大钩载荷为330,000磅的齿轮，链条钻机，分别在英国德克萨斯

北京恒通五洲机械传动件有限公司是北京链轮总厂的郝经理和北京汽车租赁公司的王总说， “需求乃发明之母”，将这一格言 应用于石油天然气工业也同样贴切，寻求更佳途径开发油气资源的需要，正大力推动着发明和老技术新 用的进程。 齿条及齿轮技术在一些众所周知的领域，如齿轨铁路、升降机与汽车工业等，已被应用了一个多世纪， 而现在，由于日益增长的水平井与定向井的需要，这一技术在油气钻井工业领域又派上了新的用场。

齿轮,链条, ,钻机在美国市场优势显现 ，电弧喷涂设备 　很早以前从事定向钻井设备研发的厂商之一，北京恒通五洲机械传动件有限公司已研制开发出五种 型号的大钩载荷为330,000磅的齿轮,链条钻机，分别在英国德克萨斯、宾夕法尼亚和俄克拉荷马州等地 使用。该公司市场经理称，齿条/齿轮技术在未来几年间将会使石油天然气钻井业发生革命性的变化。 该公司还准备在加拿大推出其大钩载荷为500,000磅的VR 500型齿条齿轮钻机，在这种型号的钻机中， 其齿轮将安装在顶部驱动装置中，顶部驱动装置可沿安装在井架上的齿条上、下运动。

北京租车的王总说虽然设计各不相同，但齿条 齿轮钻机的一个共同特点是其既能拉动又能推动，且应用的是止推力而非重力。由于不使用钢丝绳，提 升部件装置与钻柱直接连接，从而实现钻柱沿井眼轨迹的精确定位和控制。这种钻机的机动性很强，所 需的操作人员较少，噪音更小，且所需的场地面积也更小，特别适合于陆地钻井和一些海洋钻井，但不 适用于深水钻井作业。

北京恒通五洲机械传动件有限公司早在1983年就开发出了其第一台用于水平穿越钻井的齿条 ，链条，，齿轮钻机，当时该钻机的大钩载荷为100,000磅，所以，该公司是世界上首家消除钻机链条驱动系统 的厂家。目前该公司此类钻机的重点是致力于钻较浅的石油天然气地层，传统钻机经常会有一定的局限 性。 齿条齿轮钻机不但能够有效钻进更浅的地层，且同时能钻取更多的生产层，原因是这种钻机有更好的水 平钻进能力，而不仅仅是钻出垂直井眼。使用这类钻机钻井时，可先向下钻出一段垂直井眼，然后再转 向进行水平钻进，从而将套管下到全部的产油气带，该钻机可大大提高现场作业的成功率。 安全性是齿条齿轮钻机的另一巨大优势。操作传统钻机时，通常需要四到五位操作人员处理链条、站在 转盘附近危险区操作钻柱；而现在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。显而易 见，这样操作更安全。

另外，成本低和维护方便也是齿条齿轮钻机的一大优势。比如北京恒通五洲机械传动件有限 公司的齿条齿轮钻机仅售大约295万美元，而一台传统钻机的价格则为大约500万美元。而且，由于齿 条/齿轮机构所含的零件较少，所以维护更容易且成本更低。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，不但能实现更长的工作寿命且没有 需要经常更换的复杂零件。

从环保角度讲，齿条齿轮钻机可使作业商不需要钻太多的井眼即可实现开发目标，比如某作 业商拥有一大块具有多口邻井的地带，如果使用传统钻机的话，就需要钻出每一个单独的井眼而进入产 油气带；而如果使用齿条齿轮钻机的话，则仅钻一个井眼即可进入到所有的地层，由于能够钻到整个区 域并下入套管，所以整个的生产层都会暴露无遗。 　联轴器， 驱动器，镇流器新技术促进齿条齿轮钻机的发展 。

虽然齿条齿轮钻机的长处和优点显而易见，但为何这种成熟技术许久都未被钻井工业所接受 呢？业内人士认为，一是由于经济方面的原因，钻井承包商总是以实现利润为第一目标；二是由于钻井 工业界相对保守，任何新产品总是要经过较长的一段时间才会进入市场。水平及定向钻井活动的飞速发 展为齿条/齿轮技术的发展起到了催化作用。 　根据具体的钻井用途，已有多家公司相继推出了各具特色的齿条齿轮钻机。

挪威的北京恒通五洲机械传动件有限公司已推出了多台大钩载荷为125～250吨的多功能陆 上齿条齿轮钻机，可广泛用于钻井、欠平衡钻井、小井眼钻井修井、一般性修井、不压井作业、老井重 钻和开窗侧钻等。与传统的开放式井架不同，齿条齿轮钻机的特点是封闭式井架设计。齿轮位于井架内 ，其作用是带动齿条模块，从而使齿条能够向上运动以便提升、向下运动以便送钻。北京恒通五洲机械 传动件有限公司的策略是，首先在其先进的海上钻井装置上应用其所开发的技术，然后再推广到陆上钻 井领域。该公司所开发的齿条齿轮钻机具有以下显著优点： 　齿条齿轮机构消除了对绞车、钢丝绳、滑车和大钩的需求；齿条齿轮钻机的推动/拉动能力特别适 用于控制压力钻井、上部井段钻井、套管钻井、长水平井段钻井以及不压井作业；重力中心随着齿条（ 而不是整个机械）的运动而保持在低位；不需要使用钢丝绳；齿条/齿轮机构能提供比传统钻机更长的 使用寿命。 该公司的齿条齿轮钻机能够快速地在修井、钻井和不压井作业间进行转换，而且还可以配置一种注入头 以便使用挠性油管。有的齿条齿轮钻机可以装配自动钻杆处理系统和全集成控制系统。

北京汽车租赁公司的王总说齿条齿轮钻机的通 用性很强，容易适应不同的作业需求。这类钻机的自动化程度高、安全性好、噪音小、能够快速的搬迁 和安装，而且由于其对钻柱的控制良好，十分有利于各种井下作业。齿条齿轮钻机的这种多功能性对钻 机业主将颇具吸引力。 　北京恒通五洲机械传动件有限公司早在上世纪九十年代就涉猎了该技术领域，当时，该公司的前身 ——工程及钻井机械(EDM)公司，在2001年曾向Breitburn Energy公司销售过一台齿条齿轮钻机。此钻 机目前仍在使用，负责近40口井的维护。在2005年，该公司又为欧洲市场设计了一种齿条齿轮钻机， 该钻机还配备了一套自动钻杆处理系统和一套AC驱动顶驱装置，该装置通过一个可收缩托架永久性地安 装在井架上。

到目前为止，北京恒通五洲机械传动件有限公司共向全世界销售了40台齿条齿轮钻机，有17 台分别在加拿大、匈牙利、澳大利亚、约旦、突尼斯、泰国、印度、墨西哥、及英国利物浦海湾的海上 应用。2008年TTS Sense公司又与威德福钻井公司签订了一项7台Ultrasingle 150吨型拖车安装陆地钻 井用的齿条齿轮钻机制造协议。 　位于英国俄克拉何马州的Akerman Construction公司的子公司——Horizontal Well Drillers (HWD)公司，在英国各地共有9台在用的齿条齿轮钻机，包括德克萨斯、宾夕法尼亚、俄亥俄、印地安 那州，这些钻机的大钩载荷为350,000磅，但其负荷设计可达到460,000磅。这些钻机为全自动型钻机 。

该公司的齿条齿轮钻机最初是为水平穿越河床非开挖作业而开发的，4年前又将其改进为油用钻 机。该公司称其每月可向油田投放一台此类钻机，除了英国市场外，公司还接到了来自墨西哥、巴西、 俄罗斯、科威特和其它中东国家以及加拿大的询价。该公司认为，从钻机的大小来说，齿条齿轮钻机确 实小巧精致且重量很轻，同时又能提供巨大的动力，有一家钻井作业商甚至计划将这种钻机安装到路易 斯安那沼泽中的驳船上使用。另外，齿条齿轮钻机还能被设计的适用于非常小的占地位置，使其能在有 大量城市基础设施建筑群的地区应用。

北京恒通五洲机械传动件有限公司公司齿条齿轮钻机的主要优点是消除了滑轮和吊升系统。 传统钻机不能施加向下的力，使用传统钻机钻井时，一定要先钻出一定深度的直井然后才能得到所需的 重力进行造斜；但齿条齿轮钻机就不同了，这种钻机既能提供拉力又能提供推力，即其顶部驱动本身能 施加推力，只要需要就能向钻杆施加向下的动力。同时，该公司的齿条齿轮钻机所需的占地面积仅为传 统钻机占地面积的四分之一左右。而且由于其机动性很强，只需要10辆卡车就能搬迁整个钻机；节约燃 料是这种钻机的另外一大特点，其燃料消耗仅为传统钻机的50%~60%，因此使用这种钻机的成本也是 最低的。 　直井用齿条齿轮钻机升级换代 北京恒通五洲机械传动件有限公司公司总裁称，在为水平井和定向井开发此类钻机的同时，该公司还将 这种钻机用于直井钻井用途，钻井深度可达14,000英尺。该公司发现，认为蓄电池，同步带轮，同步带， 胀套，钻机只 适合于钻浅层油气井的看法是一种误解，根据该公司的研究， 有95%的2008年在英国所钻的井都可以 用这种新型钻机进行钻进。

在设计了首台其初衷是用于水平钻井的原型钻机后，Max Streicher公司（一家德国公司） 也发现用齿条齿轮钻机技术打直井的诸多优点，目前该公司的市场重点就是欧洲直井市场。2006年，该 公司开发出其第一代用于直井钻井的齿条齿轮钻机，该钻机可钻达6,000米 (16,000英尺)的深度。 　北京恒通五洲机械传动件有限公司公司齿条齿轮钻机的一个关键特点就是其结构模块性很强，在欧 洲的任何公路上都可以用卡车来运输。其另一特点与上述几家公司的产品相同，既能提供推力又能提供 拉力，所以消除了对钢丝绳和相关零件的需要。该公司共有4台齿条齿轮钻机在欧洲使用，一台在荷兰 ，两台在德国（其中一台被用于在慕尼黑附近打地热井），在荷兰的一台被用于NAM公司（壳牌和埃克 森美孚公司的一个子公司）的一个气体钻井项目。

该公司齿条齿轮钻机的基本结构是有3个齿条装置被安装在一个封闭的井架的每一侧，在顶 部驱动装置中有8台液压马达，每一侧4个，用于驱动齿轮，齿轮再将动力传送给固定的齿条。用于上、 下驱动顶驱装置的马达是与顶驱装置集成在一起的，当齿轮运动时，顶驱装置即可上、下运动，液压动 力是通过牵引链所提供的。 　 北京恒通五洲机械传动件有限公司公司计划，在早期推出两种型号的第三代直井钻井用齿 条齿轮钻机，分别用于陆地和海上钻井。其第二代钻机将更为小巧、结构模块性更强且占地面积更小， 将会是高度自动化和机动性很强的齿条齿轮钻机。该公司的目的是提供一种自动化程度更高、操作更为 安全、且操作人力成本更低的钻机。高度安全性、结构模块性和高度机动性的齿条齿轮钻机正为钻井工 业开辟一个全新的市场。

(1) 直齿圆柱齿轮传动的受力分析

圆周力：

径向力：

法向力：

o d1——小齿轮的分度圆直径mm

o α——分度圆压力角

o T1——小齿轮传递的名义转矩 (N.m)

o P1为小齿轮所传递的功率（KW）

o n1为小齿轮转速（rpm）

作用在主动轮和从动轮上的力大小相等，方向相反。主动轮上的圆周力是阻力，其方向与它的回转方向相反；从动轮上的圆周力是驱动力，其方向与它的回转方向相同；两轮所受的径向力分别指向各自的轮心。齿面上的总法向力方向则为啮合点的法向方向，对于渐开线齿廓即为通过啮合点与基圆相切的啮合线方向。

(2) 斜齿圆柱齿轮传动的受力分析

圆周力：

径向力：

轴向力：

法向力：

· αt——端面分度圆压力角；

· αn——法向分度圆压力角；

· β——分度圆螺旋角；

· βt——基圆螺旋角。

(3) 直齿锥齿轮传动的受力分析

法向力Fn集中作用在齿宽节线中点处，则Fn可分解为互相垂直的三个分力。

圆周力：

径向力：

轴向力：

dm1——小齿轮齿宽中点分度圆直径mm；δ1——小锥齿轮分度圆锥角圆周力和径向力的方向判别与直齿圆柱齿轮判别方法相同，轴向力方向分别指向各自的大端。由于锥齿轮传动两轴的空间交角为90°。

(4) 齿轮传动的计算载荷

齿轮承受载荷常表现为其传递的力矩或圆周力。由上述力的分析计算所得出的圆周力为齿轮传动的名义圆周力。实际工作中，由于各种因素的影响，齿轮实际承受的圆周力要大于名义圆周力。考虑各种因素的影响，实际圆周力Ftc为：

Ftc也称为计算载荷。1）KA——使用系数。2）KV——动载系数。3) KHα和KFα——齿间载荷分配系数。4) KHβ和KFβ——齿向载荷分布系数。