李慎奎，劉士巖，周立春，張 寧，王衛(wèi)華，王建偉，王坤青

（1.河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘062552；2.華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西晉城048000）

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M ZJ-90 Y型煤層氣斜井鉆機(jī)研制及應(yīng)用

李慎奎1，劉士巖1，周立春2，張 寧1，王衛(wèi)華1，王建偉1，王坤青1

（1.河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘062552；2.華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西晉城048000）

摘要：為提高煤層氣鉆采設(shè)備的技術(shù)水平，滿足煤層氣開發(fā)需求，研發(fā)了M ZJ-90 Y型煤層氣斜井鉆機(jī)。攻克的關(guān)鍵技術(shù)包括傾斜井架、上提下壓系統(tǒng)、動(dòng)力頭系統(tǒng)、夾持裝置、轉(zhuǎn)矩鉗、鉆具輸送裝置、負(fù)載敏感控制等技術(shù)。鉆機(jī)具有鉆進(jìn)速度快、占地面積小、操作簡(jiǎn)單、安全性能高等突出優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足煤層氣不同井型的鉆井工藝需求?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，鉆機(jī)的功能和參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)效果良好。

關(guān)鍵詞：煤層氣；斜井；鉆機(jī)

煤層氣作為一項(xiàng)新型清潔能源，近年來(lái)得到了國(guó)家的大力支持，開發(fā)規(guī)模不斷擴(kuò)大。煤層氣開發(fā)具有單井產(chǎn)量低、產(chǎn)氣時(shí)間長(zhǎng)、井?dāng)?shù)多、井間距小等特點(diǎn)，開發(fā)模式也從單一直井開發(fā)發(fā)展到定向井（叢式井組）、斜井［1-6］、水平井聯(lián)合開發(fā)，隨之而來(lái)的是對(duì)煤層氣鉆井工藝和設(shè)備的更高要求。常規(guī)煤層氣鉆機(jī)（煤田鉆機(jī)、水井鉆機(jī)、石油鉆機(jī)等）在工藝技術(shù)、鉆井成本、安全環(huán)保等方面已經(jīng)漸漸無(wú)法滿足煤層氣開發(fā)的需求［7-9］?，F(xiàn)已經(jīng)開始引進(jìn)國(guó)外價(jià)格昂貴的煤層氣鉆機(jī)（例如：意大利D RIL L M E C公司生產(chǎn)的G75；美國(guó)雪姆公司生產(chǎn)的T130、T200鉆機(jī)）來(lái)滿足煤層氣開發(fā)的需求。針對(duì)煤層氣鉆井裝備的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，研制了M ZJ-90 Y型煤層氣斜井鉆機(jī)。

1 技術(shù)分析

1.1 整體結(jié)構(gòu)

M ZJ-90 Y型煤層氣斜井鉆機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，鉆機(jī)為撬裝模塊形式，主要包括底座總成、傾斜井架總成、上提下壓系統(tǒng)、動(dòng)力頭系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)矩鉗、井口夾持器、扶正器、鉆具輸送裝置、負(fù)載敏感控制系統(tǒng)等。通過(guò)調(diào)節(jié)斜支撐與井架連接小的位置，使井架處于45～90°狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)從地面直接造斜鉆進(jìn)。

1—底座總成；2—?jiǎng)恿刂葡到y(tǒng)；3—井架系統(tǒng)；4—井口夾持器；5—液壓轉(zhuǎn)矩鉗；6—扶正器；7—鉆具輸送裝置；8—?jiǎng)恿︻^系統(tǒng)；9—上提下壓系統(tǒng)；10—斜支撐。圖1 M ZJ-90 Y型煤層氣斜井鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

如圖1所示，動(dòng)力頭翹起一定位置，鉆具輸送裝置將鉆具翹起，與動(dòng)力頭軸線在一條直線上，向前輸送鉆具，動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)，完成對(duì)扣、接扣；上提下壓系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)力頭將鉆具提升，此時(shí)鉆具的另一端在鉆具輸送裝置V板上滑行，即將離開時(shí)，伸出扶正器扶住鉆具，縮回扶正器，保證鉆具與井內(nèi)鉆具在一條直線上，動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆具下移、旋轉(zhuǎn)，與井內(nèi)鉆具完成對(duì)扣、旋扣；液壓轉(zhuǎn)矩鉗從井架伸出，進(jìn)行緊扣，完畢后縮回井架，上提鉆具，打開井口夾持器，開泵，進(jìn)行鉆井作業(yè)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

名義鉆深1 500 m

井架調(diào)節(jié)范圍90～45°

調(diào)節(jié)精度3°

最大提升力900 k N

最大下壓力120 k N

最大提升速度0.5 m/s

最大下放速度1.0 m/s

最大連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩31.5 k N·m

轉(zhuǎn)速0～150 r/min

中心管通徑?76mm

最大卸扣轉(zhuǎn)矩90 k N·m

夾持器最大通徑350mm

系統(tǒng)功率385.9 k W

額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min

管匯壓力35MPa

運(yùn)輸尺寸13 m×3 m×3.2 m

2 關(guān)鍵技術(shù)

井架［10］采用U型結(jié)構(gòu)，受力點(diǎn)在井架的底部，主體井架不需承受鉆柱的重力，井架的作用是為動(dòng)力頭提供上下運(yùn)動(dòng)的軌道和承受鉆進(jìn)過(guò)程中的反轉(zhuǎn)矩，具有重心低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

井架設(shè)計(jì)斜支撐裝置，可以調(diào)節(jié)井架在45～90°的任意位置，實(shí)現(xiàn)從地面斜直鉆進(jìn)。

2.2 上提下壓系統(tǒng)

采用液缸倒置安裝，活塞桿固定在井架下部，利用缸筒做滑枕，結(jié)合上下滑輪組，通過(guò)鋼絲繩的纏繞，配合動(dòng)力頭實(shí)現(xiàn)鉆具的提升和下壓；工作時(shí)，主提升力的受力點(diǎn)在井架的下部，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。上提下壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—上滑輪；2—下壓鋼絲繩固定點(diǎn)；3—?jiǎng)恿︻^；4—缸筒；5—下壓鋼絲繩；6—上提鋼絲繩；7—下滑輪；8—活塞桿；9—上提鋼絲繩固定點(diǎn)。圖2 上提下壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上提下壓系統(tǒng)具備主動(dòng)下壓的能力，可以實(shí)現(xiàn)表層加壓鉆進(jìn)，提高鉆進(jìn)速度；同時(shí)，水平井下套管（篩管）遇阻時(shí)，提供一定的下壓力，提高套管完井效率。

2.3 動(dòng)力頭系統(tǒng)

動(dòng)力頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由滑車、鵝頸管、沖管、空心馬達(dá)、殼體、制動(dòng)裝置、浮動(dòng)裝置、翹舉液缸等部分組成。其中：翹舉液缸安裝在滑車和殼體之間，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭翹舉；空心馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，無(wú)齒輪傳動(dòng)，降低故障率的發(fā)生；安裝制動(dòng)裝置可以實(shí)現(xiàn)定向鉆井；浮動(dòng)裝置減小鉆具上卸扣時(shí)對(duì)螺紋的磨損；無(wú)需額外安裝反轉(zhuǎn)矩梁，直接利用井架承受反轉(zhuǎn)矩。

使用SPSS 15.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，正態(tài)分布計(jì)量資料以表示，采用成組設(shè)計(jì)定量資料的單因素方差分析，非正態(tài)分布計(jì)量資料和等級(jí)資料采用Mann‐Whitney U 檢驗(yàn)或 Kruskal‐Wallis檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料的比較采用χ2檢驗(yàn)。

1—滑車；2—鵝頸管；3—沖管；4—翹舉液缸；5—空心馬達(dá)；6—?dú)んw；7—制動(dòng)裝置；8—浮動(dòng)裝置。圖3 動(dòng)力頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 井口裝置

井口裝置主要包括夾持器和轉(zhuǎn)矩鉗。夾持器安裝在井架下部，主要由夾緊液缸、殼體、卡瓦座、卡瓦體、鎖緊機(jī)構(gòu)等部分組成，夾持范圍?89～?244mm，針對(duì)不同的鉆具（例如鉆桿、套管等），只需更換相應(yīng)的卡瓦體即可。夾持器具備承受一定反轉(zhuǎn)矩的能力，在鉆桿旋扣、下套管的過(guò)程中，可以做背鉗使用。夾持器采用錐面的結(jié)構(gòu)形式，具備自鎖功能，同時(shí)設(shè)有鎖緊機(jī)構(gòu)，防止夾持的鉆具打滑下移。

轉(zhuǎn)矩鉗安裝在井架下部?jī)?nèi)側(cè)，可以隨井架角度的變化而變化，主要由主鉗、背鉗組成。適應(yīng)?114～?210mm的鉆具上卸扣，無(wú)需更換牙板；卸扣轉(zhuǎn)矩最大為90 k N·m。

2.5 鉆具輸送裝置

鉆具輸送裝置主要由底座、起升臂、伸縮臂、鉗頭、V形坡板等部件組成，可實(shí)現(xiàn)舉升/下放鉆桿、套管等，整機(jī)機(jī)械化程度高，操作簡(jiǎn)單，鉆工勞動(dòng)強(qiáng)度低，可提高鉆井效率。

2.6 控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)承接發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，可以輸出400 k W功率，并分配給動(dòng)力頭系統(tǒng)、上提下壓系統(tǒng)和其他裝置，采用負(fù)載敏感控制，通過(guò)控制壓力、流量能夠自動(dòng)響應(yīng)轉(zhuǎn)矩變化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能最大化，保護(hù)鉆具。

3 樣機(jī)應(yīng)用

2013-12進(jìn)行了斜直井鉆井試驗(yàn)，井號(hào)為榮式-1 X井，井型結(jié)構(gòu)如圖4所示。斜深1 100 m，井斜45°，垂深777.82 m，水平位移777.82 m。

圖4　榮式-1 X井型結(jié)構(gòu)

鉆井周期15 d，一開用?311.2mm鉆頭鉆深100 m，下入?244.5mm套管至100 m，固井水泥返至地面。二開用?215.9mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆深1 100 m，下入?139.7mm套管至1 090 m，水泥返至地面。

2014-10，在山西沁水縣固縣鄉(xiāng)進(jìn)行煤層氣開發(fā)井鉆井應(yīng)用，井號(hào)為華固34-1井和華固34-2，井型為叢式定向井，設(shè)計(jì)垂深800 m，斜深840 m。

華固34-1井由于井隊(duì)人員對(duì)鉆井地況不熟悉，泥漿循環(huán)方式不當(dāng)，對(duì)鉆機(jī)設(shè)備操作不熟練等因素，鉆井周期為21.12 d，總體完成效率不高。

隨著鉆井隊(duì)員對(duì)鉆機(jī)的熟悉，同時(shí)避免了華固34-1井出現(xiàn)的問(wèn)題，華固34-2井鉆井時(shí)間明顯縮短，鉆井周期用時(shí)僅為10 d，比計(jì)劃鉆井周期27.5 d節(jié)省了17.5 d。

4 結(jié)論

1） 該斜井鉆機(jī)鉆井速度快，輔助時(shí)間少，排屑能力強(qiáng)。以鉆井過(guò)程中的接單根為例：鉆機(jī)接單根時(shí)間僅為2～3 min。接單根過(guò)程中井內(nèi)沉砂少，再次開泵時(shí)易于巖屑的排出，降低卡鉆事故的發(fā)生。

2） 在鉆井過(guò)程中接單根、對(duì)扣、上扣、緊扣、井口打卸卡瓦、下鉆、甩單根等一系列動(dòng)作均為液壓控制，只操作控制臺(tái)手柄就可以完成，無(wú)需操作人員直接接觸，實(shí)現(xiàn)井口無(wú)人化，極大地降低了事故的發(fā)生率，提高了鉆井操作安全性。

3） 操作人員少，只需3人就可以實(shí)現(xiàn)鉆井。主司鉆1人，負(fù)責(zé)操作主控臺(tái)進(jìn)行鉆井；副司鉆1人，負(fù)責(zé)液壓大鉗、鉆具輸送裝置的操作；場(chǎng)地工1人，負(fù)責(zé)將鉆具滾入鉆具輸送裝置的V板內(nèi)。同時(shí)負(fù)責(zé)柴油機(jī)、泵組、泥漿閥組的操作。

4） 負(fù)載敏感控制系統(tǒng)的壓力、流量自動(dòng)響應(yīng)轉(zhuǎn)矩變化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能最大化，保護(hù)鉆具。在鉆井過(guò)程中，初始鉆壓、泵壓、轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)設(shè)定完畢，司鉆只需觀察操作臺(tái)上的儀表顯示即可，不需要進(jìn)行其他任何操作，鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鉆進(jìn)。

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Development and Application of M ZJ-90 Y Coal-bed M ethane Slant Drilling Rig

LI Shenkui1，LIU Shiyan1，ZHOU Lichun2，ZHANG Ning1，WANG Weihua1，WANG Jian wei1，WANG Kunqing1
（1.Rongsheng Mɑchinery Mɑnufɑcture Ltd.of Huɑbei Oilfield，Renqiu 062552，Chinɑ；2.Coɑlbed Methɑne Explorɑtion ɑnd Deυelopment Ltd.，Huɑbei Oilfield，Jincheng 048000，Chinɑ）

Abstract：In order to im prove coal-bed methane mining equip ment technology level，to meet the needs of the develop ment of coal-bed methane，the MZJ-90 YCB Mslant drilling rigs are researched and developed. Overcoming the key technologies including：inclined derrick technology，lift and push technology，top drive system，gripping device，torque wrench，drill pipe conveying device，load sensitive control system etc. The drilling machine has the advantages of high speed，small size，sim ple operation and high safety performance，to meet the needs of different types of drilling process of coal-bed methane. Field test results show that the function and parameters of the drilling rig can meet the design requirements and the test results are good.

Key Words：coal-bed methane；slant well；drilling rig

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作者簡(jiǎn)介：李慎奎（1981-），男，遼寧建昌人，工程師，碩士，主要從事石油鉆采機(jī)械技術(shù)研究，E-mail：dbdxljm @ 163.com。 包括：第一作者姓名（出生年－），性別，民族，籍貫（××省××縣人），職稱，學(xué)位，畢業(yè)院校及專業(yè)、研究方向或從事的主要工作，投稿者的郵箱和聯(lián)系電話。如果文章內(nèi)容屬各類基金資助項(xiàng)目或?qū)＠?xiàng)目，請(qǐng)注明項(xiàng)目名稱和編號(hào)。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重大專項(xiàng)“山西沁水盆地煤層氣水平井開發(fā)示范工程”（2011Z X05061）

收稿日期：2015-07-21

文章編號(hào)：1001-3482（2016）01-0082-04

中圖分類號(hào)：T E922 ，

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A （由編輯部給出），⑤正文（要求層次清楚）；⑥參考文獻(xiàn)，⑦英文部分包括：文題、作者姓名、工作單位、摘要、關(guān)鍵詞（與中文相對(duì)應(yīng)）。

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.018