应用于页岩气开采的新型特种钻机

高俊杰

（大庆市工业和信息化委员会，黑龙江大庆163002）

随着全球石油和煤炭等传统能源的日益减少，页岩气资源的勘探开发得到世界各国的日益重视。目前，全球页岩气探明储量约为456万亿m3，其中我国页岩气资源量达到100万亿m3，约为国内常规天然气探明储量的2倍。但是，由于页岩气藏多属低孔、低渗透储层，储层致密、非均质性强，气流阻力比常规天然气储层大，且我国页岩气储层埋深多在2000～3500 m，平均深度高于美国1000 m以上，给我国页岩气开采带来诸多技术和设备上的难题。

页岩气开采由于钻采工艺、造穴方式、目的层地质结构等方面与传统能源不同，使页岩气钻机与常规油气钻机间存在较大差异，需要钻机能够适应使用环境及工程经济性要求。钻井成本占勘探开发总支出50%左右，节省钻井成本对于经济开发页岩气具有决定性的意义，直接影响页岩气开采的“经济性”，迫切需要低成本、高效率的钻完井设备。美国用了15年时间，将页岩气开发成本降低85%，目前单井成本在1800万元～2800万元；我国单井成本8000万～1亿元，2012年美国页岩气产量2653亿m3，我国仅约4亿m3。液压钻机和斜直井钻机等特种钻机具备了降低开采成本、提高采收率的基本特点，能够满足水平井钻井和水平井分段压裂等两大核心关键技术要求，对我国降低页岩气勘探和开发成本有着重要实践作用。

在复杂条件下和超深度开采技术领域，液压特种钻机发挥着越来越重要的作用，它具有提升和加压钻进能力，并可实现自动送钻等特点，摒弃了以往常规钻机的绞车、转盘和井架等装置，它利用顶部驱动钻井装置旋转钻柱，通过液压油缸提升和下放钻柱，特别适用于定向井、水平井、测钻井等特殊领域的钻井，以及其他复杂条件下的钻井。液压钻机的主要核心部件主要包括自动化操作平台、机械手、钻井液净化系统、提升下压装置、泥浆泵组、液压绞车、动力系统、空气压缩系、统运载车底盘等。液压钻机具有集约化程度高、钻井效率高、自动化程度高、可靠性好等优势，克服了常规石油钻机依赖手工操作和低效率不精确的机械传动和控制弊病，使非常规油气资源的勘探开发具备更好的安全性、更高的钻井效率、更小的风险以及整体优化的钻井工艺。液压钻机的技术先进性表现在多个方面：一是工作效率高，具有钻进加压功能，以达到快速钻进的目的，同时设备结构紧凑、机动灵活，便于移运，能够较大幅度地缩短转场搬家的时间。二是可适应领域范围广，兼备了空气循环钻井、泥浆循环钻井、泡沫循环钻井等多种方式，在满足钻井工艺的基础上，能够根据地质状况任意选择，从而提高钻井效率，它的动力头可锁定不动，具有开窗、造斜、控斜功能，能够进行水平井、多分支井的钻探作业，可选用大通孔直径的动力头，实现反循环钻进、跟管钻进等各种钻进工艺，还具有桅杆可倾斜，能够实现开孔斜打等多功能用途。三是操作使用更加方便，新型液压特种钻机运用了全液压技术、升缩桅杆技术，使钻机适用能力更大，使用更加方便，实行了电、气、液一体化控制，进一步提高了自动化程度，减轻劳动强度。四是具备价格优势，与其他各类专用钻机比较，它的产品价格较低，更有利于减少钻探成本。

在储层较浅的气井开采中，斜直井钻机的设计制造更能发挥独特优势。它的动力水龙头和提升下压液缸均由变量柱塞泵来驱动，变量柱塞泵排量由液压比例手柄控制，通过调节变量柱塞泵排量，无级调节旋转和钻进的速度。井架采用液压起升，从垂直位置能在0～450范围调节，调节间隔0.750。采用伸缩桅杆技术，动力头净空行程高达15.24 m，直接用液压桅杆升举和下放钻具，可完成复杂钻井工艺。配备顶驱和自动排管机械手，钻压自动控制，作业成本低，所需人工少，维护保养少，能耗少，一台钻机通过固定的动力系统、循环系统连接可以钻十几口井，对于非常规油气井是最佳选择，对增加单井产量比水平井更有经济意义。

随着我国页岩气开采领域的扩大，各类新型特种钻机需求同步增长，特种钻机的研究和更新也呈逐步加快趋势。目前，四川宏华公司已经成功研制出单根超级液压钻机和连续油管钻机，宝石机械公司和南阳二机公司等已研制成功斜直井钻机，长城钻探公司和江汉四机公司等研制成功了全液压钻机，并已经陆续投入市场，新型特种钻机必将得到更加广泛的应用。

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