M ZJ-90 Y型煤层气斜井钻机研制及应用

李慎奎，刘士岩，周立春，张 宁，王卫华，王建伟，王坤青

（1.河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘062552；2.华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西晋城048000）



M ZJ-90 Y型煤层气斜井钻机研制及应用

李慎奎1，刘士岩1，周立春2，张 宁1，王卫华1，王建伟1，王坤青1

（1.河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘062552；2.华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西晋城048000）

摘要：为提高煤层气钻采设备的技术水平，满足煤层气开发需求，研发了M ZJ-90 Y型煤层气斜井钻机。攻克的关键技术包括倾斜井架、上提下压系统、动力头系统、夹持装置、转矩钳、钻具输送装置、负载敏感控制等技术。钻机具有钻进速度快、占地面积小、操作简单、安全性能高等突出优点，能够满足煤层气不同井型的钻井工艺需求。现场试验结果表明，钻机的功能和参数达到设计要求，试验效果良好。

关键词：煤层气；斜井；钻机

煤层气作为一项新型清洁能源，近年来得到了国家的大力支持，开发规模不断扩大。煤层气开发具有单井产量低、产气时间长、井数多、井间距小等特点，开发模式也从单一直井开发发展到定向井（丛式井组）、斜井［1-6］、水平井联合开发，随之而来的是对煤层气钻井工艺和设备的更高要求。常规煤层气钻机（煤田钻机、水井钻机、石油钻机等）在工艺技术、钻井成本、安全环保等方面已经渐渐无法满足煤层气开发的需求［7-9］。现已经开始引进国外价格昂贵的煤层气钻机（例如：意大利D RIL L M E C公司生产的G75；美国雪姆公司生产的T130、T200钻机）来满足煤层气开发的需求。针对煤层气钻井装备的现状及存在的问题，研制了M ZJ-90 Y型煤层气斜井钻机。

1 技术分析

1.1 整体结构

M ZJ-90 Y型煤层气斜井钻机结构如图1所示，钻机为撬装模块形式，主要包括底座总成、倾斜井架总成、上提下压系统、动力头系统、液压转矩钳、井口夹持器、扶正器、钻具输送装置、负载敏感控制系统等。通过调节斜支撑与井架连接小的位置，使井架处于45～90°状态，从而实现钻机从地面直接造斜钻进。

1—底座总成；2—动力控制系统；3—井架系统；4—井口夹持器；5—液压转矩钳；6—扶正器；7—钻具输送装置；8—动力头系统；9—上提下压系统；10—斜支撑。图1 M ZJ-90 Y型煤层气斜井钻机结构

1.2 工作原理

如图1所示，动力头翘起一定位置，钻具输送装置将钻具翘起，与动力头轴线在一条直线上，向前输送钻具，动力头旋转，完成对扣、接扣；上提下压系统通过动力头将钻具提升，此时钻具的另一端在钻具输送装置V板上滑行，即将离开时，伸出扶正器扶住钻具，缩回扶正器，保证钻具与井内钻具在一条直线上，动力头带动钻具下移、旋转，与井内钻具完成对扣、旋扣；液压转矩钳从井架伸出，进行紧扣，完毕后缩回井架，上提钻具，打开井口夹持器，开泵，进行钻井作业。

1.3 主要技术参数

名义钻深1 500 m

井架调节范围90～45°

调节精度3°

最大提升力900 k N

最大下压力120 k N

最大提升速度0.5 m/s

最大下放速度1.0 m/s

最大连续输出转矩31.5 k N·m

转速0～150 r/min

中心管通径Ø76mm

最大卸扣转矩90 k N·m

夹持器最大通径350mm

系统功率385.9 k W

额定转速1 800 r/min

管汇压力35MPa

运输尺寸13 m×3 m×3.2 m

2 关键技术

井架［10］采用U型结构，受力点在井架的底部，主体井架不需承受钻柱的重力，井架的作用是为动力头提供上下运动的轨道和承受钻进过程中的反转矩，具有重心低、稳定性好等特点。

井架设计斜支撑装置，可以调节井架在45～90°的任意位置，实现从地面斜直钻进。

2.2 上提下压系统

采用液缸倒置安装，活塞杆固定在井架下部，利用缸筒做滑枕，结合上下滑轮组，通过钢丝绳的缠绕，配合动力头实现钻具的提升和下压；工作时，主提升力的受力点在井架的下部，提高结构的稳定性。上提下压系统的结构如图2所示。

1—上滑轮；2—下压钢丝绳固定点；3—动力头；4—缸筒；5—下压钢丝绳；6—上提钢丝绳；7—下滑轮；8—活塞杆；9—上提钢丝绳固定点。图2 上提下压系统结构

上提下压系统具备主动下压的能力，可以实现表层加压钻进，提高钻进速度；同时，水平井下套管（筛管）遇阻时，提供一定的下压力，提高套管完井效率。

2.3 动力头系统

动力头系统结构如图3所示，主要由滑车、鹅颈管、冲管、空心马达、壳体、制动装置、浮动装置、翘举液缸等部分组成。其中：翘举液缸安装在滑车和壳体之间，实现动力头翘举；空心马达直接驱动主轴旋转，无齿轮传动，降低故障率的发生；安装制动装置可以实现定向钻井；浮动装置减小钻具上卸扣时对螺纹的磨损；无需额外安装反转矩梁，直接利用井架承受反转矩。

使用SPSS 15.0进行统计分析，正态分布计量资料以表示，采用成组设计定量资料的单因素方差分析，非正态分布计量资料和等级资料采用Mann‐Whitney U 检验或 Kruskal‐Wallis检验，计数资料的比较采用χ2检验。

1—滑车；2—鹅颈管；3—冲管；4—翘举液缸；5—空心马达；6—壳体；7—制动装置；8—浮动装置。图3 动力头系统结构

2.4 井口装置

井口装置主要包括夹持器和转矩钳。夹持器安装在井架下部，主要由夹紧液缸、壳体、卡瓦座、卡瓦体、锁紧机构等部分组成，夹持范围Ø89～Ø244mm，针对不同的钻具（例如钻杆、套管等），只需更换相应的卡瓦体即可。夹持器具备承受一定反转矩的能力，在钻杆旋扣、下套管的过程中，可以做背钳使用。夹持器采用锥面的结构形式，具备自锁功能，同时设有锁紧机构，防止夹持的钻具打滑下移。

转矩钳安装在井架下部内侧，可以随井架角度的变化而变化，主要由主钳、背钳组成。适应Ø114～Ø210mm的钻具上卸扣，无需更换牙板；卸扣转矩最大为90 k N·m。

2.5 钻具输送装置

钻具输送装置主要由底座、起升臂、伸缩臂、钳头、V形坡板等部件组成，可实现举升/下放钻杆、套管等，整机机械化程度高，操作简单，钻工劳动强度低，可提高钻井效率。

2.6 控制系统

液压控制系统承接发动机的功率，可以输出400 k W功率，并分配给动力头系统、上提下压系统和其他装置，采用负载敏感控制，通过控制压力、流量能够自动响应转矩变化，实现节能最大化，保护钻具。

3 样机应用

2013-12进行了斜直井钻井试验，井号为荣式-1 X井，井型结构如图4所示。斜深1 100 m，井斜45°，垂深777.82 m，水平位移777.82 m。

图4　荣式-1 X井型结构

钻井周期15 d，一开用Ø311.2mm钻头钻深100 m，下入Ø244.5mm套管至100 m，固井水泥返至地面。二开用Ø215.9mm钻头钻进，钻深1 100 m，下入Ø139.7mm套管至1 090 m，水泥返至地面。

2014-10，在山西沁水县固县乡进行煤层气开发井钻井应用，井号为华固34-1井和华固34-2，井型为丛式定向井，设计垂深800 m，斜深840 m。

华固34-1井由于井队人员对钻井地况不熟悉，泥浆循环方式不当，对钻机设备操作不熟练等因素，钻井周期为21.12 d，总体完成效率不高。

随着钻井队员对钻机的熟悉，同时避免了华固34-1井出现的问题，华固34-2井钻井时间明显缩短，钻井周期用时仅为10 d，比计划钻井周期27.5 d节省了17.5 d。

4 结论

1） 该斜井钻机钻井速度快，辅助时间少，排屑能力强。以钻井过程中的接单根为例：钻机接单根时间仅为2～3 min。接单根过程中井内沉砂少，再次开泵时易于岩屑的排出，降低卡钻事故的发生。

2） 在钻井过程中接单根、对扣、上扣、紧扣、井口打卸卡瓦、下钻、甩单根等一系列动作均为液压控制，只操作控制台手柄就可以完成，无需操作人员直接接触，实现井口无人化，极大地降低了事故的发生率，提高了钻井操作安全性。

3） 操作人员少，只需3人就可以实现钻井。主司钻1人，负责操作主控台进行钻井；副司钻1人，负责液压大钳、钻具输送装置的操作；场地工1人，负责将钻具滚入钻具输送装置的V板内。同时负责柴油机、泵组、泥浆阀组的操作。

4） 负载敏感控制系统的压力、流量自动响应转矩变化，实现节能最大化，保护钻具。在钻井过程中，初始钻压、泵压、转速等钻井参数设定完毕，司钻只需观察操作台上的仪表显示即可，不需要进行其他任何操作，钻机实现自动化钻进。

参考文献：

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Development and Application of M ZJ-90 Y Coal-bed M ethane Slant Drilling Rig

LI Shenkui1，LIU Shiyan1，ZHOU Lichun2，ZHANG Ning1，WANG Weihua1，WANG Jian wei1，WANG Kunqing1
（1.Rongsheng Mɑchinery Mɑnufɑcture Ltd.of Huɑbei Oilfield，Renqiu 062552，Chinɑ；2.Coɑlbed Methɑne Explorɑtion ɑnd Deυelopment Ltd.，Huɑbei Oilfield，Jincheng 048000，Chinɑ）

Abstract：In order to im prove coal-bed methane mining equip ment technology level，to meet the needs of the develop ment of coal-bed methane，the MZJ-90 YCB Mslant drilling rigs are researched and developed. Overcoming the key technologies including：inclined derrick technology，lift and push technology，top drive system，gripping device，torque wrench，drill pipe conveying device，load sensitive control system etc. The drilling machine has the advantages of high speed，small size，sim ple operation and high safety performance，to meet the needs of different types of drilling process of coal-bed methane. Field test results show that the function and parameters of the drilling rig can meet the design requirements and the test results are good.

Key Words：coal-bed methane；slant well；drilling rig

通讯地址2.文章撰写顺序：①文题（力求简明，一般不超过20字）；②作者姓名、工作单位、和邮编；③中文摘要（200～300字），中文关键词（3～8个）；④ 7.在文后列通信作者的联系电话、邮箱、详细。

作者简介：李慎奎（1981-），男，辽宁建昌人，工程师，硕士，主要从事石油钻采机械技术研究，E-mail：dbdxljm @ 163.com。 包括：第一作者姓名（出生年－），性别，民族，籍贯（××省××县人），职称，学位，毕业院校及专业、研究方向或从事的主要工作，投稿者的邮箱和联系电话。如果文章内容属各类基金资助项目或专利项目，请注明项目名称和编号。

基金项目：国家重大专项“山西沁水盆地煤层气水平井开发示范工程”（2011Z X05061）

收稿日期：2015-07-21

文章编号：1001-3482（2016）01-0082-04

中图分类号：T E922 ，

文献标识码：A （由编辑部给出），⑤正文（要求层次清楚）；⑥参考文献，⑦英文部分包括：文题、作者姓名、工作单位、摘要、关键词（与中文相对应）。

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.018