超深井鉆機創(chuàng)新技術(shù)及其發(fā)展趨勢

，，，

(中國石油集團 工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206)①

塔里木油田山前地區(qū)設(shè)計井深一般都在6 000 m以上，特別是在一些地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)塊，下套管層數(shù)多，載荷普遍超過5 500 kN，7 000 m鉆機的承載能力已無法滿足鉆完井作業(yè)要求。而常規(guī)9 000 m鉆機應(yīng)用于該地區(qū)作業(yè)，鉆機日費成本高，無法實現(xiàn)降本增效。迫切需要鉆深能力強、承載能力更大、鉆井成本更低、性價比更高的超深井鉆機。因此，研發(fā)了適用于超深復(fù)雜井的8 000 m鉆機和9 000 m四單根立柱鉆機(以下簡稱四單根立柱鉆機)，并對其配套的關(guān)鍵部件進行了創(chuàng)新設(shè)計。

1 8 000 m超深井鉆機

8 000 m超深井鉆機應(yīng)用了多項自主創(chuàng)新技術(shù)，全新設(shè)計了最大承載能力為5 850 kN的鉆機井架和底座，采用了最大鉤載為5 850 kN的天車、游車，配套了全新設(shè)計的大功率絞車，有效解決了絞車提升能力和大鉤速度相互制約的問題，可滿足塔里木山前地區(qū)大噸位套管深下需求；鉆機配套52 MPa高壓鉆井泵，高壓噴射鉆井比“PDC鉆頭+螺桿鉆具”的鉆速提高約40%左右。

8 000 m鉆機的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的選擇空間更大，井身開次可從7 000 m井的五開次優(yōu)化為四開次套管加一開次尾管，尾管的尺寸由7 000 m鉆機的?127 mm增加到了?139.7 mm，?254 mm以上的大套管下深可達6 000 m以上，不僅滿足超深井對大口徑、大噸位套管深下和高壓鉆井作業(yè)的要求，而且有效解決了塔里木山前地區(qū)7 000 m 鉆機承載力不足與9000 m 鉆機日費過高之間的矛盾，節(jié)省了鉆機的使用成本，同時還豐富了國內(nèi)鉆機系列[1]。

2 四單根立柱9 000 m超深井鉆機

為解決塔里木山前地區(qū)事故多發(fā)，起下鉆頻繁，鉆井周期長等問題，提高鉆井速度、減少鉆井事故、降低綜合成本、節(jié)能降耗，采用四單根立柱鉆井工藝，突破了超高井架作業(yè)的技術(shù)瓶頸，研制了國際首臺陸地四單根立柱鉆機[2]。

四單根立柱鉆機是我國專門針對庫車山前地區(qū)復(fù)雜超深井量身打造的利器，與常規(guī)三單根立柱鉆機相比，其起下鉆速度明顯提升，接卸扣頻次減少，因鉆具停頓的壓力波動而引發(fā)井下復(fù)雜事故的幾率減少，提速增效顯著。以起下7 000 m鉆柱為例，使用四單根立柱鉆機鉆井，起下鉆大約需要180次，比三單根立柱鉆機減少66次，大幅減少了起下鉆時間和鉆井周期。

3 超深井鉆機核心配套技術(shù)

為了進一步解決塔里木油田山前地區(qū)超深井作業(yè)難題，對8 000 m鉆機和四單根立柱9 000 m鉆機配套的關(guān)鍵部件進行了重新設(shè)計和創(chuàng)新，主要包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化的高承載井架和底座、采用壓實股鋼絲繩的游吊系統(tǒng)、容繩量大的一體化單軸絞車、轉(zhuǎn)矩和承載能力更大的轉(zhuǎn)盤及其驅(qū)動裝置、大功率高壓鉆井泵、大功率電控系統(tǒng)、智能化頂驅(qū)及兼容性強的頂驅(qū)下套管裝置等。

3.1 井架和底座

1) 鉆機井架均采用前開口K型結(jié)構(gòu)，通過單雙耳板和銷軸連接，便于低位拆解、安裝，分段運輸。8 000 m鉆機井架有效高度為48 m，與常規(guī)的9 000 m鉆機井架有效高度相當(dāng)，滿足三單根立柱的排放要求。四單根立柱鉆機井架有效高度為57.5 m，與常規(guī)9 000 m鉆機井架高度相比增加9.5 m，井架設(shè)置了輔助二層臺，滿足四單根超長立柱安全排放和小尺寸鉆桿2單根立柱作業(yè)要求。

2) 鉆機底座分為前后臺，前高后低，前臺為新型旋升式結(jié)構(gòu)，后臺用于安裝絞車和配重水箱，實現(xiàn)了人字架、井架和絞車的低位安裝。這種結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好，相對于傳統(tǒng)的旋升式起升，起升載荷明顯減小。由于配重水箱、絞車及其傳動機組均安裝在后臺底座，不僅鉆臺面寬敞、操作視線良好，而且還起到了為底座配重作用，增加了鉆機的整體穩(wěn)定性。四單根立柱鉆機人字架采用液缸起升，操作方便、安全，避免了高空作業(yè)的風(fēng)險。但這種底座也存在一定的不足，如采用前后臺底座占地面積大，司鉆只能通過攝像頭來觀察絞車等。

3) 8 000 m鉆機井架和底座的材質(zhì)采用了強度、韌性和耐低溫沖擊性較好的Q345D低合金鋼,而四單根立柱鉆機的井架和底座采用了強度、韌性和耐低溫沖擊性更高的Q420E低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。用Q420E材質(zhì)相比常規(guī)鉆機所使用的Q345材料，質(zhì)量減輕10%以上，能滿足塔里木油田冬季-35℃的工作環(huán)境要求[3]。既保證了強度又可降低井架、底座的起升載荷，確保了井架、底座起升安全性能和工作穩(wěn)定性。

3.2 新型游吊系統(tǒng)

8 000 m鉆機和四單根立柱鉆機的新型游吊系統(tǒng)既能明顯降低快繩拉力，減小絞車的作業(yè)負(fù)載與功率，又可大幅提高起升鉆具時的安全系數(shù)[4]，與常規(guī)鉆機的游吊系統(tǒng)相比，都有不同程度的優(yōu)化和改進[5]。

1) 8 000 m鉆機配套的天車、游車系統(tǒng)繩系為7×8，繩槽尺寸為?38 mm，所用鉆井鋼絲繩為壓實股鉆井鋼絲繩。壓實股鋼絲繩金屬密度大、抗磨損性更好、抗沖擊能力強，載荷能力是未壓實股的1.3倍以上，既保證了8 000 m鉆機對載荷的要求，又避免了絞車滾筒尺寸和質(zhì)量增加太多。8 000 m鉆機的大鉤和水龍頭均采用9 000 m鉆機的DG675大鉤和SL675水龍頭，降低了研發(fā)成本。

2) 9 000 m四單根立柱鉆機配套的天車、游車系統(tǒng)繩系亦為7×8，主滑輪外徑為?1 400 mm (55英寸)，鉆井鋼絲繩采用?42 mm的壓實股鋼絲繩，這樣不僅滿足6 750 kN鉤載的要求，而且解決了絞車容繩量不足的問題，天車和游車的質(zhì)量亦有所減小。

3.3 一體化絞車

絞車是鉆機重要的提升設(shè)備，在滿足超深井鉆機提升能力的同時，還要考慮在盡量不增加絞車體積而能提高絞車的容繩量。為此對8 000 m鉆機和9 000 m四單根鉆機絞車都作了全新的設(shè)計。

1) 8 000 m鉆機絞車滾筒體鑄焊而成，繩槽整體加工[6]，采用?38 mm壓實股鋼絲繩，可提高絞車滾筒盤繩容量，從而使絞車的質(zhì)量和體積不致過大。在保持絞車滾筒直徑不變的前提下，采用適當(dāng)增加滾筒長度的辦法，解決滾筒纏繩容量不夠的問題。絞車采用新型一體式結(jié)構(gòu)，所有部件均安裝在一個底座上，和常規(guī)7 000 m直流驅(qū)動絞車主體與絞車動力機組采用分體式相比，結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，減少了現(xiàn)場安裝難度，節(jié)約了安裝和拆卸搬家時間，便于整體運輸[7]。

絞車采用機械換擋和電動機無級調(diào)速相結(jié)合的傳動模式，擴展了調(diào)速范圍，增強了絞車的提升能力，同時也提高了鉤速，傳動比及轉(zhuǎn)矩滿足提起最大鉤載5 850 kN的要求，其中JC-80DB型絞車在14繩系時最大提升鉤速可達1.7 m/s，JC-80D絞型車在14繩系時最大提升鉤速可達1.5 m/s,有效地解決了絞車提升能力和鉤速相互制約的問題。

2) 9 000 m四單根立柱鉆機絞車也采用了一體化絞車設(shè)計理念，分為三個單元，安裝定位精度高，既可整體運輸，又可以單獨運輸，解決了大功率絞車安裝和運輸問題。四單根立柱鉆機絞車滾筒長度由常規(guī)9 000 m鉆機絞車滾筒長度的1 840 mm增加到2 055 mm，并且采用了7×8繩系和?42 mm壓實股鋼絲繩，絞車的纏繩容量更大，強度更高。此外，絞車減速箱采用遠(yuǎn)程氣動換擋機構(gòu)，工作效率明顯提高。

3.4 加強型轉(zhuǎn)盤及其驅(qū)動裝置

轉(zhuǎn)盤及其驅(qū)動裝置是鉆機的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在鉆井作業(yè)過程中，為鉆具提供必要的動力并承受其反作用力[8]。

1) 8 000 m鉆機與9 000 m四單根立柱鉆機采用的轉(zhuǎn)盤均為ZP375Z加強型轉(zhuǎn)盤，其錐齒輪表面進行強化處理，齒面耐磨性強，承載能力更大。底座采用高強度的鑄鋼焊接結(jié)構(gòu)。與常規(guī)ZP375轉(zhuǎn)盤相比，最大靜載荷由5 850 kN提升到7 250 kN，最大工作轉(zhuǎn)矩由32 362 N·m 提高到45 000 N·m，具有更高的靜載荷和工作轉(zhuǎn)矩。

2) ZP375Z型轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置采用齒輪減速器和鉗盤式剎車，與普通鏈條減速器和氣胎式剎車的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置相比，齒輪減速器具有更高的傳動效率和耐磨性，其鉗式剎車具有更高的制動力矩和響應(yīng)速度。

3.5 大功率高壓鉆井泵

8 000 m鉆機和9 000 m四單根立柱鉆機配備了新型大功率、大排量和高壓力F-1600HL或F-2200型鉆井泵，其額定壓力可達52 MPa，不僅能滿足超深井鉆井過程中井下高壓工具、鉆頭的作業(yè)要求，而且還有利于鉆頭破碎巖石，延長鉆頭的使用壽命、增加進尺數(shù)[9]。與常規(guī)F-1600型鉆井泵相比，F(xiàn)-1600HL型鉆井泵有以下特點：

1) 可選擇缸套直徑范圍為?120～190 mm，而F-1600型鉆井泵選擇缸套直徑范圍為?140～180 mm，比F-1600型鉆井泵的排量和壓力均有大幅提高。F-1600HL型選用?190 mm的缸套和配套的柱塞可獲得最大排量，選用?120 mm的缸套和其配套的高壓柱塞可達到52 MPa的額定工作壓力。

2) F-1600HL型鉆井泵采用的動力端與F-1600型鉆井泵的相同，但是其液力端的工作壓力是按52 MPa的高壓重新設(shè)計的。F-1600型鉆井泵的液缸為整體液缸，即吸入液缸和排出液缸為一整體，而F-1600HL型鉆井泵的液缸為分體式液缸，且吸入液缸安裝在排出液缸上，缸的內(nèi)腔呈L型結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)井況的需要選擇排量和壓力，裝卸與維護也更加方便。

3.6 智能化頂驅(qū)裝置

用于8 000 m鉆機的DQ80BSC型頂驅(qū)和用于9 000 m四單根立柱鉆機的DQ90BSC型頂驅(qū)是同期開發(fā)的，采用了相同的結(jié)構(gòu)、原理及新技術(shù)，不同的是DQ90BSC型頂驅(qū)裝置用于四單根立柱鉆井作業(yè)，其功率和鉆井轉(zhuǎn)矩更大，提升能力更強，頂驅(qū)上下移動導(dǎo)軌和電纜更長，可一次進行四單根立柱的鉆進作業(yè)。限于篇幅，對DQ90BSC型頂驅(qū)裝置不再贅述。只對DQ80BSC型頂驅(qū)的結(jié)構(gòu)原理、性能參數(shù)及技術(shù)創(chuàng)新做介紹。DQ80BSC型頂驅(qū)裝置主要是針對超深井、復(fù)雜井的鉆井需求而設(shè)計的，與7 000 m頂驅(qū)相比，產(chǎn)品性能有了大幅提升。

1) 智能控制系統(tǒng)。常規(guī)頂驅(qū)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是由人工設(shè)定的，不能隨鉆井工況的變化而調(diào)整。而DQ80BSC型頂驅(qū)裝置轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩智能控制系統(tǒng)能夠根據(jù)頂驅(qū)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值與井下鉆柱反饋的實際值自動辨識鉆井工況，對頂驅(qū)主軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出特性進行實時調(diào)整，有效抑制由于井下轉(zhuǎn)矩突變而導(dǎo)致的鉆柱沖擊、鉆具扭斷或脫扣現(xiàn)象，大幅降低了鉆柱失效和鉆頭磨損風(fēng)險，延長了鉆柱和鉆頭的使用壽命。

2) 定位控制技術(shù)。常規(guī)頂驅(qū)裝置僅控制主軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，即為鉆柱提供旋轉(zhuǎn)動力，鉆進精度和效率很低，而且需類似于常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆機那樣頻繁停鉆以調(diào)整工具面[10]。DQ80BSC型頂驅(qū)采用頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)定位控制技術(shù)，可精確控制頂驅(qū)主軸的旋轉(zhuǎn)角度，且調(diào)整方位時無需停鉆，這樣可有效提高定向鉆井作業(yè)的鉆進精度和效率[11]。

3) 滑動控制技術(shù)。DQ80BSC型頂驅(qū)配置了導(dǎo)向鉆井的滑動控制技術(shù)，在確保定向不受影響的前提下，通過鉆柱的正向、反向往復(fù)搖擺，減小定向井鉆井作業(yè)中鉆柱與井壁間的摩擦阻力與粘滯，平穩(wěn)鉆壓、延長鉆頭壽命，從而提高機械鉆速、縮短鉆井周期。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

8 000 m鉆機和四單根立柱鉆機研制成功后均在塔里木油田進行了應(yīng)用試驗。2012年至2016年，塔里木油田分公司先后引入了22臺8 000 m鉆機投入到鉆井施工， 8 000 m鉆機在塔里木油田已完鉆58口井。其中，在2014年—2016年完鉆51口井，應(yīng)用效果顯著。9 000 m四單根立柱鉆機于2013-05—2016-09在塔里木油田共進行了3口井的工業(yè)化應(yīng)用。

1) 相比于常規(guī)9 000 m鉆機，8 000 m鉆機的設(shè)備成本可降低五分之一左右，而鉆井生產(chǎn)運行費用則可減少三成以上，已成為塔里木油田超深井鉆井作業(yè)的首選鉆機，在山前地區(qū)得到了規(guī)?；瘧?yīng)用。

2) 9 000 m四單根立柱鉆機在鉆井提速、減少起下鉆時間、降低井下復(fù)雜事故，以及在礫巖及鹽膏層鉆井等方面效果明顯?，F(xiàn)場應(yīng)用效果表明：四單根立柱鉆機與三單根立柱鉆機相比，起下鉆時間減少20%，全程井段遭遇復(fù)雜工況少，鉆井周期縮短6%，事故時效2%，遠(yuǎn)低于同一地區(qū)相鄰井8%平均事故時效。對比3口井的井徑擴大率數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，使用四單根立柱鉆機的作業(yè)井在井徑的控制上一直維持在一個較低的比率，全井段平均井徑擴大率為1.458%，而常規(guī)三單根鉆機的井徑擴大率分別為3.8%和5.44%。

5 發(fā)展趨勢

近年來，我國加大了對深部地層勘探的力度，到目前為止，超過6 000 m以上的超深井已鉆100多口。隨著我國石油行業(yè)不斷向縱深發(fā)展，無論是8 000 m超深井鉆機還是9 000 m四單根立柱鉆機，都將會成超深井鉆探開發(fā)的首選鉆機，尤其是9 000 m四單根鉆井技術(shù)的提速效果和降低井下事故率的優(yōu)勢，必將會得到廣泛應(yīng)用。

1) 隨著四單根立柱鉆井技術(shù)的日臻成熟，可以考慮將該技術(shù)應(yīng)用于8 000 m鉆機。這是因為在超深井鉆井過程中經(jīng)常會鉆遇鹽膏層或礫巖層，而這兩種地層均屬于非壓實地層，存在鉆頭壓實效果差，易發(fā)生井斜及井徑擴大現(xiàn)象，而與常規(guī)鉆機相比，四單根立柱鉆機在井下連續(xù)運動的時間更長，接卸扣次數(shù)更少，井內(nèi)壓力波動小，使得其在礫巖層、鹽膏層及巖鹽與礫巖夾層中鉆井效率提升顯著。

2) 正常鉆井時，鉆頭在井底做旋轉(zhuǎn)切削運動，受鉆頭形狀的制約，井底的交接面是凹凸有序的表面。鉆頭重新作用于該不平表面時，鉆頭各個翼刀的水平方向上受力不均勻，有的翼刀已與井底壓實，有的翼刀還懸在半空,使得鉆頭的受力和轉(zhuǎn)矩的瞬變更加明顯，鉆頭切削齒更容易壓碎或崩斷損壞，鉆頭的先期破壞會更加嚴(yán)重，鉆頭起下越頻繁，鉆頭受力和轉(zhuǎn)矩瞬變的概率越大，鉆頭先期嚴(yán)重破壞的概率也越大。目前，大部分的做法都是優(yōu)化鉆頭的結(jié)構(gòu)、安裝旋沖動力鉆具等措施來降低對鉆頭的破壞。而四單根立柱鉆機與頂驅(qū)配合使用所形成的四單根立柱鉆井工藝，增加了鉆頭在井底連續(xù)運動的時間，減少了頻繁起下鉆的次數(shù)，鉆頭所受井下壓力和轉(zhuǎn)矩瞬變相對減少，鉆頭先期破壞的概率降低，使得井徑更加規(guī)則、井眼軌跡控制效果更好，而這一效果是最初設(shè)計四單根鉆機時所沒有想到的。

3) 將管柱自動化處理系統(tǒng)與四單根鉆井技術(shù)相結(jié)合，將會進一步提高鉆井速度，降低井下復(fù)雜事故，這也是8 000 m鉆機未來發(fā)展的趨勢。目前四單根所采用的管柱自動化處理系統(tǒng)還存在諸多不足，如9 000 m四單根管柱處理系統(tǒng)的鐵鉆工和鉆臺機械手等主要設(shè)備還都是手動控制或者手持遙控盒在司鉆房外操作，尚未完全集成至司鉆房，在鉆臺上作業(yè)存在許多安全隱患；管柱可視化程度低，還有死角無法看到；動力貓道與液壓翻轉(zhuǎn)吊卡的配合用時較長，易出問題；管柱處理系統(tǒng)的效率不高，與人工操作相當(dāng)；鐵鉆工卸扣時，一旦出現(xiàn)粘扣等現(xiàn)象就不容易卸開，只能用液壓貓頭帶B型鉗繃扣。