海洋石油企业模块钻机的应用及发展趋势分析
1 模块钻机定义
模块钻机（modularized drilling rig），也就是块状钻机，是指为了达到降低海洋钻井成本与钻井辅助成本的目的，将钻井装置按照模块功能，基于便捷安装的要求，分装在不同的底座上，到井位后通过简单的安装，搬家移动时能快速分拆，分块运输，是钻机实行高度集装化、安装移运性能快速化、环境适应性能广泛化和操作性能友好化的重要组成部分。控制系统、旋转系统、动力系统、防喷器系统、起升系统和钻井液循环系统等是海洋模块钻机的重要组成部分。
2 模块钻机优势
与传统的移运式钻机相比，模块钻机的拆卸、移运和安装均有比较大的优势。虽然模块钻机在移运性上稍逊于移运式钻机，但模块钻机布置灵活，钻井能力涵盖范围大，环境适应能力强，井架稳定性好，性价比相对较好 ，尤其是性能优异的交流变频驱动方式进入钻机行业之后，由于移运式钻机必须配置用于行车的柴油机，所以模块钻机则更显出在经济和技术上的优势更加明显，同时随着技术的进步，模块钻机的拆装、运输越来越方便，效率也更高。
3 国外模块钻机的现状
目前模块钻机在钻机装备制造技术发达的国家已十分成熟，获得了广泛应用。其中以Varco公司和National oilwell公司为代表，主要表现为以下几个主要特点：
一是模块钻机朝着大型化、结构形式多样化方向发展。如Varco公司生产的ADS 30Q绞车功率可达4477kW，预计钻井深度可达15000m，钻井泵的水功率达2350kW。
其次是电气传动技术的进步使得传动更加简单，特别是交流变频驱动技术的广泛使用。比如已开发出Wirth和Varco ADS齿轮传动单轴绞车，可以使用主电动机能耗制动刹车取代辅助刹车。
第三是新型一体化旋升式井架和底座、多节自升式井架的起放更安全，使模块钻机在钻井过程中更稳定，占用井场面积更小。模块钻机移运性能不断提高，能够实现快速搬迁。
第四是盘式刹车、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。
4 国内模块钻机的现状
我国模块化钻机的市场需求的启动以及模块化钻机应用技术的研究其标志事件是ZJ20K型橇装模块化钻机研制成功，并运至加拿大钻井作业，目前国内有些厂家设计开发并研制出了一批满足国内油田的模块钻机，其中最具代表性的是出口到美国的NaborsZJ704500DB型钻机，该种型号钻机代表了我国当前石油钻机的最高设计研制水平。具有模块化设计程度高，钻机布局相当合理，排列紧凑且整套钻机设备占地面积小的多种优势。
目前新建的海洋钻机大部分采用模块化的结构，各家主要是以降低建造成本、符合运转要求、质量轻便、运转方便、结构设计优化等作为主要目的，通常是在陆上建造好，然后再装船，再通过吊装设备安装至海洋平台上。也有一些模块钻机其模块划分较少，为了能够方便快捷，通过多次吊装的方法较短时间内安装到平台上，主要的区别是模块化的程度高低不同。
5 模块钻机的应用发展趋势
5.1 电驱动模块钻机将被广泛应用
模块钻机已由传统意义上的机械驱动钻机逐步被电驱动钻机所代替。与机械钻机相比，电驱动钻机具有操作安全、维护保养方便等特点，特别是全数字系统的应用，使得控制功能更完善，可靠性更高，调整更容易，更改功能更快捷，故障诊断充分，操作维护更简单。电驱动模块钻机可通过编程控制器获得机械钻机很难实现的许多功能，为实现钻井操作智能化创造了条件， 目前在模块钻机中，电驱动模块钻机占很大比重 。
电驱动模块钻机包括AC―SCR―DC的直流电驱动模块钻机和AC―GTo―AC交流变频电驱动模块钻机2类。直流电驱动模块钻机拥有成熟的控制技术，同时其投资成本相对较低，所以目前在电驱动模块钻机中，直流电驱动模块钻机应用普遍。交流变频电驱动模块钻机采用了交流变频调速技术，具有直流电驱动钻机无法比拟的优越性。它比常规可控硅直流电驱动钻机具有调速范围宽的无级调速性能；短时增矩倍数达1.5～2.0倍，既可以在低转速下恒扭矩输出，也可以进行较宽的恒功率调节；免去电动机无碳刷换向器造成火花给防爆和维护带来的麻烦；拆迁、安装方便等。交流变频电驱动石油钻机将成为陆地和海洋石油钻机发展的换代产品，目前只在海洋模块钻机中应用较多。
5.2 更加注重模块钻机的快速运移性
模块钻机的高度集成化和良好运移性，大大降低了钻机的辅助成本。提高模块钻机的快速运移性主要采用更高层次的模块化设计和轮式运输方案等方式，拆卸安装方便、快捷、省时、省力，搬家运输车次少，能够适应不同情况下的快速移动。从而大大提高大型钻机的运移性能。
5.3 钻机机械化、自动化和智能化更具优势
（1）现代的模块钻机正向着整体化钻机系统方向发展。所谓整体化钻机系统是指将所有钻井机械装备、监测仪表和数据处理设备相互联结起来构成一个标准化的系统，通过计算机网络可实现所有设备的信息共享。该系统可在中央控制室完全控制，并依此可实现先进的自动化和优化工艺，提高作业效率，降低作业成本。
（2）盘式刹车与配套控制技术。美国一些公司已完成了盘式刹车能量监控系统和自动送钻系统的研制。其能量监控系统可预先设定游车行程、钩载以及提升系统能量的合理范围，并在钻井过程中不停地监测与计算，系统将根据监测与计算数据进行不同地控制，以保证作业安全。其自动送钻系统可在送钻过程中连续采集钩载，计算钻压，并不断发出信号控制盘式刹车，实现设定目标钻压下的自动给进。
（3）顶部驱动钻井装置。该装置克服了转盘钻井方式存在的许多缺陷，尤其适合于在深井、超深井、斜井以及水平井等要求高和工况复杂下作业，比以往更加安全可靠，目前已经成为国际钻井市场上的必备装置。顶部驱动钻井装置有液压顶部驱动钻井装置和电驱动顶部驱动钻井装置，其中交流变频顶驱具有调速范围宽、电机无碳刷、防爆性能安全、功率因数高、质量轻等优点，且随着变频技术的不断完善，交流变频顶部驱动钻井装置将成为电驱动钻井装置的主流。
（4）全液压可移动模块钻机优势凸显。 全液压可移动式模块钻机彻底改变了传统石油钻机的结构模式，它利用倍程油缸和液压顶驱，代替传统钻机的井架和底盘，配以自动化工具，整套钻机自动化程度高，仅2人就可操作整套钻机进行钻井作业。该钻机作业费用明显下降，占地面积小，搬家省事，噪声低。
6 结束语
海洋石油快速勘探开发已经成为我国油气增长的重要力量，尤其是国家对于能源的巨大需求，为海上石油钻井的发展提供很大的机遇，但也对钻机设备提出更高的要求与挑战，海洋石油模块钻机自动化和智能化必将是海洋石油开采的一大趋势，需要相关从业人员加强对该领域的研究。
