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2007年11月，我国首台12000米陆地用交流变频钻机研制成功。图片由宝石机械提供
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12000米钻机项目负责人王进全（左三）和团队在井场讨论技术方案。图片由宝石机械提供
2011年3月14日，对于宝鸡石油机械有限责任公司（以下简称宝石机械）技术人员卢韵皎来说，注定是个难以忘怀的日子。数天后，当她向科技日报记者回忆当天的情形时，仍难掩内心的激动，反复说道：“真没想到自己会有这样的经历，感觉就像做梦一样！”
“这是我国研制的首台拥有自主知识产权的12000米特深井钻机。”3月14日下午4时10分左右，在北京国家会议中心“十一五”国家重大科技成就展展厅里，全国政协副主席、科技部部长万钢的一句介绍，让中共中央总书记、国家主席胡锦涛改变参观路线，来到“万米深井钻探装备”展台前。
该展台展示着在国家863计划支持下由宝石机械自主研制的12000米钻机的模型。看着迎面走来的胡锦涛总书记，站在展台前的讲解员卢韵皎内心十分激动，多少有些紧张。很快，她定了定神，向总书记介绍12000米钻机的先进性能。
听完介绍后，胡锦涛总书记询问道：“万米钻机与以前的千米钻机有哪些不同？”
“它最深可钻探到地下12公里，能提起900吨的井筒里的载荷，可在10秒之内从0提速到每秒1.6米，关键技术全部实现自主创新，核心部件全部实现国产化。”卢韵皎解释道。
“好！”胡锦涛总书记听后连声称赞，并两次与卢韵皎握手表示祝贺。
当卢韵皎向胡锦涛总书记介绍12000米钻机的画面在中央电视台《新闻联播》栏目播出后，宝石机械全厂沸腾了！走在厂区里，时不时可以听到这样的对话：“你看电视了吗？总书记参观咱们的展台了！”“当然看了，都上新闻联播了！”……言语间，满是振奋与自豪。
12000米钻机主设计、宝石机械研究院陆上装备研究所钻机室主任贾秉彦告诉科技日报记者，他在《新闻联播》中看到12000米钻机受到胡锦涛总书记等党和国家领导人关注时，“心里比当初钻机研制成功时还要激动和振奋”。
宝石机械总经理张永泽表示：“国家领导人的关注不仅是对我们产品的肯定，而且是对我们坚持科技创新战略的巨大鞭策和鼓励。我们要不断创新，多造"尖兵利器"，为国家找油找气做出更大贡献！”
“中国太需要12000米钻机了！”
作为一个外行，在接触12000米钻机时，可能首先会想到为什么要研制这样一台钻机。即使在业内，也有过对12000米钻机研制的质疑：12000米钻机造价太高，过去没有它，中国的石油工业也走过这么多年，有必要研制12000米钻机吗？
对此，我国油田矿场机械资深专家、中国工程院院士顾心怿在接受媒体采访时表示：“中国太需要12000米钻机了！”
随着现代工业的飞速发展，社会对石油的需求也越来越大，人类对于石油、天然气的勘探领域也越来越广，逐步向陆地深层和海洋拓展，全球石油资源勘探开发的竞争日趋激烈。包括钻机在内的钻井装备作为发现石油储量和提高采收率的重要工具，一直是各国研发竞争的热点。
国家863计划“万米深井钻探装备”（12000米钻机）项目负责人、宝石机械总工王进全介绍，随着油越找越难，井越打越深，特深井钻机研发制造成为各国在钻井装备领域竞争的重点方向之一。“钻井装备发展水平决定着钻井工艺先进程度，特深井钻井装备的水平是衡量一个国家钻井技术水平的重要标志之一”。
国外特深井钻机应用开始于20世纪末，多应用于海洋钻井作业。而陆地用12000米钻机仅美国在20世纪80年代生产过一台，采用的是直流电驱动。
2006年，12000米钻机研制项目立项之初，国内最大的钻机的钻深能力为9000米，万米以上的特深井钻机仍为一项空白。
随着我国经济的快速增长，石油、天然气作为一种战略资源需求越来越受到各方关注，与此同时我国的浅表地层、浅层以及中深层、深层油气勘探已向超深层和特深地层方向发展。国内当时的钻井装备（包括9000米钻机）渐渐无法满足实际需要，复杂井、大位移井和海洋深水区的油气勘探受特深井钻井装备技术发展的严重制约。
与此同时，国内三大石油公司在陆上复杂油气田特深油气藏和海洋深水地区油气藏的勘探方面取得了初步成果，相继在塔里木盆地、准噶尔盆地、四川龙岗地区和南海、东海等区域发现了资源前景好的超深、特深油气层，对这些油气藏的钻探评价及进一步的深层勘探开发工作使得对万米特深钻机的需求越来越迫切。
“超深地层钻探不仅是为了寻找矿产资源，它也是人类直接获取超深层地壳构造信息的手段，可为进一步了解地球的形成和演化提供科学证据与新的认识，对推动地质科学的进展也都具有深远的科学意义和价值。而超深井钻机则是超深井钻探的基础装备。”国家863计划陆上资源与环境领域重大项目“先进钻井技术与装备”总体专家组组长、中国工程院院士苏义脑表示。
在上述强大需求的背景下，宝石机械向国家科技部提出“万米深井钻探装备”项目立项申请。2006年，科技部将该项目列为国家863计划资源环境领域“先进钻井技术与装备”重大项目的一个课题，批准立项研制。
“拿着钱也买不到，只能靠自主研发！”
在12000米钻机研制项目立项之初，王进全和他的团队就下定决心：不管面对多大困难，从钻机的总体设计到关键技术研发、核心部件的研制都必须自力更生。之所以如此坚定，是因为他们曾有过遭遇国外技术封锁的“切肤之痛”。
2004年，宝石机械在研制9000米钻机时，不具备生产该钻机关键部件如游吊系统（提升系统）的游车、大钩、水龙头的能力，只能依赖从国外进口关键部件。当时，宝石机械向美国一家钻机设备制造公司订购了一些关键部件，对方不仅要价高昂，比市场价高出1.5倍左右，而且还以种种理由拖延交货，交货时间比合同约定时间晚了一年多，严重影响了工程进程。
“对方不会因此承担任何责任，因为合同里写着：由于他们的原因，合同不执行不赔款，交货期不保证……这就是技术强权！你技术落后，造不出关键设备，就只能接受这样的不平等的合同条款”，谈起往事，王进全依旧心绪难平。
宝石机械研制的12000米钻机的首个用户中国石化集团早在2004年，考虑将来发展的需求，希望从国外引进万米钻机。当时只有美国有生产万米钻机的经验，中国石化将目光投向了美国的钻机制造商，但对方称订单太多，工作量饱和，回绝了购买要求。
“很显然，万米钻机这样的高端钻井装备，拿着钱也买不到，只能靠自主研发！”王进全说。
主设计：从一张白纸上起步
作为我国第一台9000米钻机的主设计者，贾秉彦还没来得及长吁一口气，品尝一下成功的喜悦，12000米钻机的设计任务又压在了他的肩上。不善言辞的他什么也没说，只是带着研发团队迅速投入工作。
通过资料检索，令贾秉彦没想到的是，居然连一张万米钻机的照片都没有找到。“当时我们都没见过万米钻机长啥样，设计起来，自然困难重重”。
尽管贾秉彦有过成功设计9000米钻机的经验，但12000米钻机的井架、大钩、转盘等部件，比以前的钻机大了许多，量变引起质变，部件的工作原理、设计思路都得从头开始。“打个比方，如果把千米钻机比作是普通载客飞机，那万米钻机就是航天飞机，这两者有着质的区别。”王进全说。
在国内空白、国外无资料借鉴的情况下，贾秉彦和他的团队丝毫没有退缩。通过大量计算和分析，走访油田与钻机用户沟通，反复讨论、试验，他们开始确定12000米钻机的主要技术参数、各部分的配套方案、传动系统整体设计，前后完成了6套钻机总体技术方案的设计。
贾秉彦告诉科技日报记者，确定钻机主要技术参数难度极大，如果参数确定得低了，不能满足用户施工需要，如果确定得过高，又会超过制造加工能力，而且参数的确定牵一发而动全身，可谓“一动百动”。
12000米钻机的钩载能力是第一个被确定的主参数，钩载能力代表着钻机的最大作业能力。“要钻探到万米以下的超深地层，要求钻机的功率非常大，因此，我们将钻机的钩载能力定为900吨，这意味着，钻机的大钩可以提起一列满载的火车。900吨是目前全球陆用钻机最大的钩载能力。”贾秉彦介绍。
大钩的快速提升性能是反映钻机先进性的一项重要技术指标。贾秉彦和同事们最初设定的目标是提升一根27米钻柱的时间不超过30秒钟。12000米钻机的绞车、天车、游车、大钩等均属超重、超大型设备，其运行时的转动惯量比普遍使用的7000米钻机大了2倍以上，这对保证钻机良好的提升性能影响很大。
为了实现预设目标，他们一方面研究创建了重型提升系统运行动力学模型，用以指导相关部件的结构设计，降低转动惯量；同时又组织国内优势资源对交流变频驱动及控制技术在12000米钻机上的应用开展专项研究，攻克了低基频、大调速范围的钻机绞车专用交流变频电机及其多电机同步控制难题。“最后，我们做到了提升一根27米钻柱仅用28秒钟”。
绞车是钻机的主要传动部件，绞车性能的高低直接影响着钻机性能质量，在确定绞车总功率为6000马力后，贾秉彦和他的团队碰到一个非常棘手的问题：如何控制绞车单元运输尺寸和重量，以适应于运输和搬家的要求。6000马力绞车属超大型绞车，国外同类型绞车设计要么在宽度方向不受尺寸限制，要么在高度方向不受尺寸限制，而国内绞车设计宽度尺寸必须控制在3.4米以内，高度尺寸控制在3.2米以内，单元运输重量不宜过重。
贾秉彦介绍，为了解决绞车搬运的难题，设计人员对多个方案进行分析比较，优化出既可作为一个整体单元独立运输，又可分为三个独立模块分体运输的绞车方案，将绞车分为三个独立模块运输时，最大单元重量不超过36吨，有效地解决了绞车的长途运输和搬家问题。
另一个让贾秉彦倍感头痛的是钻机的快绳问题。起初，设计用直径52毫米的钢丝绳作为快绳，结果发现这让滚筒、绞车、天车都变得太大。将快绳改为48毫米的，可又满足不了负荷要求。他提出采取用特制钢绳，同时改变绳系的办法解决了问题。“光快绳的问题，就用了3套方案，花了半年时间”。
贾秉彦坦言，在设计12000米钻机时，压力非常大，加班到半夜一两点是常事，回到家里高速运转的头脑却停不下来，怎么也睡不着，他只好到客厅看着电视，强迫自己暂时不去想钻机的事，等平静下来，再去睡一会。如此高强度的工作，让患有高血压的贾秉彦经常头晕，一晕就必须吃降压药。“等钻机研发完，一数两年时间竟吃了8瓶降压药，而以前一年也吃不了两瓶”。
功夫不负有心人。2006年，中国石化组织的12000米钻机全球招投标会议上，在和两位分别来自美国和欧洲的强大竞争对手的比拼中，宝石机械以综合总分第一的优势中标。“当时评分内容有三项，包括总体技术方案、交货时间、价格，我们三项都是第一！”王进全说。
王进全介绍，和外国公司提交的方案相比，采用先进的交流变频电驱动和一体化仪表技术是宝石自主设计的12000米钻机的一大亮点。采用交流变频驱动，简化了机械传动部件，提高了传动效率；能够实现无级调速控制，提高钻机的运行效率；功率因数较高，节能降耗作用十分明显；和直流驱动相比较，具有更高的作业安全性；最重要的是保证钻机能够实现智能化和自动化的控制和操作。
“好钢”是这样炼成的
材料的选择和应用是项目研究的基础，对万米深井钻探装备研制至关重要。王进全介绍，12000米钻机的最大钩载达900吨，要求钢材具备高承载性，另外石油陆用钻机属移运性装备，对钻机的重量及适应地域有很高要求，为减轻重量，适应不同作业环境温度要求，尤其是低温要求，必须打破常规选材做法，研制和应用符合要求的新材料。
为什么特别强调钢材的耐低温性呢？王进全解释说，万米级深井的钻探时间很长，一般要跨年度，会经历春夏秋冬四季，一些钻探地点比如新疆、大庆的冬天非常寒冷，不耐低温的钢材在低温情况下会发生脆断或氢断现象。“为了保证12000米钻机在零下40摄氏度的低温下能正常工作，我们在钢材的选择和研制上下了很大功夫”。
12000米钻机的大钩要承载900吨的重量，同时要经受零下40摄氏度的低温考验，这对钢材的强度、韧性提出严格的要求。时任宝石机械铸造分厂厂长的武占学带领技术人员，不断研究改进大钩所用钢材的配方，反复试验，终于冶炼出满足要求的新型钢材，将之命名为“大钩钢”，并申请获得了国家发明专利。
对于“大钩钢”研制过程的艰辛，武占学至今仍记忆犹新。“成品炉一炉钢水重达10吨，为尽量减少浪费，我们一般先在小些的中频炉上做试验，中频炉试验成功后再去成品炉上试验，如果成品炉试验结果不理想，就再回到中频炉试验……先后20多次改变材料配方，进行了近150次的炉前化验和60次机械性能试验。”
为了确保包括大钩在内的游吊系统关键部件的可靠性，宝石机械专门投资四百多万元，建成了亚洲最大的拉力试验台，以超过设计承载标准1倍的负荷测试钻机关键部件性能。耐低温高强度结构钢的应用是12000米钻机项目材料研究的另一个重点。
12000米钻机井架从钻台面到顶高达52米，加上12米高的钻台，相当于一栋24层楼房的高度，在地面上组装后，因为高度和自身重量等原因，起升时就有可能立不起来，一旦出现这种情况，那可就是大事故。王进全介绍，同行中就有因为一台5000米钻机交货后井架没有立起来，企业因此丢失了市场而一蹶不振。为了减轻井架重量，降低井架起升时的风险，钻机井架主设计李厚岭等人精挑细选，找到了强度大又重量轻的耐低温高强度结构钢，与常规材料相比，使用这种新材料使井架主体重量减轻了15%。
由于耐低温高强度结构钢在我国陆用石油钻井装备上还没有应用的先例，如何确保新型钢材的焊接质量成了一个新的难题。对此，焊接工程师白永宏，通过联系大学老师、与钢厂技术人员交流，亲自和焊接工人一起做试验等，经过三个多月的努力，终于完成了焊接工艺试验，而桥梁企业做同样材料的试验用了数倍的时间。
三个多月的时间里，他们共完成了80多块焊接试板、70多个拉伸接头、130多个弯曲试样、600多个冲击接头的试验，对相关试验数据进行归纳、总结，制定了专项焊接工艺规范指导工业化应用。
关键部件全部国产化
钻机的八大件包括结构件、钻井泵、绞车、天车、游车、大钩、水龙头、转盘。“相比起9000米钻机部分关键部件依赖进口，12000米钻机的关键部件全部实现了国产化。”王进全自豪地说道。
谈起12000米钻机关键部件国产化的技术难点，从事钻机部件研制的宝石机械研究院陆上装备研究所主任工程师蒲容春首先举了转盘研制的例子。转盘是钻机的核心部件之一，靠它动力才能传递到万米地下。12000米钻机的转盘需要一个直径为1.96米的特殊齿轮，但宝石机械所能加工的这类齿轮最大直径仅为1.6米，国内也没有其他的企业能加工。
为制造出国内最大的钻机转盘，宝石机械把两位已经退休的能工巧匠返聘回厂，让年过古稀的老技师谢天增、刚退休的工程师刘志学和年轻的技术人员徐强三代师徒携手攻关，挑战机床的加工极限。为保证安全，他们先对机床测算摸底，通过反复调整相关参数设置，设计制作多套专用工具与工装，花了近三个月时间，成功打造出直径1.96米的超级特殊齿轮。
钻井泵是钻机循环系统的心脏，是钻机三大工作机中连续作业的重要装备。高压钻井泵及其易损件的研制是12000米钻机关键部件研制中的另一大难点。
蒲容春介绍，根据12000米钻机项目需要，必须研制开发功率为2200马力、工作压力为52兆帕的高压钻井泵。经验表明，压力越大，钻井泵易损件的使用寿命越短，如何在52兆帕的高压下，尽可能地延长易损件使用寿命成为了主要技术难点。
通过技术研究和攻关，宝石机械自主研发了一种新型的“L”形液力端结构，改变了传统的直立式结构布置，提高了钻井泵承压能力；同时在钻井泵的吸入端创新设置了一套立式吸入空气包装置，提高了钻井泵的吸入性能。
同时，技术人员针对高压钻井泵易损件进行了厂内模拟钻井工况的寿命试验。先后对活塞缸套摩擦副、柱塞缸套摩擦副、空气包材料等易损件，在不同介质、不同压力级别、不同冷却方式条件下进行对比试验，试验时间历经8个多月。
“试验表明，我们采用的活塞缸套摩擦结构的性能明显优于传统的柱塞缸套摩擦结构。”蒲容春介绍，在该试验过程中发明的“钻井泵缸套内外表面冷却”技术不仅获得了我国的发明专利授权，而且还获得了美国发明专利授权。
改变特深井钻探装备依赖国外的局面
2007年11月，宝石机械自主研制的我国第一台拥有自主知识产权的12000米特深井钻机通过了由中石油和中石化用户共同组织的出厂验收工作。验收委员会对该钻机给予高度评价，认为该钻机在多项技术上有重大创新，是全球第一台陆地用12000米特深井交流变频电驱动钻机。
验收委员会主任、中国石油集团咨询中心专家委员会钻机设备专家钟树德表示，12000米特深井石油钻机的研制成功，将把我国陆地和海洋深水油气田、大位移井及其他复杂油气田超深油气藏的勘探开发水平提高到一个新的层次，并将极大地提升我国石油钻井队伍在国际油气勘探市场的竞争力。
12000米钻机研制成功的消息一经传出，很快引起了两院院士们的高度关注。2008年1月20日，经中国科学院、中国工程院547名院士联合评选出的2007年“中国十大科技进展新闻”榜单揭晓，“12000米特深井钻机研制成功”名列该榜第二位，紧随“嫦娥一号”发射成功之后。
苏义脑院士指出，12000米特深井钻探装备的成功研制，改变了我国特深井钻探装备依赖国外的局面，使中国成为继美国之后第二个拥有万米级钻探装备的国家。该项目技术水平居于世界前列，大大提升了我国石油钻井装备的整体研发和综合配套能力，同时也为我国陆上、海洋超深地层的油气勘探提供了强有力的装备保障和技术支持。
据悉，2008年4月，宝石机械研制的首台12000米钻机在四川德阳孝泉镇“川科一井”开钻，历经一年半，完成了该井的钻探任务，钻深7566米。该钻机经历了冬季、夏季自然环境与复杂地质条件和“5.12”汶川大地震的考验，所有设备运转正常，完成了《工业性试验大纲》所规定的全部试验与测试项目。钻机目前正在四川阆中县老关镇元坝123井作业，该井设计井深7489米。
王进全表示，万米深井钻探装备的研制是一项综合性的系统工程，涉及的创新点和技术突破包括钻机整机技术集成及各个设备设计、制造和试验等，取得了10项主要技术成果；获得了20项国家专利授权，其中4项为发明专利；发表各种学术、研究论文17篇；具备良好的产业化前景。
2010年7月，863计划资源环境技术领域办公室在成都组织召开了“万米深井钻探装备”课题验收会，验收专家组一致通过了课题的验收。至此，12000米钻机项目圆满地完成了研制任务。
(科技日报)
