(一)總體設計技術

石油鉆機是完成石油鉆井任務的主要工具。從其出現之日起，就與鉆井工藝密不可分。相互促進，共同發展。隨著科學技術的不斷發展，國內外鉆井技術和裝備也得到了長足的發展?；仡欍@井技術和裝備發展的歷史，可以看到促進鉆井技術及裝備的發展的動力主要有：提高勞動生產率，降低勞動強度；降低消耗；提高可靠性、安全性和環保要求；以及經濟性要求——將成本降到最低。對鉆機的要求可從鉆井工藝的發展需求上看出：

※鉆井速度更快

1、起升系統能力不斷加大

隨著鉆井工藝的不斷完善，特別是隨著定向井、水平井鉆井工藝的不斷成熟，鉆井深度不斷加大，或有一些大斜度井、水平井，雖然垂直深度并不大，但水平位移大。這就要求鉆機的起升能力不斷加大。更由于海洋深水鉆井作業的需要，使鉆機的起升能力達到空前的高度。如今，鉆井深度為7000m的鉆機已很普遍，9000m～15000m鉆機也已出現，15000m以至更大鉆機的出現也是指日可待的。隨著鉆機起升能力的加大，也伴隨著如頂驅、鉆井泵等裝置的不斷加大，從而引起鉆機設計、制造上的不斷突破。

2、絞車、鉆井泵功率不斷加大

在起升能力加大的同時，要提高鉆井效率，必須要提高絞車和鉆井泵的功率。絞車功率已從2205kW（3000hp）到2941kW（4000hp）以至出現了4412kW（6000hp）的絞車。鉆井泵也從735kW～956kW（1000hp～1300hp）到1176kW（1600hp）以至出現了1618kW（2200hp）的鉆井泵。同時，鉆井泵的最高泵壓也從20MPa升高到35MPa。鉆井泵功率的加大和配置臺數的增多，以及最高泵壓的加大，也使得實現深井和超深井的高壓噴射鉆井工藝成為可能。也就提高了鉆井的效率。

3、控制參數不斷增多

為不斷提高鉆井速度和鉆井效率，特別是隨鉆測量系統的不斷成熟，鉆進過程中司鉆要監視和控制的參數也不斷增多。從原有的鉆壓、轉速、泵壓三個主要參數，增加到8～10個之多。這就要求鉆機的測量控制系統有更高的能力。在加裝多參數測量儀的基礎上，又出現了數字化鉆機，以至智能化鉆機。當然，計算機技術和現代通訊技術的不斷完善和全面普及，無疑是促進鉆機向數字化，以至智能化方向發展的強有力的推動力。

4、輔助設備不斷增多

為不斷提高鉆井速度和鉆井效率，減少工人的勞動強度，井場輔助設備也不斷增多。主要體現在：

(1)鉆井液固相控制設備的增多：鉆井液固相控制設備由原有的振動篩、除砂器、除泥器、除氣器，增加了離心分離機，（真空）除氣器。鉆井液配置設備也增加了如剪切泵，出現了密封的添加劑加入裝置等。

(2)氣液分離設備和油水分離設備的增多。

(3)井口機械化程度不斷提高：液壓套管扶正機、二層臺液壓機械手、鉆柱機械化上下臺設備。

(4)氣源凈化和強制冷卻設備等專用輔助設備。

※適應性更廣

1、鉆機分檔合理

2、驅動方式多樣化

3、機械化程度不斷提高

4、自動化程度不斷提高

5、智能化程度不斷提高

6、新型鉆井方式不斷出現

※消耗降低

1、功率分配更合理

2、結構設計更巧妙

3、占地面積小

4、短距離整體移動

5、完井方式的改變

※可靠性、安全性、環保要求不斷提高

1、部件、整機的可靠性要求不斷提高，故障停機時間有嚴格要求。

2、部件、整機的可維護性提高，在規定的時間內可修復。

3、HSE（健康、安全、環保）要求提高。包括HSE設計理念和HSE管理體系的形成。

※經濟性要求不斷提高

1、鉆機配套更靈活。

2、鉆機根據不同環境需求專門設計、制造。

3、轉盤、鉆井泵要求獨立驅動

※靈活性提高

1、配套更靈活

2、運移方式多樣化

3、井架形式多樣化

4、底座形式多樣化

◎概括起來，鉆機設計、制造的趨勢如下：

1、全面規劃、合理布局

制訂標準，使絞車按功率合理分級，鉆機按鉆井深度合理分級，常規鉆機嚴格按標準設計、制造，使用戶更方便的選擇，更靈活、經濟的使用鉆機。

2、部件標準化設計制造

鉆機大部件，如：絞車、大鉤、游車、水龍頭、鉆井泵等，按標準分級成標準化的部件，鉆機設計時像搭積木式的選用即可。

3、鉆進驅動方式多樣化

現有轉盤驅動、底部驅動、頂部驅動和復合驅動等驅動方式，可供用戶根據需要選擇。

4、測量控制系統進一步加強

測控系統從井口控制到井底測量多點測控，安全監控，信息自動測控傳遞，直到智能化鉆機、數字化鉆機。

5、輔助設備機械化程度進一步提高

如配備鉆柱自動排放和上下臺裝置、鉆井液處理設備、防噴器吊裝裝置等。

6、適應新工藝的發展

新型鉆機不斷出現，如小井眼鉆井鉆機、套管鉆井鉆機、連續管鉆井鉆機、膨脹管鉆井鉆機等。還有如欠平衡鉆井鉆機、空氣鉆井鉆機、泡沫鉆鉆井鉆機等。

◎目前各級鉆機的發展趨勢

1、對3 000 m以下的鉆機，由于鉆井載荷小、鉆井周期短、搬家頻繁，要求鉆機要具有良好的移運性、經濟性、技術先進性和可靠性。根據地域條件和運輸條件的要求，可分為車裝鉆機和撬裝鉆機兩種形式，應大力推廣車裝鉆機，同時發展撬裝鉆機，電力供應充足的地區，使用電驅動鉆機。今后需要開發高速柴油機、阿里遜傳動箱和小節距傳動鏈條。

2、4 000 m鉆機是當前乃至今后一個時期內在國內使用的主力機型鉆機，市場需求量較大。該級別鉆機要充分體現結構緊湊、運輸單元少、拆裝方便、移運快捷、可靠性高、價格適中等特點。對于該級別鉆機應以機械驅動鉆機為主，其重點是發展機電復合型鉆機、適當發展交流變頻電驅動鉆機。

3、5 000—9 000 m鉆機，由于多用于鉆探井、深井和開發井，對該級別鉆機要求技術含量高、性能先進、質量可靠、操作維修簡便、機械化、自動化、智能化程度高，并具有良好的移運性。

4、提高鉆機集裝化程度和高移運性能，是今后亟待解決的重點。大型鉆機應采用輪式運輸方式；中、小型鉆機應采用獨立驅動大模塊運輸形式或車載形式。要實現的關鍵是必須對模塊合理組合，簡化傳動結構、減小設備外形尺寸和減輕設備重量等方面下功夫。

5、10000 m級鉆機在國內尚屬空白，為適應向更廣闊領域及更深層埋藏油氣資源勘探開發的需要，應積極進行前期開發。

(二)鉆機主機

經過50多年的努力，特別是改革開放后20多年的發展，目前國產石油鉆機已經形成了比較完整的系列，在品種和質量上基本能夠滿足在國內不同地區、不同井深和不同環境條件進行油氣資源勘探，開發的需要。近年來還有相當數量的國產鉆機在國外承擔鉆井服務。寶雞石油機械廠、蘭州蘭石國民油井石油工程有限公司、南陽二機廠、江漢四機廠等鉆井設備制造廠已開發和生產了2 000～9 000 m機械驅動鉆機、機電復合驅動鉆機和整拖式、輪式半拖掛整體移運式鉆機；研制了4 000～9 000m各型直流電驅動鉆機、交流變頻電驅動鉆機和3 000 m以下各種車裝及撬裝鉆機。發展方向主要有：

1、提高鉆機的鉆深能力

目前，我國石油鉆機最大鉆深能力為9000 m(4-1/2英寸鉆桿)，滿足不了勝利、塔里木等油田超深井陸上油田鉆井的需要，更滿足不了陸上及海上鉆超深水平井及大位移井的需要，也滿足不了我國工程技術服務隊伍出國作業的特殊需要。目前，我國鉆機絞車的最大功率為1471 kW，而美國Varco 公司的交流變頻絞車功率已達5220kW，德國Wirth公司生產的交流變頻鉆機絞車已達4922kW，鉆深能力可達15 000m。

2、研制大型拖掛鉆機

拖掛鉆機的主要優點是移運性好，搬家車次少、時間短，節約成本，適于在沙漠、平坦地區作業。特別在沙漠地區，如用陸上常規鉆機鉆井，其運輸將成為主要問題。我國拖掛鉆機最大鉆深能力為5000 m，而在美國7000m拖掛鉆機的技術已很成熟，顯然我國拖掛鉆機滿足不了工程技術