一文搞懂钻井系统工作原理及设备

石油钻井工程是每个开发工作者需要了解的，本篇文章转载自知乎，作者是梁chuck。诙谐有趣深入浅出的将复杂的钻井系统讲解的很清楚，绝对是了解钻井工程的经典资料。如果作者觉得有任何冒犯，请及时联系，会第一时间处理。下面是正文：

谢不邀，主动来答。

就让我这个学院派来仔细捋捋吧，欢迎大家前来指正。（多图杀猫）

由于钻井设备的型号样式的复杂和繁多，我在文章内举例所使用的图片都是示意用的，并不代表该类型设备只有一种。

整套石油钻机分为八大系统，它们是……

我知道这么教科书式的内容大家一定没有兴趣看，我们直接来实际的吧。

我们来假设我们要打一口井采油。（也可以是气，原理差不多，先忽略）

首先我们需要做什么：

挖土。

大家想象一下我们敬爱的将军拿起铲子呼哧呼哧地挥舞的情景。将军挖土用铲子，石油钻采我们用钻头，钻头是这样的：

不好意思，我拿错道具了，真·钻头是这样的：

我们钻机的钻头钻进（挖土）的时候要上下起升（挥舞）。

所以我们需要一个起升系统。

来，大家记住了么，第一个系统是起升系统。用做挥舞钻头的，用行话来说，起升系统是为了起下钻具、更换钻头、控制钻头送进、下套管等。

起升系统包括的设备有：

• 井架，用以悬挂游动系统；
  

• 游动系统（天车游车大钩钢丝绳）；
  

• 绞车、辅助绞车、辅助刹车；
  

• 其他（忽略）。
  

同学们不理解很正常，我们继续拿将军……身边的小喽啰举例：

相当于人体，井架的作用主要是承受重量，稳定设备的。

我们来张真·井架：

专业术语描述井架的功能是：用于安放和悬挂游动系统、吊环、吊卡等，并承受井中钻柱重量，在起下钻作业时要存放钻杆或套管。

说人话是：挂东西，放东西的。

OK，我们继续往下，游动系统。

首先由前面井架部分我们了解，游动系统是被挂在井架上面的。然后游动系统由天车、游车、大钩、钢丝绳组成。（上下级关系混乱的同学可以回上面复习一下）

我们继续请出喽啰同学：

天车由天车架和滑轮组以及一些辅助滑轮组成。

天车架就是一个架子，滑轮组就是初中物理里面的滑轮组……

架子是固定用，滑轮组……问你物理老师去。（再次偷懒）

就不上实物图了，那就讲太细了。

游车就是在井架内部上下动的动滑轮组，完。（偷懒*3）

大钩就是大铁钩。我来示意一下：

嘶嘶……你怕了么

真·铁钩我们可以在上面真·井架那张图可以看到，黄色矩形物就是。来张高清素颜：

大钩就是钩东西的，我们钩的是钻杆和钻头之类，后面再讲钻杆钻头。

恩，然后是钢丝绳。同学们可以结合一下滑轮组展开想象，我就不细讲了。（偷懒）

游动系统我们略过不少，我们往前走不回头来看绞车。

我直接上一张真·绞车，大家就知道是啥玩意了。

黑色那根就是钢丝绳，我们可以通俗地理解，绞车就是收放绳子的。行话里绞车的功能很多很重要，种类也很多。但是我这里就不讲，你来打我啊。

还有辅助绞车和刹车，我们意会一下就好了。

起升系统，完。

我们来复习一下：

起升系统包括的设备有：

• 井架，用以悬挂游动系统；
  

• 游动系统（天车游车大钩钢丝绳）；
  

• 绞车、辅助绞车、辅助刹车；
  

• 其他（忽略）。
  

下面我们来看旋转系统。

旋转系统是为了旋转钻头破碎岩石，我们来示意一下。

旋转系统包括的设备有：

• 转盘+水龙头/顶部驱动钻井系统
  

• 钻柱/钻铤/方钻杆
  

• 钻头
  

我画一个写实风格的示意图：

我们首先来看顶部驱动系统（顶驱），它的下级关系是这样的：

顶驱：

• 钻井马达
  

• 水龙头
  

• 钻杆上卸扣装置
  

• 其他设备
  

我继续飞快地略讲内容：

马达是转动的动力源，转动下方的机构；

水龙头是注水的，在后文在讲；

钻杆上卸扣装置是上下钻杆的。什么是上下钻杆呢？

钻井深度通常高达上千米。

我们石油行业的人一般会制造一根一万米的管子，想打多深就割多长。

我就是在逗你。

一根钻杆的长度通常是6~13m。我们钻进去一定深度之后要接上一根钻杆，行话叫接单根。钻杆上卸扣装置就是等于爪子，打开爪子，接一根，收爪子，往下钻。

其他设备我们忽略。

旋转系统我们讲完了。

是不是有细心的同学发现了。

“老师，前面提到的转盘还没讲。”

转盘的作用和顶驱是一样的，都是提供转动的扭矩，其原理是锥齿轮：

马达通过轴-锥齿轮-轴转动钻杆。

因为转盘相对顶驱有很多劣势，未来的趋势是顶驱钻机。因为转盘太简单不是重点我们不考。（其实并没有考试）（经过

@周津捷

同学的指出，目前陆地钻机使用的还是转盘为主。但是我懒，就不加内容了。）

讲完上部，我们看连接的钻杆——一根中空的管子。

完。

讲完钻杆，我们看最下部的钻头——略。

完。

……

……

不要说我讲太少，我可以说一句无可奉告，但是你们又不高兴，我怎么办？我讲的意思，不是说这个设备是多先进多精密，你问我高端不高端，我说高端，你们又不满意。

……

……

其实具体尺寸性能是一个很复杂的东西，只有真正专业的人员才有兴趣才能讲深入，我在这里科普一下大家领会精神就好了。

我们复习一下。

旋转系统：

• 顶部驱动钻井系统
  

• 钻井马达
  

• 水龙头
  

• 钻杆上卸扣装置
  

• 其他设备
  

• 方钻杆/钻铤/钻柱
  

• 钻头
  

下面是循环系统。我们顾名思义，循环就是circle嘛，就是毅种循环嘛……

我们先来设想一下，钻头钻出一个深深的洞（井），洞里面的土去哪了？

当然是运去了南海的珊瑚礁上面了！（并不是）

以前是打一段洞，运一筐土。挖着挖着，不对啊。我打了1千米的洞还得把1千米的管子拉上来捞泥土（岩屑）。

有人就问了：老师，能不能给力点？

于是有人就仿照血液循环的原理，用液体（钻井液）将泥土（其实是碎岩）带上来。

照例我们再来一发写实的示意图：

所以水龙头是进水的，然后往下压，从钻头射出，将岩屑带上来。

其专业术语就是：清除井底已破碎的岩屑和正常连续钻进。

我们同样来一张关系表：

循环系统：

• 钻井泵
  

• 地面管汇
  

• 钻井液池/槽
  

血液循环的重点是血液，钻井液循环的重点也是钻井液。

我们先从最开始说起，血液的产生是源自造血干细胞……不好意思走错片场了。

钻井液当然是人造的，它有气态的、液态的。它的成分很复杂种类也很多，有空气氮气，有淡水盐水原油乳状液化学药剂……

通常我们是根据地质条件来调配其成分的，而且先进的研究院有自家的秘方。

因此钻井液是石油工业里面较大较重要的一个分支。

这张经典的图片就是王进喜调配钻井液控制井喷的瞬间。

我们如果没压力没控制好，原油从地下喷上来，带着硫化氢和天然气，遇到明火，通常就是一场灾难。基本就是碰到人烧人，碰到机器熔机器。

王进喜当时跳进钻井液里面，用人体搅拌钻井液（泥浆）和水泥，为的是将增大比重，灌进井内把外部的压力提高，防止原油不受控制地喷上来。

好了，我们假设已经有了足够多的钻井液。

那么开始的起点就是心脏（钻井泵）。

心脏将血液泵入血管（管道）中；

路经各种分支（管汇）；

进入目标血管（钻杆）；

将坏死的细胞（岩屑）带上来。

然后我们痛痛快快地撒一泡尿排出体外。（并不是）

混合泥、沙、石头的钻井液通过分离、过滤等手段重新进入泵，循环使用。

我们的循环系统就随着钻头钻进，将岩屑排出，大大地提高了效率。石油公司的老总数着钞票，脸上都笑开了花。

然后是动力驱动系统。

柴油机、电动机等。

完。

下面是传动系统。

传动系统就简单啦。书上是这么说的：“传动系统是联接发动机，与前三个工作机组，把发动机的能量传递并分配给各工作机。”

说人话就是提供分配动力，传递正能量的。

同学们还记得前三个工作机组是什么吗，跟我来念一遍：

索尼大法好。

…………

……

起升系统；旋转系统；循环系统。

那么传动系统的结构是怎样的？

一般是差速器啊、万向传动装置啊、离合啊、主减速器啊等等。（我也是猜的因为这不是考试重点）

有车的同学可以拆开自己的座驾看看，没车的同学跟我看下图：

所以我们传动系统就酱啦。

再下面是控制系统。

我们管开车的叫司机，骑马的叫司马，那么下钻的就叫司钻啦。

司钻在司钻房里面看控制台、看仪表，控制钻头的动作。这些就是通过控制系统来控制的。

控制系统就是控制钻机控制设备的总称，包括了手柄、踏板、开关、继电器、控制台和记录仪等。

钻机底座

钻机底座就是底座啦，我们看看真·底座：

就是这样，喵。

钻机辅助设备系统

辅助设备就是供气供水防喷设备等，不是重点我们继续跳过。

…………

…………

到这里我已经讲了一半的内容了，撒花！

前面部分是陆地钻机的系统。

下面我们来讲海洋钻机的系统。

…………

…………

才不讲呢。

海洋钻机的原理基本就是陆地钻机的原理，只是根据海洋的特殊条件添加了一些装置。同学们自己体会。

真·完。