煤層氣水平井鉆井裝備選型及優化

楊 哲

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

近年來，國家持續加大煤層氣開發力度，煤層氣開采裝備及技術取得重大突破和進展，我國煤層氣產業邁入商業化生產階段[1-3]，但由于我國煤層氣資源地質條件復雜，開發難度大，基礎設施尚不完善等因素導致煤層氣開采綜合成本較高，出現煤層氣價格倒掛現象，因此降低煤層氣開采綜合成本是推進煤層氣產業健康發展的重要措施。在煤層氣開采過程中，煤層氣鉆井成本占煤層氣開采總成本的50%以上，其中鉆井裝備及耗材為鉆井工程的主要支出[4-5]。為此從安全、環保、成本等方面考慮，對煤層氣水平井用鉆機、泥漿泵組及固控系統進行選型及優化，形成一套適用于煤層氣水平井用鉆井裝備，降低鉆井成本。

1 煤層氣水平井鉆機現狀及選型

綜合考慮我國煤層埋深、地質條件、施工工藝等因素，煤層氣水平井完井深度一般為1 500～2 000 m，因此用于煤層氣井施工的鉆機需具備2 000 m鉆進能力。目前，市場上2 000 m 鉆機主要有塔架鉆機和車載鉆機2 種，其中塔架鉆機典型機型有TSJ-2 600 型水源鉆機和ZJ20 型石油鉆機，車載鉆機典型機型有機械式車載鉆機和液壓式車載鉆機。

從鉆機性能考慮, 塔架式水源鉆機和石油鉆機具備2 000 m 鉆井施工能力，但水源鉆機結構、配套設備及工藝簡單，無法滿足水平井施工要求。由于我國煤礦區主要集中在山區或丘陵地帶，石油鉆機使用范圍受限，同時，煤層氣水平井位垂比較大，ZJ20 型石油鉆機無配套頂驅，無法滿足大位垂比水平井施工要求，因此石油鉆機也難以廣泛應用于大位垂比煤層氣水平井施工。

為滿足煤層氣鉆井地理條件差、搬遷頻繁、水平井位垂比大等特點，國內外均研制適用于煤層氣鉆井用車載鉆機。經多年研究，目前，煤層氣鉆井用車載鉆機主要有機械式和液壓式2 種結構，其中機械式車載鉆機主要由國內部分石油裝備制造單位根據煤層氣山區作業特點，將塔架式鉆機的動力部分、井架及絞車等安裝在車載底盤上，實現了搬遷組裝方便、移運便捷等功能，但鉆機結構仍沿用石油鉆機的井架結構，鉆機車外形尺寸較大，爬坡能力一般，因此近年在煤層氣行業應用較少。

為推進煤層氣產業發展，歐美等發達國家研制出煤層氣井用全液壓車載鉆機，代表機型主要有德國 RB-T100 型，美國 T200XD 型，瑞典 PREDATOR型等鉆機，進口車載鉆機技術參數匯總表見表1，該類車載鉆機具有智能化程度高、系統穩定、配套工藝全、施工效率高等特點。但由于進口鉆機配件通用性差，購置周期長，綜合成本高等問題，進口鉆機主要應用于科研或高利潤項目，常規煤層氣水平井應用較少。

表1 進口車載鉆機技術參數匯總表Table 1 Technical parameters of imported truck-mounted drilling rig

20 世紀末，國內開始研制全液壓煤層氣車載鉆機，近幾年多個廠家研制出多款全液壓車載鉆機，如中煤科工集團西安研究院有限公司ZMK5530TZJ 100 型[6]，北京天和眾邦勘探技術有限公司CMD100型，石家莊煤礦機械有限公司TZJ25/1000Y 型等鉆機，國產車載鉆機技術參數匯總表見表2，該類鉆機提升能力800～1 350 kN，能滿足2 500 m 以淺煤層氣水平井鉆井施工，國產全液壓車載鉆機具有加壓給進能力，特別適合于水平井及特殊工藝井施工；適用于多種鉆井工藝；鉆機搬遷迅速，性能穩定，配件通用性強，性價比高等優點，必將推動我國煤層氣鉆井產業的快速健康發展。中煤科工集團西安研究院有限公司ZMK5530TZJ100 型鉆機在晉煤寺河礦區施工完成井深1 675.39 m 的煤層氣水平井[7-8]。

表2 國產車載鉆機技術參數匯總表Table 2 Technical parameters of domestically produced truck-mounted drilling rig

2 泥漿泵組優化

煤層氣鉆機配套泥漿泵組主要有F500、F800、F1000 3 種規格，其中F800 應用最廣泛。泥漿泵組配套為單機單泵，即1 臺柴油機驅動1 臺泥漿泵，常用機型為：柴油機選用G12V190PZL 型，泥漿泵選用F800 型[9]。在常規作業中，泥漿泵實際輸入功率較低，遠小于柴油機輸出功率，利用率低，造成資源浪費，本文通過計算分析，在柴油機輸出端增加節能發電機，實現“一拖二”傳動模式，減少現場柴油消耗量，降低鉆井成本。

2.1 泥漿泵組特性分析

泥漿泵組由柴油機提供動力。根據柴油機工作原理，其轉速越高，功率越大，扭矩越小。柴油機高速運轉時，功率大，扭矩小，油耗低，經濟性好。G12V190PZL 型柴油機額定功率882 kW, 持續功率800 kW,根據其特性曲線，當轉速在1 300 r/min 附近，負荷率大于75%時，柴油機運行工況較好。

煤層氣水平井作業中，在一、二開井段，鉆進排量為 20～30 L/s，泵壓 3～10 MPa，泥漿泵選用缸套為150～170 mm，沖數為 90～110 沖/min；在三開煤層段，為確保井內安全，排量較小，泥漿泵選用缸套為100～120 mm，沖數為 60～90 沖/min。依據 F-800 泥漿泵性能參數表計算得出，正常鉆進中，泥漿泵輸入功率小于480 kW，柴油機負荷率不足65%，整機能耗大，耗油量高，經濟性差。

2.2 泥漿泵組傳動方式優化

以環保、節能、安全為目標，綜合考慮煤層氣水平井鉆井深度、設備功率、成本等因素，在柴油機輸出端并聯1 臺150 kW 節能發電機，實現“一拖二”，即1 臺柴油機同時給泥漿泵和節能發電機提供動力。煤層氣井現場固控系統、生產生活用電等總功率約120、150 kW, 節能發電機可滿足現場生產，代替1 臺獨立的150 kW 柴油發電機，150 kW 發電機日節省柴油量300～440 kg，整個項目節省柴油15%～20%，當柴油機同時驅動泥漿泵和節能發電機時，柴油機轉速可達到1 300 r/min，柴油機負荷約630 kW,負荷率超過其持續功率的75%，達到最佳運行工況。

優化后泥漿泵組在呂梁三交區塊、沁水盆地施工3 組煤層氣水平井，與同類項目比較，單組水平井柴油消耗量平均減少18%。

3 固控系統

固控系統是利用凈化設備對鉆井液進行處理，實現鉆井液各項性能參數滿足工藝要求。目前國內石油鉆井領域固控系統的研發、制造技術比較成熟，煤層氣鉆井領域大多數鉆井隊采用簡化的石油固控設備和地面泥漿池相結合的方式循環鉆井液，實現對鉆井液的凈化處理，這種方式存在以下不足：泥漿罐體外形尺寸大，山區丘陵地區搬遷不便；石油固控配套齊全，煤層氣井鉆井液循環量和處理量小，固控設備利用率低；由于受煤層氣鉆機平臺限制，直接采用現有石油固控系統，現場需挖制泥漿循環槽，易造成環境污染，環保性能差。

針對煤層氣鉆井領域固控系統存在的問題，在借鑒石油鉆井行業固控系統優點的基礎上，結合煤層氣鉆井實際需要設計滿足2 000 m 以內的煤層氣水平井用固控系統。

3.1 固控系統總體方案

設計的煤層氣井固控系統采用四級凈化裝置，同時采用井口密封裝置、防滲漏土工膜泥漿池、固化處理等措施，防止造成環境污染。新設計的固控系統工藝流程為：鉆井液從井口返出后，首先通過井口密封裝置，將鉆井液直接吸入振動篩，篩離出大于74 μm 的固相顆粒，完成一級凈化；然后鉆井液進入泥漿清潔器，分離出8～74 μm 的巖屑顆粒，完成二、三級凈化；最后鉆井液進入離心機倉，篩離出2～8 μm 的固相顆粒，實現鉆井液四級凈化。

3.2 固控設備設計及選配

1）井口密封裝置。常用煤層氣鉆機平臺高度約1.5 m，而固控系統振動篩高度2.5～3 m，因此需在井口挖制泥漿槽和泥漿池，利用砂漿泵將鉆井液從泥漿池中泵入振動篩，采用這種方式井口返漿含巖屑量大，砂漿泵故障頻繁，設備維護成本高，且易造成環境污染。從保護環境、降低成本、提高效率等方面考慮，設計井口密封裝置，實現井口返漿通過井口密封裝置直接進入振動篩。孔口密封裝置的設計綜合考慮車載鉆機井口平臺高度、鉆具尺寸、鉆井深度、機械鉆速、操作空間及環境條件等因素，主要由錐形密封膠芯、上下殼體、法蘭連接頭等組成，孔口密封裝置圖如圖1。該孔口密封裝置可實現井口泥漿不落地，直接進入固控系統，同時也起到低壓防噴、導流作用。

圖1 孔口密封裝置圖Fig.1 Map of wellhead sealing device

2）主要設備選配。石油四級固控系統主要由振動篩、除砂器、除泥器、離心機、循環罐等組成[10]。煤層氣井施工中，由于受地理條件及井場面積限制，設計的四級固控由振動篩、泥漿清潔器、離心機、循環罐等設備組成實現四級凈化。振動篩是第一級凈化設備，根據煤層氣鉆井井深、鉆孔結構及泥漿泵組排量等參數，選用平動橢圓雙聯振動篩，振動篩處理能力≥200 m3/h。常規固控系統第二級、第三級凈化設備為除砂器和除泥器，由于煤層氣鉆井區域以山區和丘陵為主，施工條件差，井場面積小，因此選用功能齊全、結構緊湊、占用空間面積小的泥漿清潔器作為固控系統第二級、第三級凈化設備，選用泥漿清潔器處理能180～220 m3/h。離心機是第四級凈化設備，選用螺旋式沉降離心機，處理能力60 m3/h。

3）循環罐。對于2 000 m 以內的煤層氣水平井來說，鉆井液循環罐的容積需達到150 m3，由于受煤層氣鉆井作業環境限制，井場面積小，同時煤層氣開采屬低成本產業，目前常采用泥漿罐和泥漿池結合的方式實現鉆井液循環。煤層氣鉆井作業地點主要以山區和丘陵為主，大多地區最大允許9.6 m運輸車輛通行，因此該固控系統泥漿罐設計為2 個罐，單罐外形尺寸為：9 500 mm×2 300 mm×2 350 mm，其中1#泥漿罐上安裝雙聯振動篩和泥漿清潔器，2#泥漿罐上安裝離心機，實現四級凈化。為了防止造成環境污染，固控系統配套泥漿池采用防滲漏土工膜防止鉆井液滲漏污染環境，完井后，利用無機固化劑對廢鉆井液進行固化處理，有效解決了廢鉆井液水蝕運移擴散問題，避免了環境污染，提高了經濟效益。

利用煤層氣水平井用固控系統在晉煤寺河礦區和三交呂梁地區施工多口煤層氣水平井。現場試驗表明：該固控系統結構緊湊，外形尺寸小，便于山區作業；系統功能齊全，凈化能力強，滿足煤層氣水平井施工要求；實現泥漿不落地，環保性能好。

4 結 語

1）調研總結常規水源鉆機、石油鉆機、車載鉆機的性能參數、適用范圍、配套工藝等特點，并結合煤層氣鉆井作業特殊性，國產全液壓車載鉆機具有智能化程度高、搬遷安裝方便、作業效率高、性價比高等優勢，適用于煤層氣水平井施工。

2）優化泥漿泵組驅動方式，在柴油機輸出端增加150 kW 節能發電機，采用“一拖二”的傳動模式，提高柴油機使用效率，減少柴油消耗量，降低鉆井成本。

3）以現有石油固控系統為基礎，結合煤層氣水平井現場工況、設備能力、施工工藝等特點，設計適用于2 000 m 以內的煤層氣水平井用四級固控系統。