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(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司3.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司新疆分公司 4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院 5.中國(guó)石油新疆油田分公司 6.中國(guó)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(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，油氣資源的需求大幅增加，但是國(guó)內(nèi)油氣產(chǎn)量增長(zhǎng)受限，我國(guó)油氣資源對(duì)外依存度越來(lái)越高。美國(guó)頁(yè)巖革命的成功使其由油氣資源進(jìn)口國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜌赓Y源凈出口國(guó)。近年來(lái)中國(guó)持續(xù)加大頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)力度，特別是2020—2022年，中國(guó)新增原油產(chǎn)量的72%為頁(yè)巖油。新增天然氣產(chǎn)量的30%為頁(yè)巖氣，頁(yè)巖油氣已經(jīng)成為中國(guó)石油油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要力量。因此，大力推動(dòng)頁(yè)巖油氣資源開(kāi)發(fā)對(duì)于確保我國(guó)能源安全具有重要意義[1-2]。我國(guó)頁(yè)巖油氣資源豐富，具有很大開(kāi)采潛力[3]，但是我國(guó)頁(yè)巖油氣與美國(guó)頁(yè)巖油地質(zhì)條件差異巨大，在開(kāi)采過(guò)程中面臨很多挑戰(zhàn)，其中鉆井周期長(zhǎng)、工程成本高已經(jīng)成為嚴(yán)重制約國(guó)內(nèi)非常規(guī)油氣資源快速規(guī)模上產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題[4-5]。國(guó)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(wú)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(yè)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(guó)內(nèi)頁(yè)巖油氣“鉆井周期長(zhǎng)、工程成本高”的問(wèn)題，首先對(duì)我國(guó)和北美主要區(qū)域頁(yè)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(guó)頁(yè)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(yè)巖油氣鉆機(jī)配套使用現(xiàn)狀，以及鉆機(jī)設(shè)備使用過(guò)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(wèn)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(yè)巖油氣鉆機(jī)裝備配套進(jìn)行研究，形成系統(tǒng)的頁(yè)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(guó)內(nèi)某頁(yè)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(yè)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(guó)頁(yè)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(guó)內(nèi)外主要頁(yè)巖油氣產(chǎn)區(qū)鉆井技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

1.1 北美頁(yè)巖油氣鉆機(jī)裝備配套及發(fā)展趨勢(shì)

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

表1 美國(guó)馬塞勒斯頁(yè)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(mǎn)足水平井水平段長(zhǎng)度不斷增加的需要。水平段長(zhǎng)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(yè)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(zhǎng)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(chē)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(yè)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(guó)內(nèi)鉆機(jī)分級(jí)配套標(biāo)準(zhǔn)，北美2016年以后的頁(yè)巖油氣鉆機(jī)相當(dāng)于國(guó)內(nèi)5 000 m鉆機(jī)，但配套的鉆井泵能力卻相當(dāng)于國(guó)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(zhǎng)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(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)油氣藏埋深不斷加深、鉆井水平段不斷加長(zhǎng)，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(yè)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(guó)內(nèi)外主要頁(yè)巖油產(chǎn)區(qū)鉆井技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)資料整理(北美)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研(國(guó)內(nèi))，得到北美和國(guó)內(nèi)主要頁(yè)巖油產(chǎn)區(qū)鉆井技術(shù)指標(biāo)(見(jiàn)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(yè)巖油產(chǎn)區(qū)鉆井技術(shù)指標(biāo)相比，除大慶古龍頁(yè)巖油井外，國(guó)內(nèi)主要頁(yè)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(kāi)發(fā)具有更大難度；在鉆井周期上，北美主要頁(yè)巖油產(chǎn)區(qū)鉆井周期為10～20 d，國(guó)內(nèi)各頁(yè)巖油產(chǎn)區(qū)鉆井周期明顯長(zhǎng)于北美(除大慶古龍頁(yè)巖油外)；水平段長(zhǎng)度會(huì)影響頁(yè)巖油的開(kāi)采效率，北美頁(yè)巖油產(chǎn)區(qū)水平段長(zhǎng)度較長(zhǎng)，Bakken產(chǎn)區(qū)水平段平均長(zhǎng)度超過(guò)3 000 m，國(guó)內(nèi)主要頁(yè)巖油井水平段長(zhǎng)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(guó)內(nèi)主要頁(yè)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(kāi)發(fā)較早，優(yōu)快鉆井技術(shù)已經(jīng)非常成熟，水平段長(zhǎng)度大于3 000 m的井已非常普遍，而且在2018年水平段長(zhǎng)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(zhǎng)在3 000 m左右的井，二開(kāi)設(shè)計(jì)鉆井周期一般13～14 d，三開(kāi)設(shè)計(jì)鉆井周期一般21～22 d[10]，鉆井效率明顯高于國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)區(qū)域。

1.3 國(guó)內(nèi)外主要頁(yè)巖油氣產(chǎn)區(qū)鉆井參數(shù)

Range公司在美國(guó)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，國(guó)內(nèi)主要頁(yè)巖油氣井鉆井參數(shù)見(jiàn)表3。由表3可知，國(guó)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(guó)內(nèi)主要頁(yè)巖油氣井鉆井技術(shù)指標(biāo)，特別是鉆井周期和水平段長(zhǎng)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(guó)內(nèi)頁(yè)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(guó)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(yè)巖油、轉(zhuǎn)速對(duì)標(biāo)北美頁(yè)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(guó)內(nèi)鉆機(jī)裝備配套能力勢(shì)在必行。

2 頁(yè)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(chǎng)調(diào)研結(jié)果表明，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)承擔(dān)頁(yè)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(chē)等設(shè)備的提升能力幾乎滿(mǎn)足現(xiàn)有所有頁(yè)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(yè)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(mǎn)足頁(yè)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(mǎn)足頁(yè)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(mǎn)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(mǎn)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(pán)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(yè)巖氣鉆機(jī)，鉆臺(tái)工作高度不低于10.5 m，轉(zhuǎn)盤(pán)梁底面凈空高度不低于9.0 m)。③為保證鉆進(jìn)過(guò)程中井眼清潔問(wèn)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(mǎn)足國(guó)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(chǎng)供電，通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償和濾波裝置滿(mǎn)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(guó)內(nèi)從事頁(yè)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(yè)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(guò)流能力不足，無(wú)功補(bǔ)償及濾波系統(tǒng)容量小等；過(guò)度保護(hù)設(shè)置，如功率限制、過(guò)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(zhǎng)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(chē)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(chē)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(chē)、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(guó)內(nèi)頁(yè)巖油氣鉆井過(guò)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(guó)內(nèi)頁(yè)巖油氣鉆機(jī)主要配備的是1 193.12 kW、52 MPa的鉆井泵，國(guó)內(nèi)大多數(shù)頁(yè)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(yè)巖油二開(kāi)、川渝頁(yè)巖氣三開(kāi)?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(mǎn)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(wèn)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(wèn)題：①柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的鉆井泵在實(shí)際使用過(guò)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(wèn)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(zhǎng)(易損件使用壽命提高30%以上)。

2.4 鉆井液系統(tǒng)

頁(yè)巖油氣井鉆進(jìn)過(guò)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(wèn)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(mǎn)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(wèn)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(kāi)120～160目，二開(kāi)160～200目，三開(kāi)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(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)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(wú)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(zhǎng)水平段，需要增加頂驅(qū)轉(zhuǎn)速。目前，國(guó)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(wèn)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(mǎn)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(chǎng)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(yè)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(guó)內(nèi)某重點(diǎn)頁(yè)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(yè)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(mǎn)足現(xiàn)有頁(yè)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(mǎn)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(yè)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(lèi)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(chǎng)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(wèn)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(chē)廂的方式，技術(shù)性能差，既無(wú)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(yè)巖油氣大功率、高泵壓鉆井作業(yè)要求，更無(wú)法滿(mǎn)足進(jìn)一步強(qiáng)化鉆井參數(shù)、鉆井水平段長(zhǎng)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(wú)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(mǎn)足頁(yè)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(méi)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(wàn)向軸直驅(qū)并車(chē)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(mǎn)足強(qiáng)化鉆井參數(shù)、鉆井水平段長(zhǎng)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(guò)對(duì)比我國(guó)和北美主要頁(yè)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(guó)頁(yè)巖油氣鉆井技術(shù)指標(biāo)(鉆井周期、水平段長(zhǎng)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(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)油氣藏埋深不斷加深、頁(yè)巖油氣井鉆井水平段不斷加長(zhǎng)，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(yè)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(guó)內(nèi)承擔(dān)頁(yè)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(yè)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(guó)內(nèi)頁(yè)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(mǎn)足進(jìn)一步強(qiáng)化鉆井參數(shù)、鉆井水平段長(zhǎng)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(chē)、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(zhǎng)的關(guān)鍵零部件。優(yōu)選、推廣使用口碑好、使用壽命長(zhǎng)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(chē)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(wàn)向軸直驅(qū)并車(chē)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(zhǎng)的深層頁(yè)巖油氣井的鉆井。