頁巖氣高效鉆完井裝備和工具技術(shù)方案研究

類 歆，信石玉，高文金，周 斌

（1.中國石化石油工程機(jī)械有限公司研究院，湖北 武漢430223；2.中國石化石油機(jī)械裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430223）

頁巖氣作為國內(nèi)新制定的獨(dú)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(zhǎng)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(diǎn)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(jìn)展，逐漸建設(shè)成為中國首個(gè)大型頁巖氣田[4－7]。隨著大規(guī)模開發(fā)部署的推進(jìn)，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(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)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(jī)

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

鉆井周期不斷壓縮，已達(dá)到60天之內(nèi)完井，但鉆機(jī)搬遷安裝時(shí)間則占總時(shí)間的10%，現(xiàn)有鉆機(jī)已不能充分適應(yīng)快速運(yùn)移的要求；井場(chǎng)占地面積大，作業(yè)強(qiáng)度大、風(fēng)險(xiǎn)高，也增加了協(xié)調(diào)管理難度；同時(shí)部分鉆機(jī)輔助工具自動(dòng)化程度不高，造成人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率不高。因此主要問題有3點(diǎn)：井口間移運(yùn)效率較低、自動(dòng)化控制及工具程度較低、現(xiàn)有鉆機(jī)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(fù)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(jī)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(jìn)，定向段缺乏大功率高效螺桿，常規(guī)鉆進(jìn)機(jī)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(shí)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(dǎo)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(cuò)、憋跳嚴(yán)重，泡沫或清水鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)尺少、機(jī)速低，鉆頭內(nèi)外排齒斷齒較多；二開直井段地層軟硬交錯(cuò)，牙輪鉆頭機(jī)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(dòng)、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(jìn)較長(zhǎng)，鉆頭穩(wěn)斜較難，巖屑上返困難，出現(xiàn)巖屑重復(fù)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(jī)組進(jìn)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(chǎng)地受限制，作業(yè)費(fèi)用高；沒有連續(xù)配液裝置，無專用添加劑設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)液罐太多；儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)整體控制；沒有實(shí)現(xiàn)作業(yè)流程自動(dòng)控制，手動(dòng)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(zhǎng)大管徑連續(xù)油管運(yùn)輸受限無法移運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)；安裝位置高，操作難度大；機(jī)械計(jì)數(shù)器和電子計(jì)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(jìn)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(zhǎng)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(fèi)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(duì)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(dòng)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(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)。

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(dú)設(shè)管線從長(zhǎng)江取水，需要對(duì)返排液進(jìn)行再利用，并嚴(yán)格控制排放水質(zhì)，而現(xiàn)有壓裂返排液采用化學(xué)藥劑凈化處理方式，成本較高，且有排放風(fēng)險(xiǎn)。

2 改進(jìn)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(jī)

井間移運(yùn)技術(shù)方案：解決井間移運(yùn)問題主要有三種成熟技術(shù)，滑軌式、輪軌式和步進(jìn)式。特點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 鉆機(jī)移運(yùn)方式對(duì)比

根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)，井間移運(yùn)技術(shù)方案可以采用：?jiǎn)瘟袇彩骄?，采用輪軌式；多列叢式井，采用滑軌式；不?guī)則井位，推薦步進(jìn)式。

自動(dòng)化控制及工具改進(jìn)方案：根據(jù)自動(dòng)化工具成熟度，自動(dòng)化控制系統(tǒng)可采用分步實(shí)施方案。首先配套成熟的鐵鉆工、自動(dòng)吊卡、氣動(dòng)卡瓦、頂驅(qū)、BOP機(jī)械拆安裝置、自動(dòng)貓道及井場(chǎng)排管架等；通過技術(shù)合作和充分的試驗(yàn)，待二層臺(tái)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

除現(xiàn)有轉(zhuǎn)機(jī)技術(shù)改進(jìn)外，解決自動(dòng)化控制及工具問題也可采用液壓自動(dòng)化鉆機(jī)，該類型鉆機(jī)無傳統(tǒng)的絞車和二層臺(tái)、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?jī)?nèi)集中控制完成管柱的自動(dòng)化處理。鉆機(jī)自動(dòng)化程度高、尺寸小、模塊少、噪音低。

鉆機(jī)總體技術(shù)路線的具體實(shí)施方案分為以下幾個(gè)步驟：在現(xiàn)有鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，增加井間移運(yùn)裝置和1＃罐轉(zhuǎn)接等裝置；進(jìn)一步配置成熟的自動(dòng)化工具（二層臺(tái)排管裝置除外），進(jìn)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(yàn)驗(yàn)證的二層臺(tái)排管裝置、管柱自動(dòng)處理系統(tǒng)應(yīng)用到鉆機(jī)，集成控制系統(tǒng)進(jìn)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(duì)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(jī)械鉆速。

針對(duì)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(duì)定向段造斜慢、機(jī)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(duì)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(jì)壽命120h以上。

2.1.3 鉆頭技術(shù)方案

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

一開17”1／2鉆頭針對(duì)性技術(shù)方案：切削結(jié)構(gòu)加密布齒，提高排屑能力；加強(qiáng)切削齒的抗斷碎能力；強(qiáng)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(duì)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(zhǎng)則推薦使用混合鉆頭。

二開12”1／4鉆頭（定向段）針對(duì)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(qiáng)耐磨損性和抗折斷能力；采用六點(diǎn)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(fù)合齒，掌尖加寬加厚焊。

三開8”1／2鉆頭針對(duì)性技術(shù)方案：優(yōu)化PDC鉆頭輪廓設(shè)計(jì)，采用6刀翼和中、長(zhǎng)保徑長(zhǎng)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(jì)提高鉆頭攻擊性，提高機(jī)械鉆速；采用CFD優(yōu)化水力設(shè)計(jì)，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(jì)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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的要求；15臺(tái)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?xì)庠春?0kV的高壓配電，因此可以采用成熟的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和變頻電驅(qū)動(dòng)作為壓裂設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)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(yùn)行成本，還可提高設(shè)備的使用和維護(hù)性能，減小井場(chǎng)占地面積，整套機(jī)組減少人員配置10～12人，可提高壓裂施工作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。電驅(qū)壓裂撬就其自身而言不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)使用性，而且噪音小、污染小，但整個(gè)機(jī)組要求電網(wǎng)容量大，無法全面推廣，建議根據(jù)井場(chǎng)電網(wǎng)能力進(jìn)行適當(dāng)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(zhǎng)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(jī)（作業(yè)機(jī)）高效快捷，是頁巖氣井長(zhǎng)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(dú)立撬裝式帶壓作業(yè)設(shè)備，能對(duì)卡瓦、防噴器狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)備在作業(yè)過程中采用閘板防噴器進(jìn)行動(dòng)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(jìn)：簡(jiǎn)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(jī)參數(shù)、更改動(dòng)力系統(tǒng)模式（雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)替代電機(jī)）、優(yōu)化整體方案，使之結(jié)構(gòu)更加緊湊合理，操作維護(hù)更為簡(jiǎn)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(xué)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(fù)利用與達(dá)標(biāo)排放的要求，同時(shí)可根據(jù)不同水樣，選擇不同處理方法（主要是電化學(xué)方式處理），靈活多變，減少對(duì)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(jī)技術(shù)方案效果對(duì)比分析，見表2。

3.2 壓裂設(shè)備技術(shù)方案效果對(duì)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(duì)國外設(shè)備單井作業(yè)費(fèi)用超100萬元，采用國產(chǎn)化不壓井作業(yè)設(shè)備，作業(yè)費(fèi)用相對(duì)較低，臺(tái)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(dá)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(duì)卡瓦、防噴器狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。除技術(shù)優(yōu)勢(shì)之外，還有利于培養(yǎng)不壓井專業(yè)作業(yè)隊(duì)伍，提升油田不壓井作業(yè)服務(wù)水平，拓展服務(wù)市場(chǎng)。

表2 鉆機(jī)自動(dòng)化改進(jìn)技術(shù)方案效果對(duì)比

表3 壓裂設(shè)備技術(shù)方案效果對(duì)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(shí)意義。

2）鉆機(jī)的自動(dòng)化技術(shù)改進(jìn)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(chǎng)，發(fā)展高端鉆機(jī)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(jī)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(chǎng)連續(xù)管焊接或連接技術(shù)及工具對(duì)于解決工程實(shí)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(dòng)部件密封設(shè)計(jì)。

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

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