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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