石油矿山机械

    第五节　石油矿山机械

    科技发展和工业进步，使得人类对各种类型的矿产资源，石油、煤炭、黑色金属、有色金属，特别是稀有金属和贵金属等需求越来越大。石油被称作工业的血液，石油在国民经济中有着举足轻重的地位。石油的钻采主要通过石油矿场机械来实现，主要设备包括:石油和天然气的钻井、采油(气)、集输用的设备、机械配件和工具。矿山机械行业是以提供冶炼、轧制、炼焦、烧结、矿山开采、提升、破碎粉磨、煤矿采掘、筛分洗选、竖井及隧道挖掘、水泥、重型锻压等大型成套设备相关配套产品，以及为能源、原材料、化工、造船、军工和机械等部门大型铸锻件产品的机械制造行业。

    一、石油机械

    按采钻环境的不同，石油矿场机械分为陆地石油钻采机械和海洋石油钻采机械。

    1.陆地石油钻采机械

    陆地石油钻采机械按开采工序分为钻井机械、采油机械、修井机械和维持油井高产的压裂、酸化机械。

    (1)钻井机械指开发石油或天然气而钻探或打生产井的全套机械设备。石油钻井机包括井架、绞车、动力机、泥浆循环系统、滑车装置系统、转盘、井口装置和电气控制系统。

    井架用于装置天车、游动滑车和大钩等，吊升其他重物上下钻台，悬挂井内钻具进行钻进。绞车安装在井架的钻台上，将动力机的动力传递到井口的转盘上，以带动钻具旋转钻进。它利用绞车卷筒上缠绕的钢绳带动游动滑车系统进行卷扬，起下钻杆、套管和吊升其他重物到钻台上。

    动力机是钻井机械的动力源，可由柴油机、电动机和柴油发电机组驱动。在超深井钻井时，已采用燃气轮发电机驱动和交流可控硅整流系统。泥浆循环系统包括泥浆泵、泥浆池、泥浆槽和管路循环系统等，用于清除井底岩渣和冷却钻具。

    滑车装置系统由滑轮组、钢绳、大钩等组成，以起下钻具和进行卷扬工作。井口装置由套管头、油管头、防喷器和采油树组成。防喷器在钻井时用以控制井下高压油、气、水层，防止发生井喷或其他事故。采油树装设在井口的油管头上，由法兰盘、三通、四通接头、闸门及压力表等组成，作用是控制地下油、气藏，以便在合理条件下进行开采。

    (2)采油机械油井开采后地下油源逐渐消耗，油井不能继续维持自喷，需要用采油机械将油从地下抽出。采油机械有两种类型:有杆抽油设备由地面驱动设备(各种抽油机)、井底工作机(抽油泵)和能量传递装置(抽油杆)等组成(图10-27);无杆抽油设备有水电活塞机、电力离心沉没泵和振动泵几种。

    (3)修井机械用于井下设备和井身的修理，包括修井机和洗井机。

    (4)压裂、酸化机械用于使油、气井增产。压裂是在油层渗透率低或天然渗透率较差时将高压液体压入地层内，造成人工裂缝或扩展地层的原始裂缝，并用支撑剂(砂子或其他固体颗粒)填充裂缝，在靠近井眼的地带造成高渗透区域，从而提高油气井产量。压裂机械包括压裂车、混砂厂、罐车和井口装置等。酸化是向井内注入酸液，利用酸对地层的浸蚀作用，提高油层渗透率而增加油气产量。也有用酸液压裂的，这种方法较单纯压裂或酸化具有更好效果。

    

    

    图10-27　采油机械

    2.海洋石油钻采机械

    与陆地石油钻采机械相似，海洋石油钻采机械分为钻井装置和采油系统。

    

    

    图10-28　海洋钻井平台

    (1)海洋钻井装置一般是在海洋钻井平台上安装钻机和采油装置，并附有生活设施(图10-28)。平台有固定式和移动式两类。固定式平台只适于浅海钻井，有普通钢质导管架式、重力型、深水全钢结构式和腿柱张紧式4种。移动式平台也有4种形式:沉淀式、自升式、半潜式平台和钻井船。沉淀式平台的总高度(不包括井架)大于工作地区水深，其上为甲板，下为浮箱，中连管柱。钻井时向浮箱中注水，使沉垫下沉到海底;钻毕将浮箱中的水排出，使沉垫升起。吃水较浅的平台可以拖航，一般用在水深20～30m的海区。自升式平台周边有3个以上的桩脚，桩脚的高度大于工作区的水深，可升降和支于海底。钻井时将平台顶起高出海面;钻毕先将平台降到水面，收起桩脚便可拖航。半潜式平台的结构与沉淀式平台相似，高度(不包括井架)为40～50m。它在10～30m的浅水区可支于海底工作;在30～200m的深海区可在半潜状态下工作，用锚系定位。钻井船形如普通船舶，一般用于水深200m以内的海区，浮在水面上工作，用锚系等方法定位。有的钻井船采用动力定位的先进技术，即不用锚系，而用一套声呐、电子和机械设备，自动测量和调节船位。

    海洋钻井装置与陆地钻井装置的区别是:前者由于钻深井和超深井，为便于向海底下沉特殊井口设备，多采用大直径转盘和可移动转盘;同时为适应波浪引起的船体(平台)升降运动，减少对钻杆柱的弯曲，采用具有万向铰接补心的转盘。

    (2)海洋采油系统分为纯平台采油、湿式海底采油、干式海底采油和平台与海底混合采油4种系统(图10-29)。使用纯平台采油系统时，在平台上钻出生产井后将钻机拆除，将采油设备安装在平台上。使用湿式海底采油系统时，将海底采油设备安装于一定水深的海底，并且直接与海水接触采油。使用干式海底采油系统时，也将采油设备安装在海底，但采油设备用外罩与海水隔开，处于罩中的采油设备密闭，保持在一个大气压中，与陆上的设备一样维护，但成本较高。使用混合采油系统时，将平台上的采油设备安装在平台甲板以下一定距离的海水中(或海底)，而在平台上设置常规的采油树。

    

    

    图10-29　采油系统

    二、矿山机械

    矿山机械是指直接用于矿物开采和富选等作业的机械，包括采矿机械和选矿机械。探矿机械的工作原理和结构与采矿机械大多相同或相似，广义说也是一种矿山机械。矿山作业中还应用大量的起重机、输送机、通风机和排水机械。

    (1)采矿机械采矿机械(图10-30)是直接开采有用矿物和开采准备工作所用的机械设备，主要有开采金属矿石和非金属矿石的采掘机械;开采煤炭用的采煤机械;开采石油用的石油钻采机械等。

    采掘机械是主要用于井下和露天矿山开采的机械，包括钻炮孔用的钻孔机械;挖装矿岩用的挖掘机械和装卸机械;钻凿天井、竖井和平巷用的掘进机械等。

    钻孔机械(图10-31)分为凿岩机和钻机两类，钻机又有露天钻机和井下钻机之分。凿岩机是用于在中硬以上的岩石中，钻凿直径为20～100mm、深度在20m以内炮孔的机械，按其动力不同可分为风动、内燃、液压和电力凿岩机，其中风动凿岩机应用最广;露天钻机按破碎矿岩的工作机构不同，分为潜孔钻机、牙轮钻机和旋转钻机。

    

    

    图10-30　采矿机械

    

    

    图10-31　钻孔机械

    掘进机械(图10-32)是利用刀具的轴向压力和回转力对岩面产生辗压作用，直接破碎矿岩的成巷或成井机械设备。所用刀具有盘形滚刀、楔齿滚刀、球齿滚刀和铣削刀具等。按掘进巷道的不同，又可分为天井钻机、竖井钻机和平巷掘进机。

    (2)选矿机械选矿是在所采集的矿物原料中，根据各种矿物物理性质、物理化学性质和化学性质的差异，选出有用矿物的过程。实施这种过程的机械称为选矿机械(图10-33)，选矿机械按选矿流程分为破碎、粉磨、筛分、分选和脱水机械。

    

    

    图10-32　掘进机械

    

    

    图10-33　选矿机械

    分选机械按作用原理分为重力选矿机械、磁选机、浮选机和特殊选矿机械。分选机械中出现最早的是重力选矿机械，用于金属矿分选;第一台磁选机于1888年问世;浮选机出现较晚，第一台机械搅拌式的浮选机出现于1910年。

    重力选矿机械是利用矿粒与矸石在密度和粒度的差异，在运动介质中进行分选的设备，包括跳汰机、重介质选矿机和离心选矿机。重介质选矿机是利用悬浮液或重液作为重介质，使矿粒与矸石分离。主要有重介质振动溜槽、重介质旋液器、斜轮重介质选煤机和立轮重介质选煤机。

    离心选矿机是用于回收微细矿泥中的金属矿粒的机械，主要由主机与控制机构两部分组成。在主机锥形转鼓高速旋转所产生的离心力场中，重矿粒沉积到转鼓壁上成为精矿，轻矿粒附在精矿表面，受到流膜作用，排出转鼓，成为尾矿。

    磁选机是利用各种矿物的磁性差异，借助磁力和机械力对矿物的作用进行分选的机械。磁选机由磁力系统、分选装置、给矿和排矿装置组成。磁选机种类很多，主要有永磁筒式磁选机、电磁平环强磁选机和高梯度强磁选机等。

    (3)破碎机械破碎机械常用的有颚式破碎机、旋回破碎机、圆锥破碎机、辊式破碎机和反击式破碎机等(图10-34);粉磨机械中使用最广的是筒式磨机，包括棒磨机、球磨机、砾磨机和自磨机等;筛分机械中常用的有惯性振动筛和共振筛;水力分级机和机械分级机是湿式分级作业中广泛使用的分级机械。破碎作业常按给料和排料粒度的大小分为粗碎、中碎和细碎。

    

    

    图10-34　破碎机械

    三、石油设备的发展趋势

    1.钻井设备

    钻井设备主要向大型化、撬装化、机电一体化方向发展，以适应深地层、低渗透率的沙漠油田和海上油田的需要。大力发展新型开发交流变频调速电驱动钻机;大力发展和推广顶部驱动装置系列;开发深井钻机用大功率新型柴油机;发展成套小井眼技术装备，包括钻机、钻头、工具和下井仪器;发展地质导向钻井技术与装备，开发斜井钻机、丛式井钻机以及用于定向井、水平井的井下钻具及测试仪器;发展套管钻井技术装备;完善固控、井控设备，发展密闭固控装置;发展超深井用的高强度、大规格三角股钢丝绳;加强钻头单元技术研究，发展各种新型钻头。

    2.采油设备

    采油设备主要应满足超深井采油、二次采油、三次采油以及含水率高、粘度大、含蜡高，开采难度大的采油装备的需要。发展深井采油设备，包括大型、长冲程、低冲次抽油机，大排量抽油泵，连续抽油杆，耐高温电潜泵和井下采油螺杆泵;大力发展连续油管作业机，推广应用各种连续油管作业;发展注聚合物系列技术，研制聚合物驱采出液回注装备和聚合物回收装备;发展大排量注水精细处理装备和井下油水分离设备;发展大功率、高压、大排量压裂车、混砂车及其配套设备以及大型修井机;发展大排量的能将油气水一起举出的气举设备，井下无杆采油设备和稠油开采设备;开发采油气井井口装置用的井下安全阀。

    3.油田地面工程设备

    研制高效输油泵和注水泵，发展新型高效高含水原油稳定脱水设备及污水处理和回注设备，研制多相流混输泵和多相流(油、气、水)计量设备，以适应海上边际油田、沙漠油田的混相输送，发展油气输送用高钢级埋弧直缝焊接钢管、耐高压玻璃钢管，并完善直缝套管系列产品。

    4.设备制造技术

    采用CAD和CAM技术，提高设计、制造质量，应用制造资源计划(MRP-Ⅱ)为基础的工厂管理信息系统，并结合用精益生产(lean production)、敏捷制造(agile manufacturing)和准时制造(JIT)等先进管理思想和管理模式，提高效益;应用计算机集成制造技术(CIMS)，信息技术、网络技术，采用系统集成的方法，建立并行工程(CE)系统，缩短高技术、新产品的开发周期，提高市场竞争能力。

    四、矿山机械的发展趋势

    当今矿山机械产品的发展向着多样化、模块化、大型化与小型化、成套化、机电一体化的方向发展。其中，大型化是能力大型化，小型化要追求尺寸尽可能小，能力尽可能大。在生产方面，以产品相似性和工艺连接性为主的企业优势互补。矿山机械的数字化技术结合机电液一体化技术也是新的发展方向。新产品的开发要在已经成熟的机型上向处理不同物料和工艺要求的横向品种延伸。