最早的陆上钻机使用竹子和铁等材料由马或牛等动物提供动力。这些钻机采用冲击式钻井反复升降重型铁钻头以形成井眼——有效但速度缓慢。到 1859 年埃德温·德雷克Edwin Drake在泰特斯维尔Titusville钻井时蒸汽机已被引入用于将金属管下入地壳。到 1950 年代蒸汽动力钻机被柴油发动机取代。1960 年代出现了自升式钻机——从井架到桅杆的过渡。1970 年代使用现场发电机供电的电力系统被引入以驱动钻机上的系统新型井下工具的出现使钻井人员能够在旋转的同时进行定向钻井。1980 年代中期首个可导向钻井系统问世。很快演变从钻台和井下延伸到了司钻房doghouse即司钻舱。机械手刹和脚踏系统消失了取而代之的是触摸屏和操纵杆。陆上钻机已经走过了漫长的道路。提升能力和安装需求是旧式钻机设计的关键驱动因素而非物料存储和移动能力。旧的钻台配置被改造以适应管柱处理设备而不是被设计为集成管柱处理设备。这些设备不受井场尺寸或多井丛式井能力的驱动。大部分变化随着新千年的到来而发生到 2010 年似乎每年都会有新的创新被整合到陆上钻机设计中——从允许丛式井和批量钻井的大型可变滑移系统到以应用程序驱动效率和安全性的自动化。陆上钻机的大部分创新都可以追溯到海上领域的发展。许多后来成为陆上标准的技术都起源于海上其中最重要的技术转移之一始于 1990 年代——顶驱。我们大多数人都来自海上所以我们对陆上钻机没有先入为主的观念Helmerich PayneHP全球工程支持总监克里斯·梅杰Chris Major说。甚至在 HP 将老旧的海上钻机改装为顶驱钻机之前我就已经在海上钻机上安装 Varco TD-4 或 Maritime Hydraulics DDM 650 了。但海上顶驱是标准配置。事实上如果你的海上钻机没有顶驱就根本拿不到合同。后来我们开始与国际上的超级大公司合作这成为深井、国际陆上钻机的合同标准——在这些大型陆上钻机上使用同样的海上顶驱。这让我们开始思考未来。未来促使 HP 高管就公司发展方向做出重要决策。随着 2000 年的临近管理层传出消息HP 将成为一家顶驱钻机公司。在接下来的几年里交流AC顶驱被安装在硅控整流SCR式钻机上。不久目标转向改造整个车队。人们都在抵触和抱怨梅杰回忆道。我们很多团队都不想要这些。甚至作业者也不想要。我们试着和他们协商看看能否覆盖采购成本最终我们设法说服了他们。但我们的运营人员甚至也不想要这些东西。他们看到了高成本、停机时间和学习曲线但我们的领导层致力于解决这些问题并找到解决方案。所有人都质疑这一举措。在 NOV1990 年代中期的主流观点是顶驱不可能从海上迁移到陆上因为陆上钻机结构本身无法承受。这就是为什么你看到所有顶驱中间都有那根大黄梁NOV 首席技术官/首席营销官大卫·里德David Reid说。我们必须把所有的载荷和扭矩都传递到钻机底座。一旦我们解决了这个问题因为老式的 Bowen 装置——它是直列式的所以泥浆管线穿过电机——是一个非常紧凑的组件。直到我们开始思考这个问题因为我们正在把它们安装到海上钻机的桅杆上。同样的问题桅杆不适合承受扭矩。一旦实现我们真的没想到它会成为如此重大的事件。我的意思是在我们有了更小的 Reliance 电机后我们做了几个因为我们不再通过主齿轮箱运行那是非常典型的 Varco-IDS 式设计。这些电机安装在后面。但一旦有了更小体积的感应电机就真的改变了一切。顶驱为陆上钻井带来了多项效率提升。顶驱在 1990 年代之前主要用于海上当时陆上应用开辟了新的市场和新的陆上钻井方式。首先使用立根stands钻井成为可能。立根是多根连接在一起的钻杆可以一次性添加到钻柱中而不是一次添加一根单根。传统上钻井队需要一次向钻柱添加一根单根一根长度的钻杆这非常耗时。通过事先将两根或三根钻杆连接成一根立根钻机可以在一次操作中将更多钻杆添加到钻柱中通过减少停钻加钻杆的频率来提高钻井速度。这一进步使得能够回拉立根并使用预先离线组装的立根进行钻井。此外钻井人员现在可以进行倒划眼back-ream以清理和修整井眼。其次是定向钻井——另一项从海上转移而来的创新。顶驱在陆上钻机上的应用使定向钻井成为可能这在 2000 年代页岩气热潮到来时变得越来越重要。图片大约就在那时机车行业开始在柴油电力机车中采用交流驱动技术——这一应用催生了交流钻机的诞生。将顶驱集成到交流驱动系统中并以可扩展方式部署的钻机对钻井行业来说也具有革命性意义。起初并不受欢迎然而没有它行业就无法钻出当今的现代井。我记得和我们的领导层一起坐飞机当时我的老板正在传递一些关于柴油机车中使用的交流驱动技术新进展的信息梅杰回忆道。我们开始研究这个我们当时想的是一台能够拥有 100% 扭矩和零转速的机器。突然我们意识到嘿那听起来像是一台绞车。那听起来像是一台天车。里德补充道我们比火车落后了大约 10 年。当我们转向直流时我们做的只是从火车行业捡来牵引电机。最初的想法是如果他们要淘汰这些旧电机我们可以把它们引进来。老式的 GE 752 无处不在——你的绞车、你的转盘、你的顶驱——而互换性的想法就是其背后的逻辑。就是我们可以购买二手、翻新电机的想法推动了最初的顶驱发展但从来没有人想过那些东西能在陆上使用。交流电力打开了新局面当交流钻机被开发出来时它是第一台专为丛式井钻井设计的钻机。丛式井钻井是解决一个关键作业需求的方案从单一位置钻多口井。当时单口井是一排排钻的但丛式井钻井尚未普及。HP 设计了一种钻机并结合制造能力在相对较短的时间内建造了数百台钻机。这种对丛式井钻井需求的转变加上新型交流钻机设计最终促成了美国页岩气革命。交流电是颠覆性的梅杰说。我们考虑的是真正的游车控制即精确控制。我们当时并没有想到钻井应用程序以及我们后来接触到的一些东西比如金融科技或 SCR 型钻机上的软扭矩。我们只是想拥有游车控制和反馈、精确的司钻控制以及一个带触摸屏的空调舱室而不是钻台上那个旧的刹车手柄。虽然对美国页岩气热潮很重要但最初推动交流钻机上市的原因更多是对现代钻井钻机应该是什么样子的普遍重新思考而非任何特定的需求或应用。HP 在其 FlexRig 车队中引入了交流电驱动的 Flex3 钻机设计——这是一款没有任何客户要求承包商建造的钻机。这更多是关于将改变游戏规则的技术推向台前而非满足需求。公司承担了风险首批 Flex3 钻机于 2002 年开始出厂。Helmerich Payne 的 FlexRig 被许多人认为是现代陆上钻机演变中的一个里程碑。他们非常注重性能销售更好的性能里德说。在此之前的一切都是价格。他们开始区分更贵和物有所值然后培训船员以确保安全。他们开始与行业的发展方向相匹配。所以在交流电之后司钻舱变成了街机游戏而不是手刹。这真的是电子司钻再一次HP 推动了它。FlexRig 车队包括后来的 Flex4 和 Flex5在随后的几年里为 HP 取得了巨大成功帮助公司从 2001 年仅 3% 的市场份额增长到 2010 年代中期在美国陆上约 20% 的市场份额。将步行钻机引入全球车队有助于将 2016 年至 2022 年的井周期时间缩短超过 35%。曾经需要 3 到 5 小时的从释放到开钻的滑移现在使用步行技术可以缩短到 1.5 小时。连接到后场的电源供应和增加的旋转自由度确保了大多数步行钻机在井间转换时无需断电。如果你想想我们早期在阿拉斯加就做过轮式系统那是因为你只是想钻井并移动这个巨大的钻机结构它设计用来让我们所有人保暖里德说。我们几乎要住在这些东西上。它们几乎就像陆地上的平台。当你在寒冷环境中时步行钻机更好。如今的步行钻机使用液压腿在钻井位置移动长达 500 英尺约 152 米无需额外的重型运输设备消除了组装和拆卸某些部件的需要。步行腿还可以适应不同的地形包括不平整的表面和斜坡使到达更难进入的区域成为可能。步行组件的开发考虑了多种场景但对于解决下一代非常规钻井的许多需求至关重要。步行钻机允许更宽的井排间距并在单一钻井区域内放置更多排井。真正控制我们移动距离的是返出管线的坡度和泥浆系统的重力回流梅杰解释道。所以我们开始思考——如何步行如何使用所有这些轨道如何减少连接时间组装或连接钻井钻机各个部件所需的时间如何覆盖大多数井场我们仍然要处理现有的井口并试图避开它们。你必须处理这个问题。另一件事是你在进行丛式井钻井。当我们平移并越过刚刚钻过的井进行管柱处理时我们如何解决这个问题步行、侧骑side-saddling以及预留井口间隙是我们能做的最灵活的事情。然后我们开始考虑是否想被返出管线束缚。这就是为什么我们开始在我们的版本上做。我们有泵回系统。我们试图创建一个几乎适用于美国任何丛式井钻井位置的设计。这就是推动它的原因梅杰说。机器人技术。人工智能。自主钻井。陆上钻井的未来很大程度上取决于行业利用和应用新技术的能力这些技术将再次推动效率和安全性。已经有机器人在二叠纪盆地Permian Basin的井上进行钻杆连接。除了提供钻井任务的一致性和效率外新的自动化解决方案还允许将人员从钻台上的红色危险区域red zones移除。另一个正在关注的领域是可持续性这可能导致更多具有储能能力的混合动力装置。随着焦点从蛮力转向智能从任务转向流程演变将继续。今天的钻井方案并非一刀切它们考虑了多种因素包括公司规模、地理位置以及井间距、压裂间距和最佳丛式井尺寸等具体特征。新的考虑因素不断被加入。基于持续的演变未来的能源格局可能需要更多方式将现代陆上钻机转变为未来的钻机。随着作业者增加对能源转型的参与钻井能力必须进一步演变以钻地热井并探索额外的机会。
