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頁巖氣高效鉆完井裝備和工具技術(shù)方案研究

2015-11-20 06:26:12信石玉高文金
中國礦業(yè) 2015年11期
關(guān)鍵詞:鉆具螺桿鉆機

類 歆,信石玉,高文金,周 斌

(1.中國石化石油工程機械有限公司研究院,湖北 武漢430223;2.中國石化石油機械裝備重點實驗室,湖北 武漢430223)

頁巖氣作為國內(nèi)新制定的獨立礦種,其開發(fā)熱度一直有增無減。川東北地區(qū)頁巖氣區(qū)塊屬山地-丘陵地貌[1-2],西、北臨長江,南抵烏江,地面海拔700~1000m。構(gòu)造為受大耳山斷裂控制的寬緩斷背斜,北東向展布[3];發(fā)育北東向和近南北向兩組斷層,構(gòu)造高點海拔1475m,幅度1400m,面積229.74km2。隨著2012年開始開展頁巖氣開發(fā)取得階段性進展,逐漸建設(shè)成為中國首個大型頁巖氣田[4-7]。隨著大規(guī)模開發(fā)部署的推進,作為重要技術(shù)支撐的現(xiàn)有鉆完井裝備和工具,逐漸體現(xiàn)出一定的技術(shù)不適應(yīng)性,不能完全滿足頁巖氣高效開發(fā)的需求,有必要為該區(qū)塊的開發(fā)裝備進行優(yōu)化改進整合,提出系統(tǒng)的解決方案[8-9]。

1 現(xiàn)有裝備和工具技術(shù)分析

1.1 鉆完井裝備

1.1.1 鉆機

川東北地區(qū)目前鉆機全部配備頂部驅(qū)動裝置,其中僅少數(shù)鉆機配備了井間移運裝置(多為滑軌式)。

鉆井周期不斷壓縮,已達到60天之內(nèi)完井,但鉆機搬遷安裝時間則占總時間的10%,現(xiàn)有鉆機已不能充分適應(yīng)快速運移的要求;井場占地面積大,作業(yè)強度大、風險高,也增加了協(xié)調(diào)管理難度;同時部分鉆機輔助工具自動化程度不高,造成人員勞動強度大,生產(chǎn)效率不高。因此主要問題有3點:井口間移運效率較低、自動化控制及工具程度較低、現(xiàn)有鉆機改造有一定難度。

1.1.2 螺桿鉆具

川東北頁巖氣鉆井提速螺桿鉆具存在的問題主要有:17”1/2直井段容易出現(xiàn)溶洞、地層出水等復雜情況,缺乏大尺寸高效螺桿,只能采用常規(guī)的鉆井方式,機械鉆速較慢;12”1/4直井段容易出淺層氣,有些井位不適合空氣鉆,須使用泥漿鉆進,定向段缺乏大功率高效螺桿,常規(guī)鉆進機械鉆速較低;8”1/2水平段采用國產(chǎn)165油基泥漿螺桿,使用壽命一般在120小時以下,壽命較短、質(zhì)量不穩(wěn)定。

1.1.3 鉆頭

頁巖氣鉆井用各開次鉆頭問題主要是:導眼地層主要為泥巖,現(xiàn)用鉆頭仍有提速空間;一開地層穩(wěn)定性差,薄層互層多、軟硬交錯、憋跳嚴重,泡沫或清水鉆進時進尺少、機速低,鉆頭內(nèi)外排齒斷齒較多;二開直井段地層軟硬交錯,牙輪鉆頭機械鉆速低,使用壽命短,PDC鉆頭易崩齒;二開定向段容易發(fā)生偏心旋轉(zhuǎn),牙輪曠動、掌尖和掌背磨損,外排齒和主切削齒磨損和斷齒,PDC鉆頭工具面極為不穩(wěn)定,定向能力差;三開大斜度井段和水平段鉆進較長,鉆頭穩(wěn)斜較難,巖屑上返困難,出現(xiàn)巖屑重復破碎,鉆頭易過度磨損影響壽命,造成井眼縮徑。

1.2 作業(yè)裝備

1.2.1 壓裂裝備

川東北地區(qū)現(xiàn)采用的2500型車載壓裂機組進行作業(yè),應(yīng)用存在的主要問題為:壓裂裝備和配套設(shè)備的數(shù)量多,占地面積大,作業(yè)場地受限制,作業(yè)費用高;沒有連續(xù)配液裝置,無專用添加劑設(shè)備,現(xiàn)場液罐太多;儲砂罐容積100~200m3,只能夠滿足2~3段的總用砂量要求,無法適應(yīng)多井作業(yè);施工作業(yè)中主力裝備和輔助裝備不能實現(xiàn)整體控制;沒有實現(xiàn)作業(yè)流程自動控制,手動模式無法保證施工質(zhì)量。

1.2.2 連續(xù)管作業(yè)設(shè)備

連續(xù)管作業(yè)設(shè)備主要使用問題為:急需提升設(shè)備作業(yè)能力,滿足深井作業(yè)要求,但大容量油管滾筒和超長大管徑連續(xù)油管運輸受限無法移運到現(xiàn)場;安裝位置高,操作難度大;機械計數(shù)器和電子計數(shù)器,有一定的誤差,缺乏有效的監(jiān)控裝置;作業(yè)工具依賴國外進口產(chǎn)品,作業(yè)成本高。

1.2.3 不壓井作業(yè)設(shè)備

不壓井作業(yè)設(shè)備主要使用問題為:帶壓井作業(yè)裝備可以完成帶壓下生產(chǎn)管柱、打撈和鉆塞作業(yè),作業(yè)井深3500~4200m,其中水平段最長1500m,井壓20~35MPa,生產(chǎn)管柱直徑2 7/8”,采用分段壓裂的方式求產(chǎn);少數(shù)井采用國外公司作業(yè)施工,完成垂直段生產(chǎn)管柱下放,效果良好,但作業(yè)費用高,單井超過100萬元。

1.3 采氣裝備

采氣裝備主要使用問題為:川東北地區(qū)的頁巖氣含水量和含硫量極低,對工藝設(shè)備要求較低,但設(shè)備根據(jù)工作需要,需要不定期移動井位,現(xiàn)用的采氣設(shè)備為石油伴生氣收集處理裝置,撬裝化結(jié)構(gòu),占地面積較大,工作準備時間長。

1.4 環(huán)保設(shè)備

環(huán)保設(shè)備主要使用問題為:頁巖氣壓裂作業(yè)需要水量大,單井壓裂液約30000m3,返排率較高,但川東北地區(qū)水資源缺乏,需要單獨設(shè)管線從長江取水,需要對返排液進行再利用,并嚴格控制排放水質(zhì),而現(xiàn)有壓裂返排液采用化學藥劑凈化處理方式,成本較高,且有排放風險。

2 改進優(yōu)化技術(shù)方案

2.1 鉆完井裝備和工具解決方案

2.1.1 鉆機

井間移運技術(shù)方案:解決井間移運問題主要有三種成熟技術(shù),滑軌式、輪軌式和步進式。特點對比見表1。

表1 鉆機移運方式對比

根據(jù)技術(shù)特點,井間移運技術(shù)方案可以采用:單列叢式井,采用輪軌式;多列叢式井,采用滑軌式;不規(guī)則井位,推薦步進式。

自動化控制及工具改進方案:根據(jù)自動化工具成熟度,自動化控制系統(tǒng)可采用分步實施方案。首先配套成熟的鐵鉆工、自動吊卡、氣動卡瓦、頂驅(qū)、BOP機械拆安裝置、自動貓道及井場排管架等;通過技術(shù)合作和充分的試驗,待二層臺排管排管裝置技術(shù)成熟后與原有系統(tǒng)集成,形成完整的管柱處理系統(tǒng),真正實現(xiàn)自動化控制。

除現(xiàn)有轉(zhuǎn)機技術(shù)改進外,解決自動化控制及工具問題也可采用液壓自動化鉆機,該類型鉆機無傳統(tǒng)的絞車和二層臺、采用自立式井架和彈弓式底座結(jié)構(gòu),液壓油缸提升系統(tǒng),具有加壓(水平段鉆壓)和提升功能,管柱處理系統(tǒng)與液壓頂驅(qū)配合作業(yè),在司鉆房內(nèi)集中控制完成管柱的自動化處理。鉆機自動化程度高、尺寸小、模塊少、噪音低。

鉆機總體技術(shù)路線的具體實施方案分為以下幾個步驟:在現(xiàn)有鉆機的基礎(chǔ)上,增加井間移運裝置和1#罐轉(zhuǎn)接等裝置;進一步配置成熟的自動化工具(二層臺排管裝置除外),進行控制系統(tǒng)整合;在成熟技術(shù)改造的基礎(chǔ)上,將經(jīng)過充分試驗驗證的二層臺排管裝置、管柱自動處理系統(tǒng)應(yīng)用到鉆機,集成控制系統(tǒng)進行整合改造,滿足井工廠作業(yè)要求。

2.1.2 螺桿鉆具技術(shù)方案

針對一開17”1/2井眼,開發(fā)244大尺寸高速高效等壁厚螺桿鉆具,較常規(guī)螺桿鉆具輸出功率提高30%,轉(zhuǎn)速提高15%,能大大提高機械鉆速。

針對二開12”1/4直井段,開發(fā)大功率、高造斜216等壁厚螺桿鉆具;針對定向段造斜慢、機械鉆速低的問題,開發(fā)大功率等壁厚螺桿鉆具,比常規(guī)螺桿鉆具功率高、效率高、扭矩大。針對三開8”1/2水平段油基泥漿螺桿鉆具壽命鉆、起下鉆多的情況,開發(fā)耐油基泥漿165螺桿鉆具,設(shè)計壽命120h以上。

2.1.3 鉆頭技術(shù)方案

導眼鉆頭針對性技術(shù)方案:選用成本較低的鋼齒鉆頭,對其齒型和敷焊材料進行優(yōu)化,提速空間較大。

一開17”1/2鉆頭針對性技術(shù)方案:切削結(jié)構(gòu)加密布齒,提高排屑能力;加強切削齒的抗斷碎能力;強化掌背位置布齒,提高保徑能力。

二開12”1/4鉆頭(直井段)針對性技術(shù)方案:空氣鉆12”1/4HJT537GK鉆頭;常規(guī)鉆直井段較短使用12”1/4HJT537GK鉆頭,直井段較長則推薦使用混合鉆頭。

二開12”1/4鉆頭(定向段)針對性技術(shù)方案:牙輪外排和主切削齒采用梯度硬質(zhì)合金齒,增強耐磨損性和抗折斷能力;采用六點定位牙輪鉆頭,提高鉆頭穩(wěn)定性;牙輪背錐和掌尖鑲金剛石復合齒,掌尖加寬加厚焊。

三開8”1/2鉆頭針對性技術(shù)方案:優(yōu)化PDC鉆頭輪廓設(shè)計,采用6刀翼和中、長保徑長度提高鉆頭穩(wěn)定性;通過降低主刀翼數(shù)量,降低布齒密度,采用后傾角設(shè)計提高鉆頭攻擊性,提高機械鉆速;采用CFD優(yōu)化水力設(shè)計,確保鉆頭冷卻和返屑順暢。

2.2 作業(yè)裝備技術(shù)方案

2.2.1 壓裂裝備

鑒于該區(qū)塊工作壓力在60MPa左右,從整體經(jīng)濟性考慮,可以采用2300型壓裂泵撬;采用SQP2500H型五缸壓裂泵,以適應(yīng)頁巖氣壓裂長時間連續(xù)工作的要求;15臺2300型壓裂泵撬可以滿足該地區(qū)壓裂施工要求。

降低占地面積技術(shù)方案:采用撬裝化結(jié)構(gòu)、多層布置的方式,底層放置壓裂泵撬,頂層放置液罐及部分輔助配套設(shè)備;撬裝化結(jié)構(gòu)沒有底盤車頭,因此可有效減小壓裂占地面積。

低成本化技術(shù)方案:川東北地區(qū)有充足清潔的可燃氣源和10kV的高壓配電,因此可以采用成熟的雙燃料發(fā)動機和變頻電驅(qū)動作為壓裂設(shè)備的動力系統(tǒng),實現(xiàn)低成本應(yīng)用。雙燃料壓裂撬方案可降低設(shè)備購置和運行成本,還可提高設(shè)備的使用和維護性能,減小井場占地面積,整套機組減少人員配置10~12人,可提高壓裂施工作業(yè)的經(jīng)濟性。電驅(qū)壓裂撬就其自身而言不僅具有良好的經(jīng)濟使用性,而且噪音小、污染小,但整個機組要求電網(wǎng)容量大,無法全面推廣,建議根據(jù)井場電網(wǎng)能力進行適當配置,與其他壓裂撬(車)配合使用,降低壓裂施工作業(yè)成本。

2.2.2 連續(xù)管作業(yè)設(shè)備技術(shù)方案

頁巖氣開發(fā)長水平段分段壓裂,每一段壓裂完成后都需鉆削橋塞,連續(xù)管鉆機(作業(yè)機)高效快捷,是頁巖氣井長水平段完井鉆橋塞理想方式。

2.2.3 不壓井作業(yè)設(shè)備技術(shù)方案

根據(jù)川東北高壓氣井的作業(yè),可采用獨立撬裝式帶壓作業(yè)設(shè)備,能對卡瓦、防噴器狀態(tài)實時監(jiān)控,設(shè)備在作業(yè)過程中采用閘板防噴器進行動密封。

2.3 采氣裝備技術(shù)方案

在已有的石油伴生氣收集處理裝置基礎(chǔ)上加以改進:簡化工藝流程,取消除硫裝置和縮小除水裝置,減少占地面積;調(diào)整壓縮機參數(shù)、更改動力系統(tǒng)模式(雙燃料發(fā)動機替代電機)、優(yōu)化整體方案,使之結(jié)構(gòu)更加緊湊合理,操作維護更為簡潔,滿足該地區(qū)頁巖氣收集壓縮的需要。

2.4 環(huán)保設(shè)備技術(shù)方案

壓裂返排液處理裝置技術(shù)方案:壓裂液體系需要多種添加劑,如稠化劑、交聯(lián)劑、殺菌劑、高溫穩(wěn)定劑、延遲添加劑、黏土穩(wěn)定劑、破解劑等。壓裂作業(yè)完成后,大量的壓裂液需要返排,為了充分利用水資源和減少環(huán)境污染,壓裂返排液處理裝置可以以電絮凝等電化學處理方式為主,解決頁巖氣開采壓裂作業(yè)產(chǎn)生返排污水的回用或外排難題。

通過一套綜合流程滿足重復利用與達標排放的要求,同時可根據(jù)不同水樣,選擇不同處理方法(主要是電化學方式處理),靈活多變,減少對水資源的依賴性,降低處理成本。流程圖見圖1。

3 主要技術(shù)裝備效益分析

3.1 鉆機技術(shù)方案效果對比分析,見表2。

3.2 壓裂設(shè)備技術(shù)方案效果對比分析,見表3。

3.3 不壓井設(shè)備方案技術(shù)效果

圖1 電絮凝壓裂返排液處理裝置技術(shù)流程圖

相對國外設(shè)備單井作業(yè)費用超100萬元,采用國產(chǎn)化不壓井作業(yè)設(shè)備,作業(yè)費用相對較低,臺面布置更加合理,能保證多操作人員有序施工,卡瓦通徑大,達到186mm,能保證懸掛器及工具的順利通過,配置不壓井作業(yè)安全系統(tǒng),能對卡瓦、防噴器狀態(tài)實時監(jiān)控。除技術(shù)優(yōu)勢之外,還有利于培養(yǎng)不壓井專業(yè)作業(yè)隊伍,提升油田不壓井作業(yè)服務(wù)水平,拓展服務(wù)市場。

表2 鉆機自動化改進技術(shù)方案效果對比

表3 壓裂設(shè)備技術(shù)方案效果對比

4 結(jié)論

1)頁巖氣開發(fā)存在廣泛降本需求,從鉆井裝備、工具、作業(yè)裝備、采氣和環(huán)保裝備方面開展全面降本技術(shù)研究,具有現(xiàn)實意義。

2)鉆機的自動化技術(shù)改進是其發(fā)展方向,有必要加速研制管柱處理系統(tǒng)并應(yīng)用于現(xiàn)場,發(fā)展高端鉆機技術(shù)。

3)根據(jù)未來深井壓裂工作需求,開展大排量和高壓力(140MPa)壓裂機組和高壓管匯研究。

4)研制能夠使用2”3/8連續(xù)管的作業(yè)設(shè)備,滿足5000~6000m深井需求,現(xiàn)場連續(xù)管焊接或連接技術(shù)及工具對于解決工程實際具有重要意義。

5)螺桿鉆具需要提高耐油基、耐高溫性能,完善傳動部件密封設(shè)計。

6)頁巖氣井進入后期,自然壓力不足,有必要研究壓縮機抽吸技術(shù),使之滿足開采需求。

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