頁巖油氣鉆機(jī)裝備配套能力提升研究與認(rèn)識(shí)

劉江濤 鄒靈戰(zhàn) 李忠明 韓 宇 劉 剛 郝力博 孫 麟

(1.北京康布爾石油技術(shù)發(fā)展有限公司 2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司新疆分公司 4.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院 5.中國石油新疆油田分公司 6.中國石油集團(tuán)渤海鉆探第三鉆井工程分公司)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，油氣資源的需求大幅增加，但是國內(nèi)油氣產(chǎn)量增長受限，我國油氣資源對(duì)外依存度越來越高。美國頁巖革命的成功使其由油氣資源進(jìn)口國轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜌赓Y源凈出口國。近年來中國持續(xù)加大頁巖油氣勘探開發(fā)力度，特別是2020—2022年，中國新增原油產(chǎn)量的72%為頁巖油。新增天然氣產(chǎn)量的30%為頁巖氣，頁巖油氣已經(jīng)成為中國石油油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要力量。因此，大力推動(dòng)頁巖油氣資源開發(fā)對(duì)于確保我國能源安全具有重要意義[1-2]。我國頁巖油氣資源豐富，具有很大開采潛力[3]，但是我國頁巖油氣與美國頁巖油地質(zhì)條件差異巨大，在開采過程中面臨很多挑戰(zhàn)，其中鉆井周期長、工程成本高已經(jīng)成為嚴(yán)重制約國內(nèi)非常規(guī)油氣資源快速規(guī)模上產(chǎn)的瓶頸問題[4-5]。國內(nèi)提高水平井鉆井效率的方法主要還是依托單項(xiàng)技術(shù)、單項(xiàng)工具或者裝備能力的提升，這些無疑都很重要，但要想達(dá)到北美同等水平的鉆井效率，在持續(xù)提升鉆機(jī)裝備單項(xiàng)能力和井下工具性能的基礎(chǔ)上，必須對(duì)頁巖油井鉆機(jī)設(shè)備整體和鉆井參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)化研究[6-7]。鉆井參數(shù)強(qiáng)化是提速降本增效的重要抓手，而鉆機(jī)裝備配套能力提升是“強(qiáng)化鉆井參數(shù)、提高鉆井效率”的重要基礎(chǔ)保障。

針對(duì)國內(nèi)頁巖油氣“鉆井周期長、工程成本高”的問題，首先對(duì)我國和北美主要區(qū)域頁巖油氣水平井鉆井技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，明確了我國頁巖油氣鉆井技術(shù)指標(biāo)和鉆井參數(shù)與北美相比存在差距，指出“強(qiáng)化鉆井參數(shù)、提升鉆機(jī)裝備配套能力”是縮小差距的有效途徑之一；隨后，針對(duì)頁巖油氣鉆機(jī)配套使用現(xiàn)狀，以及鉆機(jī)設(shè)備使用過程中出現(xiàn)的不適應(yīng)“強(qiáng)化鉆井參數(shù)、提高鉆井效率”作業(yè)的突出問題，從鉆機(jī)總體配套原則、鉆機(jī)電控系統(tǒng)、鉆井泵系統(tǒng)、鉆井液系統(tǒng)、頂驅(qū)和其他設(shè)備方面對(duì)頁巖油氣鉆機(jī)裝備配套進(jìn)行研究，形成系統(tǒng)的頁巖油氣鉆機(jī)設(shè)備配套能力提升方案和技術(shù)要求，并應(yīng)用于國內(nèi)某頁巖油鉆井重點(diǎn)地區(qū)鉆機(jī)能力評(píng)價(jià)和升級(jí)改造。研究旨在為頁巖油氣鉆井參數(shù)強(qiáng)化和鉆機(jī)裝備升級(jí)提供借鑒，對(duì)提升我國頁巖油氣鉆機(jī)裝備配套能力，提高鉆井效率，減少鉆井時(shí)間具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 國內(nèi)外主要頁巖油氣產(chǎn)區(qū)鉆井技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

1.1 北美頁巖油氣鉆機(jī)裝備配套及發(fā)展趨勢(shì)

美國東北部的馬塞勒斯(Marcellus)頁巖區(qū)一直是美國最大的頁巖氣產(chǎn)區(qū)之一，其頁巖油氣井鉆機(jī)裝備配套參數(shù)見表1[8]。

表1 美國馬塞勒斯頁巖油氣井鉆機(jī)裝備配套參數(shù)Table 1 Parameters of rig equipment for shale oil/gas well drilling in Marcellus，the US

由表1可知，從2006—2016年，鉆井泵能力必須不斷提升才能滿足水平井水平段長度不斷增加的需要。水平段長度增加的同時(shí)，作業(yè)效率也得到大幅提升。在尤蒂卡(Utica)頁巖區(qū)，2017年完鉆的Great Scott3H超級(jí)水平井，總井深 8 351.52 m，水平段長5 882.64 m，鉆井周期18 d[9]。經(jīng)驗(yàn)啟示，鉆機(jī)裝備性能升級(jí)，不斷提升絞車功率、鉆井泵功率及承壓能力、頂驅(qū)扭矩、鉆機(jī)動(dòng)力(柴油發(fā)電機(jī)組)，是頁巖油氣水平井鉆井水平段不斷增加的保障，也是鉆井提速有效途徑之一。

根據(jù)國內(nèi)鉆機(jī)分級(jí)配套標(biāo)準(zhǔn)，北美2016年以后的頁巖油氣鉆機(jī)相當(dāng)于國內(nèi)5 000 m鉆機(jī)，但配套的鉆井泵能力卻相當(dāng)于國內(nèi)8 000 m鉆機(jī)的配套，這提供了一個(gè)很重要的鉆機(jī)設(shè)備配套理念，即提升鉆機(jī)動(dòng)力、鉆井泵功率和泵壓以及頂驅(qū)功率和扭矩是水平井鉆井提速、提效的關(guān)鍵基礎(chǔ)保障。此外，增加泵壓可提高環(huán)空流速，利于長水平段井眼的清潔，同時(shí)可為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具提供額外的動(dòng)力[10]。

隨著頁巖油氣開發(fā)油氣藏埋深不斷加深、鉆井水平段不斷加長，提高鉆機(jī)動(dòng)力、鉆井泵功率和泵壓、頂驅(qū)功率和扭矩是提升頁巖油氣鉆機(jī)裝備配套能力和實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)提速提效的必然發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 國內(nèi)外主要頁巖油產(chǎn)區(qū)鉆井技術(shù)指標(biāo)

通過資料整理(北美)及現(xiàn)場調(diào)研(國內(nèi))，得到北美和國內(nèi)主要頁巖油產(chǎn)區(qū)鉆井技術(shù)指標(biāo)(見表2)。由表2可知：與北美Bakken、Eagle Ford組和二疊紀(jì)盆地Wolfcamp這3個(gè)重點(diǎn)頁巖油產(chǎn)區(qū)鉆井技術(shù)指標(biāo)相比，除大慶古龍頁巖油井外，國內(nèi)主要頁巖油氣產(chǎn)區(qū)在儲(chǔ)層埋深上具有埋深更深的特點(diǎn)，鉆井開發(fā)具有更大難度；在鉆井周期上，北美主要頁巖油產(chǎn)區(qū)鉆井周期為10～20 d，國內(nèi)各頁巖油產(chǎn)區(qū)鉆井周期明顯長于北美(除大慶古龍頁巖油外)；水平段長度會(huì)影響頁巖油的開采效率，北美頁巖油產(chǎn)區(qū)水平段長度較長，Bakken產(chǎn)區(qū)水平段平均長度超過3 000 m，國內(nèi)主要頁巖油井水平段長度大部分短于2 500 m，與北美相比存在一定差距。

表2 北美和國內(nèi)主要頁巖油氣產(chǎn)區(qū)鉆井技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indicators of shale oil/gas well drilling in China and North America

另外，北美非常規(guī)油氣開發(fā)較早，優(yōu)快鉆井技術(shù)已經(jīng)非常成熟，水平段長度大于3 000 m的井已非常普遍，而且在2018年水平段長度紀(jì)錄達(dá)到了6 340 m。鉆井周期也在不斷縮短，以二疊紀(jì)盆地為例，水平段長在3 000 m左右的井，二開設(shè)計(jì)鉆井周期一般13～14 d，三開設(shè)計(jì)鉆井周期一般21～22 d[10]，鉆井效率明顯高于國內(nèi)絕大多數(shù)區(qū)域。

1.3 國內(nèi)外主要頁巖油氣產(chǎn)區(qū)鉆井參數(shù)

Range公司在美國馬塞勒斯區(qū)塊鉆井施工中，采用高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆井參數(shù)，將鉆井泵額定壓力由34.47 MPa增至51.71 MPa，平均鉆壓控制在120～200 kN，轉(zhuǎn)速控制110～200 r/min，排量控制在33 L/s，泵壓控制在35 MPa 左右，極大提高了鉆井速度。鉆井速度由2012年的79.25 m/d 提高到2018年的329.18 m/d，提高了315.38%[9]。

通過現(xiàn)場調(diào)研，國內(nèi)主要頁巖油氣井鉆井參數(shù)見表3。由表3可知，國內(nèi)鉆壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)與北美相比存在較大差距，排量、泵壓與北美基本相當(dāng)。但由1.1節(jié)和1.2節(jié)可知，國內(nèi)主要頁巖油氣井鉆井技術(shù)指標(biāo)，特別是鉆井周期和水平段長度，與北美存在明顯差距。

雖然技術(shù)指標(biāo)落后與油氣藏埋深、儲(chǔ)層物性等有關(guān)，但強(qiáng)化鉆井參數(shù)、提高作業(yè)效率仍然是國內(nèi)頁巖油氣鉆井提速提效、趕超北美先進(jìn)水平的有效途徑之一。對(duì)標(biāo)國內(nèi)外好的做法，進(jìn)一步強(qiáng)化鉆井參數(shù)，如排量對(duì)標(biāo)古龍頁巖油、轉(zhuǎn)速對(duì)標(biāo)北美頁巖油氣(頂驅(qū)轉(zhuǎn)速110～200 r/min)，借鑒北美鉆機(jī)裝備配套理念，強(qiáng)化提升國內(nèi)鉆機(jī)裝備配套能力勢(shì)在必行。

2 頁巖油氣鉆機(jī)設(shè)備配套升級(jí)方案及技術(shù)要求

現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果表明，現(xiàn)在國內(nèi)承擔(dān)頁巖油氣鉆井作業(yè)的主流鉆機(jī)為7 000 m鉆機(jī)，其井架、底座承載能力以及絞車等設(shè)備的提升能力幾乎滿足現(xiàn)有所有頁巖油氣井作業(yè)需求。但隨著鉆井參數(shù)進(jìn)一步強(qiáng)化、水平井水平段逐漸增加，鉆機(jī)大排量、高轉(zhuǎn)速、高泵壓等方面的作業(yè)能力已不能適應(yīng)頁巖油氣鉆井“安全、高效、可靠”的需求，需要在7 000 m鉆機(jī)基礎(chǔ)上強(qiáng)化提升鉆機(jī)裝備配套能力。提升鉆機(jī)設(shè)備配套能力主要從6個(gè)方面進(jìn)行：鉆機(jī)整體配套原則、鉆機(jī)電控系統(tǒng)、鉆機(jī)鉆井泵系統(tǒng)、鉆井液系統(tǒng)、頂驅(qū)和其他設(shè)備，最終形成滿足頁巖油氣鉆井參數(shù)強(qiáng)化作業(yè)需求的鉆機(jī)設(shè)備配套提升方案和技術(shù)要求。

2.1 鉆機(jī)整體配套原則

為滿足頁巖油氣鉆井“強(qiáng)化鉆井參數(shù)、提高鉆井效率”要求，鉆機(jī)整體配套原則包括：①鉆機(jī)應(yīng)滿足叢式井作業(yè)平移要求，推薦使用ZJ70D/ZJ70DB技術(shù)性能先進(jìn)的電動(dòng)鉆機(jī)，建議配備井口管柱自動(dòng)化裝備。②鉆機(jī)鉆臺(tái)高度應(yīng)滿足安裝防噴器組及鉆井液回流管的傾角要求(鉆機(jī)底座鉆臺(tái)工作高度不低于9.0 m，轉(zhuǎn)盤梁底面凈空高度不低于7.5 m；部分井控要求高的地區(qū)，如川渝深層頁巖氣鉆機(jī)，鉆臺(tái)工作高度不低于10.5 m，轉(zhuǎn)盤梁底面凈空高度不低于9.0 m)。③為保證鉆進(jìn)過程中井眼清潔問題，建議配備大功率、高泵壓鉆井泵。④配備大功率頂驅(qū)，即大扭矩、高轉(zhuǎn)速頂驅(qū)。⑤鉆機(jī)可以采用網(wǎng)電作為動(dòng)力，降低動(dòng)力消耗成本和滿足國家“雙碳戰(zhàn)略”目標(biāo)要求；網(wǎng)電應(yīng)選用10或35 kV電壓等級(jí)，變電為 600 V/400 V 為井場供電，通過無功補(bǔ)償和濾波裝置滿足電網(wǎng)接入質(zhì)量要求，但仍需配備至少3 600 kW/600 V柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急備用動(dòng)力。

2.2 鉆機(jī)電控系統(tǒng)

現(xiàn)國內(nèi)從事頁巖油氣鉆井的電動(dòng)鉆機(jī)電控系統(tǒng)一般為通用配置，如SCR和VFD系統(tǒng)，其傳動(dòng)控制能力限制了頁巖油氣鉆機(jī)大功率、高泵壓使用性能的發(fā)揮。主要表現(xiàn)為：主要電氣設(shè)備配備容量不足，如斷路器、變頻器、SCR柜動(dòng)力等過流能力不足，無功補(bǔ)償及濾波系統(tǒng)容量小等；過度保護(hù)設(shè)置，如功率限制、過流限制等，致使鉆機(jī)主要?jiǎng)恿C(jī)功率只能發(fā)揮不到70%；使用年限較長的電控系統(tǒng)，因電氣元器件老化、積灰等，在鉆井泵大排量、高泵壓以及絞車帶載高速運(yùn)行時(shí)，電控柜內(nèi)電氣元器件易出現(xiàn)發(fā)熱甚至燒毀現(xiàn)象，實(shí)際使用時(shí)，只能限制鉆井泵、絞車使用性能。為此，鉆井參數(shù)進(jìn)一步強(qiáng)化后，整體考慮鉆機(jī)動(dòng)力及電控系統(tǒng)動(dòng)力配套，系統(tǒng)提升動(dòng)力容量，保障鉆機(jī)絞車、鉆井泵等動(dòng)力機(jī)使用性能的充分發(fā)揮。

2.3 鉆機(jī)鉆井泵系統(tǒng)

在國內(nèi)頁巖油氣鉆井過程中，實(shí)際采用的鉆井參數(shù)大都比設(shè)計(jì)參數(shù)要高。目前國內(nèi)頁巖油氣鉆機(jī)主要配備的是1 193.12 kW、52 MPa的鉆井泵，國內(nèi)大多數(shù)頁巖作業(yè)區(qū)域，上部大井眼尺寸井段大排量作業(yè)時(shí)(如大慶古龍頁巖油二開、川渝頁巖氣三開?311.1 mm井眼時(shí))，實(shí)際鉆井泵使用時(shí)已達(dá)到額定功率1 193.12 kW的90%以上(2臺(tái)泵同時(shí)工作)，基本達(dá)到泵使用極限，難以滿足進(jìn)一步“強(qiáng)化鉆井參數(shù)、提高作業(yè)效率”的需求，且依然存在井眼清潔不夠的問題。因此，需要對(duì)鉆井泵系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)化升級(jí)。此外，鉆井泵系統(tǒng)配套及使用還存在一些具體問題：①柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的鉆井泵在實(shí)際使用過程中，泵沖的調(diào)節(jié)及獲得較為穩(wěn)定的鉆井參數(shù)比較困難。②缸套、活塞和閥體總成等易損件更換頻繁，升級(jí)改造的高壓泵(由原35 MPa泵更換液力端升級(jí)成52 MPa的鉆井泵)液缸等承壓部件損壞故障頻出，嚴(yán)重制約鉆井泵的使用性能發(fā)揮。③部分鉆井泵吸入管匯上未配備灌注泵系統(tǒng)，降低泵的吸入性能，影響易損件的使用壽命。針對(duì)上述問題，鉆井泵能力提升方案是推薦使用電動(dòng)五缸鉆井泵。該泵具有以下優(yōu)點(diǎn)：①大功率、大排量、高泵壓；②壓力波動(dòng)小、排量更均勻；③流量調(diào)節(jié)范圍更廣；④易損件使用壽命長(易損件使用壽命提高30%以上)。

2.4 鉆井液系統(tǒng)

頁巖油氣井鉆進(jìn)過程中，機(jī)械鉆速快，有害固相含量會(huì)迅速增加(特別是水平段)，鉆井液流變性能會(huì)變差，特別是終切高，泥餅虛厚。因此，加強(qiáng)對(duì)有害固相含量的控制非常有必要。目前，鉆井液處理系統(tǒng)存在的問題主要有2點(diǎn)：①除砂器、除泥器(或除砂除泥一體機(jī))實(shí)際鉆井液處理量不足，達(dá)不到設(shè)計(jì)排量，固控設(shè)備處理量不足；②鉆井液固控設(shè)備處理流程不滿足標(biāo)準(zhǔn)及使用要求、固控設(shè)備使用時(shí)間不能保證，難以保障低密度固相含量和鉆井液密度控制間的平衡。針對(duì)上述問題，鉆井液處理系統(tǒng)參數(shù)強(qiáng)化方案從以下幾方面進(jìn)行：①鉆井液巖屑處理推薦采用滾動(dòng)式空氣激振負(fù)壓篩，在有效去除鉆井液中的有害固相的同時(shí)，使后級(jí)的除砂器除泥器一體機(jī)和離心機(jī)保證充分的使用時(shí)間和性能發(fā)揮。②鉆井液罐振動(dòng)篩數(shù)量配備應(yīng)為4個(gè)，充分保證在使用高目數(shù)篩布的情況下不存在跑漿現(xiàn)象(一開120～160目，二開160～200目，三開水平段不低于200目)。③配置大處理量(處理量至少240 m3/h)除砂器、除泥器和配高速(轉(zhuǎn)速不低于3 000 r/min)及中速(轉(zhuǎn)速不低于1 800 r/min)離心機(jī)各1臺(tái)，按標(biāo)準(zhǔn)及鉆井液處理要求，合理布置固控設(shè)備及其管匯流程，確保實(shí)現(xiàn)鉆井液的分級(jí)、按順序依次處理，實(shí)現(xiàn)重晶石回收。④為提高鉆機(jī)自動(dòng)化、改善工作環(huán)境、適應(yīng)井控要求，建議配置鉆井液快速自動(dòng)加重系統(tǒng)。

2.5 頂驅(qū)

頂驅(qū)配備要求是在大功率、大扭矩、長時(shí)間高轉(zhuǎn)速(120～150 r/min)條件下能穩(wěn)定作業(yè)。鉆具摩擦扭矩隨水平段長度的增加而逐漸升高，需要配備大扭矩頂驅(qū)；在大位移和水平段，巖屑和鉆具受重力作用會(huì)位于井筒底部。高流速區(qū)位于井眼上部，排量越大區(qū)域覆蓋面積越大，對(duì)攜巖越有利，但是如果頂驅(qū)轉(zhuǎn)速達(dá)不到基本要求，那么沉積在井筒底部的巖屑就無法進(jìn)入上部鉆井液傳送帶，在這種情況下即使排量再大，巖屑也無法得到有效清除。為有效保障水平井鉆井的井眼清潔，尤其是長水平段，需要增加頂驅(qū)轉(zhuǎn)速。目前，國內(nèi)頂驅(qū)使用轉(zhuǎn)速一般為80～110 r/min，與北美轉(zhuǎn)速110～200 r/min存在明顯差距。頂驅(qū)能力提升方案是推薦使用DQ70BSD頂驅(qū)，該頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基于原有性能參數(shù)優(yōu)化提升，最大鉆井扭矩由50 kN·m提升至60 kN·m，最高轉(zhuǎn)速由200 r/min提升至230 r/min；具備軟扭矩技術(shù)、扭擺減阻技術(shù)，可有效解決黏滯卡鉆、井下摩阻、井眼軌跡優(yōu)化等工程作業(yè)難題。在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速及油基鉆井液工況下，頂驅(qū)配套的普通密封沖管損壞更換頻繁，嚴(yán)重影響鉆井作業(yè)效率和井下安全，成為真正的“卡脖子”問題。因此，配備機(jī)械密封沖管成為當(dāng)然之選，該沖管采用端面密封(陶瓷和金屬密封)，材料可承受120 ℃高溫、52 MPa高壓，滿足耐高壓、耐油、耐高溫使用要求，帶壓運(yùn)轉(zhuǎn)使用時(shí)間1 000 h以上。

2.6 其他設(shè)備

為降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆井效率，減輕井隊(duì)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，建議鉆機(jī)配備管柱自動(dòng)化處理和井口自動(dòng)化操作設(shè)備。管柱自動(dòng)化處理設(shè)備完成鉆井管具從場地儲(chǔ)存、移運(yùn)到輸送至鉆臺(tái)，接立柱以及完井后拆甩單根等功能，主要有液壓鉆桿盒、液壓鉆桿支架、動(dòng)力貓道、鉆臺(tái)機(jī)械手、二層臺(tái)機(jī)械手和液壓吊卡等。井口自動(dòng)化操作設(shè)備完成管具的井口自動(dòng)化操作和上卸扣功能，主要有鐵鉆工、動(dòng)力卡瓦、鉆具螺紋油涂抹和鉆井液防噴濺裝置等設(shè)備。

3 鉆機(jī)裝備能力提升與應(yīng)用

基于第二部分中形成的頁巖油氣鉆機(jī)設(shè)備配套能力提升方案和技術(shù)要求，對(duì)國內(nèi)某重點(diǎn)頁巖油鉆井地區(qū)鉆機(jī)裝備作業(yè)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出升級(jí)改造建議。該地區(qū)頁巖油鉆機(jī)共14部，基于形成的鉆機(jī)裝備能力提升方案，將14部鉆機(jī)分為3級(jí)：A級(jí)，鉆機(jī)性能參數(shù)及設(shè)備配套滿足現(xiàn)有頁巖油強(qiáng)化鉆井參數(shù)需求，基本不需要做任何升級(jí)改造；B級(jí)，性能參數(shù)及設(shè)備配套基本滿足現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)鉆井參數(shù)需求，但要進(jìn)一步強(qiáng)化參數(shù)，還需進(jìn)行部分設(shè)備配套能力升級(jí)；C級(jí)，鉆機(jī)設(shè)備狀況較為陳舊，為適應(yīng)頁巖油鉆井，應(yīng)該進(jìn)行全面的設(shè)備配套能力升級(jí)。基于此分類標(biāo)準(zhǔn)，14部鉆機(jī)中，4部為A級(jí)鉆機(jī)，4部為B級(jí)鉆機(jī)，6部為C級(jí)鉆機(jī)。

以某C級(jí)鉆機(jī)為例，該鉆機(jī)在現(xiàn)場占比最高，為機(jī)械鉆機(jī)或“電代油”鉆機(jī)(即在ZJ70L鏈條傳動(dòng)鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，2臺(tái)動(dòng)力柴油機(jī)更換成電機(jī)，保留1至2臺(tái)原動(dòng)力柴油機(jī))。存在以下問題：①鉆機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)。采用2臺(tái)恒轉(zhuǎn)速電機(jī)+調(diào)速型液力耦合器驅(qū)動(dòng)并車廂的方式，技術(shù)性能差，既無法保障鉆機(jī)提升、處理事故、鉆井液小排量作業(yè)、調(diào)整優(yōu)化鉆井參數(shù)能力以及帶載工況下啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速的平穩(wěn)性，也難以適應(yīng)頁巖油氣大功率、高泵壓鉆井作業(yè)要求，更無法滿足進(jìn)一步強(qiáng)化鉆井參數(shù)、鉆井水平段長度不斷增加的作業(yè)需求。②動(dòng)力配備。未配備600 V的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組。網(wǎng)電不能正常時(shí)，配備的電動(dòng)機(jī)泵組無法工作，影響正常的鉆進(jìn)作業(yè)。③鉆井泵。35 MPa的鉆井泵不滿足頁巖油氣高泵壓使用要求，易損件更換頻繁；未配灌注泵系統(tǒng)和濾清器，影響鉆井泵的吸入性能。④固控設(shè)備。鉆井液清潔器排量不夠(只有90 m3/h)；鉆井液固控設(shè)備沒有得到充分使用，以使用振動(dòng)篩為主，其他固控設(shè)備不用或少用。針對(duì)該鉆機(jī)，基于形成的鉆機(jī)裝備能力方案和技術(shù)要求，提出的鉆機(jī)升級(jí)改造建議為：①將動(dòng)力傳動(dòng)方式升級(jí)為“交流變頻電機(jī)+萬向軸直驅(qū)并車廂”方式，采用交流變頻器控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)；②配備3 600 kW以上的600 V柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急備用；③35 MPa的鉆井泵更換為1 193.12 kW、52 MPa的鉆井泵，并增配灌注泵；④鉆井液清潔器更換為處理量更大的除砂除泥一體機(jī)；⑤頂驅(qū)普通密封沖管升級(jí)為機(jī)械密封沖管；⑥建議頂驅(qū)加裝軟扭矩和扭擺等軟件系統(tǒng)；⑦為進(jìn)一步滿足強(qiáng)化鉆井參數(shù)、鉆井水平段長度不斷增加的需求，建議3#泵組配套的鉆井泵采用1 640.54 kW或功率更大五缸鉆井泵。

4 結(jié)論及建議

(1)通過對(duì)比我國和北美主要頁巖油產(chǎn)區(qū)鉆井技術(shù)指標(biāo)和鉆井參數(shù)，明確了我國頁巖油氣鉆井技術(shù)指標(biāo)(鉆井周期、水平段長度)和鉆井參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速等)與北美相比存在明顯差距，“強(qiáng)化鉆井參數(shù)、提升鉆機(jī)裝備配套能力”是縮小差距的有效途徑之一。

(2)隨著頁巖油氣開發(fā)油氣藏埋深不斷加深、頁巖油氣井鉆井水平段不斷加長，提高鉆機(jī)動(dòng)力、鉆井泵功率和泵壓以及頂驅(qū)功率和扭矩是提升頁巖油氣鉆機(jī)裝備配套能力和實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)提速提效的必然發(fā)展趨勢(shì)。

(3)國內(nèi)承擔(dān)頁巖油氣鉆井作業(yè)的主流鉆機(jī)為7 000 m鉆機(jī)，隨著鉆井參數(shù)進(jìn)一步強(qiáng)化、水平井水平段逐漸增加，鉆機(jī)“大排量、高轉(zhuǎn)速、高泵壓”等方面的作業(yè)能力已不能適應(yīng)頁巖油氣鉆井“安全、高效、可靠”的需求，需要從鉆機(jī)總體配套原則、電控系統(tǒng)、鉆井泵系統(tǒng)、鉆井液系統(tǒng)、頂驅(qū)和其他設(shè)備等6個(gè)方面提升鉆機(jī)設(shè)備配套能力。

(4)建議目前從以下方面重點(diǎn)考慮提升國內(nèi)頁巖油氣鉆機(jī)裝備配套能力：①配備1 640.54 kW或功率更大五缸鉆井泵，滿足進(jìn)一步強(qiáng)化鉆井參數(shù)、鉆井水平段長度不斷增加的需求。②加強(qiáng)鉆機(jī)動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)整體配套。鉆井參數(shù)進(jìn)一步強(qiáng)化后，整體考慮鉆機(jī)動(dòng)力及電控系統(tǒng)動(dòng)力配套，系統(tǒng)提升動(dòng)力容量，保障鉆機(jī)絞車、鉆井泵等動(dòng)力機(jī)使用性能的充分發(fā)揮。③推廣使用壽命長的關(guān)鍵零部件。優(yōu)選、推廣使用口碑好、使用壽命長的關(guān)鍵零部件，如頂驅(qū)機(jī)械密封沖管，鉆井泵易損件等。④配備功率更大的頂驅(qū)。加大頂驅(qū)功率，配備軟扭矩技術(shù)、扭擺減阻技術(shù)等軟件，提高使用性能。⑤機(jī)械或“電代油”鉆機(jī)需要盡快升級(jí)。機(jī)械或“電代油”鉆機(jī)(柴油機(jī)或電機(jī)+調(diào)速型液力耦合器驅(qū)動(dòng)并車廂)技術(shù)性能差，應(yīng)該以升級(jí)為全電動(dòng)鉆機(jī)為目標(biāo)；但為控制鉆機(jī)升級(jí)改造投資成本，充分利用原機(jī)械鉆機(jī)設(shè)備，也可采用“交流變頻電機(jī)+萬向軸直驅(qū)并車廂”方式進(jìn)行改造升級(jí)，但這樣的鉆機(jī)，一般不適應(yīng)油氣藏埋深較深、水平段較長的深層頁巖油氣井的鉆井。