一、课题来源与背景 1. 课题来源： 该项目属黑龙江省科技攻关项目，项目编号：GZ11A405。 2. 课题研究背景 常规石油钻机不能主动施加任何钻压，若要进行水平、定向井钻井作业，则必须在造斜前钻较深的垂直井眼，以利用钻柱的重力给钻头施加钻压，否则会存在下钻难和下套管难的问题。另外，由于没有足够的钻压，水平段的钻进长度也受到限制。自20 世纪90 年代末开始，多功能齿条齿轮石油钻机通过不断创新和技术改进，为有效开发中浅层油气藏和保护环境发挥了重要的作用。多功能齿条齿轮石油钻机是应用齿条齿轮技术带动顶部驱动钻井装置 （ 简称顶驱） 直接起下钻具的钻井系统，它取消了传统石油钻机的绞车 游车 天车以及钻井钢丝绳，用齿条齿轮的推力来为钻头提供钻压，可实现修井钻井和强行下管柱作业的快速转化，较好地解决了水平井技术和大位移井技术开发浅层油气藏的钻压问题，特别适合陆地水平井和中浅层海洋水平井钻井。 此外，齿轮齿条钻机取消了绞车、钢丝绳、滑车和大钩等提升油管所需的装置，重力中心随着齿条（而不是整个机械）的运动而保持在低位，因此，齿轮齿条钻机不但比传统钻机具有更长的使用寿命，而且没有需要经常更换的复杂零件。传统钻机上的链条、钢丝绳和其它零件很容易卡住或是断裂，而齿条齿轮钻机则是一套完整的机械控制装置，因此占地面积小、维护费用和制造成本低、节能环保。由于齿轮齿条驱动方式，可以实现动力系统闭式设计，实现液压系统操作控制，作业时只需要二位操作人员来操纵电-液压控制面板即可，其中一人操纵控制装置，使顶驱装置上、下移动，而另一人则操纵钻杆装载装置，将钻杆放入和取出钻杆托架，使操作更具安全性。此外，齿轮齿条钻机主传动方式简单，结构紧凑，体积小，质量轻，成本低，技术经济指标先进，采用全液压驱动钻机，无工作火花，钻井更安全。 二、技术原理及性能指标 1. 技术原理 齿轮齿条钻机是新概念钻井设备，它将齿条安装到井架上，将齿轮安装到顶驱上，利用齿轮与齿条的啮合带动顶驱上下运动，因此齿轮齿条钻机既能提供上提力又能产生下压力，解决传统石油钻机钻井时不能直接向下施加钻压，钻机钻水平井时，一定要先靠钻机游动系统的自重钻出一定深度的直井然后才能得到所需的钻柱重力进行造斜的技术难题。因此齿轮齿条钻机能够有效钻进更浅的地层，同时能钻取更多的生产层，更适合定向井、丛式井和水平井钻井及开窗侧钻等钻井工艺。课题的研究解决了斜直井齿轮齿条的同步驱动技术、斜直井钻机管具自动上/卸扣技术、管具自动处理技术和井口无人操作技术，研发了斜直井钻机专用轨道钳和斜直井钻机自动卡瓦等装置。 2. 主要技术指标： 1） 斜直井钻机有效钻进深度1500米； 2） 最大提升载荷54吨，最大下压载荷25吨； 3） 最大起升速度0.8米/秒； 4） 管具自动处理，处理能力1吨； 5）井口无人，液压控制 三、技术的创造性与先进性 提出了新的、更适合水平井、定向井的斜直井齿轮齿条钻机的设计方案；获得了齿轮齿条钻机的管柱自动上卸/扣、自动卡瓦、钻柱自动处理等多项技术；研制出斜直井齿轮齿条钻机钻具自动处理装置、轨道钳、自动卡瓦等装置。 本课题研究发表学术论文8篇，其中3篇EI检索，申请国家发明专利7项，目前已授权1项，申请实用新型专利3项，已全部授权，课题研究成果在国内处于领先水平。 四、技术的成熟程度，适用范围和安全性 1. 技术的成熟程度 目前，该项目所取得的技术成果已经应用于采油厂的钻井作业中，在采油作业区进行了试验。 2. 适用范围 该项目属于石油机械设备与自动化领域，所取得的技术成果适用于全国各大油田应用斜直井齿轮齿条钻机进行水平井、定向井开发。 3. 安全性 由于齿轮齿条驱动方式，可以实现动力系统闭式设计，实现液压系统操作控制，作业时只需要二位操作人员来操纵电-液压控制面板即可，其中一人操纵控制装置，使顶驱装置上、下移动，而另一人则操纵钻杆装载装置，将钻杆放入和取出钻杆托架，使操作更具安全性。 五、应用情况及存在的问题 1. 应用情况 本项目开展取得的研究成果已经被渤海装备辽河重工应用于大庆油田多个采油厂的钻井作业生产中。在大庆采油一厂的采油作业区进行试验，创造了较好的经济效益。新研制的斜直井齿轮齿条钻机在应用中存在的问题和不足也进行了不断的改进，工业应用的可靠性越来越好。 2. 存在问题 目前，项目组正在开展相关配套技术研究，以促进斜直井齿轮齿条钻机技术及产品的进一步提升，提高斜直井齿轮齿条钻机的自动化水平。