李云虎 王國平

中國石化華東油氣分公司采油氣工程服務(wù)中心，中國·江蘇 泰州 225300

1 引言

近年中國頁巖油在短期內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)了重大突破，中國具有巨大的頁巖油資源潛力，大約有43.93億t技術(shù)可采資源量，約占全球的6%，但頁巖油勘探開發(fā)困難重重，在陸相頁巖油富集機(jī)理、分布規(guī)律、甜點(diǎn)預(yù)測與低成本開發(fā)等方面都需要開展深入的研究。

華東油氣分公司大力探索開發(fā)頁巖油，SD1HF井取得突破，但是，鉆井周期長，鉆井投資大，投資回報(bào)周期長。為尋求降低開發(fā)成本、充分挖掘帥垛區(qū)塊阜二段未動(dòng)用儲(chǔ)量，利用老井眼開展側(cè)鉆水平井，可以有效降低鉆井成本。通過對3000m鉆機(jī)配置頂驅(qū)，泥漿循環(huán)系統(tǒng)，節(jié)流壓井管匯等配套設(shè)備，成功完成了SY3-7HF井5132.66m深度小井眼側(cè)鉆完井施工。論文主要針對20B全電動(dòng)頂驅(qū)橇礦場試驗(yàn)評價(jià)和裝置升級改造效果進(jìn)行分析、研究和總結(jié)，為深層頁巖油低成本鉆完井提供思路，進(jìn)而為頁巖油低成本探勘開工提供依據(jù)[1]，20B頂驅(qū)主要結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 20B頂驅(qū)主要結(jié)構(gòu)圖

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置TDS（Top Drive Drilling System）簡稱頂驅(qū)，最早是由美國VARCO公司在1982年研制成功，此后20來，法國、挪威加拿大和中國也相繼成功地研制出頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置[2]。石油鉆機(jī)配套頂部驅(qū)動(dòng)裝置，能夠直接從鉆具頂部驅(qū)動(dòng)鉆柱旋轉(zhuǎn)，并具有上緊或松開鉆柱接頭的功能，可以沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)，完成鉆井作業(yè)。頂驅(qū)主要由動(dòng)力水龍頭，管子處理裝置，導(dǎo)軌和滑車等機(jī)械部件及控制模塊等組成。

2.1 動(dòng)力水龍頭

動(dòng)力水龍頭部分由主電機(jī)、剎車與風(fēng)冷裝置、平衡裝置、提環(huán)、沖管總成、減速箱及其他零部件等組成。動(dòng)力水龍頭主要功能是使主電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，為上卸扣提供動(dòng)力源，同時(shí)循環(huán)泥漿，保證正常地進(jìn)行鉆井工作。

2.2 管子處理系統(tǒng)

管子處理裝置是頂部驅(qū)動(dòng)裝置的重要組成部分，由傾斜機(jī)構(gòu)、背鉗總成、絲扣防松裝置、內(nèi)防噴器IBOP機(jī)構(gòu)及其他零部件組成。可以在很大程度上提高鉆井作業(yè)的自動(dòng)化度。

其中內(nèi)防噴器（IBOP）的作用：當(dāng)井內(nèi)壓力高于鉆柱內(nèi)壓力時(shí)，可以通過關(guān)閉內(nèi)防噴器切斷鉆柱內(nèi)部通道，從而防止井涌或者井噴的發(fā)生。內(nèi)防噴器安裝在保護(hù)接頭與主軸之間。上部的內(nèi)防噴器與動(dòng)力水龍頭的主軸相接，下部的內(nèi)防噴器與保護(hù)接頭連接，鉆井時(shí)保護(hù)接頭與鉆桿相接。

2.3 導(dǎo)軌與滑車

導(dǎo)軌的主要作用是承受頂驅(qū)工作時(shí)的反扭矩。與頂驅(qū)的減速箱連接的滑動(dòng)小車穿入在導(dǎo)軌中，隨頂驅(qū)上下滑動(dòng)，將扭矩傳遞到導(dǎo)軌上。導(dǎo)軌上端與天車臺(tái)上的連接板相連接，導(dǎo)軌下端與井架的反扭矩梁連接，使頂驅(qū)的扭矩直接傳遞到井架下端。導(dǎo)軌內(nèi)部采用鋼絲繩拉緊結(jié)構(gòu)，加大了導(dǎo)軌的安全系數(shù)，工作更加安全可靠；并且縮短了導(dǎo)軌的安裝時(shí)間。

2.4 控制系統(tǒng)

預(yù)裝自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用先進(jìn)的PLC控制技術(shù)，具備一鍵啟停功能。司鉆操作臺(tái)具有鉆井所需的基本操作功能，和各種輔助操作功能?？梢栽O(shè)置頂驅(qū)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、操作模式等。自動(dòng)控制系統(tǒng)操作界面圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)控制系統(tǒng)操作界面圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

2021年8月，DQ20B頂驅(qū)配套鉆機(jī)設(shè)備在中國蘇北深層頁巖油側(cè)鉆井經(jīng)過4個(gè)月施工，順利完成SY3-7HF井側(cè)鉆完井施工，取得了良好的應(yīng)用效果，頂驅(qū)設(shè)備與傳統(tǒng)方鉆桿對比總結(jié)有以下幾點(diǎn)特點(diǎn)。

3.1 節(jié)省接單根時(shí)間

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置不使用方鉆桿，不受方鉆桿長度限制，避免了鉆進(jìn)9m左右接單根的麻煩[3]。取而代之的是利用立柱鉆進(jìn)，節(jié)省了接單根的時(shí)間，從而節(jié)約了鉆井時(shí)間[4]。詳細(xì)情況見表1，起下鉆接單根時(shí)間占比25.9%，低于方鉆桿同類施工水平。

表1 SY3-7HF井鉆井時(shí)效分析表

另外，頂驅(qū)與液壓卡盤配合使用形成“一吊一卡”作業(yè)模式，下鉆過程單人可以完成井口操作施工，進(jìn)一步提升施工效率、降低安全風(fēng)險(xiǎn)，井口“一吊一卡”作業(yè)模式現(xiàn)場施工如圖3所示。

圖3 井口“一吊一卡”作業(yè)模式現(xiàn)場施工

3.2 倒劃眼防止卡鉆，處理卡鉆

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置具有使用18m立柱倒劃眼的能力，可有效鉆處理復(fù)雜情況或工程事故。SY3-7HF井鉆進(jìn)施工過程發(fā)生過3次較為嚴(yán)重的卡鉆，均通過頂驅(qū)倒劃眼配合開泵循環(huán)成功實(shí)現(xiàn)解卡。

3.3 下鉆劃眼

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置具有不解接方鉆桿鉆過砂橋和縮徑點(diǎn)的能力。使用頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置下鉆時(shí)，可在數(shù)秒內(nèi)接好鉆柱，立刻劃眼配合開泵循環(huán)，減少卡鉆的危險(xiǎn)。

3.4 人員安全

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置可減少接單根次數(shù)1/2，從而降低了事故發(fā)生率。接單根只需要打背鉗。鉆桿上卸扣裝置總成上的傾斜裝置可以使吊環(huán)、吊卡向下擺至鼠洞，減少了人員工作的危險(xiǎn)程度。

4 結(jié)論建議

4.1 技術(shù)先進(jìn)性方面

通過現(xiàn)場試驗(yàn)、評價(jià)，20B頂驅(qū)實(shí)現(xiàn)了與3000m車載鉆機(jī)配套施工，成功完成SY3-7HF井開窗側(cè)鉆完井施工，該井完鉆井深5132.66m，鉆頭118mm，垂深3816m，裸眼段長度，水平段長度均為工區(qū)之最。施工過程通過的合理使用，發(fā)生3次卡鉆均通過頂驅(qū)倒劃眼配合開泵循環(huán)成功實(shí)現(xiàn)解卡，工區(qū)上深層頁巖油小井眼鉆井施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對于同類型施工具有重要推廣價(jià)值。

4.2 環(huán)保經(jīng)濟(jì)性方面

20B頂部驅(qū)動(dòng)設(shè)備采用電力驅(qū)動(dòng)，排放大氣環(huán)境的二氧化碳為零，綠色低碳效應(yīng)明顯，自動(dòng)化操作系統(tǒng)集成至司鉆套臺(tái)，節(jié)省人力勞動(dòng)成本；與電動(dòng)泥漿泵配套使用，有利于促進(jìn)蘇北深層頁巖油小井眼側(cè)鉆成套裝備實(shí)現(xiàn)“電動(dòng)革命”“綠色革命”，具備良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 技術(shù)升級建議

在SY3-7HF井開窗側(cè)鉆及完井施工中，20B頂部驅(qū)動(dòng)設(shè)備具備深層頁巖油小井眼側(cè)鉆施工適應(yīng)性，但是在設(shè)備參數(shù)技術(shù)升級方面還有一定空間，如該設(shè)備額定循環(huán)壓力為35MPa，建議通過更換耐壓52MPa中心管將設(shè)備額定循環(huán)壓力提高至52MPa，可以進(jìn)一步提高設(shè)備在深層頁巖油小井眼側(cè)鉆施工的適用性；另外通過設(shè)置內(nèi)防噴器開關(guān)與電動(dòng)泥漿泵啟動(dòng)形成聯(lián)動(dòng)，減少因誤操作造成高壓事故的風(fēng)險(xiǎn)。