應用于頁巖氣開采的新型特種鉆機

高俊杰

（大慶市工業和信息化委員會，黑龍江大慶163002）

隨著全球石油和煤炭等傳統能源的日益減少，頁巖氣資源的勘探開發得到世界各國的日益重視。目前，全球頁巖氣探明儲量約為456萬億m3，其中我國頁巖氣資源量達到100萬億m3，約為國內常規天然氣探明儲量的2倍。但是，由于頁巖氣藏多屬低孔、低滲透儲層，儲層致密、非均質性強，氣流阻力比常規天然氣儲層大，且我國頁巖氣儲層埋深多在2000～3500 m，平均深度高于美國1000 m以上，給我國頁巖氣開采帶來諸多技術和設備上的難題。

頁巖氣開采由于鉆采工藝、造穴方式、目的層地質結構等方面與傳統能源不同，使頁巖氣鉆機與常規油氣鉆機間存在較大差異，需要鉆機能夠適應使用環境及工程經濟性要求。鉆井成本占勘探開發總支出50%左右，節省鉆井成本對于經濟開發頁巖氣具有決定性的意義，直接影響頁巖氣開采的“經濟性”，迫切需要低成本、高效率的鉆完井設備。美國用了15年時間，將頁巖氣開發成本降低85%，目前單井成本在1800萬元～2800萬元；我國單井成本8000萬～1億元，2012年美國頁巖氣產量2653億m3，我國僅約4億m3。液壓鉆機和斜直井鉆機等特種鉆機具備了降低開采成本、提高采收率的基本特點，能夠滿足水平井鉆井和水平井分段壓裂等兩大核心關鍵技術要求，對我國降低頁巖氣勘探和開發成本有著重要實踐作用。

在復雜條件下和超深度開采技術領域，液壓特種鉆機發揮著越來越重要的作用，它具有提升和加壓鉆進能力，并可實現自動送鉆等特點，摒棄了以往常規鉆機的絞車、轉盤和井架等裝置，它利用頂部驅動鉆井裝置旋轉鉆柱，通過液壓油缸提升和下放鉆柱，特別適用于定向井、水平井、測鉆井等特殊領域的鉆井，以及其他復雜條件下的鉆井。液壓鉆機的主要核心部件主要包括自動化操作平臺、機械手、鉆井液凈化系統、提升下壓裝置、泥漿泵組、液壓絞車、動力系統、空氣壓縮系、統運載車底盤等。液壓鉆機具有集約化程度高、鉆井效率高、自動化程度高、可靠性好等優勢，克服了常規石油鉆機依賴手工操作和低效率不精確的機械傳動和控制弊病，使非常規油氣資源的勘探開發具備更好的安全性、更高的鉆井效率、更小的風險以及整體優化的鉆井工藝。液壓鉆機的技術先進性表現在多個方面：一是工作效率高，具有鉆進加壓功能，以達到快速鉆進的目的，同時設備結構緊湊、機動靈活，便于移運，能夠較大幅度地縮短轉場搬家的時間。二是可適應領域范圍廣，兼備了空氣循環鉆井、泥漿循環鉆井、泡沫循環鉆井等多種方式，在滿足鉆井工藝的基礎上，能夠根據地質狀況任意選擇，從而提高鉆井效率，它的動力頭可鎖定不動，具有開窗、造斜、控斜功能，能夠進行水平井、多分支井的鉆探作業，可選用大通孔直徑的動力頭，實現反循環鉆進、跟管鉆進等各種鉆進工藝，還具有桅桿可傾斜，能夠實現開孔斜打等多功能用途。三是操作使用更加方便，新型液壓特種鉆機運用了全液壓技術、升縮桅桿技術，使鉆機適用能力更大，使用更加方便，實行了電、氣、液一體化控制，進一步提高了自動化程度，減輕勞動強度。四是具備價格優勢，與其他各類專用鉆機比較，它的產品價格較低，更有利于減少鉆探成本。

在儲層較淺的氣井開采中，斜直井鉆機的設計制造更能發揮獨特優勢。它的動力水龍頭和提升下壓液缸均由變量柱塞泵來驅動，變量柱塞泵排量由液壓比例手柄控制，通過調節變量柱塞泵排量，無級調節旋轉和鉆進的速度。井架采用液壓起升，從垂直位置能在0～450范圍調節，調節間隔0.750。采用伸縮桅桿技術，動力頭凈空行程高達15.24 m，直接用液壓桅桿升舉和下放鉆具，可完成復雜鉆井工藝。配備頂驅和自動排管機械手，鉆壓自動控制，作業成本低，所需人工少，維護保養少，能耗少，一臺鉆機通過固定的動力系統、循環系統連接可以鉆十幾口井，對于非常規油氣井是最佳選擇，對增加單井產量比水平井更有經濟意義。

隨著我國頁巖氣開采領域的擴大，各類新型特種鉆機需求同步增長，特種鉆機的研究和更新也呈逐步加快趨勢。目前，四川宏華公司已經成功研制出單根超級液壓鉆機和連續油管鉆機，寶石機械公司和南陽二機公司等已研制成功斜直井鉆機，長城鉆探公司和江漢四機公司等研制成功了全液壓鉆機，并已經陸續投入市場，新型特種鉆機必將得到更加廣泛的應用。

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