设备丢失损坏。

3、看护设备人员要坚持24小时轮流值班，干部带班等制度，严禁酒后上岗，一旦发现可疑人员及时报保卫办。

4、看管设备期间，决不允许其他钻井队、外单位人员进入库区拆卸设备。

5、看设备期间丢失钻井设备及部件的，及时报公司机动办、保卫办，保卫办公室将对丢失案件进行调查处理，落实责任人，并按有关规定追究责任。

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第一节 定向井井身参数和测斜计算

一．定向井的剖面类型及其应用

定向钻井就是“使井眼按预定方向偏斜，钻达地下预定目标的一门科学技术”。定向钻井的应用范围很广，可归纳如图9－l所示。

定向井的剖面类型共有十多种，但是，大多数常规定向井的剖面是三种基本剖面类型，见图9－2，称为“J”型、“S”型和连续增斜型。按井斜角的大小范围定向井又可分为：

常规定向井井斜角＜55°

大斜度井井斜角55～85°

水平井井斜角＞85°（有水平延伸段）

二．定向井井身参数

实际钻井的定向井井眼轴线是一条空间曲线。钻进一定的井段后，要进行测斜，被测的点叫测点。两个测点之间的距离称为测段长度。每个测点的基本参数有三项：井斜角、方位角和井深，这三项称为井身基本参数，也叫井身三要素。

1．测量井深：指井口至测点间的井眼实际长度。

2．井斜角：测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角。

3．方位角：以正北方向线为始边，顺时针旋转至方位线所转过的角度，该方向线是指在水平面上，方位角可在0—360°之间变化。

目前，广泛使用的各种磁力测斜仪测得的方位值是以地球磁北方位线为准的，称为磁方位角。磁北方向线与正北方向线之间有一个夹角，称磁偏角，磁偏角有东、西之分，称为东或西磁偏角，真方位的计算式如下：

真方位＝磁方位角十东磁偏角

或 真方位＝磁方位角一西磁偏角

公式可概括为“东加西减”四个字。

方位角也有以象限表示的，以南（S）北（N）方向向东（E）西（W）方向的偏斜表示，如N10°E，S20°W。在进行磁方位校正时，必须注意磁偏角在各个象限里是“加上”还是“减去”，如图 9－3所示。

4．造斜点：从垂直井段开始倾斜的起点。

5．垂直井深：通过井眼轨迹上某点的水平面到井口的距离。

6．闭合距和闭合方位

（l）闭合距：指水平投影面上测点到井口的距离，通常指靶点或井底的位移，而其他测点的闭合距离可称为水平位移。

（2）闭合方位：指水平投影响图上，从正北方向顺时针转至测点与井口连线之间的夹角。

7．井斜变化率和方位变化率：井斜变化率是指单位长度内的井斜角度变化情况，方位变化率是指单位长度内的方位角变化情况，均以度／100米来表示（也可使用度／30米或度／100英尺等）。

8．方位提前角（或导角）：预计造斜时方位线与靶点方向线之间的夹角。

三．狗腿严重度

狗腿严重是用来测量井眼弯曲程度或变化快慢的参数（以度／100英尺表示）。可用解析法、图解法、查表法、尺算法等来计算狗腿严重度k。

1．第一套公式

2．第二套公式

cosγ＝cosa1cosa2＋sina1sina2 cosΔj………………………………………（9－3）

本式是由鲁宾斯基推导出来的，使用非常普遍。美国人按上式计算出不同的a1、a2和Δj值下的狗腿角γ值，并列成表格，形成了查表法。

3．第三套公式

γ——两测点间的狗腿角。

若将三套公式作比较，第一套公式具有普遍性，适合于多种形状的井眼，第二套只适用于平面曲线的井眼（即二维井型），第三套是近似公式，用于井斜和方位变化较小的情况。

四．测斜计算的主要方法

测斜计算的方法可分为两大类二十多种。一类是把井眼轴线视为由很多直线段组成，另一类则视其为不同曲率半径的圆弧组成。计算方法多种多样，测段形状不可确定。主要的计算方法有正切法、平衡正切法、平均角法、曲率半径法、最小曲率法、弦步法和麦库立法。从计算精度来讲，最高的是曲率半径法和最小曲率法，其次是平均角法。以下各图和计算公式中下角符号1、2分别代表上测和下测点。

1．平均角法（角平均法）

此法认为两测点间的测段为一条直线，该直线的方向为上下两测点处井眼方向的矢量和方向。

测段计算公式：

2．平衡正切法

此法假定二测点间的井段为两段各等于测段长度一半的直线构成的折线，它们的方向分别与上、下两测点处的井眼方向一致。

如图9－6，计算式为：

3．曲率半径法（圆柱螺线法）

此法假设两测点间的测段是条等变螺旋角的圆柱螺线，螺线在两端点处与上、下二测点处的井眼方向相切。

如图9－7，测段的计算公式有三种表达形式。

（1）第一种表达形式

（9－13）～（9－16）式中：

这四个公式是最常用的计算公式：

（3）第三种表达形式

（4）曲率半径法的特殊情况处理

③第三种特殊情况，α1≠α2，且其中之一等于零。此时，按二测点方位角相等来处理，然后代入第二种特殊情况的计算式中。

4．最小曲率法

最小曲率法假设两测点间的井段是一段平面的圆弧，圆弧在两端点处与上下二测点处的井眼方向线相切。测段计算如图9－8。

测段计算公式如下：

令fM＝（2/γ）×tg（γ/2），fM是个大于1但很接近1的值。在狗腿角γ足够小的情况下，可近似认为fM＝1，这时上述四个计算公式就完全变成平衡正切法的公式了，它是对平衡正切法公式的校正。

ΔS′是切线1M和M2在水平面上的投影之和，即ΔS′＝1′M′＋ M′2′。ΔS′并不是测段的水平投影长度ΔS。要作出井身垂直剖面图，需要求出ΔS，而最小曲率法却求不出ΔS，这是最小曲率法的缺点。为了作出垂直剖面图，可用下式近似地求出ΔS′：

……………………………………………………（9－39）

第二节 定向井剖面设计

在开钻前认真进行设计，可以大大节约定向钻井的成本。影响井眼轨迹的因素很多，其中一些因素很难进行估算（如在某些地层中的方位漂移情况等）。因此，在同一地区得到的钻井经验很重要，这些经验可以在其他井设计过程中起重要的参考作用。

一．设计资料

要进行一口定向井的轨道设计工作，作业者至少应提供靶点的垂深、水平位移和方位角，或提供井口与靶点的座标位置，通过座标换算，计算出方位角和水平位移。此外，定向井工程师还要收集下列资料：

1．作业区域和地理位置。通过作业区域，通常可以找到该地区已完井的钻井作业资料（野猫井除外），并对地层情况、方位漂移有一定的了解，根据地理位置，可以计算或查得到地磁偏角。

2．地质设计书和井身结构。了解有关地层压力、地温梯度、地层倾角、走向、岩性、断层，可能遇到的复杂情况，以及油藏工程师的特殊要求等。

3．作业者对造斜点、造斜率、增（降）斜率的要求，以及安全圆柱、最大井斜等井身质量的要求。

4．了解钻井承包商的情况，如泥浆泵性能，井下钻具组合各组件的基本情况等。

二．设计原则

1．能实现钻定向井的目的

定向井设计首先要保证实现钻井目的，这是定向井设计的基本原则。设计人员应根据不同的钻探目的对设计井的井身剖面类型、井身结构、钻井液类型、完井方法等进行合理设计，以利于安全、优质、快速钻井。

如救险井的钻井目的是制服井喷和灭火，保护油、气资源。因此，救险井的设计应充分体现其目的：一是靶点的层位选择合理。二是靶区半径小（小于10米），中靶要求高；三是尽可能选择简单的剖面类型，以减小井眼轨迹控制和施工难度，加快钻井速度。四是井身结构、井控措施等应满足要求。

2．尽可能利用方位的自然漂移规律在使用牙轮钻头钻进时，方位角的变化往往有向右增加的趋势，称为右手漂移规律。如图9－9所示，靶点为T，设计方位角为j′。若按j′定向钻进，则会钻达T′点，只有按照j角方向钻进，才会钻达目标点T。Δj角称为提前角，提前角的大小，要根据地区的实钻资料，统计出方位漂移率来确定，我国海上开发井一般取2～7度。

目前流行的PDC钻头（如RC426型等），对方位右漂具有较好的抑制效果。在地

层倾角小、岩性稳定时，PDC钻头具有方位左漂的趋势，这主要是由于PDC钻头的切削方式造成的。因此，要使用PDC钻头钻进的定向井，提前角要适当地小一点。

3．根据油田的构造特征，有利于提高油气产量，提高投资效益。

4．有利于安全、优质和快速钻井，满足采油和修井的作业要求。

三．剖面设计中应考虑的问题

1．选择合适的井眼曲率

井眼曲率不宜过小，这是因为井眼曲率限制太小会增加动力钻具造斜井段、扭方位井段和增（降）斜井段的井眼长度，从而增大了井眼轨迹控制的工作量，影响钻井速度。

井眼曲率也不宜过大，否则钻具偏磨严重、摩阻力增大和起下钻困难，也容易造成键槽卡钻，还会给其他作业（如电测、固井以及采油和修井等）造成困难。因此，在定向井中应控制井眼曲率的最大值，我国海上定向井一般取7～16°／100米，最大不超过20°／100米。不同的井段要选用不同的井眼曲率，具体如下：

井下动力钻具造斜的井眼曲率取：7～16°／100米。

转盘钻增斜的增斜率取：7～12°／100米。

转盘钻降斜的降斜率取：3～8°／100米。

井下动力钻具扭方位的井眼曲率取：7～14°／100米。

导向马达调方位或增斜的井眼曲率取：5～12°／100米。

说明：随着中曲率大斜度井和水平井的迅速发展，对普通定向井的井眼曲率（或狗腿严重度）的限制越来越少，API标准中已不再规定常规定向井的狗腿严重度。

为了保证起下钻顺利和套管安全，必须对设计剖面的井眼曲率进行校核，以限制最大井眼曲率的数值。井下动力钻具造斜和扭方位井段的井眼曲率Km应满足下式：

Dc――套管外径，厘米。

2．井眼尺寸

目前常规的定向井工具能满足152～445毫米（6～171/2英寸）井眼的定向钻井要求，一般地说，大尺寸井眼比较容易控制轨迹，但由于钻铤的尺寸也较大，形成弯曲所需的钻压较大，小井眼要使用更小、更柔的钻具，而且地层因素对轨迹的影响也较大。因此小井眼的轨迹控制更困难一些。

在常规的井眼尺寸中，大多数定向井可采用直井的套管程序。如果实钻井眼轨迹较光滑，没有较大的狗腿，那么即使在大井斜井段，也能较顺利地进行下套管作业。当然，在斜井段，应在套管上加扶正器以支撑套管，避免在下套管过程中发生压差卡钻，同时提高固井质量。另外，在大斜度井段，可根据井段长度和作业时间，决定是否使用厚壁套管。

3．钻井液设计：

（1）定向井钻井液设计十分重要，钻井液应有足够的携砂能力和润滑性，以减少卡钻的机会；

（2）钻井液性能控制对减少定向井钻柱拉伸与扭矩也很重要；

（3）钻井液中应加润滑剂，钻井液密度与粘度必须随时控制。

（4）如果用水基钻井液，那么在正常压力井段，应使用高排量和低固相含量的钻井液，这样有利于清洁井眼；

（5）水基钻井液应具有良好的润滑性能，以减少钻具摩阻和压差卡钻；然而在海上钻井，一定要避免污染问题。

（6）如果有异常高压井段要求钻井液密度达到1.45克／厘米3或更高，那么应考虑在钻开该高压地层前下一层保护套管，以封固所有正常压力井段。

4．造斜点的选择

造斜点的选择要适当浅些，但是在极浅的地层中造斜时，容易形成大井眼。同时，由于地层很软，造斜完成后下入稳斜钻具时，要特别小心，以免出现新井眼，尤其是在稳斜钻具刚度大或造斜率较高时。通常地说，浅层造斜比深层造斜容易一些，因为深层地层往往胶结良好，机械钻速低，需花费较长的造斜时间。

另外，造斜点通常选在前一层套管鞋以下30～50米处，以免损坏套管鞋，同时减少水泥掉块产生卡钻的可能性。

在深层地层造斜时，应尽量在大段砂层中造斜，因为砂层的井眼稳定，钻速较快，而页岩段较易受到冲蚀，钻速较低，而且在以后长时间钻井作业，容易在造斜段形成键槽而可能导致卡钻。

5．靶区形状和范围

靶区形状与范围通常由地质构造、产层位置决定，并考虑油田油井的分布情况，靶区大小是由作业者确定的。通常认为，鞍区范围不能定得太小，很小的靶区范围不仅会增加作业成本，同时也会增加调整方位的次数，造成井眼轨迹不平滑，增加转盘扭矩，同时也增加产生健槽卡钻的可能性。

通常，靶区形状为圆形（严格地讲，应该是球形）。浅井和水平位移小的定向井，其靶区范围小一些，一般靶区半径30～50米，而深井和水平位移大的井，靶区范围可以适当地大一些，一般靶区半径为50～70米。

6．造斜率和降斜率选择

常规定向井的造斜率为7～14°／100米，如果需要在浅层造斜并获得较大的水平位移，造斜率可提高到14～16°／100米。但是，浅层的高造斜率容易出现新井眼，也容易对套管产生较大的磨损。因此，浅层造斜通常选择较低的造斜率，而深层造斜（1000米～2000米）可选择较高的造斜率。

对于“S”型井眼，通常把降斜率选在3～8°／100米，如果降斜后仍然要钻较长的井段，则必须采用较小的降斜率平缓降斜，以避免键槽卡钻，同时，可降低钻进时的摩阻力。

7．最大井斜角

常规定向井的最大井斜角，一般在15～45°，如果井斜太小，则井眼的井斜和方位都较难控制。井斜大于60°时，钻具的摩阻力将大大增加。

8．允许的方位偏移与极限

（1）定向钻进时，初始造斜方向通常在设计方位的左边（即选定导角），然后通过自然漂移钻达靶区，井眼轨迹是一条空间曲线。

（2）但是对导角也有一个限制，在井眼密集的井网中，要求定向井轨迹保持在安全圆柱内，以避免与邻井相碰。

（3）同样，由于油藏特性和地质地层条件，也对导角的大小有一定的限制。

9．井身剖面类型

在满足设计和工艺要求的前提下，尽可能缩短井段长度，因为井段短则钻井时间短。在设计井身剖面形状时，要考虑井身结构，造斜点一般选在套管鞋以下30～50米处。目前，我国海上定向井的井身剖面通常由作业者决定，往往选择“J”型剖面。

四．剖面设计

1．设计步骤：

（l）选择剖面类型；

（2）确定增斜率和降斜率，选择造斜点；

（3）计算剖面上的未知参数，主要是最大井斜角；

（4）进行井身计算，包括各井段的井斜角、水平位移、垂深和斜深；

（5）绘制垂直剖面图和水平投影图。

井身剖面的设计方法有试算法、作图法、查图法和解析法四种。我国海洋定向井通常采用解析法，并使用计算机完成。剖面设计完成以后，应向作业者提供下列资料：

（1）总体定向钻井方案和技术措施。

（2）剖面设计结果，包括设计条件、计算结果、垂直剖面图和水平投影图。

（3）测斜仪器类型和该地区的磁偏角，以及测斜计算方法；

（4）设备和工具计划。

2．二维定向井设计（解析法）

解析法是根据给出的设计条件，应用解析公式计算出剖面上各井段的所有井身参数的井身设计方法。在使用计算机的条件下，还可同时给出设计井身的垂直投影图和水平投影图。

解析法进行井身剖面设计所用公式如下（用于三段制J型、五段制S型和连续增斜型剖面）。

（1）求最大井斜角αmax。

（2）各井段的井身参数计算：

①增斜段

②稳斜段

③降斜段

④稳斜段

⑤总井深L

（3）设计计算中特殊情况的处理

①当Ho2＋So2－2RoSo＝0时，表示该井段设有稳斜段，此时可由下面三个公式中任一个公式来求最大斜角αmax:

②当2Ro－So＝0时，可用下式求最大井斜角αmax:

③当Ho2＋So2－2RoSo＜0，说明此种剖面不存在，此时应该改变设计条件，改变造斜点深度、增斜率和降斜率或改变目标点坐标。

井身剖面设计计算结果应整理列表，并校核井身长度和各井段井身参数是否符合设计要求，还应该校核井上曲率，井身剖面最大曲率应小于动力钻具和下井套管抗弯曲强度允许的最大曲率。

目前，应用计算机程序进行井身剖面设计时，设计结果列表和均可由打印机和绘图仪自动完成。

4．设计方法举例

例 某定向井设计全井垂深H=2-000米（靶点），上部地层300米至350米是流砂层，1000米至1050米有一高压水层，作出井身剖面设计。

井口座标 X1：3 246 535.0 Y1：2 054 875.0

井底座标 X2：3 245 972.95 Y2：2 054 665.0

先根据井口与井底座标，计算出水平位移和目标方位。

（1）根据提供的地质资料，在进行剖面设计时，应设法使动力钻具造斜的井段和增斜的井段避开流砂层和高压水层。

（2）对于钻井工艺及其它限制条件，在满足（l）项条件的前提下，应选择较简单的剖面类型。

（3）剖面类型选用“直一增一稳”三段制井身剖面。此种剖面简单，地面井口至目标点的井身长度短，有利于加快钻井速度。

（4）选择造斜点。根据垂直井深和水平位移的关系，造斜点应选在350米至600米间。如选在1050米以下，会使井斜角太大，是不合理的。

因300米至350米是流砂层，在井深结构设计时应用套管封固，以利于定向造斜，防止流砂层漏失、垮塌等复杂情况出现。造斜点应选在套管鞋以下不少于50米的地方为宜。因此，造斜点与井口之间井眼长度不应小于450米。

又因1000米至1050米是高压水层，为了下部井段能顺利钻进，也应考虑下入一层中间套管封住高压水层。为了减少井下复杂情况和有利于定向井井眼轨迹控制，在进行套管设计时，应避免套管鞋下在井眼曲率较大的井段中，中间套管的下入深度应进入稳斜井段150米左右为宜。在考虑上述因素后，造斜点的位置应在高压水层以上不少于400米处，也就是造斜点与井口之间的井眼长度不应大于600米。

经过上述的分析，如果造斜点应在450米至600米之间选择，那么，把造斜点确定在500米处是比较合理的。

（5）选择造斜率K为7°／100米。根据造斜率计算造斜井段的曲率半径R。

（6）计算最大井斜角αmax

R——造斜段曲率半径，米。

把已知条件代入上式得：

αmax=24.4°

（7）分段井眼计算：

增斜段

稳斜段

4．三维定向井

设计的井眼轴线，既有井斜角的变化，又有方位角的变化，这类井段为三维定向井，实际作业中，有时会碰到三维定向井的问题，大体上分为三种情况。

第一种情况 原设计为两维定向井，在实钻中偏离了目标方位，如果偏得不多，只要调整钻具组合或扭一次方位就可以了。严格地说，实钻的定向井轨迹，都有井斜角的变化和方位角的变化，这种三维定向井可以简化为二维的。

第二种情况 在地面井位和目标点确定的情况下，在这两点的铅垂平面内，存在着不允许通过或难以穿过的障碍物，不能在铅垂平面上设计轨道，需要绕过障碍，设计绕障三维定向井。在海上丛式井经常碰到这类井。

第三种情况在地面井位确定的情况下，要钻多目标井。地面井位和多目标点不在同一铅垂平面内，只有井斜角和方位角都变化，才能钻达设计的多个目标点。

三维定向井的轨迹设计和测斜计算很复杂，通常使用计算机软件完成这些工作。

第三节 井眼轨迹控制技术

井眼轨迹控制的内容包括：优化钻具组合、优选钻井参数、采用先进的井下工具和仪器、利用计算机进行井眼轨迹的检测预测、利用地层的方位漂移规律、避免井下复杂情况等等。

轨迹控制贯穿钻井作业的全过程，它是使实钻井眼沿着设计轨道钻达靶区的综合性技术，也是定向井施工中的关键技术之一。

井眼轨迹控制技术按照定向井的工艺过程，可分为直井段、造斜段、增斜段、稳斜段、降斜段和扭方位井段等控制技术，其中直井段的控制技术见第七章第四节。

一．定向选斜井段

初始造斜方法有五类，即井下马达和弯接头定向、喷射法、造斜器法、弯曲导管定向、倾斜钻机定向。目前，我国海洋定向井一般采用第一种方式，常用造斜钻具组合为：钻头十井下马达十弯接头十非磁钻铤十普通钻铤（ 0～30米）十挠性接头十震击器十加重钻杆。

这种造斜钻具组合是利用弯接头使下部钻具产生一个弹性力矩，迫使井下动力钻具驱动钻头侧向切削，使钻出的新井眼偏离原井眼轴线，达到定向造斜或扭方位的目的。

造斜钻具的造斜能力主要与弯接头的弯角和动力钻具的长度有关。弯接头的弯角越大，动力钻具长度越短，造斜率也越高。

弯接头的弯角应根据井眼大小、井下动力钻具的规格和要求造斜率的大小选择。现场常用弯接头的弯角为1.5～2.25度，一般不大于2.5度。弯接头在不同条件下的造斜率见第四节。

造斜钻具组合使用的井下动力钻具型号应根据造斜井段或扭方位井段的井深选择。使用井段在2000米以内，一般采用涡轮钻具或普通螺杆钻具，深层走向造斜或扭方位应使用耐高温的多头螺杆钻具。

造斜钻具组合、钻井参数和钻头水眼应根据厂家推荐的钻井参数设计。

由于井下动力钻具的转速高，要求的钻压小〔一般为29.4～ 78.4千牛（3～8吨）〕，因此，使用的钻头不宜采用密封轴承钻头，尤其是在浅层，可钻性好的软地层应使用铣齿滚动轴承钻头或合适的PDC钻头。

根据测斜仪器的种类不同，分为四种定向方式：

1．单点定向

此方法只适用造斜点较浅的情况，通常井深小于1000米。因为造斜点较深时，反扭角很难控制，且定向时间较长。施工过程如下：

（l）下入定向造斜钻具至造斜点位置（注意：井下马达必须按厂家要求进行地面试验）。

（2）单点测斜，测量造斜位置的井斜角，方位角，弯接头工具面；

（3）在测斜照相的同时，对方钻杆和钻杆进行打印，并把井口钻杆的印痕投到转盘面的外缘上，作为基准点；

（4）调整工具面（调整后的工具面是：设计方位角十反扭角）。锁住转盘、开泵钻进；

（5）定向钻进。每钻进2～4个单根进行一次单点测斜，根据测量的井斜角和方位角及时修正反扭矩的误差，并调整工具面；

（6）当井斜角达到8～10度和方位合适时，起钻换增斜钻具，用转盘钻进。在单点定向作业中要注意：

①在确定了反扭角和钻压后，要严格控制钻压的变化范围，通常在预定钻压±19.6千牛（2吨）内变化；

②每次接单根时，钻杆可能会转动一点，注意转动钻杆的打印位置至预定位置；

③如果调整工具面的角度较大（＞90度），调整后应活动钻具2～3次（停泵状态），以便钻杆扭矩迅速传递。

2．地面记录陀螺（SRO）定向

在有磁干扰环境的条件下（如套管开窗侧钻井）的定向造斜，需采用SRO定向。这种仪器可将井下数据通过电缆传至地面处理系统，并显示或用计算机打印出来，直至工具面调整到预定位置，再起出仪器，施工过程如下：

（l）选择参照物，参照物应选择易于观察的固定目标，距井40米左右；

（2）预热陀螺不少于15分钟，工作正常才可下井；

（3）瞄准参照物，并调整陀螺初始读数；

（4）接探管，连接陀螺外筒，再瞄准参照物，对探管和计算机初始化；

（5）下井测量，按规定作漂移检查；

（6）起出仪器坐在井口，再次瞄准参照物记录陀螺读数；

（7）校正陀螺漂移，确定测量的精度；

（8）定向钻进。

3．有线随钻测斜仪（SST）定向

造斜钻具下到井底后，开泵循环半小时左右，然后接旁通头或循环接头。把测斜仪的井下仪器总成下入钻杆内，使定向鞋的缺口坐在定向键上。定向造斜时，可从地面仪表直接读出实钻井眼的井斜、方位和工具面，司钻和定向井工程师要始终跟踪预定的工具面方向，保持井眼轨迹按预定方向钻进。

4．随钻测量仪（MWD）定向

MWD井下仪器总成安装在下部钻具组合的非磁钻铤内，其下井前要调整好工作模式和传输速度，并准确地测量偏移值，输入计算机。仪器在井下所测的井眼参数通过钻井液脉冲传至地面，信息经地面处理后，可迅速传到钻台。MWD不仅可用于定向造斜，也可用于旋转钻进中的连续测量，是一种先进的测量仪器。

5．定向造斜中的注意事项：

（1）如果定向作业前的裸眼段较长，应短起下钻一趟，保证井眼畅通。

（2）井下马达下井前应在井口试运转，测量轴承间隙；记录各种参数，工作正常方可下井；

（3）MWD等仪器下井前，必须输入磁场强度、磁倾角等参数；

（4）定向造斜钻进，要按规定加压，均匀送钻，以保持恒定的工具面。

（5）造斜钻进或起下钻，用旋扣钳或动力水龙头上卸扣，不得用转盘上卸扣；

（6）起钻前方位角必须在20～30米井段内保持稳定，且保证预定的提前角。目前，“一次造斜

到位法”也经常在我国海洋定向井中使用，这种方法适用于造斜点较浅，且机械钻速很快的造斜井段，常常配合使用随钻测量仪。

（7）井下马达出井时，按规定程序进行清洗、保养。

⑹ 钻井机械有哪些主要设备

钻机八大系统：钻井泥浆循环系统，起升系统，旋转系统，动力设备，传动系统，控制系统，井架底座，辅助设备。

1、钻井循环系统
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。

钻井循环系统

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。

2、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。

3、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。

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、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。

7、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。

8、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。