超深井由于其建井、钻井和完井时间都比较长，而且普遍存在地层结构复杂的问题，因此对钻井设备的要求是：①可靠性高；②过载能力大，能够及时处理井下事故；③同时超深井钻井还有一个特殊性，就是起下钻所用的时间在整个钻井过程中所占的比重非常大，因此钻井效率也是考核钻机的一个非常重要的指标。
1.1.1 国外超深井钻机技术现状
为了适应勘探开发更深地层油气藏的需要，深井石油钻机趋向大型化，要求功率大、性能好、自动化程度高，可满足和适应深井钻井的多种需要。钻机钻深能力已达15000m，最大钩载达12500kN。为了提高起升工作效率，绞车功率有进一步提高的趋势，功率5220kW的绞车已经问世。另外，国外开始将交流变频技术应用于大型超深井钻机。
目前，美国钻机技术水平代表着国际上石油钻机的最高水平，其中以National Oilwell Varco公司为代表，其主要特点是：①钻机趋向大型化、结构型式多样化。如绞车功率可达4477kW，钻井深度可达15000m，泥浆泵的水马力达2350kW，车装式、拖挂式、橇装模块式种类齐全。②电气传动技术的进步使得传动更加简单，特别是广泛使用了交流变频驱动技术。已开发出Wirth和Varco ADS齿轮传动单轴绞车，还可以使用主电机能耗制动取代辅助刹车。③新型的一体化旋升式井架和底座、多节自升式井架的起放更安全，使钻机在钻井过程中更稳定，占用井场面积更小。④盘式刹车、顶部驱动钻井装置、立根自动排放机构、铁钻工装置的使用，使钻井智能化、自动化成为现实，使科学钻井成为可能。⑤钻机移运性能不断提高，快速搬迁能力成为钻机的关键竞争力。⑥注重以人为本，更加适应HSE要求。
挪威MH公司研究开发Ramrig液压驱动石油钻机，钻深15000m，额定载荷为9800kN。此外，前苏联乌拉尔重型机器制造厂、加拿大公司和德国德马克公司等均生产了钻井深度大于12000m的超深井钻机。
（1）美国NOV公司（National Oilwell Varco，国民油井瓦科公司）
早年生产的超深井钻机主要是直流电驱动，其代表产品主要有E3000/E3000-UDBE及4000-UDBE型，绞车功率分别为2237kW和2983kW，名义最大钻深分别可达9144m和12192m，为内变速多速绞车，主刹车有带式刹车和液压盘式刹车，辅助刹车均为电磁涡流刹车。由于受直流调速范围的限制及大功率链传动的结构限制，这种内变速多速绞车的发展有一定的局限性。随着交流变频技术的发展，大功率变频调速技术的成功应用，超深井钻机目前以交流变频驱动为主。
目前，美国NOV公司超深井钻机配置的绞车有单速和双速，基本都是齿轮传动，绞车功率为2983～5220kW，各个级别都有产品，主刹车采用的是主电动机能耗刹车，辅助刹车采用的是液压盘式刹车；配有 P型和 FC型钻井泵，功率均为1641kW，压力51.7MPa；配有的3种转盘；有7350kN、9800kN的大钩、水龙头（工作压力51.7MPa）。
国内进口有多台E3000型电驱动钻机，该钻机的主要技术参数见表1.1（纪人公等，1994）。
表1.1 美国NOV公司E3000型钻机基本参数
（2）美国Rowan公司
美国Rowan公司是一家生产制造大型钻井平台、特深井陆地钻机和海洋陆地钻井服务的上市公司，已生产制造了9 台 9000m和 3 台 12000m陆地特深井钻机，改造了12000m钻机2台。中国石化集团公司决定从Rowan公司购买一台12000m钻机，钻机基本参数见表1.2（孟祥卿等，2006）。
表1.2 美国Rowan公司12000m钻机基本参数
（3）前苏联的乌拉尔机械-15000型钻机
前苏联科拉超深井（СГ-3）于1970年5月开始钻进，其目的任务：①研究科拉半岛地区波罗的地盾太古宙结晶基底和含镍的贝辰加杂岩的深部结构，查明包括成矿作用在内的地质作用的特点；②查明大陆地壳内地震界面的地质性质并取得有关地球内部热状态、深部水溶液和气体的新资料；③获得最充分的有关岩石物质成分及其物理状态的信息，揭露和研究地壳花岗岩层和玄武岩层之间的边界带；④完善现有的和创立新的超深钻进的技术和工艺，以及深部岩石和矿石的综合地球物理研究方法（E.A.科兹洛夫斯基，1989）。
СГ-3井使用涡轮马达和铝合金钻杆，进行超前孔裸眼钻进，第一阶段钻进至7263m井深，采用乌拉尔机械-4З钻机（表1.3），第二阶段从7263m开始采用乌拉尔机械-15000钻机（表1.3）。
表1.3 科拉超深井的钻机技术参数
（4）德国的UTB-1型KTB钻机
联邦德国大陆深钻计划（KTB）是德国第一个国家的大规模地学研究计划，以超深孔的施工为中心，达到“进行关于地壳较深部位的物理、化学状态和过程的基础调查和评价，以了解内陆地壳的结构、成分、动力学和演变”的目的。KTB主孔（设计深度14000m）的钻机的研制、建造和操作运行是由UTB ULTRATIEF钻探股份公司来完成的，该公司由德国深钻有限公司（DEUTAG）、德国建井与深钻有限公司（DST）和国际深钻有限公司（ITAG）组成，钻机的主要技术参数见表1.4。
表1.4 UTB-1型KTB钻机技术参数
（5）德国Herrenknecht GmbH公司的InnovaRig钻机
2007年德国Herrenknecht GmbH公司研制了深部钻进和取心钻机InnovaRig（图1.1），该钻机的主要技术参数如表1.5。
图1.1 InnovaRig钻机
表1.5 InnovaRig钻机技术参数
1.1.2 国内超深井钻机技术现状
经过50年的努力，特别是改革开放后20多年的发展，目前国产石油钻机已形成了比较完整的系列，在品种和质量上基本能够满足在国内不同地区、不同井深和不同环境条件下进行油气资源勘探开发的需要。近年来，还有相当数量的国产钻机在国外承担钻井服务和国内的反承包钻井服务。从钻机设备制造来看，近几年已开发和生产了1000～7000m机械驱动钻机，机电复合驱动钻机和整拖式、轮式半拖挂整体移运式钻机，研制生产了4000～7000m各种型号直流电驱动钻机、交流变频电驱动钻机和3000m以下各种车装及橇装钻机。钻机制造厂家有宝鸡石油机械有限责任公司、兰州兰石国民油井石油工程有限公司、四川宏华石油设备有限公司、河南中原总机厂石油设备有限公司、南阳石油机械厂、中国石化集团江汉石油管理局第四石油机械厂、上海三高石油设备有限公司、胜利油田石油机械厂等。在借鉴国外先进技术的基础上，我国又相继开发和应用了绞车液压盘式刹车系统，集中控制司钻房、组合式液压站、全液压套管扶正机、液压猫头、液压绞车、各种型式的井口吊装装置，数显防碰装置、大功率柴油机、液力偶合器正车箱、直流电机、变频电机等项新技术和新装置。与此同时，各制造厂又结合国际市场的需要，在钻机满足要求方面也采取了新的措施，并在钻井机械化、智能化方面取得了新的进展，从而使国产钻机的设计、制造、配套技术和钻机整机质量有了明显的提高，大大缩短了与国外先进钻机的差距，取得了显著的成绩（华伟棠，2005）。
超深井钻机技术在国内近几年才开始研究，2004年由兰州兰石国民油井石油工程有限公司和美国国民油井公司共同研制的9000m直流电驱动钻机在科威特成套交货，尽管关键件的总体设计和生产制造由美国国民油井公司掌握，但这也是我国在超深井钻机研制方面迈出的第一步。国内由宝鸡石油机械有限责任公司2005年自主研发的首台9000交流变频电驱动钻机目前正在油田进行工业性试验。尽管该项目早在2001年就在国家经贸委立项，但由于受大功率变频控制技术的成熟度和大功率齿轮传动绞车可靠性等因素的影响，长期没有明确的用户，为此宝石机械公司进行了7000m交流变频电驱动、齿轮传动绞车钻机的研制，2003年7月完成工业性试验，为大功率交流变频技术的应用以及自动送钻技术的应用积累了一定的经验。随后，各个油田也看到了交流变频技术的优势，5000m、7000m交流变频电驱动钻机在国内市场的销量大幅增长。随着国际市场油价的升高，国内高难度井开采量的加大，超深井钻机的需求也突现。2004年年底中国石油集团公司组织行业专家对方案进行了评审，同时将9000m交流变频电驱动钻机列为集团公司2005年重点科研项目，至此，9000m交流变频电驱动钻机的研发正式进入实施阶段（罗超等，2007）。
目前，国内研制制造超深井钻机的厂家有宝鸡石油机械有限责任公司、兰州兰石国民油井石油工程有限公司、四川宏华石油设备有限公司和上海三高石油设备有限公司等。
1.1.2.1 宝鸡石油机械有限责任公司
研制的ZJ90/6750DB超深井钻机（图1.2；表1.6）于2006年8月13日在新疆油田准噶尔盆地腹部莫索湾的莫深1井（设计井深7380m）开钻使用，一开井径Φ660.4mm。2006年11月22日二开以4463m井深完钻，井径Φ444.5mm；2006年12月1日，顺利下入5000kN重、Φ339.7mm的技术套管4462.02m，一次性成功注入固井水泥300t。2007年3月以Φ311.1mm井径三开开钻，2007年7月24日以6406m井深完钻；2007年7月26日，顺利下入5106kN重、Φ244.5mm技术套管6403.37m。四开井径Φ215.9mm，2007年11月23日顺利钻至设计井深7380m并继续钻进，最后莫深1井加深到7600m。
图1.2 施工莫深1井的ZJ90/6750DB超深井钻机
表1.6 宝鸡石油机械有限责任公司9000m和12000m钻机技术参数
12000m钻机研制被列入国家863计划，ZJ120/9000DB超深井钻机的技术参数见表1.6，2007年11日出厂，在川科1井三开以后投入使用。川科1井位于川西坳陷孝泉构造（四川德阳市孝德镇东利村1组），设计井深8875m，采用五开井身结构，完钻井眼尺寸Φ215.9mm。2007年3月20日使用7000m钻机开钻，一开井径Φ660.4mm、Φ508mm表层套管下深497.08m。二开井径Φ444.5mm，2007年9月7日以3200m井深完钻。二开完钻后，2008年3月12日三开钻进使用国产12000m超深井钻机——ZJ120/9000DB（图1.3）。
图1.3 施工川科1井的ZJ120/9000DB超深井钻机
1.1.2.2 兰州兰石国民油井石油工程有限公司
ZJ90/5850DZ直流电驱动钻机（表1.7）性能特点：
1）采用以柴油机为动力，带动交流发电机，经可控硅整流，由直流电动机驱动绞车、转盘和泥浆泵的传动方式，即AC-SCR-DC传动。
2）电传动系统采用全数字式交流模块和全数字式DC直流模块。PLC逻辑程序控制、触摸显示屏。支持计算机及其打印（运行工况表）功能。电器工程师笔记本电脑和专用软件进行在线测试。系统具有对柴油机、发电机、SCR系统、直流电动机、断路器及其他单元进行检测、故障诊断、保护、运行工况定性和定量的显示和对系统的控制功能。
3）绞车滚筒开槽；主刹车采用液压盘式刹车，刹车力矩大，灵敏可靠。
盘刹操作手柄置于司钻控制房内，改善了司钻的工作环境，减轻了司钻的劳动强度；绞车的辅助刹车为电机能耗制动和电磁涡流刹车；绞车配有过卷阀防碰天车装置与智能游车位置控制系统，防止发生游车“上碰下砸”事故；绞车配有电机自动送钻装置，可实现恒钻压自动送钻以及零速度悬停功能。
表1.7 兰州兰石国民油井石油工程有限公司9000m钻机技术参数
4）转盘独立驱动装置由直流电机经两挡齿轮变速箱驱动转盘；既可由转盘电机经链条箱驱动转盘，又可由绞车电机经链条传动驱动转盘，二者实现互济，提高了钻机的可靠性，充分满足钻井工艺需要。
5）配备大功率三缸单作用泥浆泵，由窄V带驱动。
6）“H”型钢制造的“K”型井架，利用绞车动力整体起升，视野开阔，运输方便。
7）平行四边形整体起升式底座，可实现钻台面设备和井架低位安装，利用绞车动力整体起升。
8）钻机的主要机械部件：天车、游车、大钩、水龙头、转盘、井架、底座均符合API规范，打API会标。
ZJ90/5850DB交流变频电驱动钻机（表1.7）性能特点：
1）钻机采用机、电、数字、通讯一体化设计，应用当代先进成熟的矢量控制技术、交流变频技术、数字控制技术、总线通讯技术。
2）采用先进的全数字交流变频PLC控制技术，通过触摸屏及气、电、液、钻井参数的一体化设计，实现钻机智能化司钻控制。
3）单轴式交流变频齿轮传动绞车及速度数字化闭环控制，可合理利用功率，提高钻井时效。
4）转盘扭矩和泥浆泵泵压的数字化限制控制，实现过扭矩或超泵压保护。
5）智能游车位置控制，防止钻机发生游车“上碰下砸”事故。
6）绞车主刹车采用电机能耗制动，通过计算机定量控制制动扭矩。
7）采用主电机自动送钻，实现钻井给进的自动化；智能化司钻控制操作系统，使钻机的操作由技能型变为智能型；钻机采用网络控制系统，可实现设备信息共享、自动化控制、集中监视、生产管理和设备管理多种功能。
8）钻台设备低位安装，与井架一起整体起升。
9）全液压套管扶正机自动化程度高。
10）钻机的主要部机采用NOV（美国NOV公司）成熟技术并得到世界验证。
1.1.2.3 上海三高石油设备有限公司
上海三高石油设备有限公司研制的9000m钻机技术参数见表1.8。
表1.8 上海三高石油设备有限公司9000m钻机技术参数