页岩气钻井“一平台双机”动力设备配套方案分析

苏 伟

（中国石油川庆钻探工程有限公司川西钻探公司，四川成都 610051）

0 引言

由于我国页岩气勘探开发起步较晚，存在国内页岩气藏大延伸水平井、固井和增产改造技术尚无先例等较多工程难点。为认真贯彻落实公司关于页岩气开发总体工作部署和要求，需要深入总结分析，强化生产组织，加强技术攻关，攻克技术瓶颈，完善装备配套，共同推进页岩气示范区建设，为加快页岩气经济规模高效开发做出新的贡献。

1 页岩气项目对钻井设备的要求

1.1 页岩气项目自身特点对钻井平台的要求

页岩气产层的增产措施是通过大量清水夹带一定比例支撑剂，单井最大压裂液量3.8×104m3，井场配套设施需要建立一个3×104～5×104m3容量清水池，压裂施工后仍然需要使用同等容积的废水池，储存转运排液产生的大量污水，需要建立污水转运基站和敷设转运管道，钻井平台的前期建设投入非常大。需要建立丘陵地区4～8 口井1 平台井组钻井、“交叉+同步+拉链”式压裂等“工厂化”生产模式。平台井组“工厂化”钻完井配套技术可以减少生产流程，大幅降低生产费用。

1.2 单平台单机配置模式

自石油钻井诞生以来，大部分勘探钻井均采用的是单机单队的方式，即使是同井场丛式井钻探也是采用的单井结束后同井场搬家的方式，依次进行下部各井钻探任务，该模式有局限性和不适应性，如浅海的人工岛钻井，四川页岩气钻井等，原有的配置模式无法适应页岩气的勘探开发需要，所以需要另外的钻机组合方式。

1.3 一平台多机配置模式

1992 年位于渤海湾沿岸的胜利油田浅海区域，采用构筑人工岛的形式进行开发试生产，先导性试验人工岛位于理岛油田距岸6000 m，水深0.3 m，小岛直径60 m，首次尝试在人工岛上同时使用三部钻机进行作业，滩海人工岛井场是在滩涂或者浅海通过吹砂或填海建成的钻井平台，建设成本较高、难度较大，每增加1 m3都需要很大的投入。该项目为中石油集团公司重大专项“重大钻井技术与装备现场试验研究”，通过“一人工岛多机”同时施工方式有效解决了浅海石油钻井平台单井场单机作业成本极高的问题。

随着四川油气开发成本的不断递增，通过借鉴其他油田和海上钻井的成功实践经验，在四川页岩气勘探开发的过程中，也开始逐渐尝试“一平台双机”模式，通过实践效益显著，但也暴露了一些问题，需要解决和改进。

2 动力设备配套方式分析

2.1 “一平台双机”配套组合方式分析

页岩气钻探采用一平台双机的组合方式丰富多样，川西钻探尝试过使用以下3 种方式。

2.1.1 双5000 m 钻机组合方式

使用两台5000 m 钻机在同一平台实施不同井的钻探任务，可以实行多种组合方式：①双5000 m 机械钻机组合方式，优点是钻机型号相同，各设备具有互通性、互补性，在易耗件贮备，人员操作互通，人员管理的上具有独特的优势，钻井措施可以相互借鉴、相互补充；②1 机1 电双5000 m 组合方式，为1 台ZJ50+1 台ZJ50DBS 钻机的组合方式，该方式具有一定局限性；③双5000 m 电动钻机组合方式，为2 台ZJ50DBS 钻机的组合方式，优点是各设备具有互通性、互补性，设备自动化程度高，在易耗件贮备、人员操作互通、人员管理方面具有独特的优势，钻井措施可以相互借鉴、相互补充。

2.1.2 双7000 m 钻机组合方式

就是使用两台7000 m 钻机在同一平台实施不同井的钻探任务，可以实行以下多种组合方式，优缺点同5000 m 钻机类似：①使用2×ZJ70 钻机的双机械钻机组合方式；②1 台ZJ70+1台ZJ70DBS 钻机的一机一电组合方式；③使用2 台ZJ70DBS 钻机的双电钻机组合方式。

2.1.3 一大一小钻机组合方式

就是使用1 台5000 m 钻机＋1 台7000 m 钻机在同一平台实施不同井的钻探任务，组合方式有：①使用1 台ZJ50+1 台ZJ70钻机的机械一大一小钻机的组合方式；②使用1 台ZJ50DBS+1 台ZJ70DBS 钻机的电动一大一小钻机组合方式；③使用1 台ZJ50+1 台ZJ70DBS 钻机的电大机小组合方式；④使用1 台ZJ70+1台ZJ50DBS 钻机的机大电小组合方式。

2.2 机械传动方式与变频电机驱动对比

2.2.1 机械钻机的结构特点

结构特点：①动力传递路线及主要设备：动力机→液力传动装置→万向轴→角传→离合器→减速箱→万向轴→使用设备（绞车、泥浆泵、转盘等）；②现有液力传动装置YB900 变矩器以及YOTZJ750 耦合器正车箱，各有优势和缺点，都需要改进，YBOZJ770 型变矩耦合器正车箱综合二者的优势，弥补缺点是现阶段最适合的钻井液力传动装置；③机械传动效率，柴油机0.90×变矩器0.85×万象联轴器0.99×链传动整传0.95×减速箱0.97=0.697 9≈70%；④机械传动方式传递环节多，有效功损失大，故障率高，维修费用高，设备使用时效低。

2.2.2 电动钻机的结构特点

结构特点：①动力的传递路线及主要设备：动力机→电缆→变频电机→离合器→减速箱→万向轴→使用设备；②电动钻机主要设备的传动效率，绞车传动效率：柴油机发电机组0.90×电机0.99×减速箱0.97=0.864 3≈86%，钻井泵传动效率：柴油机发电机组0.90×电机0.99×V 形带0.96=0.855 36≈86%；③电动钻机中间环节少效率高，至少比机械传动方式传动效率高出16%。

3 动力设备配套优化方案研究与应用

3.1 配套方案优化设计

选择5000 m 钻机作为页岩气钻井动力设备配置的主力设备，既能满足钻井动力参数的要求，又留有一定的保险系数，也避免了设备动力的浪费，具有最高的动力和经济效益比；在选择5000 m 钻机的基础上，配合进行发电房的油改电组合方案，双5000 m 钻机组合加全动力油改电。

3.2 配套方案优化后应用

3.2.1 发电房柴油改电项目效益分析

使用柴油机时，油耗平均1260 t/井，每吨价格按5200 元计算，燃料成本约为655.2 万元/井；钻井周期单井燃油发电综合节约率≥30%，节约655.2×0.3=196.56 万元/井；CO2排放减少550 t；氮氧化物排放减少1731 kg。

3.2.2 双5000 m 钻机组合加全动力油改电效益分析

在双5000 m 钻机的基础上，采用全井动力油改电方式，钻井周期单井燃油发电综合节约率≥30%，用电花费274.93 万元，用油花费722.47 万元，节省382.6 万元。顺应《中华人民共和国环境保护法》要求，单井CO2排放减少3069 t，碳排放835 t，氮氧化物排放减少10.31 t。方便管理，易耗件贮备人员操作互通，人员管理上具有独特的优势。降低生产噪声，核心区域噪声≤56 dB，远低于国家规定的工业区标准65 dB，排除因噪声污染产生的地企矛盾。减少机械设备使用时间，降低维修时间及费用和员工劳动强度，提高生产时效，增加企业经济效益。

3.3 优化配套方案应用效益分析

“一平台双机”配置可以减少平台同编人员共计16 人，可节约人员费用160 万元/平台；公用食堂、库房、材料房、会议室等可以节约住房共计18 栋；营地可以减少18 栋房屋修建占地费用，1 辆值班车、1 辆水车费用；按双钻机辅助配套ZJ70、ZJ50 钻机各精减41、45 件次。

3.4 设备维修周期效益分析

公司设备维修周期为3000 h 左右，单井单机前1 个月设备柴油机使用时间为540 h/月，则维修周期为6 个月/次。油改电单井单机前1 个月设备柴油机使用时间为150 h/月，则维修周期为20 个月/次；优化后设备维修率降低13%。设备使用效率：电动钻机97%，机械钻机82%±5%，电动钻机将提高10%～15%。

4 动力设备配套优化方案应用效果评估

2015—2016 年川西钻探公司共实施页岩气6 个平台36 口井钻探任务，川西钻探公司页岩气项目钻井周期对比，平均节约钻井周期16.16 d，效率提高8%，井组节约搬家费用共计92.4万元，单井排放CO2可减少3069 t，碳排放835 t、氮氧化物排放减少10.31 t。原钻井周期60.58 d。现钻井周期44.39 d。节约钻井周期16.19 d＞6 d（0.2 月/井）

5 配套优化后获得的经济效益

2015—2016 年川西钻探共实施页岩气6 个平台34 口井钻探任务，减少搬家22 井次。节约设备折旧费900.0 万元，节约人员费用384.0 万元，节约钻井周期26.19 d＞6 d（0.2 月/井）。原修理维护率540/3000 为18%，现修理维修率150/3000 为5%，同比下降13%。川西钻探运用配套方案，组合50046+50617、50043+50661，一直在长宁片区领先于各油田。

威远片区50004+50051 组合，50020+50017 组合，50653+50716，连续创下页岩气勘探的新纪录，特别是近三年50051、50004、50020 钻井进尺不断突破2 万米/年、2.5 万米/年、3 万米/年，一直蝉联页岩气钻井进尺前三名，川西钻探6 支队伍一直排在前10 名内。

6 结论及建议

（1）研究寻找并确立页岩气钻井动力配置，优选双5000 m电动钻机组合方式＋全井油改电模式的最优化方案。

（2）在页岩气项目上采用“一平台双机”模式应用，并通过现场实践验证。

（3）该方案既能满足钻井动力参数的要求，又留有一定的保险系数，即避免了设备动力的浪费，又具有最高的动力和经济效益比。

（4）该项目提供的方案完全可行，在以后页岩气项目开发的各项施工过程中能够推广及实施，可继续优化为“一平台多机”模式应用。

（5）该方案可以提高设备使用效率、降低停工修理时间及费用，缩短完井周期，大大降低钻井成本，降排放、便管理、增效益及减少因噪声污染产生的地企矛盾，降低员工劳动强度，将增大公司在页岩气项目的招中标概率，为公司赢得市场和效益，所以应用前景十分广阔。