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新款煤层气钻机受青睐

为适应不同深度的煤层气开发,合理使用煤层气钻机,四机厂以“安全、智能、经济、高效”为设计理念,研制不同等级的多种系列煤层气钻机并实现批量生产

□本报记者 马 玲 通讯员 付喜艳

看包装,验收……最近一段时间,从印尼来的煤层气钻机验收人员很忙。中国石化石油工程机械公司四机厂生产的煤层气钻机将于8月20日运往印尼。随后的3年中,印尼还将陆续从该厂进口煤层气钻机。

“我们花了3年,成功研制出钻井效率高、搬迁速度快、钻井深度可达1000米的地面煤层气专用钻机,首次出口,具有特别的意义。”四机厂负责人说。

立项:提高煤层气开发的装备水平

煤层气是煤层中自生自储的非常规天然气资源。在煤矿开采业,煤层气(瓦斯) 历来被人们看作影响生产安全的因素,成为人们重点防护的对象。

近年来,人们发现,这种“有害的因素”完全可以作为新型能源被大规模开发利用。在美国,煤层气工业起步较早,科研人员根据煤层气储层特征、产出机理等方面与常规天然气储层的差异,研究开发出一整套适合煤层气经济开发的钻井完井工艺技术。

我国煤层气钻机应用虽然起步较早,但基本用于井下作业领域,用于保证煤矿开采的生产安全。为有效利用现有资源,国家发改委大力倡导开发利用煤层气。资料显示,我国煤层气地质资源储量为36.8万亿立方米,居世界第三位,目前探明地质储量仅为预测储量的0.74%。

国外用于煤层气井的钻机主要是钻进效率高的车载钻井设备。国内用于煤层气的钻机主要有石油钻机、水源钻机和煤田钻机等。实践表明,石油钻机、水源钻机和煤田钻机不能很好地满足煤层气井的钻井作业需要。国内企业开始大量引进国外先进钻井设备,许多厂家也开展煤层气装备的研制工作。

江汉石油管理局与华东石油分公司共同调研,确定了煤层气钻机的总体方案、主要部件的结构形式和整机的技术参数,由四机厂负责钻机的研制,由华东分公司负责研究钻机的配套和钻机的应用技术方案。

2009年4月21日,在湖北省荆州市,石油工程机械公司四机厂与华东分公司就煤层气钻机开发,签订了“地面煤层气钻机开发”项目合作意向书。

攻坚:不断完善设计提升钻机性能

“采用专用的煤层气钻机开采,是煤层气发展的必然方向。使用专用煤层气钻机是提高煤层气开发速度,以及降低开采成本的有效途径。”该项目负责人说。

四机厂结合煤层地理环境和钻井的特点,研制了煤层气钻机。这种新型的钻机,采用全液压顶驱技术,钻井可使用空气、泥浆和泡沫多种循环介质,应用多工艺钻进技术。

为了给煤层气钻机的改进与配套提供依据,2010年9月,四机厂煤层气钻机完成样机试制并进行了厂内试验。2011年5~12月,在贵州省织金县,煤层气钻机进行了工业性试验。织5井是该钻机打的第一口试验井,在钻进过程中,浮动头密封不好、浮动阻力过大、液压管钳易损坏等问题出现。对此,四机厂研发人员通过现场应用情况和数据分析,在第一口试验井完井时,完成了新型结构浮动头和液压特制B型钳的试制,配套完成了钻机参数仪和井架外接电源照明系统的试制。事实证明,在第二口井的试验中,这些设计改进,提升了钻机的性能。

织试1井是该钻机打的第二口试验井,是一口排采试验探井,其钻井、扩孔过程充分体现了专用钻机的优势。该钻机的进给系统具有加压能力,正常最大加压力为140千牛,在织试1井的表层钻进中,由于地层3米以下的石灰岩地层较硬,而开采用的是某种牙轮钻头,需要较大的钻压,钻进才能有效进行。钻机实际加压120千牛,机械钻速达1.37米/时。对普通钻机来说,由于没有加压功能,同时钻铤等加重钻具也没有空间位置加装,无法收到加压的钻井效果。钻机的加压功能在织试1井得到体现。

对比贵州省织金地区来说,普通钻机打织1井的钻速为2.11米/时,打织2井的钻速为1.08米/时,打织3井的钻速为0.81米/时。与普通钻机相比,本专用钻机打织5井的钻速为5.99米/时,织试1井钻速为6.07米/时,机械钻速明显高于普通钻机。

创新:打破技术封锁形成专有技术

油缸、动力头、专用液压阀是地面煤层气钻机的关键部件。“当时我们想从美国引进这些关键部件,但是美国相关企业实行技术封锁,我们必须自己去研究。”四机厂高级工程师李勇说。

在美国,购买专用液压阀要到专业厂家订制。四机厂研发人员找到美国某专业厂家设在上海的办事处,没想到对方开出了苛刻的条件:1套液压阀定价22万元,四机厂要保证连续3年每年订购20套。

四机厂转而寻求与德国一家公司合作。该阀在德国试制,由于没有条件进行钻机工况试验,液压阀回厂装上钻机后,第一次进行模拟工业性试验,试验结果和理论结果相差甚远。

设计人员根据试验结果,更改阀芯结构的设计方案,对阀芯进行修正加工,前后经过6次试验,生产出了适合国内煤层气开发的液压阀。目前,四机厂在申请液压阀的发明专利。

此后,四机厂研发人员通过研究负载敏感方向流量控制阀,解决系统憋压问题;研究非对称大流量液压系统,掌握液压非对称流量回油控制方法;通过结构优化和受力分析,研制出新型箱式伸缩井架;掌握冲管气、液密封关键技术,研制出新型隔环式动力头密封装置;掌握液压升降同步技术,研制出新型高位自锁液压底盘。这些研究成果,让首台问世的ZJ10CZ煤层气钻机显得“与众不同”。

“未来,我们在提高钻机自动化程度领域,还有很大空间。”项目组负责人说。

目前,为适应不同深度的煤层气开发,合理使用煤层气钻机,该厂以“安全、智能、经济、高效”为设计理念,继续研制不同等级的多种系列煤层气钻机并实现批量生产,为国家非常规油气资源开采做贡献。