頁巖氣鉆井“一平臺雙機”動力設(shè)備配套方案分析

蘇 偉

（中國石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川成都 610051）

0 引言

由于我國頁巖氣勘探開發(fā)起步較晚，存在國內(nèi)頁巖氣藏大延伸水平井、固井和增產(chǎn)改造技術(shù)尚無先例等較多工程難點。為認真貫徹落實公司關(guān)于頁巖氣開發(fā)總體工作部署和要求，需要深入總結(jié)分析，強化生產(chǎn)組織，加強技術(shù)攻關(guān)，攻克技術(shù)瓶頸，完善裝備配套，共同推進頁巖氣示范區(qū)建設(shè)，為加快頁巖氣經(jīng)濟規(guī)模高效開發(fā)做出新的貢獻。

1 頁巖氣項目對鉆井設(shè)備的要求

1.1 頁巖氣項目自身特點對鉆井平臺的要求

頁巖氣產(chǎn)層的增產(chǎn)措施是通過大量清水夾帶一定比例支撐劑，單井最大壓裂液量3.8×104m3，井場配套設(shè)施需要建立一個3×104～5×104m3容量清水池，壓裂施工后仍然需要使用同等容積的廢水池，儲存轉(zhuǎn)運排液產(chǎn)生的大量污水，需要建立污水轉(zhuǎn)運基站和敷設(shè)轉(zhuǎn)運管道，鉆井平臺的前期建設(shè)投入非常大。需要建立丘陵地區(qū)4～8 口井1 平臺井組鉆井、“交叉+同步+拉鏈”式壓裂等“工廠化”生產(chǎn)模式。平臺井組“工廠化”鉆完井配套技術(shù)可以減少生產(chǎn)流程，大幅降低生產(chǎn)費用。

1.2 單平臺單機配置模式

自石油鉆井誕生以來，大部分勘探鉆井均采用的是單機單隊的方式，即使是同井場叢式井鉆探也是采用的單井結(jié)束后同井場搬家的方式，依次進行下部各井鉆探任務(wù)，該模式有局限性和不適應(yīng)性，如淺海的人工島鉆井，四川頁巖氣鉆井等，原有的配置模式無法適應(yīng)頁巖氣的勘探開發(fā)需要，所以需要另外的鉆機組合方式。

1.3 一平臺多機配置模式

1992 年位于渤海灣沿岸的勝利油田淺海區(qū)域，采用構(gòu)筑人工島的形式進行開發(fā)試生產(chǎn)，先導(dǎo)性試驗人工島位于理島油田距岸6000 m，水深0.3 m，小島直徑60 m，首次嘗試在人工島上同時使用三部鉆機進行作業(yè)，灘海人工島井場是在灘涂或者淺海通過吹砂或填海建成的鉆井平臺，建設(shè)成本較高、難度較大，每增加1 m3都需要很大的投入。該項目為中石油集團公司重大專項“重大鉆井技術(shù)與裝備現(xiàn)場試驗研究”，通過“一人工島多機”同時施工方式有效解決了淺海石油鉆井平臺單井場單機作業(yè)成本極高的問題。

隨著四川油氣開發(fā)成本的不斷遞增，通過借鑒其他油田和海上鉆井的成功實踐經(jīng)驗，在四川頁巖氣勘探開發(fā)的過程中，也開始逐漸嘗試“一平臺雙機”模式，通過實踐效益顯著，但也暴露了一些問題，需要解決和改進。

2 動力設(shè)備配套方式分析

2.1 “一平臺雙機”配套組合方式分析

頁巖氣鉆探采用一平臺雙機的組合方式豐富多樣，川西鉆探嘗試過使用以下3 種方式。

2.1.1 雙5000 m 鉆機組合方式

使用兩臺5000 m 鉆機在同一平臺實施不同井的鉆探任務(wù)，可以實行多種組合方式：①雙5000 m 機械鉆機組合方式，優(yōu)點是鉆機型號相同，各設(shè)備具有互通性、互補性，在易耗件貯備，人員操作互通，人員管理的上具有獨特的優(yōu)勢，鉆井措施可以相互借鑒、相互補充；②1 機1 電雙5000 m 組合方式，為1 臺ZJ50+1 臺ZJ50DBS 鉆機的組合方式，該方式具有一定局限性；③雙5000 m 電動鉆機組合方式，為2 臺ZJ50DBS 鉆機的組合方式，優(yōu)點是各設(shè)備具有互通性、互補性，設(shè)備自動化程度高，在易耗件貯備、人員操作互通、人員管理方面具有獨特的優(yōu)勢，鉆井措施可以相互借鑒、相互補充。

2.1.2 雙7000 m 鉆機組合方式

就是使用兩臺7000 m 鉆機在同一平臺實施不同井的鉆探任務(wù)，可以實行以下多種組合方式，優(yōu)缺點同5000 m 鉆機類似：①使用2×ZJ70 鉆機的雙機械鉆機組合方式；②1 臺ZJ70+1臺ZJ70DBS 鉆機的一機一電組合方式；③使用2 臺ZJ70DBS 鉆機的雙電鉆機組合方式。

2.1.3 一大一小鉆機組合方式

就是使用1 臺5000 m 鉆機＋1 臺7000 m 鉆機在同一平臺實施不同井的鉆探任務(wù)，組合方式有：①使用1 臺ZJ50+1 臺ZJ70鉆機的機械一大一小鉆機的組合方式；②使用1 臺ZJ50DBS+1 臺ZJ70DBS 鉆機的電動一大一小鉆機組合方式；③使用1 臺ZJ50+1 臺ZJ70DBS 鉆機的電大機小組合方式；④使用1 臺ZJ70+1臺ZJ50DBS 鉆機的機大電小組合方式。

2.2 機械傳動方式與變頻電機驅(qū)動對比

2.2.1 機械鉆機的結(jié)構(gòu)特點

結(jié)構(gòu)特點：①動力傳遞路線及主要設(shè)備：動力機→液力傳動裝置→萬向軸→角傳→離合器→減速箱→萬向軸→使用設(shè)備（絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤等）；②現(xiàn)有液力傳動裝置YB900 變矩器以及YOTZJ750 耦合器正車箱，各有優(yōu)勢和缺點，都需要改進，YBOZJ770 型變矩耦合器正車箱綜合二者的優(yōu)勢，彌補缺點是現(xiàn)階段最適合的鉆井液力傳動裝置；③機械傳動效率，柴油機0.90×變矩器0.85×萬象聯(lián)軸器0.99×鏈傳動整傳0.95×減速箱0.97=0.697 9≈70%；④機械傳動方式傳遞環(huán)節(jié)多，有效功損失大，故障率高，維修費用高，設(shè)備使用時效低。

2.2.2 電動鉆機的結(jié)構(gòu)特點

結(jié)構(gòu)特點：①動力的傳遞路線及主要設(shè)備：動力機→電纜→變頻電機→離合器→減速箱→萬向軸→使用設(shè)備；②電動鉆機主要設(shè)備的傳動效率，絞車傳動效率：柴油機發(fā)電機組0.90×電機0.99×減速箱0.97=0.864 3≈86%，鉆井泵傳動效率：柴油機發(fā)電機組0.90×電機0.99×V 形帶0.96=0.855 36≈86%；③電動鉆機中間環(huán)節(jié)少效率高，至少比機械傳動方式傳動效率高出16%。

3 動力設(shè)備配套優(yōu)化方案研究與應(yīng)用

3.1 配套方案優(yōu)化設(shè)計

選擇5000 m 鉆機作為頁巖氣鉆井動力設(shè)備配置的主力設(shè)備，既能滿足鉆井動力參數(shù)的要求，又留有一定的保險系數(shù)，也避免了設(shè)備動力的浪費，具有最高的動力和經(jīng)濟效益比；在選擇5000 m 鉆機的基礎(chǔ)上，配合進行發(fā)電房的油改電組合方案，雙5000 m 鉆機組合加全動力油改電。

3.2 配套方案優(yōu)化后應(yīng)用

3.2.1 發(fā)電房柴油改電項目效益分析

使用柴油機時，油耗平均1260 t/井，每噸價格按5200 元計算，燃料成本約為655.2 萬元/井；鉆井周期單井燃油發(fā)電綜合節(jié)約率≥30%，節(jié)約655.2×0.3=196.56 萬元/井；CO2排放減少550 t；氮氧化物排放減少1731 kg。

3.2.2 雙5000 m 鉆機組合加全動力油改電效益分析

在雙5000 m 鉆機的基礎(chǔ)上，采用全井動力油改電方式，鉆井周期單井燃油發(fā)電綜合節(jié)約率≥30%，用電花費274.93 萬元，用油花費722.47 萬元，節(jié)省382.6 萬元。順應(yīng)《中華人民共和國環(huán)境保護法》要求，單井CO2排放減少3069 t，碳排放835 t，氮氧化物排放減少10.31 t。方便管理，易耗件貯備人員操作互通，人員管理上具有獨特的優(yōu)勢。降低生產(chǎn)噪聲，核心區(qū)域噪聲≤56 dB，遠低于國家規(guī)定的工業(yè)區(qū)標準65 dB，排除因噪聲污染產(chǎn)生的地企矛盾。減少機械設(shè)備使用時間，降低維修時間及費用和員工勞動強度，提高生產(chǎn)時效，增加企業(yè)經(jīng)濟效益。

3.3 優(yōu)化配套方案應(yīng)用效益分析

“一平臺雙機”配置可以減少平臺同編人員共計16 人，可節(jié)約人員費用160 萬元/平臺；公用食堂、庫房、材料房、會議室等可以節(jié)約住房共計18 棟；營地可以減少18 棟房屋修建占地費用，1 輛值班車、1 輛水車費用；按雙鉆機輔助配套ZJ70、ZJ50 鉆機各精減41、45 件次。

3.4 設(shè)備維修周期效益分析

公司設(shè)備維修周期為3000 h 左右，單井單機前1 個月設(shè)備柴油機使用時間為540 h/月，則維修周期為6 個月/次。油改電單井單機前1 個月設(shè)備柴油機使用時間為150 h/月，則維修周期為20 個月/次；優(yōu)化后設(shè)備維修率降低13%。設(shè)備使用效率：電動鉆機97%，機械鉆機82%±5%，電動鉆機將提高10%～15%。

4 動力設(shè)備配套優(yōu)化方案應(yīng)用效果評估

2015—2016 年川西鉆探公司共實施頁巖氣6 個平臺36 口井鉆探任務(wù)，川西鉆探公司頁巖氣項目鉆井周期對比，平均節(jié)約鉆井周期16.16 d，效率提高8%，井組節(jié)約搬家費用共計92.4萬元，單井排放CO2可減少3069 t，碳排放835 t、氮氧化物排放減少10.31 t。原鉆井周期60.58 d?，F(xiàn)鉆井周期44.39 d。節(jié)約鉆井周期16.19 d＞6 d（0.2 月/井）

5 配套優(yōu)化后獲得的經(jīng)濟效益

2015—2016 年川西鉆探共實施頁巖氣6 個平臺34 口井鉆探任務(wù)，減少搬家22 井次。節(jié)約設(shè)備折舊費900.0 萬元，節(jié)約人員費用384.0 萬元，節(jié)約鉆井周期26.19 d＞6 d（0.2 月/井）。原修理維護率540/3000 為18%，現(xiàn)修理維修率150/3000 為5%，同比下降13%。川西鉆探運用配套方案，組合50046+50617、50043+50661，一直在長寧片區(qū)領(lǐng)先于各油田。

威遠片區(qū)50004+50051 組合，50020+50017 組合，50653+50716，連續(xù)創(chuàng)下頁巖氣勘探的新紀錄，特別是近三年50051、50004、50020 鉆井進尺不斷突破2 萬米/年、2.5 萬米/年、3 萬米/年，一直蟬聯(lián)頁巖氣鉆井進尺前三名，川西鉆探6 支隊伍一直排在前10 名內(nèi)。

6 結(jié)論及建議

（1）研究尋找并確立頁巖氣鉆井動力配置，優(yōu)選雙5000 m電動鉆機組合方式＋全井油改電模式的最優(yōu)化方案。

（2）在頁巖氣項目上采用“一平臺雙機”模式應(yīng)用，并通過現(xiàn)場實踐驗證。

（3）該方案既能滿足鉆井動力參數(shù)的要求，又留有一定的保險系數(shù)，即避免了設(shè)備動力的浪費，又具有最高的動力和經(jīng)濟效益比。

（4）該項目提供的方案完全可行，在以后頁巖氣項目開發(fā)的各項施工過程中能夠推廣及實施，可繼續(xù)優(yōu)化為“一平臺多機”模式應(yīng)用。

（5）該方案可以提高設(shè)備使用效率、降低停工修理時間及費用，縮短完井周期，大大降低鉆井成本，降排放、便管理、增效益及減少因噪聲污染產(chǎn)生的地企矛盾，降低員工勞動強度，將增大公司在頁巖氣項目的招中標概率，為公司贏得市場和效益，所以應(yīng)用前景十分廣闊。