楊 哲

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

近年來，國家持續(xù)加大煤層氣開發(fā)力度，煤層氣開采裝備及技術(shù)取得重大突破和進(jìn)展，我國煤層氣產(chǎn)業(yè)邁入商業(yè)化生產(chǎn)階段[1-3]，但由于我國煤層氣資源地質(zhì)條件復(fù)雜，開發(fā)難度大，基礎(chǔ)設(shè)施尚不完善等因素導(dǎo)致煤層氣開采綜合成本較高，出現(xiàn)煤層氣價(jià)格倒掛現(xiàn)象，因此降低煤層氣開采綜合成本是推進(jìn)煤層氣產(chǎn)業(yè)健康發(fā)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(huán)保、成本等方面考慮，對煤層氣水平井用鉆機(jī)、泥漿泵組及固控系統(tǒng)進(jìn)行選型及優(yōu)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(jī)現(xiàn)狀及選型

綜合考慮我國煤層埋深、地質(zhì)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(jī)需具備2 000 m鉆進(jìn)能力。目前，市場上2 000 m 鉆機(jī)主要有塔架鉆機(jī)和車載鉆機(jī)2 種，其中塔架鉆機(jī)典型機(jī)型有TSJ-2 600 型水源鉆機(jī)和ZJ20 型石油鉆機(jī)，車載鉆機(jī)典型機(jī)型有機(jī)械式車載鉆機(jī)和液壓式車載鉆機(jī)。

從鉆機(jī)性能考慮, 塔架式水源鉆機(jī)和石油鉆機(jī)具備2 000 m 鉆井施工能力，但水源鉆機(jī)結(jié)構(gòu)、配套設(shè)備及工藝簡單，無法滿足水平井施工要求。由于我國煤礦區(qū)主要集中在山區(qū)或丘陵地帶，石油鉆機(jī)使用范圍受限，同時(shí)，煤層氣水平井位垂比較大，ZJ20 型石油鉆機(jī)無配套頂驅(qū)，無法滿足大位垂比水平井施工要求，因此石油鉆機(jī)也難以廣泛應(yīng)用于大位垂比煤層氣水平井施工。

為滿足煤層氣鉆井地理?xiàng)l件差、搬遷頻繁、水平井位垂比大等特點(diǎn)，國內(nèi)外均研制適用于煤層氣鉆井用車載鉆機(jī)。經(jīng)多年研究，目前，煤層氣鉆井用車載鉆機(jī)主要有機(jī)械式和液壓式2 種結(jié)構(gòu)，其中機(jī)械式車載鉆機(jī)主要由國內(nèi)部分石油裝備制造單位根據(jù)煤層氣山區(qū)作業(yè)特點(diǎn)，將塔架式鉆機(jī)的動(dòng)力部分、井架及絞車等安裝在車載底盤上，實(shí)現(xiàn)了搬遷組裝方便、移運(yùn)便捷等功能，但鉆機(jī)結(jié)構(gòu)仍沿用石油鉆機(jī)的井架結(jié)構(gòu)，鉆機(jī)車外形尺寸較大，爬坡能力一般，因此近年在煤層氣行業(yè)應(yīng)用較少。

為推進(jìn)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，歐美等發(fā)達(dá)國家研制出煤層氣井用全液壓車載鉆機(jī)，代表機(jī)型主要有德國 RB-T100 型，美國 T200XD 型，瑞典 PREDATOR型等鉆機(jī)，進(jìn)口車載鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)匯總表見表1，該類車載鉆機(jī)具有智能化程度高、系統(tǒng)穩(wěn)定、配套工藝全、施工效率高等特點(diǎn)。但由于進(jìn)口鉆機(jī)配件通用性差，購置周期長，綜合成本高等問題，進(jìn)口鉆機(jī)主要應(yīng)用于科研或高利潤項(xiàng)目，常規(guī)煤層氣水平井應(yīng)用較少。

表1 進(jìn)口車載鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)匯總表Table 1 Technical parameters of imported truck-mounted drilling rig

20 世紀(jì)末，國內(nèi)開始研制全液壓煤層氣車載鉆機(jī)，近幾年多個(gè)廠家研制出多款全液壓車載鉆機(jī)，如中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司ZMK5530TZJ 100 型[6]，北京天和眾邦勘探技術(shù)有限公司CMD100型，石家莊煤礦機(jī)械有限公司TZJ25/1000Y 型等鉆機(jī)，國產(chǎn)車載鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)匯總表見表2，該類鉆機(jī)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(chǎn)全液壓車載鉆機(jī)具有加壓給進(jìn)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(jī)搬遷迅速，性能穩(wěn)定，配件通用性強(qiáng)，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，必將推動(dòng)我國煤層氣鉆井產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展。中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司ZMK5530TZJ100 型鉆機(jī)在晉煤寺河礦區(qū)施工完成井深1 675.39 m 的煤層氣水平井[7-8]。

表2 國產(chǎn)車載鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)匯總表Table 2 Technical parameters of domestically produced truck-mounted drilling rig

2 泥漿泵組優(yōu)化

煤層氣鉆機(jī)配套泥漿泵組主要有F500、F800、F1000 3 種規(guī)格，其中F800 應(yīng)用最廣泛。泥漿泵組配套為單機(jī)單泵，即1 臺(tái)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)1 臺(tái)泥漿泵，常用機(jī)型為：柴油機(jī)選用G12V190PZL 型，泥漿泵選用F800 型[9]。在常規(guī)作業(yè)中，泥漿泵實(shí)際輸入功率較低，遠(yuǎn)小于柴油機(jī)輸出功率，利用率低，造成資源浪費(fèi)，本文通過計(jì)算分析，在柴油機(jī)輸出端增加節(jié)能發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)“一拖二”傳動(dòng)模式，減少現(xiàn)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(jī)提供動(dòng)力。根據(jù)柴油機(jī)工作原理，其轉(zhuǎn)速越高，功率越大，扭矩越小。柴油機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，功率大，扭矩小，油耗低，經(jīng)濟(jì)性好。G12V190PZL 型柴油機(jī)額定功率882 kW, 持續(xù)功率800 kW,根據(jù)其特性曲線，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 300 r/min 附近，負(fù)荷率大于75%時(shí)，柴油機(jī)運(yùn)行工況較好。

煤層氣水平井作業(yè)中，在一、二開井段，鉆進(jìn)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(shù)為 90～110 沖/min；在三開煤層段，為確保井內(nèi)安全，排量較小，泥漿泵選用缸套為100～120 mm，沖數(shù)為 60～90 沖/min。依據(jù) F-800 泥漿泵性能參數(shù)表計(jì)算得出，正常鉆進(jìn)中，泥漿泵輸入功率小于480 kW，柴油機(jī)負(fù)荷率不足65%，整機(jī)能耗大，耗油量高，經(jīng)濟(jì)性差。

2.2 泥漿泵組傳動(dòng)方式優(yōu)化

以環(huán)保、節(jié)能、安全為目標(biāo)，綜合考慮煤層氣水平井鉆井深度、設(shè)備功率、成本等因素，在柴油機(jī)輸出端并聯(lián)1 臺(tái)150 kW 節(jié)能發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)“一拖二”，即1 臺(tái)柴油機(jī)同時(shí)給泥漿泵和節(jié)能發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力。煤層氣井現(xiàn)場固控系統(tǒng)、生產(chǎn)生活用電等總功率約120、150 kW, 節(jié)能發(fā)電機(jī)可滿足現(xiàn)場生產(chǎn)，代替1 臺(tái)獨(dú)立的150 kW 柴油發(fā)電機(jī)，150 kW 發(fā)電機(jī)日節(jié)省柴油量300～440 kg，整個(gè)項(xiàng)目節(jié)省柴油15%～20%，當(dāng)柴油機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)泥漿泵和節(jié)能發(fā)電機(jī)時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到1 300 r/min，柴油機(jī)負(fù)荷約630 kW,負(fù)荷率超過其持續(xù)功率的75%，達(dá)到最佳運(yùn)行工況。

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

3 固控系統(tǒng)

固控系統(tǒng)是利用凈化設(shè)備對鉆井液進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)鉆井液各項(xiàng)性能參數(shù)滿足工藝要求。目前國內(nèi)石油鉆井領(lǐng)域固控系統(tǒng)的研發(fā)、制造技術(shù)比較成熟，煤層氣鉆井領(lǐng)域大多數(shù)鉆井隊(duì)采用簡化的石油固控設(shè)備和地面泥漿池相結(jié)合的方式循環(huán)鉆井液，實(shí)現(xiàn)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(qū)丘陵地區(qū)搬遷不便；石油固控配套齊全，煤層氣井鉆井液循環(huán)量和處理量小，固控設(shè)備利用率低；由于受煤層氣鉆機(jī)平臺(tái)限制，直接采用現(xiàn)有石油固控系統(tǒng)，現(xiàn)場需挖制泥漿循環(huán)槽，易造成環(huán)境污染，環(huán)保性能差。

針對煤層氣鉆井領(lǐng)域固控系統(tǒng)存在的問題，在借鑒石油鉆井行業(yè)固控系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤層氣鉆井實(shí)際需要設(shè)計(jì)滿足2 000 m 以內(nèi)的煤層氣水平井用固控系統(tǒng)。

3.1 固控系統(tǒng)總體方案

設(shè)計(jì)的煤層氣井固控系統(tǒng)采用四級(jí)凈化裝置，同時(shí)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(huán)境污染。新設(shè)計(jì)的固控系統(tǒng)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(dòng)篩，篩離出大于74 μm 的固相顆粒，完成一級(jí)凈化；然后鉆井液進(jìn)入泥漿清潔器，分離出8～74 μm 的巖屑顆粒，完成二、三級(jí)凈化；最后鉆井液進(jìn)入離心機(jī)倉，篩離出2～8 μm 的固相顆粒，實(shí)現(xiàn)鉆井液四級(jí)凈化。

3.2 固控設(shè)備設(shè)計(jì)及選配

1）井口密封裝置。常用煤層氣鉆機(jī)平臺(tái)高度約1.5 m，而固控系統(tǒng)振動(dòng)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(dòng)篩，采用這種方式井口返漿含巖屑量大，砂漿泵故障頻繁，設(shè)備維護(hù)成本高，且易造成環(huán)境污染。從保護(hù)環(huán)境、降低成本、提高效率等方面考慮，設(shè)計(jì)井口密封裝置，實(shí)現(xiàn)井口返漿通過井口密封裝置直接進(jìn)入振動(dòng)篩。孔口密封裝置的設(shè)計(jì)綜合考慮車載鉆機(jī)井口平臺(tái)高度、鉆具尺寸、鉆井深度、機(jī)械鉆速、操作空間及環(huán)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(shí)現(xiàn)井口泥漿不落地，直接進(jìn)入固控系統(tǒng)，同時(shí)也起到低壓防噴、導(dǎo)流作用。

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

2）主要設(shè)備選配。石油四級(jí)固控系統(tǒng)主要由振動(dòng)篩、除砂器、除泥器、離心機(jī)、循環(huán)罐等組成[10]。煤層氣井施工中，由于受地理?xiàng)l件及井場面積限制，設(shè)計(jì)的四級(jí)固控由振動(dòng)篩、泥漿清潔器、離心機(jī)、循環(huán)罐等設(shè)備組成實(shí)現(xiàn)四級(jí)凈化。振動(dòng)篩是第一級(jí)凈化設(shè)備，根據(jù)煤層氣鉆井井深、鉆孔結(jié)構(gòu)及泥漿泵組排量等參數(shù)，選用平動(dòng)橢圓雙聯(lián)振動(dòng)篩，振動(dòng)篩處理能力≥200 m3/h。常規(guī)固控系統(tǒng)第二級(jí)、第三級(jí)凈化設(shè)備為除砂器和除泥器，由于煤層氣鉆井區(qū)域以山區(qū)和丘陵為主，施工條件差，井場面積小，因此選用功能齊全、結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間面積小的泥漿清潔器作為固控系統(tǒng)第二級(jí)、第三級(jí)凈化設(shè)備，選用泥漿清潔器處理能180～220 m3/h。離心機(jī)是第四級(jí)凈化設(shè)備，選用螺旋式沉降離心機(jī)，處理能力60 m3/h。

3）循環(huán)罐。對于2 000 m 以內(nèi)的煤層氣水平井來說，鉆井液循環(huán)罐的容積需達(dá)到150 m3，由于受煤層氣鉆井作業(yè)環(huán)境限制，井場面積小，同時(shí)煤層氣開采屬低成本產(chǎn)業(yè)，目前常采用泥漿罐和泥漿池結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)鉆井液循環(huán)。煤層氣鉆井作業(yè)地點(diǎn)主要以山區(qū)和丘陵為主，大多地區(qū)最大允許9.6 m運(yùn)輸車輛通行，因此該固控系統(tǒng)泥漿罐設(shè)計(jì)為2 個(gè)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(lián)振動(dòng)篩和泥漿清潔器，2#泥漿罐上安裝離心機(jī)，實(shí)現(xiàn)四級(jí)凈化。為了防止造成環(huán)境污染，固控系統(tǒng)配套泥漿池采用防滲漏土工膜防止鉆井液滲漏污染環(huán)境，完井后，利用無機(jī)固化劑對廢鉆井液進(jìn)行固化處理，有效解決了廢鉆井液水蝕運(yùn)移擴(kuò)散問題，避免了環(huán)境污染，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

利用煤層氣水平井用固控系統(tǒng)在晉煤寺河礦區(qū)和三交呂梁地區(qū)施工多口煤層氣水平井。現(xiàn)場試驗(yàn)表明：該固控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，便于山區(qū)作業(yè)；系統(tǒng)功能齊全，凈化能力強(qiáng)，滿足煤層氣水平井施工要求；實(shí)現(xiàn)泥漿不落地，環(huán)保性能好。

4 結(jié) 語

1）調(diào)研總結(jié)常規(guī)水源鉆機(jī)、石油鉆機(jī)、車載鉆機(jī)的性能參數(shù)、適用范圍、配套工藝等特點(diǎn)，并結(jié)合煤層氣鉆井作業(yè)特殊性，國產(chǎn)全液壓車載鉆機(jī)具有智能化程度高、搬遷安裝方便、作業(yè)效率高、性價(jià)比高等優(yōu)勢，適用于煤層氣水平井施工。

2）優(yōu)化泥漿泵組驅(qū)動(dòng)方式，在柴油機(jī)輸出端增加150 kW 節(jié)能發(fā)電機(jī)，采用“一拖二”的傳動(dòng)模式，提高柴油機(jī)使用效率，減少柴油消耗量，降低鉆井成本。

3）以現(xiàn)有石油固控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合煤層氣水平井現(xiàn)場工況、設(shè)備能力、施工工藝等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適用于2 000 m 以內(nèi)的煤層氣水平井用四級(jí)固控系統(tǒng)。