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發(fā)展有限公司 2.中國石油集團工程技術研究院有限公司3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司新疆分公司 4.中國地質大學(北京)工程技術學院 5.中國石油新疆油田分公司 6.中國石油集團渤海鉆探第三鉆井工程分公司)

0 引 言

隨著中國經濟的發(fā)展，油氣資源的需求大幅增加，但是國內油氣產量增長受限，我國油氣資源對外依存度越來越高。美國頁巖革命的成功使其由油氣資源進口國轉變?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，中國新增原油產量的72%為頁巖油。新增天然氣產量的30%為頁巖氣，頁巖油氣已經成為中國石油油氣增儲上產的重要力量。因此，大力推動頁巖油氣資源開發(fā)對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、工程成本高已經成為嚴重制約國內非常規(guī)油氣資源快速規(guī)模上產的瓶頸問題[4-5]。國內提高水平井鉆井效率的方法主要還是依托單項技術、單項工具或者裝備能力的提升，這些無疑都很重要，但要想達到北美同等水平的鉆井效率，在持續(xù)提升鉆機裝備單項能力和井下工具性能的基礎上，必須對頁巖油井鉆機設備整體和鉆井參數進行強化研究[6-7]。鉆井參數強化是提速降本增效的重要抓手，而鉆機裝備配套能力提升是“強化鉆井參數、提高鉆井效率”的重要基礎保障。

針對國內頁巖油氣“鉆井周期長、工程成本高”的問題，首先對我國和北美主要區(qū)域頁巖油氣水平井鉆井技術指標進行對比，明確了我國頁巖油氣鉆井技術指標和鉆井參數與北美相比存在差距，指出“強化鉆井參數、提升鉆機裝備配套能力”是縮小差距的有效途徑之一；隨后，針對頁巖油氣鉆機配套使用現狀，以及鉆機設備使用過程中出現的不適應“強化鉆井參數、提高鉆井效率”作業(yè)的突出問題，從鉆機總體配套原則、鉆機電控系統(tǒng)、鉆井泵系統(tǒng)、鉆井液系統(tǒng)、頂驅和其他設備方面對頁巖油氣鉆機裝備配套進行研究，形成系統(tǒng)的頁巖油氣鉆機設備配套能力提升方案和技術要求，并應用于國內某頁巖油鉆井重點地區(qū)鉆機能力評價和升級改造。研究旨在為頁巖油氣鉆井參數強化和鉆機裝備升級提供借鑒，對提升我國頁巖油氣鉆機裝備配套能力，提高鉆井效率，減少鉆井時間具有現實指導意義。

1 國內外主要頁巖油氣產區(qū)鉆井技術指標對比

1.1 北美頁巖油氣鉆機裝備配套及發(fā)展趨勢

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區(qū)之一，其頁巖油氣井鉆機裝備配套參數見表1[8]。

表1 美國馬塞勒斯頁巖油氣井鉆機裝備配套參數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，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]。經驗啟示，鉆機裝備性能升級，不斷提升絞車功率、鉆井泵功率及承壓能力、頂驅扭矩、鉆機動力(柴油發(fā)電機組)，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。

根據國內鉆機分級配套標準，北美2016年以后的頁巖油氣鉆機相當于國內5 000 m鉆機，但配套的鉆井泵能力卻相當于國內8 000 m鉆機的配套，這提供了一個很重要的鉆機設備配套理念，即提升鉆機動力、鉆井泵功率和泵壓以及頂驅功率和扭矩是水平井鉆井提速、提效的關鍵基礎保障。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，同時可為旋轉導向工具提供額外的動力[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，提高鉆機動力、鉆井泵功率和泵壓、頂驅功率和扭矩是提升頁巖油氣鉆機裝備配套能力和實現鉆井作業(yè)提速提效的必然發(fā)展趨勢。

1.2 國內外主要頁巖油產區(qū)鉆井技術指標

通過資料整理(北美)及現場調研(國內)，得到北美和國內主要頁巖油產區(qū)鉆井技術指標(見表2)。由表2可知：與北美Bakken、Eagle Ford組和二疊紀盆地Wolfcamp這3個重點頁巖油產區(qū)鉆井技術指標相比，除大慶古龍頁巖油井外，國內主要頁巖油氣產區(qū)在儲層埋深上具有埋深更深的特點，鉆井開發(fā)具有更大難度；在鉆井周期上，北美主要頁巖油產區(qū)鉆井周期為10～20 d，國內各頁巖油產區(qū)鉆井周期明顯長于北美(除大慶古龍頁巖油外)；水平段長度會影響頁巖油的開采效率，北美頁巖油產區(qū)水平段長度較長，Bakken產區(qū)水平段平均長度超過3 000 m，國內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 北美和國內主要頁巖油氣產區(qū)鉆井技術指標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)快鉆井技術已經非常成熟，水平段長度大于3 000 m的井已非常普遍，而且在2018年水平段長度紀錄達到了6 340 m。鉆井周期也在不斷縮短，以二疊紀盆地為例，水平段長在3 000 m左右的井，二開設計鉆井周期一般13～14 d，三開設計鉆井周期一般21～22 d[10]，鉆井效率明顯高于國內絕大多數區(qū)域。

1.3 國內外主要頁巖油氣產區(qū)鉆井參數

Range公司在美國馬塞勒斯區(qū)塊鉆井施工中，采用高鉆壓、高轉速、大排量鉆井參數，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]。

通過現場調研，國內主要頁巖油氣井鉆井參數見表3。由表3可知，國內鉆壓、轉速等參數與北美相比存在較大差距，排量、泵壓與北美基本相當。但由1.1節(jié)和1.2節(jié)可知，國內主要頁巖油氣井鉆井技術指標，特別是鉆井周期和水平段長度，與北美存在明顯差距。

雖然技術指標落后與油氣藏埋深、儲層物性等有關，但強化鉆井參數、提高作業(yè)效率仍然是國內頁巖油氣鉆井提速提效、趕超北美先進水平的有效途徑之一。對標國內外好的做法，進一步強化鉆井參數，如排量對標古龍頁巖油、轉速對標北美頁巖油氣(頂驅轉速110～200 r/min)，借鑒北美鉆機裝備配套理念，強化提升國內鉆機裝備配套能力勢在必行。

2 頁巖油氣鉆機設備配套升級方案及技術要求

現場調研結果表明，現在國內承擔頁巖油氣鉆井作業(yè)的主流鉆機為7 000 m鉆機，其井架、底座承載能力以及絞車等設備的提升能力幾乎滿足現有所有頁巖油氣井作業(yè)需求。但隨著鉆井參數進一步強化、水平井水平段逐漸增加，鉆機大排量、高轉速、高泵壓等方面的作業(yè)能力已不能適應頁巖油氣鉆井“安全、高效、可靠”的需求，需要在7 000 m鉆機基礎上強化提升鉆機裝備配套能力。提升鉆機設備配套能力主要從6個方面進行：鉆機整體配套原則、鉆機電控系統(tǒng)、鉆機鉆井泵系統(tǒng)、鉆井液系統(tǒng)、頂驅和其他設備，最終形成滿足頁巖油氣鉆井參數強化作業(yè)需求的鉆機設備配套提升方案和技術要求。

2.1 鉆機整體配套原則

為滿足頁巖油氣鉆井“強化鉆井參數、提高鉆井效率”要求，鉆機整體配套原則包括：①鉆機應滿足叢式井作業(yè)平移要求，推薦使用ZJ70D/ZJ70DB技術性能先進的電動鉆機，建議配備井口管柱自動化裝備。②鉆機鉆臺高度應滿足安裝防噴器組及鉆井液回流管的傾角要求(鉆機底座鉆臺工作高度不低于9.0 m，轉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，鉆臺工作高度不低于10.5 m，轉盤梁底面凈空高度不低于9.0 m)。③為保證鉆進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，即大扭矩、高轉速頂驅。⑤鉆機可以采用網電作為動力，降低動力消耗成本和滿足國家“雙碳戰(zhàn)略”目標要求；網電應選用10或35 kV電壓等級，變電為 600 V/400 V 為井場供電，通過無功補償和濾波裝置滿足電網接入質量要求，但仍需配備至少3 600 kW/600 V柴油發(fā)電機組作為應急備用動力。

2.2 鉆機電控系統(tǒng)

現國內從事頁巖油氣鉆井的電動鉆機電控系統(tǒng)一般為通用配置，如SCR和VFD系統(tǒng)，其傳動控制能力限制了頁巖油氣鉆機大功率、高泵壓使用性能的發(fā)揮。主要表現為：主要電氣設備配備容量不足，如斷路器、變頻器、SCR柜動力等過流能力不足，無功補償及濾波系統(tǒng)容量小等；過度保護設置，如功率限制、過流限制等，致使鉆機主要動力機功率只能發(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行時，電控柜內電氣元器件易出現發(fā)熱甚至燒毀現象，實際使用時，只能限制鉆井泵、絞車使用性能。為此，鉆井參數進一步強化后，整體考慮鉆機動力及電控系統(tǒng)動力配套，系統(tǒng)提升動力容量，保障鉆機絞車、鉆井泵等動力機使用性能的充分發(fā)揮。

2.3 鉆機鉆井泵系統(tǒng)

在國內頁巖油氣鉆井過程中，實際采用的鉆井參數大都比設計參數要高。目前國內頁巖油氣鉆機主要配備的是1 193.12 kW、52 MPa的鉆井泵，國內大多數頁巖作業(yè)區(qū)域，上部大井眼尺寸井段大排量作業(yè)時(如大慶古龍頁巖油二開、川渝頁巖氣三開?311.1 mm井眼時)，實際鉆井泵使用時已達到額定功率1 193.12 kW的90%以上(2臺泵同時工作)，基本達到泵使用極限，難以滿足進一步“強化鉆井參數、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，需要對鉆井泵系統(tǒng)進行強化升級。此外，鉆井泵系統(tǒng)配套及使用還存在一些具體問題：①柴油機驅動的鉆井泵在實際使用過程中，泵沖的調節(jié)及獲得較為穩(wěn)定的鉆井參數比較困難。②缸套、活塞和閥體總成等易損件更換頻繁，升級改造的高壓泵(由原35 MPa泵更換液力端升級成52 MPa的鉆井泵)液缸等承壓部件損壞故障頻出，嚴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。針對上述問題，鉆井泵能力提升方案是推薦使用電動五缸鉆井泵。該泵具有以下優(yōu)點：①大功率、大排量、高泵壓；②壓力波動小、排量更均勻；③流量調節(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)

頁巖油氣井鉆進過程中，機械鉆速快，有害固相含量會迅速增加(特別是水平段)，鉆井液流變性能會變差，特別是終切高，泥餅虛厚。因此，加強對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：①除砂器、除泥器(或除砂除泥一體機)實際鉆井液處理量不足，達不到設計排量，固控設備處理量不足；②鉆井液固控設備處理流程不滿足標準及使用要求、固控設備使用時間不能保證，難以保障低密度固相含量和鉆井液密度控制間的平衡。針對上述問題，鉆井液處理系統(tǒng)參數強化方案從以下幾方面進行：①鉆井液巖屑處理推薦采用滾動式空氣激振負壓篩，在有效去除鉆井液中的有害固相的同時，使后級的除砂器除泥器一體機和離心機保證充分的使用時間和性能發(fā)揮。②鉆井液罐振動篩數量配備應為4個，充分保證在使用高目數篩布的情況下不存在跑漿現象(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(轉速不低于3 000 r/min)及中速(轉速不低于1 800 r/min)離心機各1臺，按標準及鉆井液處理要求，合理布置固控設備及其管匯流程，確保實現鉆井液的分級、按順序依次處理，實現重晶石回收。④為提高鉆機自動化、改善工作環(huán)境、適應井控要求，建議配置鉆井液快速自動加重系統(tǒng)。

2.5 頂驅

頂驅配備要求是在大功率、大扭矩、長時間高轉速(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；在大位移和水平段，巖屑和鉆具受重力作用會位于井筒底部。高流速區(qū)位于井眼上部，排量越大區(qū)域覆蓋面積越大，對攜巖越有利，但是如果頂驅轉速達不到基本要求，那么沉積在井筒底部的巖屑就無法進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，需要增加頂驅轉速。目前，國內頂驅使用轉速一般為80～110 r/min，與北美轉速110～200 r/min存在明顯差距。頂驅能力提升方案是推薦使用DQ70BSD頂驅，該頂部驅動系統(tǒng)基于原有性能參數優(yōu)化提升，最大鉆井扭矩由50 kN·m提升至60 kN·m，最高轉速由200 r/min提升至230 r/min；具備軟扭矩技術、扭擺減阻技術，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、高轉速及油基鉆井液工況下，頂驅配套的普通密封沖管損壞更換頻繁，嚴重影響鉆井作業(yè)效率和井下安全，成為真正的“卡脖子”問題。因此，配備機械密封沖管成為當然之選，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，帶壓運轉使用時間1 000 h以上。

2.6 其他設備

為降低安全風險，提高鉆井效率，減輕井隊人員勞動強度，建議鉆機配備管柱自動化處理和井口自動化操作設備。管柱自動化處理設備完成鉆井管具從場地儲存、移運到輸送至鉆臺，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、動力貓道、鉆臺機械手、二層臺機械手和液壓吊卡等。井口自動化操作設備完成管具的井口自動化操作和上卸扣功能，主要有鐵鉆工、動力卡瓦、鉆具螺紋油涂抹和鉆井液防噴濺裝置等設備。

3 鉆機裝備能力提升與應用

基于第二部分中形成的頁巖油氣鉆機設備配套能力提升方案和技術要求，對國內某重點頁巖油鉆井地區(qū)鉆機裝備作業(yè)能力進行評價，并提出升級改造建議。該地區(qū)頁巖油鉆機共14部，基于形成的鉆機裝備能力提升方案，將14部鉆機分為3級：A級，鉆機性能參數及設備配套滿足現有頁巖油強化鉆井參數需求，基本不需要做任何升級改造；B級，性能參數及設備配套基本滿足現有工程設計鉆井參數需求，但要進一步強化參數，還需進行部分設備配套能力升級；C級，鉆機設備狀況較為陳舊，為適應頁巖油鉆井，應該進行全面的設備配套能力升級?；诖朔诸悩藴?，14部鉆機中，4部為A級鉆機，4部為B級鉆機，6部為C級鉆機。

以某C級鉆機為例，該鉆機在現場占比最高，為機械鉆機或“電代油”鉆機(即在ZJ70L鏈條傳動鉆機的基礎上，2臺動力柴油機更換成電機，保留1至2臺原動力柴油機)。存在以下問題：①鉆機動力傳動。采用2臺恒轉速電機+調速型液力耦合器驅動并車廂的方式，技術性能差，既無法保障鉆機提升、處理事故、鉆井液小排量作業(yè)、調整優(yōu)化鉆井參數能力以及帶載工況下啟動、制動和調速的平穩(wěn)性，也難以適應頁巖油氣大功率、高泵壓鉆井作業(yè)要求，更無法滿足進一步強化鉆井參數、鉆井水平段長度不斷增加的作業(yè)需求。②動力配備。未配備600 V的應急柴油發(fā)電機組。網電不能正常時，配備的電動機泵組無法工作，影響正常的鉆進作業(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固控設備。鉆井液清潔器排量不夠(只有90 m3/h)；鉆井液固控設備沒有得到充分使用，以使用振動篩為主，其他固控設備不用或少用。針對該鉆機，基于形成的鉆機裝備能力方案和技術要求，提出的鉆機升級改造建議為：①將動力傳動方式升級為“交流變頻電機+萬向軸直驅并車廂”方式，采用交流變頻器控制技術驅動；②配備3 600 kW以上的600 V柴油發(fā)電機組作為應急備用；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；⑤頂驅普通密封沖管升級為機械密封沖管；⑥建議頂驅加裝軟扭矩和扭擺等軟件系統(tǒng)；⑦為進一步滿足強化鉆井參數、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 結論及建議

(1)通過對比我國和北美主要頁巖油產區(qū)鉆井技術指標和鉆井參數，明確了我國頁巖油氣鉆井技術指標(鉆井周期、水平段長度)和鉆井參數(鉆壓、轉速等)與北美相比存在明顯差距，“強化鉆井參數、提升鉆機裝備配套能力”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，提高鉆機動力、鉆井泵功率和泵壓以及頂驅功率和扭矩是提升頁巖油氣鉆機裝備配套能力和實現鉆井作業(yè)提速提效的必然發(fā)展趨勢。

(3)國內承擔頁巖油氣鉆井作業(yè)的主流鉆機為7 000 m鉆機，隨著鉆井參數進一步強化、水平井水平段逐漸增加，鉆機“大排量、高轉速、高泵壓”等方面的作業(yè)能力已不能適應頁巖油氣鉆井“安全、高效、可靠”的需求，需要從鉆機總體配套原則、電控系統(tǒng)、鉆井泵系統(tǒng)、鉆井液系統(tǒng)、頂驅和其他設備等6個方面提升鉆機設備配套能力。

(4)建議目前從以下方面重點考慮提升國內頁巖油氣鉆機裝備配套能力：①配備1 640.54 kW或功率更大五缸鉆井泵，滿足進一步強化鉆井參數、鉆井水平段長度不斷增加的需求。②加強鉆機動力及傳動系統(tǒng)整體配套。鉆井參數進一步強化后，整體考慮鉆機動力及電控系統(tǒng)動力配套，系統(tǒng)提升動力容量，保障鉆機絞車、鉆井泵等動力機使用性能的充分發(fā)揮。③推廣使用壽命長的關鍵零部件。優(yōu)選、推廣使用口碑好、使用壽命長的關鍵零部件，如頂驅機械密封沖管，鉆井泵易損件等。④配備功率更大的頂驅。加大頂驅功率，配備軟扭矩技術、扭擺減阻技術等軟件，提高使用性能。⑤機械或“電代油”鉆機需要盡快升級。機械或“電代油”鉆機(柴油機或電機+調速型液力耦合器驅動并車廂)技術性能差，應該以升級為全電動鉆機為目標；但為控制鉆機升級改造投資成本，充分利用原機械鉆機設備，也可采用“交流變頻電機+萬向軸直驅并車廂”方式進行改造升級，但這樣的鉆機，一般不適應油氣藏埋深較深、水平段較長的深層頁巖油氣井的鉆井。