“需求乃發(fā)明之母”，將這一格言應(yīng)用于石油天然氣工業(yè)也同樣貼切，尋求更佳途徑開發(fā)油氣資源的需要，正大力推動著發(fā)明和老技術(shù)新用的進程。
齒條及齒輪技術(shù)在一些眾所周知的領(lǐng)域，如齒軌鐵路、升降機與汽車工業(yè)等，已被應(yīng)用了一個多世紀，而現(xiàn)在，由于日益增長的
水平井與
定向井的需要，這一技術(shù)在油氣鉆井工業(yè)領(lǐng)域又派上了新的用場。
齒條齒輪鉆機在美國市場優(yōu)勢顯現(xiàn)
最早從事定向
鉆井設(shè)備研發(fā)的廠商之一，美國奧格公司（American Augers）已研制開發(fā)出五種型號的大鉤載荷為330,000磅的齒條齒輪鉆機，分別在美國德克薩斯、賓夕法尼亞和俄克拉荷馬州等地使用。該公司市場經(jīng)理稱，齒條/齒輪技術(shù)在未來幾年間將會使石油天然氣鉆井業(yè)發(fā)生革命性的變化。該公司還準備在美國俄亥俄州推出其大鉤載荷為500,000磅的VR 500型齒條齒輪鉆機，在這種型號的鉆機中，其齒輪將安裝在頂部驅(qū)動裝置中，頂部驅(qū)動裝置可沿安裝在井架上的齒條上、下運動。
雖然設(shè)計各不相同，但齒條齒輪鉆機的一個共同特點是其既能拉動又能推動，且應(yīng)用的是止推力而非重力。由于不使用鋼絲繩，提升部件裝置與鉆柱直接連接，從而實現(xiàn)鉆柱沿井眼軌跡的精確定位和控制。這種鉆機的機動性很強，所需的操作人員較少，噪音更小，且所需的場地面積也更小，特別適合于陸地鉆井和一些海洋鉆井，但不適用于深水鉆井作業(yè)。
美國奧格公司早在1988年就開發(fā)出了其第一臺用于水平穿越鉆井的齒條齒輪鉆機，當時該鉆機的大鉤載荷為100,000磅，所以，該公司是世界上首家消除鉆機鏈條驅(qū)動系統(tǒng)的廠家。目前該公司此類鉆機的重點是致力于鉆較淺的石油天然氣地層，傳統(tǒng)鉆機經(jīng)常會有一定的局限性。
齒條齒輪鉆機不但能夠有效鉆進更淺的地層，且同時能鉆取更多的生產(chǎn)層，原因是這種鉆機有更好的水平鉆進能力，而不僅僅是鉆出垂直井眼。使用這類鉆機鉆井時，可先向下鉆出一段垂直井眼，然后再轉(zhuǎn)向進行水平鉆進，從而將套管下到全部的產(chǎn)油氣帶，該鉆機可大大提高現(xiàn)場作業(yè)的成功率。
安全性是齒條齒輪鉆機的另一巨大優(yōu)勢。操作傳統(tǒng)鉆機時，通常需要四到五位操作人員處理鏈條、站在轉(zhuǎn)盤附近危險區(qū)操作鉆柱；而現(xiàn)在只需要二位操作人員來操縱電－液壓控制面板即可，其中一人操縱控制裝置，使
頂驅(qū)裝置上、下移動，而另一人則操縱
鉆桿裝載裝置，將鉆桿放入和取出鉆桿托架。顯而易見，這樣操作更安全。
另外，成本低和維護方便也是齒條齒輪鉆機的一大優(yōu)勢。比如美國奧格公司的齒條齒輪鉆機僅售大約295萬美元，而一臺傳統(tǒng)鉆機的價格則為大約500萬美元。而且，由于齒條/齒輪機構(gòu)所含的零件較少，所以維護更容易且成本更低。傳統(tǒng)鉆機上的鏈條、鋼絲繩和其它零件很容易卡住或是斷裂，而齒條齒輪鉆機則是一套完整的機械控制裝置，不但能實現(xiàn)更長的工作壽命且沒有需要經(jīng)常更換的復(fù)雜零件。
從環(huán)保角度講，齒條齒輪鉆機可使作業(yè)商不需要鉆太多的井眼即可實現(xiàn)開發(fā)目標，比如某作業(yè)商擁有一大塊具有多口鄰井的地帶，如果使用傳統(tǒng)鉆機的話，就需要鉆出每一個單獨的井眼而進入產(chǎn)油氣帶；而如果使用齒條齒輪鉆機的話，則僅鉆一個井眼即可進入到所有的地層，由于能夠鉆到整個區(qū)域并下入套管，所以整個的生產(chǎn)層都會暴露無遺。
鉆井新技術(shù)促進齒條齒輪鉆機發(fā)展
雖然齒條齒輪鉆機的長處和優(yōu)點顯而易見，但為何這種成熟技術(shù)許久都未被鉆井工業(yè)所接受呢？業(yè)內(nèi)人士認為，一是由于經(jīng)濟方面的原因，鉆井承包商總是以實現(xiàn)利潤為第一目標；二是由于鉆井工業(yè)界相對保守，任何新產(chǎn)品總是要經(jīng)過較長的一段時間才會進入市場。水平及定向鉆井活動的飛速發(fā)展為齒條/齒輪技術(shù)的發(fā)展起到了催化作用。
根據(jù)具體的鉆井用途，已有多家公司相繼推出了各具特色的齒條齒輪鉆機。
挪威的TTS Sense公司已推出了多臺大鉤載荷為125～250噸的多功能陸上齒條齒輪鉆機，可廣泛用于鉆井、欠平衡鉆井、小井眼鉆井修井、一般性修井、不壓井作業(yè)、老井重鉆和開窗側(cè)鉆等。與傳統(tǒng)的開放式井架不同，齒條齒輪鉆機的特點是封閉式井架設(shè)計。齒輪位于井架內(nèi)，其作用是帶動齒條模塊，從而使齒條能夠向上運動以便提升、向下運動以便送鉆。TTS Sense公司的策略是，首先在其先進的海上鉆井裝置上應(yīng)用其所開發(fā)的技術(shù)，然后再推廣到陸上鉆井領(lǐng)域。該公司所開發(fā)的齒條齒輪鉆機具有以下顯著優(yōu)點：
齒條齒輪機構(gòu)消除了對絞車、鋼絲繩、滑車和大鉤的需求；齒條齒輪鉆機的推動/拉動能力特別適用于控制壓力鉆井、上部井段鉆井、套管鉆井、長水平井段鉆井以及不壓井作業(yè)；重力中心隨著齒條（而不是整個機械）的運動而保持在低位；不需要使用鋼絲繩；齒條/齒輪機構(gòu)能提供比傳統(tǒng)鉆機更長的使用壽命。
該公司的齒條齒輪鉆機能夠快速地在修井、鉆井和不壓井作業(yè)間進行轉(zhuǎn)換，而且還可以配置一種注入頭以便使用撓性油管。有的齒條齒輪鉆機可以裝配自動鉆桿處理系統(tǒng)和全集成控制系統(tǒng)。
齒條齒輪鉆機的通用性很強，容易適應(yīng)不同的作業(yè)需求。這類鉆機的自動化程度高、安全性好、噪音小、能夠快速的搬遷和安裝，而且由于其對鉆柱的控制良好，十分有利于各種
井下作業(yè)。齒條齒輪鉆機的這種多功能性對鉆機業(yè)主將頗具吸引力。
TTS Sense公司早在上世紀九十年代就涉獵了該技術(shù)領(lǐng)域，當時，該公司的前身——工程及鉆井機械(EDM)公司，在2001年曾向Breitburn Energy公司銷售過一臺齒條齒輪鉆機。此鉆機目前仍在使用，負責近40口井的維護。在2005年，該公司又為歐洲市場設(shè)計了一種齒條齒輪鉆機，該鉆機還配備了一套自動鉆桿處理系統(tǒng)和一套AC驅(qū)動頂驅(qū)裝置，該裝置通過一個可收縮托架永久性地安裝在井架上。
到目前為止，TTS Sense公司共向全世界銷售了40臺齒條齒輪鉆機，有17臺分別在加拿大、匈牙利、澳大利亞、約旦、突尼斯、泰國、印度、墨西哥、及英國利物浦海灣的海上應(yīng)用。2008年TTS Sense公司又與
威德福鉆井公司簽訂了一項7臺Ultrasingle 150噸型拖車安裝陸地鉆井用的齒條齒輪鉆機制造協(xié)議，這些鉆機將于今年開始投入使用。
位于美國俄克拉何馬州的Akerman Construction公司的子公司——Horizontal Well Drillers (HWD)公司，在美國各地共有7臺在用的齒條齒輪鉆機，包括德克薩斯、賓夕法尼亞、俄亥俄、印地安那州，這些鉆機的大鉤載荷為330,000磅，但其負荷設(shè)計可達到440,000磅。這些鉆機為全自動型鉆機。
該公司的齒條齒輪鉆機最初是為水平穿越河床非開挖作業(yè)而開發(fā)的，3年前又將其改進為油用鉆機。該公司稱其每月可向油田投放一臺此類鉆機，除了美國市場外，公司還接到了來自墨西哥、巴西、俄羅斯、科威特和其它中東國家以及加拿大的詢價。該公司認為，從鉆機的大小來說，齒條齒輪鉆機確實小巧精致且重量很輕，同時又能提供巨大的動力，有一家鉆井作業(yè)商甚至計劃將這種鉆機安裝到路易斯安那沼澤中的駁船上使用。另外，齒條齒輪鉆機還能被設(shè)計的適用于非常小的占地位置，使其能在有大量城市基礎(chǔ)設(shè)施建筑群的地區(qū)應(yīng)用。
HWD公司齒條齒輪鉆機的主要優(yōu)點是消除了滑輪和吊升系統(tǒng)。傳統(tǒng)鉆機不能施加向下的力，使用傳統(tǒng)鉆機鉆井時，一定要先鉆出一定深度的直井然后才能得到所需的重力進行造斜；但齒條齒輪鉆機就不同了，這種鉆機既能提供拉力又能提供推力，即其頂部驅(qū)動本身能施加推力，只要需要就能向鉆桿施加向下的動力。同時，該公司的齒條齒輪鉆機所需的占地面積僅為傳統(tǒng)鉆機占地面積的四分之一左右。而且由于其機動性很強，只需要8輛卡車就能搬遷整個鉆機；節(jié)約燃料是這種鉆機的另外一大特點，其燃料消耗僅為傳統(tǒng)鉆機的40%~50%，因此使用這種鉆機的成本也是最低的。
直井用齒條齒輪鉆機升級換代
HWD公司總裁稱，在為水平井和定向井開發(fā)此類鉆機的同時，該公司還將這種鉆機用于直井鉆井用途，鉆井深度可達13,000英尺。該公司發(fā)現(xiàn)，認為齒條齒輪鉆機只適合于鉆淺層油氣井的看法是一種誤解，根據(jù)該公司的研究， 有92%的2007年在美國所鉆的井都可以用這種新型鉆機進行鉆進。
在設(shè)計了首臺其初衷是用于水平鉆井的原型鉆機后，Max Streicher公司（一家德國公司）也發(fā)現(xiàn)用齒條齒輪鉆機技術(shù)打直井的諸多優(yōu)點，目前該公司的市場重點就是歐洲直井市場。2005年，該公司開發(fā)出其第一代用于直井鉆井的齒條齒輪鉆機，該鉆機可鉆達5,000米 (16,000英尺)的深度。
Max Streicher公司齒條齒輪鉆機的一個關(guān)鍵特點就是其結(jié)構(gòu)模塊性很強，在歐洲的任何公路上都可以用卡車來運輸。其另一特點與上述幾家公司的產(chǎn)品相同，既能提供推力又能提供拉力，所以消除了對鋼絲繩和相關(guān)零件的需要。該公司共有3臺齒條齒輪鉆機在歐洲使用，一臺在荷蘭，兩臺在德國（其中一臺被用于在慕尼黑附近打地熱井），在荷蘭的一臺被用于NAM公司（
殼牌和
�？松梨�公司的一個子公司）的一個氣體鉆井項目。
該公司齒條齒輪鉆機的基本結(jié)構(gòu)是有2個齒條裝置被安裝在一個封閉的井架的每一側(cè)，在頂部驅(qū)動裝置中有6臺液壓馬達，每一側(cè)3個，用于驅(qū)動齒輪，齒輪再將動力傳送給固定的齒條。用于上、下驅(qū)動頂驅(qū)裝置的馬達是與頂驅(qū)裝置集成在一起的，當齒輪運動時，頂驅(qū)裝置即可上、下運動，液壓動力是通過牽引鏈所提供的。
Max Streicher公司計劃，在今年早期推出兩種型號的第二代直井鉆井用齒條齒輪鉆機，分別用于陸地和海上鉆井。其第二代鉆機將更為小巧、結(jié)構(gòu)模塊性更強且占地面積更小，將會是高度自動化和機動性很強的齒條齒輪鉆機。該公司的目的是提供一種自動化程度更高、操作更為安全、且操作人力成本更低的鉆機。高度安全性、結(jié)構(gòu)模塊性和高度機動性的齒條齒輪鉆機正為鉆井工業(yè)開辟一個全新的市場。
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