20B顶驱在中国苏北深层页岩油小井眼侧钻设备配套的应用

李云虎 王国平

中国石化华东油气分公司采油气工程服务中心，中国·江苏 泰州 225300

1 引言

近年中国页岩油在短期内快速实现了重大突破，中国具有巨大的页岩油资源潜力，大约有43.93亿t技术可采资源量，约占全球的6%，但页岩油勘探开发困难重重，在陆相页岩油富集机理、分布规律、甜点预测与低成本开发等方面都需要开展深入的研究。

华东油气分公司大力探索开发页岩油，SD1HF井取得突破，但是，钻井周期长，钻井投资大，投资回报周期长。为寻求降低开发成本、充分挖掘帅垛区块阜二段未动用储量，利用老井眼开展侧钻水平井，可以有效降低钻井成本。通过对3000m钻机配置顶驱，泥浆循环系统，节流压井管汇等配套设备，成功完成了SY3-7HF井5132.66m深度小井眼侧钻完井施工。论文主要针对20B全电动顶驱橇矿场试验评价和装置升级改造效果进行分析、研究和总结，为深层页岩油低成本钻完井提供思路，进而为页岩油低成本探勘开工提供依据[1]，20B顶驱主要结构图如图1所示。

图1 20B顶驱主要结构图

2 设备结构及原理

顶部驱动钻井装置TDS（Top Drive Drilling System）简称顶驱，最早是由美国VARCO公司在1982年研制成功，此后20来，法国、挪威加拿大和中国也相继成功地研制出顶部驱动钻井装置[2]。石油钻机配套顶部驱动装置，能够直接从钻具顶部驱动钻柱旋转，并具有上紧或松开钻柱接头的功能，可以沿导轨上下移动，完成钻井作业。顶驱主要由动力水龙头，管子处理装置，导轨和滑车等机械部件及控制模块等组成。

2.1 动力水龙头

动力水龙头部分由主电机、刹车与风冷装置、平衡装置、提环、冲管总成、减速箱及其他零部件等组成。动力水龙头主要功能是使主电机驱动主轴旋转钻进，为上卸扣提供动力源，同时循环泥浆，保证正常地进行钻井工作。

2.2 管子处理系统

管子处理装置是顶部驱动装置的重要组成部分，由倾斜机构、背钳总成、丝扣防松装置、内防喷器IBOP机构及其他零部件组成。可以在很大程度上提高钻井作业的自动化度。

其中内防喷器（IBOP）的作用：当井内压力高于钻柱内压力时，可以通过关闭内防喷器切断钻柱内部通道，从而防止井涌或者井喷的发生。内防喷器安装在保护接头与主轴之间。上部的内防喷器与动力水龙头的主轴相接，下部的内防喷器与保护接头连接，钻井时保护接头与钻杆相接。

2.3 导轨与滑车

导轨的主要作用是承受顶驱工作时的反扭矩。与顶驱的减速箱连接的滑动小车穿入在导轨中，随顶驱上下滑动，将扭矩传递到导轨上。导轨上端与天车台上的连接板相连接，导轨下端与井架的反扭矩梁连接，使顶驱的扭矩直接传递到井架下端。导轨内部采用钢丝绳拉紧结构，加大了导轨的安全系数，工作更加安全可靠；并且缩短了导轨的安装时间。

2.4 控制系统

预装自动控制系统，采用先进的PLC控制技术，具备一键启停功能。司钻操作台具有钻井所需的基本操作功能，和各种辅助操作功能。可以设置顶驱的转速、转矩、操作模式等。自动控制系统操作界面图如图2所示。

图2 自动控制系统操作界面图

3 现场应用效果

2021年8月，DQ20B顶驱配套钻机设备在中国苏北深层页岩油侧钻井经过4个月施工，顺利完成SY3-7HF井侧钻完井施工，取得了良好的应用效果，顶驱设备与传统方钻杆对比总结有以下几点特点。

3.1 节省接单根时间

顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，不受方钻杆长度限制，避免了钻进9m左右接单根的麻烦[3]。取而代之的是利用立柱钻进，节省了接单根的时间，从而节约了钻井时间[4]。详细情况见表1，起下钻接单根时间占比25.9%，低于方钻杆同类施工水平。

表1 SY3-7HF井钻井时效分析表

另外，顶驱与液压卡盘配合使用形成“一吊一卡”作业模式，下钻过程单人可以完成井口操作施工，进一步提升施工效率、降低安全风险，井口“一吊一卡”作业模式现场施工如图3所示。

图3 井口“一吊一卡”作业模式现场施工

3.2 倒划眼防止卡钻，处理卡钻

顶部驱动钻井装置具有使用18m立柱倒划眼的能力，可有效钻处理复杂情况或工程事故。SY3-7HF井钻进施工过程发生过3次较为严重的卡钻，均通过顶驱倒划眼配合开泵循环成功实现解卡。

3.3 下钻划眼

顶部驱动钻井装置具有不解接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。使用顶部驱动钻井装置下钻时，可在数秒内接好钻柱，立刻划眼配合开泵循环，减少卡钻的危险。

3.4 人员安全

顶部驱动钻井装置可减少接单根次数1/2，从而降低了事故发生率。接单根只需要打背钳。钻杆上卸扣装置总成上的倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至鼠洞，减少了人员工作的危险程度。

4 结论建议

4.1 技术先进性方面

通过现场试验、评价，20B顶驱实现了与3000m车载钻机配套施工，成功完成SY3-7HF井开窗侧钻完井施工，该井完钻井深5132.66m，钻头118mm，垂深3816m，裸眼段长度，水平段长度均为工区之最。施工过程通过的合理使用，发生3次卡钻均通过顶驱倒划眼配合开泵循环成功实现解卡，工区上深层页岩油小井眼钻井施工提供了宝贵的经验，对于同类型施工具有重要推广价值。

4.2 环保经济性方面

20B顶部驱动设备采用电力驱动，排放大气环境的二氧化碳为零，绿色低碳效应明显，自动化操作系统集成至司钻套台，节省人力劳动成本；与电动泥浆泵配套使用，有利于促进苏北深层页岩油小井眼侧钻成套装备实现“电动革命”“绿色革命”，具备良好的社会经济效益。

4.3 技术升级建议

在SY3-7HF井开窗侧钻及完井施工中，20B顶部驱动设备具备深层页岩油小井眼侧钻施工适应性，但是在设备参数技术升级方面还有一定空间，如该设备额定循环压力为35MPa，建议通过更换耐压52MPa中心管将设备额定循环压力提高至52MPa，可以进一步提高设备在深层页岩油小井眼侧钻施工的适用性；另外通过设置内防喷器开关与电动泥浆泵启动形成联动，减少因误操作造成高压事故的风险。