蘇 偉

（中國石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川成都 610051）

0 引言

由于我國頁巖氣勘探開發(fā)起步較晚，存在國內(nèi)頁巖氣藏大延伸水平井、固井和增產(chǎn)改造技術(shù)尚無先例等較多工程難點(diǎn)。為認(rèn)真貫徹落實(shí)公司關(guān)于頁巖氣開發(fā)總體工作部署和要求，需要深入總結(jié)分析，強(qiáng)化生產(chǎn)組織，加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)，攻克技術(shù)瓶頸，完善裝備配套，共同推進(jìn)頁巖氣示范區(qū)建設(shè)，為加快頁巖氣經(jīng)濟(jì)規(guī)模高效開發(fā)做出新的貢獻(xiàn)。

1 頁巖氣項(xiàng)目對(duì)鉆井設(shè)備的要求

1.1 頁巖氣項(xiàng)目自身特點(diǎn)對(duì)鉆井平臺(tái)的要求

頁巖氣產(chǎn)層的增產(chǎn)措施是通過大量清水夾帶一定比例支撐劑，單井最大壓裂液量3.8×104m3，井場配套設(shè)施需要建立一個(gè)3×104～5×104m3容量清水池，壓裂施工后仍然需要使用同等容積的廢水池，儲(chǔ)存轉(zhuǎn)運(yùn)排液產(chǎn)生的大量污水，需要建立污水轉(zhuǎn)運(yùn)基站和敷設(shè)轉(zhuǎn)運(yùn)管道，鉆井平臺(tái)的前期建設(shè)投入非常大。需要建立丘陵地區(qū)4～8 口井1 平臺(tái)井組鉆井、“交叉+同步+拉鏈”式壓裂等“工廠化”生產(chǎn)模式。平臺(tái)井組“工廠化”鉆完井配套技術(shù)可以減少生產(chǎn)流程，大幅降低生產(chǎn)費(fèi)用。

1.2 單平臺(tái)單機(jī)配置模式

自石油鉆井誕生以來，大部分勘探鉆井均采用的是單機(jī)單隊(duì)的方式，即使是同井場叢式井鉆探也是采用的單井結(jié)束后同井場搬家的方式，依次進(jìn)行下部各井鉆探任務(wù)，該模式有局限性和不適應(yīng)性，如淺海的人工島鉆井，四川頁巖氣鉆井等，原有的配置模式無法適應(yīng)頁巖氣的勘探開發(fā)需要，所以需要另外的鉆機(jī)組合方式。

1.3 一平臺(tái)多機(jī)配置模式

1992 年位于渤海灣沿岸的勝利油田淺海區(qū)域，采用構(gòu)筑人工島的形式進(jìn)行開發(fā)試生產(chǎn)，先導(dǎo)性試驗(yàn)人工島位于理島油田距岸6000 m，水深0.3 m，小島直徑60 m，首次嘗試在人工島上同時(shí)使用三部鉆機(jī)進(jìn)行作業(yè)，灘海人工島井場是在灘涂或者淺海通過吹砂或填海建成的鉆井平臺(tái)，建設(shè)成本較高、難度較大，每增加1 m3都需要很大的投入。該項(xiàng)目為中石油集團(tuán)公司重大專項(xiàng)“重大鉆井技術(shù)與裝備現(xiàn)場試驗(yàn)研究”，通過“一人工島多機(jī)”同時(shí)施工方式有效解決了淺海石油鉆井平臺(tái)單井場單機(jī)作業(yè)成本極高的問題。

隨著四川油氣開發(fā)成本的不斷遞增，通過借鑒其他油田和海上鉆井的成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在四川頁巖氣勘探開發(fā)的過程中，也開始逐漸嘗試“一平臺(tái)雙機(jī)”模式，通過實(shí)踐效益顯著，但也暴露了一些問題，需要解決和改進(jìn)。

2 動(dòng)力設(shè)備配套方式分析

2.1 “一平臺(tái)雙機(jī)”配套組合方式分析

頁巖氣鉆探采用一平臺(tái)雙機(jī)的組合方式豐富多樣，川西鉆探嘗試過使用以下3 種方式。

2.1.1 雙5000 m 鉆機(jī)組合方式

使用兩臺(tái)5000 m 鉆機(jī)在同一平臺(tái)實(shí)施不同井的鉆探任務(wù)，可以實(shí)行多種組合方式：①雙5000 m 機(jī)械鉆機(jī)組合方式，優(yōu)點(diǎn)是鉆機(jī)型號(hào)相同，各設(shè)備具有互通性、互補(bǔ)性，在易耗件貯備，人員操作互通，人員管理的上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，鉆井措施可以相互借鑒、相互補(bǔ)充；②1 機(jī)1 電雙5000 m 組合方式，為1 臺(tái)ZJ50+1 臺(tái)ZJ50DBS 鉆機(jī)的組合方式，該方式具有一定局限性；③雙5000 m 電動(dòng)鉆機(jī)組合方式，為2 臺(tái)ZJ50DBS 鉆機(jī)的組合方式，優(yōu)點(diǎn)是各設(shè)備具有互通性、互補(bǔ)性，設(shè)備自動(dòng)化程度高，在易耗件貯備、人員操作互通、人員管理方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，鉆井措施可以相互借鑒、相互補(bǔ)充。

2.1.2 雙7000 m 鉆機(jī)組合方式

就是使用兩臺(tái)7000 m 鉆機(jī)在同一平臺(tái)實(shí)施不同井的鉆探任務(wù)，可以實(shí)行以下多種組合方式，優(yōu)缺點(diǎn)同5000 m 鉆機(jī)類似：①使用2×ZJ70 鉆機(jī)的雙機(jī)械鉆機(jī)組合方式；②1 臺(tái)ZJ70+1臺(tái)ZJ70DBS 鉆機(jī)的一機(jī)一電組合方式；③使用2 臺(tái)ZJ70DBS 鉆機(jī)的雙電鉆機(jī)組合方式。

2.1.3 一大一小鉆機(jī)組合方式

就是使用1 臺(tái)5000 m 鉆機(jī)＋1 臺(tái)7000 m 鉆機(jī)在同一平臺(tái)實(shí)施不同井的鉆探任務(wù)，組合方式有：①使用1 臺(tái)ZJ50+1 臺(tái)ZJ70鉆機(jī)的機(jī)械一大一小鉆機(jī)的組合方式；②使用1 臺(tái)ZJ50DBS+1 臺(tái)ZJ70DBS 鉆機(jī)的電動(dòng)一大一小鉆機(jī)組合方式；③使用1 臺(tái)ZJ50+1 臺(tái)ZJ70DBS 鉆機(jī)的電大機(jī)小組合方式；④使用1 臺(tái)ZJ70+1臺(tái)ZJ50DBS 鉆機(jī)的機(jī)大電小組合方式。

2.2 機(jī)械傳動(dòng)方式與變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)比

2.2.1 機(jī)械鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①動(dòng)力傳遞路線及主要設(shè)備：動(dòng)力機(jī)→液力傳動(dòng)裝置→萬向軸→角傳→離合器→減速箱→萬向軸→使用設(shè)備（絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤等）；②現(xiàn)有液力傳動(dòng)裝置YB900 變矩器以及YOTZJ750 耦合器正車箱，各有優(yōu)勢和缺點(diǎn)，都需要改進(jìn)，YBOZJ770 型變矩耦合器正車箱綜合二者的優(yōu)勢，彌補(bǔ)缺點(diǎn)是現(xiàn)階段最適合的鉆井液力傳動(dòng)裝置；③機(jī)械傳動(dòng)效率，柴油機(jī)0.90×變矩器0.85×萬象聯(lián)軸器0.99×鏈傳動(dòng)整傳0.95×減速箱0.97=0.697 9≈70%；④機(jī)械傳動(dòng)方式傳遞環(huán)節(jié)多，有效功損失大，故障率高，維修費(fèi)用高，設(shè)備使用時(shí)效低。

2.2.2 電動(dòng)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①動(dòng)力的傳遞路線及主要設(shè)備：動(dòng)力機(jī)→電纜→變頻電機(jī)→離合器→減速箱→萬向軸→使用設(shè)備；②電動(dòng)鉆機(jī)主要設(shè)備的傳動(dòng)效率，絞車傳動(dòng)效率：柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組0.90×電機(jī)0.99×減速箱0.97=0.864 3≈86%，鉆井泵傳動(dòng)效率：柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組0.90×電機(jī)0.99×V 形帶0.96=0.855 36≈86%；③電動(dòng)鉆機(jī)中間環(huán)節(jié)少效率高，至少比機(jī)械傳動(dòng)方式傳動(dòng)效率高出16%。

3 動(dòng)力設(shè)備配套優(yōu)化方案研究與應(yīng)用

3.1 配套方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

選擇5000 m 鉆機(jī)作為頁巖氣鉆井動(dòng)力設(shè)備配置的主力設(shè)備，既能滿足鉆井動(dòng)力參數(shù)的要求，又留有一定的保險(xiǎn)系數(shù)，也避免了設(shè)備動(dòng)力的浪費(fèi)，具有最高的動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)效益比；在選擇5000 m 鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，配合進(jìn)行發(fā)電房的油改電組合方案，雙5000 m 鉆機(jī)組合加全動(dòng)力油改電。

3.2 配套方案優(yōu)化后應(yīng)用

3.2.1 發(fā)電房柴油改電項(xiàng)目效益分析

使用柴油機(jī)時(shí)，油耗平均1260 t/井，每噸價(jià)格按5200 元計(jì)算，燃料成本約為655.2 萬元/井；鉆井周期單井燃油發(fā)電綜合節(jié)約率≥30%，節(jié)約655.2×0.3=196.56 萬元/井；CO2排放減少550 t；氮氧化物排放減少1731 kg。

3.2.2 雙5000 m 鉆機(jī)組合加全動(dòng)力油改電效益分析

在雙5000 m 鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，采用全井動(dòng)力油改電方式，鉆井周期單井燃油發(fā)電綜合節(jié)約率≥30%，用電花費(fèi)274.93 萬元，用油花費(fèi)722.47 萬元，節(jié)省382.6 萬元。順應(yīng)《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》要求，單井CO2排放減少3069 t，碳排放835 t，氮氧化物排放減少10.31 t。方便管理，易耗件貯備人員操作互通，人員管理上具有獨(dú)特的優(yōu)勢。降低生產(chǎn)噪聲，核心區(qū)域噪聲≤56 dB，遠(yuǎn)低于國家規(guī)定的工業(yè)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)65 dB，排除因噪聲污染產(chǎn)生的地企矛盾。減少機(jī)械設(shè)備使用時(shí)間，降低維修時(shí)間及費(fèi)用和員工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)時(shí)效，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 優(yōu)化配套方案應(yīng)用效益分析

“一平臺(tái)雙機(jī)”配置可以減少平臺(tái)同編人員共計(jì)16 人，可節(jié)約人員費(fèi)用160 萬元/平臺(tái)；公用食堂、庫房、材料房、會(huì)議室等可以節(jié)約住房共計(jì)18 棟；營地可以減少18 棟房屋修建占地費(fèi)用，1 輛值班車、1 輛水車費(fèi)用；按雙鉆機(jī)輔助配套ZJ70、ZJ50 鉆機(jī)各精減41、45 件次。

3.4 設(shè)備維修周期效益分析

公司設(shè)備維修周期為3000 h 左右，單井單機(jī)前1 個(gè)月設(shè)備柴油機(jī)使用時(shí)間為540 h/月，則維修周期為6 個(gè)月/次。油改電單井單機(jī)前1 個(gè)月設(shè)備柴油機(jī)使用時(shí)間為150 h/月，則維修周期為20 個(gè)月/次；優(yōu)化后設(shè)備維修率降低13%。設(shè)備使用效率：電動(dòng)鉆機(jī)97%，機(jī)械鉆機(jī)82%±5%，電動(dòng)鉆機(jī)將提高10%～15%。

4 動(dòng)力設(shè)備配套優(yōu)化方案應(yīng)用效果評(píng)估

2015—2016 年川西鉆探公司共實(shí)施頁巖氣6 個(gè)平臺(tái)36 口井鉆探任務(wù)，川西鉆探公司頁巖氣項(xiàng)目鉆井周期對(duì)比，平均節(jié)約鉆井周期16.16 d，效率提高8%，井組節(jié)約搬家費(fèi)用共計(jì)92.4萬元，單井排放CO2可減少3069 t，碳排放835 t、氮氧化物排放減少10.31 t。原鉆井周期60.58 d?，F(xiàn)鉆井周期44.39 d。節(jié)約鉆井周期16.19 d＞6 d（0.2 月/井）

5 配套優(yōu)化后獲得的經(jīng)濟(jì)效益

2015—2016 年川西鉆探共實(shí)施頁巖氣6 個(gè)平臺(tái)34 口井鉆探任務(wù)，減少搬家22 井次。節(jié)約設(shè)備折舊費(fèi)900.0 萬元，節(jié)約人員費(fèi)用384.0 萬元，節(jié)約鉆井周期26.19 d＞6 d（0.2 月/井）。原修理維護(hù)率540/3000 為18%，現(xiàn)修理維修率150/3000 為5%，同比下降13%。川西鉆探運(yùn)用配套方案，組合50046+50617、50043+50661，一直在長寧片區(qū)領(lǐng)先于各油田。

威遠(yuǎn)片區(qū)50004+50051 組合，50020+50017 組合，50653+50716，連續(xù)創(chuàng)下頁巖氣勘探的新紀(jì)錄，特別是近三年50051、50004、50020 鉆井進(jìn)尺不斷突破2 萬米/年、2.5 萬米/年、3 萬米/年，一直蟬聯(lián)頁巖氣鉆井進(jìn)尺前三名，川西鉆探6 支隊(duì)伍一直排在前10 名內(nèi)。

6 結(jié)論及建議

（1）研究尋找并確立頁巖氣鉆井動(dòng)力配置，優(yōu)選雙5000 m電動(dòng)鉆機(jī)組合方式＋全井油改電模式的最優(yōu)化方案。

（2）在頁巖氣項(xiàng)目上采用“一平臺(tái)雙機(jī)”模式應(yīng)用，并通過現(xiàn)場實(shí)踐驗(yàn)證。

（3）該方案既能滿足鉆井動(dòng)力參數(shù)的要求，又留有一定的保險(xiǎn)系數(shù)，即避免了設(shè)備動(dòng)力的浪費(fèi)，又具有最高的動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)效益比。

（4）該項(xiàng)目提供的方案完全可行，在以后頁巖氣項(xiàng)目開發(fā)的各項(xiàng)施工過程中能夠推廣及實(shí)施，可繼續(xù)優(yōu)化為“一平臺(tái)多機(jī)”模式應(yīng)用。

（5）該方案可以提高設(shè)備使用效率、降低停工修理時(shí)間及費(fèi)用，縮短完井周期，大大降低鉆井成本，降排放、便管理、增效益及減少因噪聲污染產(chǎn)生的地企矛盾，降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度，將增大公司在頁巖氣項(xiàng)目的招中標(biāo)概率，為公司贏得市場和效益，所以應(yīng)用前景十分廣闊。