“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。 

　　齿条齿轮钻机在美国市场优势显现 

　　最早从事定向钻井设备研发的厂商之一，美国奥格公司（American Augers）已研制开发出五种型号的大钩载荷为330,000磅的齿条齿轮钻机，分别在美国德克萨斯、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。该公司还准备在美国俄亥俄州推出其大钩载荷为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。 

　　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。 

　　美国奥格公司早在1988年就开发出了其第一台用于水平穿越钻井的齿条齿轮钻机，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。比如美国奥格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。

　　钻井新技术促进齿条齿轮钻机发展

　　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TTS Sense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。TTS Sense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。 

　　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。 

　　TTS Sense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，TTS Sense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，这些钻机将于今年开始投入使用。 

　　位于美国俄克拉何马州的Akerman Construction公司的子公司——Horizontal Well Drillers (HWD)公司，在美国各地共有7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330,000磅，但其负荷设计可达到440,000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，3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，除了美国市场外，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。 

　　HWD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8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40%~50%，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 

　　HWD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13,000英尺。该公司发现，认为齿条齿轮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92%的2007年在美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。2005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5,000米 (16,000英尺)的深度。
 
　　Max Streicher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3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2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6台液压马达，每一侧3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。 

　　Max Streicher公司计划，在今年早期推出两种型号的第二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。