钻机

**鑽機**或稱**鑽井架**，是在地表進行鑽洞的機械設備，可以是大型戶外的水井、油井、天然氣井鑽探設備，或者是單人可移動的小型設備，稱為螺旋鑽。鑽機可以對地下礦藏進行取樣，或者用於安裝地下生產設備，例如地下機器、儀器、管道和井道。可以是安裝在卡車、拖車、軌道上的行動裝置，或者是較為固定的安裝在陸地、海上結構（如鑽井平台，一般稱為「海上石油鑽機」，儘管設計上並不含有鑽機）。「鑽機」這個詞一般指鑽探地球的地殼層的設備。

鑽機包括：

* 小型、便攜型鑽機，例如礦業鑽探、水井、環境調查鑽機。
* 大型鑽機，可對地殼進行深度超過上千米的鑽探。在鑽井過程中，泥漿泵將泥漿經鑽杆、鑽頭循環到套管環空中，對鑽頭進行冷卻並去除切屑。鑽機上的起升系統可以提升上百噸的鑽杆。其他的設備可以將酸或沙泵入油藏，進行壓裂作業，引導對原油或天然氣離開油層升到地表。在偏遠地區，鑽機可帶有永久居住設施、飲食，可提供給超過上百名員工的日常生活。海上鑽機可以在離岸幾百公里的距離作業，井上人員會進行輪換。

## 石油鑽探業

石油和天然氣鑽機可以用於確定地質藏層，並且鑽探底層，將石油或天然氣抽離地殼來到地表。在海上石油或天然氣田上，進行鑽井後，鑽機將從井口脫離，然後安裝一台服務鑽機（一般體積更小），進行完井，並連接井口。這樣，原來的鑽井鑽機就可以用於鑽探其他的井，同時允許提供專業服務，如完井、採油等。

## 歷史

直到 19 世紀內燃機發明以前，鑽探岩石的主要方法還是靠人或動物的體力。用於生產鹽的水井鑽探始於中國宋朝，「和碗口一樣小」，用於深井鑽探的考古發現目前展出在自貢市的鹽業博物館內。根據《鹽業世界歷史》一書，中國清朝時期的水井，也是位於自貢市，大約深度為 3,300 尺，是當時世界上最深的鑽井。利用機械方式鑽探這種水井一直保留到 1970 年，當時，還在用凸輪迅速提起和放下 3 mm 的鋼管。

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1970 年間，在油氣行業以外，使用泥漿循環的牙輪鑽頭已經被氣動活塞所替代。反循環 (RC) 鑽機對於淺井已經很老舊，目前只在岩石無法使用其他方法的時候使用。RC 鑽機速度更快、更高效，在冶金的過程中更好用，可以承載更堅硬更持久的鑽頭，壓縮機也可提供高氣壓，進行更深、更快的鑽探。金剛石探頭從發明以來幾乎沒有變過。

## 移動鑽機

在早期採油過程中，鑽機一般是半永久性的，井架一旦建好會一直到完井後才拆除。後來，鑽機開始成為可以從一口井移到另一口井，造價更高。一些小型作業的鑽機更像移動起重機，一般用於鑽探水井。大型陸地鑽機必須拆成零件，然後搬運到下一口井，這個過程可能持續幾周。

小型移動鑽機一般用於鑽探深層地基，鑽機的範圍從 100 噸的連續旋翼式螺鑽（CFA）到採石場用的小型氣動鑽。這些鑽機的技術和大型油井鑽機類似，只是體積更小。

而下面的這些鑽機從機械學上和以前的鑽機不同，但在方法上，還是岩屑從切割面移除，並通過鑽機回收到地表上。

## 鑽機分類

鑽機分為很多種，很多鑽機可以轉換、結合不同的鑽探技術。鑽機可以大致分為下列屬性：

### 根據驅動分

* 機械 — 使用自身的發動機（一般為柴油發動機）驅動液力變矩器、離合器和傳動裝置
* 電動 — 主要機械設備由電氣驅動，一般使用施工現場的內燃機發電
* 水力 — 鑽機一般使用水力驅動
* 氣動 — 鑽機一般使用壓縮空氣驅動
* 蒸汽動 — 鑽機使用蒸汽發動機和泵（20 世紀以後淘汰）

### 根據鋼管分

* 鋼纜 — 使用鋼纜提起和放下鑽杆
* 傳統 — 使用不同類型的金屬或塑料鑽杆
* 盤管 — 使用巨大的盤管和井內鑽探馬達

### 按照立柱長度分

 _（根據起下鑽時，立柱的長度進行區分）_ 

* 單鑽杆 — 一次只能提起一根鑽杆，有時有垂直的管架；
* 雙鑽杆 — 可以提起由兩根鑽杆構成的立柱，即每兩個單根接一次立柱；
* 三鑽杆 — 可以提起由三根鑽杆構成的立柱，頂驅系統常用；
* 四鑽杆 — 可以提起由四根鑽杆構成的立柱。

### 根據旋轉和鑽探方式分

* 無旋轉，包括直推式鑽機和大部分服務鑽機
* 轉盤 — 是通過旋轉方鑽杆來驅動鑽柱（Kelly drive）
* 頂驅 — 通過鑽管組頂部安裝一個馬達，沿著井架上的一條垂直軌道上下活動，進行旋轉和循環
* 聲波 — 一般利用振動能驅動鑽杆
* 錘形 — 利用旋轉和衝擊力 (參見潛孔鑽頭)

### 根據井架位置分

* 傳統 — 使用垂直井架
* 傾斜 — 井架傾斜呈 45 度角，可以進行定向鑽探

## 根據鑽探類型分

因為不同的鑽探類行，可以讓鑽杆以不同的方式進入鑽孔，每種都有優勢和劣勢，根據可以鑽探的深度、取樣類型、成本、插入率分，有兩種基本的鑽探類行：岩屑鑽探和岩芯鑽探。

### 螺旋鑽孔

螺旋鑽孔是利用螺旋形鑽機旋轉進入地面，土壤通過螺旋的刀片的空隙提升到地面上。空心鑽杆可以對較軟的土壤，如沼澤等土壤不會自然張開的土壤進行鑽探、地質鑽探、對礦藏進行土壤工程和地球化學勘察。固體飛行鑽 / 短管螺旋鑽用于堅硬土壤鑽探，有時候，採礦豎井利用螺旋鑽杆鑽探，小型鑽杆可以安裝在卡車上，大型螺旋鑽杆可用於放置橋基等。

螺旋鑽杆一般用於相對較軟的未結固物質或惡劣天氣的岩石，特點是節約、快速。

### 衝擊旋轉鼓風鑽 (RAB)

RAB 鑽機一般用於探礦 (也稱為潛孔鑽機)，使用氣動活塞驅動的「錘子」高速驅動重型鑽杆鑽進岩石中。鑽頭是中空的，鋼結構，一般有 20 mm 鎢條插入鋼基作為「鎢鍵」，鎢鍵是鑽頭的切割面。

岩屑被吹出鑽條來到地表。使用空氣或空氣和泡沫的混合物把切割物提升到地面。

RAB 鑽機一般用於採礦 勘探、水鑽孔、採礦上的爆破鑽孔，以及工程方面的其他用途。RAB 生成的樣品質量比較低，因為切割物是吹出鑽頭，可能被其他岩石污染。
RAB 鑽探較深的時候，如果遇到水、可能迅速堵住鑽孔，妨礙岩屑吹出鑽孔。可以使用穩定器（鑽孔器）抵消這種阻礙，穩定器是一種鑽杆上固定的一大塊圓柱形鋼材，恰好與鑽孔的尺寸吻合，側面有滾筒，一般插有鎢條，可以不斷把岩屑往上推。

使用高壓空氣壓縮機，可以將 900-1150 cfm 的空氣，以 300-350 psi 的壓力灌入鑽孔內，保障鑽探深達 1250 m 的鑽孔，因為高壓空氣可以吹開岩石碎屑和水，但是也要取決於岩石的密度和重量，以及鑽頭的磨損程度。

### 空心鑽

空心鑽等方法使用加硬處理的鋼材或鎢材刀片對未固結地面進行鑽探。鑽頭的周圍有三片刀片，可以切割未固結地面。拋光棒條的內部是空心的，內有管道，通過注入壓縮空氣把岩屑通過內管和鑽杆之間組成的環空，吹回到地表上。然後岩心通過內管再吹回到地表上，如果要收集岩心的話，可以通過其中的樣品分離器收集。通過在鑽杆頂部加入鋼管繼續鑽探，空心鑽有時候可以取到大塊岩心。

這種方法可以用於鑽探已經風化的風化層，因為鑽機、鋼條、鎢條都沒法鑽探到「新鮮」的岩石。但是一般空心鑽比 RAB 管用，可以提供更有代表性的岩心。空心鑽可以鑽到大約地下 300 米。因為岩屑可以通過鑽杆內部回收到地表，同時比傳統鑽探岩心從鑽杆外部和井壁之間回收到地表相比，污染較少。這種方式一般也比 RAB 更加昂貴。

### 頓鑽鑽井

頓鑽鑽井是水井的一種傳統鑽井方式，大部分大型直水井都採用這種方式，特別是在基岩含水層上完成的深井，都是用這種方式。儘管這種方式在近些年已經逐漸淘汰，使用了其他更快的鑽探技術。但這種方式仍用於大直徑、深層基岩井的鑽探，特別是在廣大農村地區的水井。通過鑽頭衝擊岩石，將岩石打碎成很多頁岩，增加了出水量。

也稱為發射型鑽井，有時候稱為「鏟鑿」，利用提起和落下重型碳化鑽頭擊碎表層岩石，鑽杆由上部鑽杆、一系列「震擊器」（內部鎖連「震擊條」把多餘的能量傳導到鑽頭上，幫助移動卡住的鑽頭) 和鑽頭。在鑽井的過程中，鑽杆周期性離開井口，同時放下打撈筒收集岩屑（岩石碎屑和土壤等等）。打撈筒是一個桶型工具，底部有一個井蓋門。如果鑽孔乾燥，需要加入水讓岩屑流入到打撈筒中。提升的時候，關上井蓋門，提起岩屑並扔掉。由於必須提起和放下鑽杆才能繼續鑽進，一般使用套管（更大尺寸的外套鋼管）取回上層土壤岩屑，並穩定鑽孔。

頓鑽鑽井比類似尺寸的旋轉鑽機更加便宜、簡單，儘管噪音非常大，鑽進較慢。世界最深記錄的頓鑽鑽井是在紐約鑽進 12,000 英尺（3,700 公尺）。一般的 Bucyrus Erie 22 可以鑽進大約 1,100 英尺（340 公尺）。因為頓鑽鑽井不像旋轉鑽機使用空氣注入鑽孔，而是使用繩子綁著的打撈筒，技術上來說深度沒有限制。

頓鑽鑽井現在在美國已經過時了，一般用於非洲和第三世界國家。鑽進較慢、頓鑽鑽井會增加鑽井的成本和工資。美國的鑽井工資一般為 US$200 每天每人，在非洲一般僅為 US$6 每天每人，所以開發中國家還在使用老式鑽機。頓鑽鑽井可以鑽到 25 英尺（7.6 公尺）至 60 英尺（18 公尺）堅硬岩石 / 日。根據尺寸和地層硬度不同，新型的帶有潛孔錘（DTH）的旋轉頂級頭鑽機可以鑽到 500 英尺（150 公尺）或更深。

### 反循環鑽機（RC）

RC 類似於空心鑽機，其岩心也是通過鑽杆內部回收地面。鑽機原理是通過氣動活塞（類似於「錘子」）驅動鎢鋼鑽頭。RC 鑽機的設備體積更大，深度超過 500 米。RC 鑽機理想上鑽出干岩屑，而大型空氣壓縮機在鑽頭前進之前將乾燥岩石回收。RC 鑽機更慢、費用更高，但是比 RAB 和空心鑽機的效果更好，比金剛石鑽機更便宜，一般廣受礦業開採歡迎。

反循環是通過將空氣注入鑽杆，產生差異壓力，氣動提升水和岩屑到鑽杆內部，達到鑽孔頂部的偏濾器。然後通過連接在旋風分離器頂部的樣品管。岩屑通過旋風分離器內部移動，最後落在底部的空隙，通過樣品袋進行回收。

最常用的 RC 鑽機能達到直徑 5-8 英寸（13-20cm），具有圓形的鎢鍵從鑽頭伸出，需要鑽穿頁岩和耐磨岩石，當鎢鍵磨損後，鑽探速度變慢，有時候可能需要數小時到數周。鎢棒和鑽頭非常昂貴，如果設備在鑽孔下面丟失往往對於公司成本損失很大。很多公司會定期重磨鑽頭上的鎢棒，加速鑽探。一般如果配件從鑽孔丟失，一般不會是通過鑽杆，而是通過鑽頭上的鑽頭、鑽錘、穩定器等。這往往會導致操作失敗、金屬疲勞、破壞鑽探環境，或者導致鑽井設備卡在鑽孔內。

RC 鑽頭是氣動的（有時也有水動），以減少粉塵，保持鑽頭溫度，並協助回收岩屑，開炮眼的時候也會用水。鑽井泥漿，也稱「鑽井液」混合水泵入鑽杆內，通過沙土黏著，幫助回收樣品。有時使用「鑽井泡沫」（如「加速泡」），將更多細微的岩屑回收到地表。如果鑽頭接觸堅硬岩石，則將一個鑽鋌（鑽環）通過鑽杆下入鑽孔，一般為 PVC 管，有時候鑽鋌也由金屬套管制成。開孔是指防止井壁塌方，從上方壓住鑽杆。鑽鋌可以達到 60 米深，根據土壤條件，如果鑽探堅硬岩石的時候一個鑽鋌可能不夠。

反循環鑽一般由後勤車、鑽機組成，後勤車一般是卡車，上面有供給鑽機的水和柴油，以及其他修井設備。備用設備是搭載有備用引擎的備用車輛和助推發動機。發動機通過高壓管連接鑽機，儘管 RC 鑽機自身有助推發動機和空氣壓縮機能產生氣壓，但是因為鑽機空間有限，還需要額外的發電機提供壓力。發電機一般裝在備用車上。RC 鑽機上的壓縮機一般輸出壓力為 1000 cfm、500 psi（500 L・s?1 於 3.4 MPa）。另外，備用空氣壓縮機輸出壓力為 900-1150cfm、300-350 psi，一般為 2-4 組，通過多閥門管匯連接到鑽機。

### 金剛石鑽機

金剛石鑽機（金剛石鑽探）使用鑲有金剛石的環形鑽頭，連接在中空的鑽杆底部，對堅硬岩石進行圓柱形切割。用於製造金剛石鑽機的金剛石的尺寸各不相同，一般為精細到超精細的鑽石級別，金剛石和金屬的混合比例是根據鑽頭所切割的不同岩層的硬度。金剛石的尺寸和數量根據岩石硬度確定。高強度鋼低金剛石量用於切割碎裂程度高的岩石，低強度鋼高金剛石量用於切割硬質岩石。鑽頭的空隙讓水可以到達切割面，有主要三個作用 — 潤滑、冷卻、回收鑽孔的岩屑。

當從鑽孔中取回岩心管後，進行分類，鑽探人員會用岩心扳手把岩心的後部擰下來，把岩心分為幾段，並放入相應的岩心盒。然後清洗、測量岩心，用錘子破碎，放入岩心盒。進行記錄後，地質專家會分析岩心並確定鑽探地點是否適宜未來開採。

### 直推式鑽頭

通過直接推進和捶打，而不需要旋轉鑽杆，進行鑽探的幾種不同的鑽機和鑽機設備的統稱。雖然不是傳統意義的鑽探，但是 — 結果相同。鑽孔相同。直接推進式鑽機包括針入測試鑽機（CPT）和直推取樣鑽機，如 PowerProbe 或 Geoprobe 類型。直推鑽機一般只用於鑽探疏鬆土壤和非常軟的岩石。

CPT 鑽機發展成了特殊測試設備（如電子錐），使用大型液壓油缸的土壤取樣器。很多 CPT 鑽機承載能力很強（往往達到 20 噸）作為液壓油缸的反推動力，達到 20 kN。另外，小型輕型 CPT 鑽機和海上 CPT 鑽機一般使用錨，如螺旋入地錨生成反應力。在理想情況下，CPT 鑽機能產生 250–300 米 / 日的作業深度。

直推式鑽機使用液壓缸、液壓錘把空心的岩心取樣器推入泥土、地下水中，鑽探的速度和深度大大取決於土壤類型、取樣器尺寸和鑽機的重量和馬力。直推式鑽機一般只用於淺層土壤取樣，優勢是在正確土壤類型下，可快速、低成本產生大量高質量土壤樣品，一般每天為 50 到 75 米。和錘式不同，直推式也可和聲波（震動）方式聯合使用，提高效率。

### 液壓螺旋鑽機

油井的鑽探是使用鑲嵌碳鋼的固定金剛石切面（或嵌入金剛石）三牙輪鑽頭。選用這種鑽頭是因為不需要回收樣品，目的是達到油氣層。旋轉中空鑽頭將皂土和重晶石混入鑽井泥漿中，作為潤滑、冷卻、清洗鑽頭之用，同時控制井壓，平衡鑽孔井壁，去除岩屑。泥漿從鑽杆外部（稱為環空）回到表面。檢查泥漿中的岩屑，稱為錄井。另一種方式是電子錄井，一般用於評估可能的油氣藏的存在性。鑽井後可以使用得到鑽中測量工具在鑽探中進行驗證，或鑽探後使用井下側臉工具進行測量。

鑽機的旋轉系統一般於 1900 年代用於美國，在 1845 年由法維爾發明，用於歐洲早期的鑽井工業。原來使用高壓水而不是泥漿，在使用金剛石鑽機前幾乎對硬質岩石無效。 螺旋鑽機的技術突破在 1901 年，當時安東尼・弗朗西斯・盧卡斯結合了蒸汽鑽機和泥漿代替水。

油氣生產帶有安全風險，可能污染環境，如天然氣爆燃導致火災，油氣泄露污染水源、土壤和地下水等。因此，各國都需要複雜的安全系統和專業人員進行生產。

## 科技限制

鑽探技術從 19 世紀穩步發展，但是有一些基本的限制因素，限制了最大鑽井深度。

所有鑽孔都應配合外徑，鑽孔直徑必須比鑽機更大。鑽探的摩擦力可能減少鑽機的外徑，除非在金剛石鑽頭的使用中，使用更細的鑽棒和套管可以繼續鑽探。套管一般為保護井壁防止塌方的空心鋼管，材料為金屬或 PVC。其他金剛石鑽孔也需要從大尺徑開始，隨著外徑逐漸磨損，在套管內放入更細的鑽頭。另外，鑽孔可以擴大，在油氣鑽探中，保持鑽孔直徑與下一個套管連接點直徑相同是常見做法。

關於衝擊技術，主要限制是氣壓，空氣達到活塞的壓力不同，引發往復運動，從而利用足夠力量破碎和粉碎岩石。隨著深度增加，鑽杆內體積增加，需要更大的壓縮機達到運營壓力。另外，地下水普遍存在，隨著深度增加地下水增加。鑽杆內的空氣必須足夠將地下水壓到地表，壓力還需要將岩屑帶到地表。因此超過 500 m 後很少使用反循環鑽探，因為成本限制達到極限，金剛石鑽頭更為經濟。

金剛石鑽機的深度一般可達 1200 m。如果成本不是問題，可達極限深度，因為不需要克服水壓。然而，必須保持水循環將岩屑帶到地表、進行冷卻和潤滑，同時減少鑽杆鋼壁的摩擦。如果水循環缺失，鑽杆會頓鑽，會損壞鑽頭卡住鑽機。

如果沒有足夠的潤滑和冷卻，鑽頭會軟化。因為金剛石是已知的最硬物質，莫氏硬度為 10，必須牢牢鑲嵌在鑽探面上。鑽頭重量、鑽探力都必修控制。

深海油氣開發中特別的一種鑽探技術稱為超深鑽項目。

## 新鑽探技術研究

研究包括噴水切割、電漿體切割、地熱核分裂切割和雷射切割。

使用高能的電子電漿體可用於深井鑽探，這種方法可能替代傳統的鑽機科技。可以產生大尺徑的鑽孔，而不需要替換鑽頭。

## 偏離原因

很多鑽孔輕微偏離設計路徑，這是因為鑽機工作面的扭矩，由於鋼鑽杆的鬆動和螺旋結合的鬆動、岩脈的變化和岩石的結構、鑽頭接觸不同岩層和硬度的時候發生折射，另外，斜孔一般向上偏離，因為鑽頭偏向鑽孔下部，導致鑽頭輕微傾斜。偏離如果影響取樣信息，必須進行勘測。有時候在地表進行同樣位移抵消偏離趨勢，鑽孔的底部會接近所需位置。油井鑽探一般使用定向鑽探（如從同一個地表位置鑽幾個不同的井）。

## 鑽機設備

鑽機一般至少包括下列一些設備：參見油井鑽機

* 防噴器：（BOP）

連接鑽機，有不同類型，#23 & #24 一般安裝與井口，方式液體和氣體意外從井下外溢。#23 是環空型（一般稱為 Hydril），#24 是閘板防噴器和全封閉防噴器。#24 也稱變徑閘板（VBR），與一般立管閘板的壓力和封閉力相同，可封閉多種鑽杆、生產鑽杆、套管，而無需更換閘板。一般使用錐形鑽杆的時候使用 VBR（使用不同尺徑的鋼管）。

* 離心機：將泥沙從鑽井液中依靠離心力分離的工業設備。
* 固控設備：為鑽機準備鑽井泥漿的設備。
* 鏈鉗：帶鎖連的扳手。
* 脫氣器：從鑽井泥漿中分離空氣、天然氣的設備。
* 除砂器、除泥器：包含一系列水力漩流器，將泥沙從鑽井泥漿中分離。
* 絞車：（#7）是帶有線軸的設備，拉近、拉出從而提升和放下游車（#11）。
* 鑽頭：（#26）是鑽機終端的設備，用於鑽探岩石。可噴射鑽井液。
* 鑽杆：（#16）空心管，用於將底部鑽具組合（BHA）連接到地表設備，同時作為鑽井液的套管。在圖中為「立管」或為 2 到 3 條連接在一起的鑽杆，垂直站立在井架內，一般使用跳脫管節約時間。
* 提升器：抓固鑽杆、套管的抓固設備，用於提升或放下鑽杆或套管。
* 井下動力鑽具：水力驅動的設備，放於鑽頭上方，用於單獨旋轉鑽頭。
* 泥漿泵：（#4）用來循環鑽井液的泵。
* 泥漿池：（#1）儲存鑽井液的池子。
* 轉盤：（#20）旋轉鑽杆和工具的輪盤。
* 振動篩：（#2）鑽井液從鑽孔泵回地表後，從鑽井液中分離岩屑的設備。

## 參見

* 鑽孔
* 火焰鑽井
* 礦業開採
* 油氣平台
* 油井
* 抽油機
* 水下設備

## 參考