應用于頁巖氣開采的新型特種鉆機

高俊杰

（大慶市工業(yè)和信息化委員會，黑龍江大慶163002）

隨著全球石油和煤炭等傳統能源的日益減少，頁巖氣資源的勘探開發(fā)得到世界各國的日益重視。目前，全球頁巖氣探明儲量約為456萬億m3，其中我國頁巖氣資源量達到100萬億m3，約為國內常規(guī)天然氣探明儲量的2倍。但是，由于頁巖氣藏多屬低孔、低滲透儲層，儲層致密、非均質性強，氣流阻力比常規(guī)天然氣儲層大，且我國頁巖氣儲層埋深多在2000～3500 m，平均深度高于美國1000 m以上，給我國頁巖氣開采帶來諸多技術和設備上的難題。

頁巖氣開采由于鉆采工藝、造穴方式、目的層地質結構等方面與傳統能源不同，使頁巖氣鉆機與常規(guī)油氣鉆機間存在較大差異，需要鉆機能夠適應使用環(huán)境及工程經濟性要求。鉆井成本占勘探開發(fā)總支出50%左右，節(jié)省鉆井成本對于經濟開發(fā)頁巖氣具有決定性的意義，直接影響頁巖氣開采的“經濟性”，迫切需要低成本、高效率的鉆完井設備。美國用了15年時間，將頁巖氣開發(fā)成本降低85%，目前單井成本在1800萬元～2800萬元；我國單井成本8000萬～1億元，2012年美國頁巖氣產量2653億m3，我國僅約4億m3。液壓鉆機和斜直井鉆機等特種鉆機具備了降低開采成本、提高采收率的基本特點，能夠滿足水平井鉆井和水平井分段壓裂等兩大核心關鍵技術要求，對我國降低頁巖氣勘探和開發(fā)成本有著重要實踐作用。

在復雜條件下和超深度開采技術領域，液壓特種鉆機發(fā)揮著越來越重要的作用，它具有提升和加壓鉆進能力，并可實現自動送鉆等特點，摒棄了以往常規(guī)鉆機的絞車、轉盤和井架等裝置，它利用頂部驅動鉆井裝置旋轉鉆柱，通過液壓油缸提升和下放鉆柱，特別適用于定向井、水平井、測鉆井等特殊領域的鉆井，以及其他復雜條件下的鉆井。液壓鉆機的主要核心部件主要包括自動化操作平臺、機械手、鉆井液凈化系統、提升下壓裝置、泥漿泵組、液壓絞車、動力系統、空氣壓縮系、統運載車底盤等。液壓鉆機具有集約化程度高、鉆井效率高、自動化程度高、可靠性好等優(yōu)勢，克服了常規(guī)石油鉆機依賴手工操作和低效率不精確的機械傳動和控制弊病，使非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)具備更好的安全性、更高的鉆井效率、更小的風險以及整體優(yōu)化的鉆井工藝。液壓鉆機的技術先進性表現在多個方面：一是工作效率高，具有鉆進加壓功能，以達到快速鉆進的目的，同時設備結構緊湊、機動靈活，便于移運，能夠較大幅度地縮短轉場搬家的時間。二是可適應領域范圍廣，兼?zhèn)淞丝諝庋h(huán)鉆井、泥漿循環(huán)鉆井、泡沫循環(huán)鉆井等多種方式，在滿足鉆井工藝的基礎上，能夠根據地質狀況任意選擇，從而提高鉆井效率，它的動力頭可鎖定不動，具有開窗、造斜、控斜功能，能夠進行水平井、多分支井的鉆探作業(yè)，可選用大通孔直徑的動力頭，實現反循環(huán)鉆進、跟管鉆進等各種鉆進工藝，還具有桅桿可傾斜，能夠實現開孔斜打等多功能用途。三是操作使用更加方便，新型液壓特種鉆機運用了全液壓技術、升縮桅桿技術，使鉆機適用能力更大，使用更加方便，實行了電、氣、液一體化控制，進一步提高了自動化程度，減輕勞動強度。四是具備價格優(yōu)勢，與其他各類專用鉆機比較，它的產品價格較低，更有利于減少鉆探成本。

在儲層較淺的氣井開采中，斜直井鉆機的設計制造更能發(fā)揮獨特優(yōu)勢。它的動力水龍頭和提升下壓液缸均由變量柱塞泵來驅動，變量柱塞泵排量由液壓比例手柄控制，通過調節(jié)變量柱塞泵排量，無級調節(jié)旋轉和鉆進的速度。井架采用液壓起升，從垂直位置能在0～450范圍調節(jié)，調節(jié)間隔0.750。采用伸縮桅桿技術，動力頭凈空行程高達15.24 m，直接用液壓桅桿升舉和下放鉆具，可完成復雜鉆井工藝。配備頂驅和自動排管機械手，鉆壓自動控制，作業(yè)成本低，所需人工少，維護保養(yǎng)少，能耗少，一臺鉆機通過固定的動力系統、循環(huán)系統連接可以鉆十幾口井，對于非常規(guī)油氣井是最佳選擇，對增加單井產量比水平井更有經濟意義。

隨著我國頁巖氣開采領域的擴大，各類新型特種鉆機需求同步增長，特種鉆機的研究和更新也呈逐步加快趨勢。目前，四川宏華公司已經成功研制出單根超級液壓鉆機和連續(xù)油管鉆機，寶石機械公司和南陽二機公司等已研制成功斜直井鉆機，長城鉆探公司和江漢四機公司等研制成功了全液壓鉆機，并已經陸續(xù)投入市場，新型特種鉆機必將得到更加廣泛的應用。

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