20B頂驅在中國蘇北深層頁巖油小井眼側鉆設備配套的應用

李云虎 王國平

中國石化華東油氣分公司采油氣工程服務中心，中國·江蘇 泰州 225300

1 引言

近年中國頁巖油在短期內快速實現了重大突破，中國具有巨大的頁巖油資源潛力，大約有43.93億t技術可采資源量，約占全球的6%，但頁巖油勘探開發困難重重，在陸相頁巖油富集機理、分布規律、甜點預測與低成本開發等方面都需要開展深入的研究。

華東油氣分公司大力探索開發頁巖油，SD1HF井取得突破，但是，鉆井周期長，鉆井投資大，投資回報周期長。為尋求降低開發成本、充分挖掘帥垛區塊阜二段未動用儲量，利用老井眼開展側鉆水平井，可以有效降低鉆井成本。通過對3000m鉆機配置頂驅，泥漿循環系統，節流壓井管匯等配套設備，成功完成了SY3-7HF井5132.66m深度小井眼側鉆完井施工。論文主要針對20B全電動頂驅橇礦場試驗評價和裝置升級改造效果進行分析、研究和總結，為深層頁巖油低成本鉆完井提供思路，進而為頁巖油低成本探勘開工提供依據[1]，20B頂驅主要結構圖如圖1所示。

圖1 20B頂驅主要結構圖

2 設備結構及原理

頂部驅動鉆井裝置TDS（Top Drive Drilling System）簡稱頂驅，最早是由美國VARCO公司在1982年研制成功，此后20來，法國、挪威加拿大和中國也相繼成功地研制出頂部驅動鉆井裝置[2]。石油鉆機配套頂部驅動裝置，能夠直接從鉆具頂部驅動鉆柱旋轉，并具有上緊或松開鉆柱接頭的功能，可以沿導軌上下移動，完成鉆井作業。頂驅主要由動力水龍頭，管子處理裝置，導軌和滑車等機械部件及控制模塊等組成。

2.1 動力水龍頭

動力水龍頭部分由主電機、剎車與風冷裝置、平衡裝置、提環、沖管總成、減速箱及其他零部件等組成。動力水龍頭主要功能是使主電機驅動主軸旋轉鉆進，為上卸扣提供動力源，同時循環泥漿，保證正常地進行鉆井工作。

2.2 管子處理系統

管子處理裝置是頂部驅動裝置的重要組成部分，由傾斜機構、背鉗總成、絲扣防松裝置、內防噴器IBOP機構及其他零部件組成。可以在很大程度上提高鉆井作業的自動化度。

其中內防噴器（IBOP）的作用：當井內壓力高于鉆柱內壓力時，可以通過關閉內防噴器切斷鉆柱內部通道，從而防止井涌或者井噴的發生。內防噴器安裝在保護接頭與主軸之間。上部的內防噴器與動力水龍頭的主軸相接，下部的內防噴器與保護接頭連接，鉆井時保護接頭與鉆桿相接。

2.3 導軌與滑車

導軌的主要作用是承受頂驅工作時的反扭矩。與頂驅的減速箱連接的滑動小車穿入在導軌中，隨頂驅上下滑動，將扭矩傳遞到導軌上。導軌上端與天車臺上的連接板相連接，導軌下端與井架的反扭矩梁連接，使頂驅的扭矩直接傳遞到井架下端。導軌內部采用鋼絲繩拉緊結構，加大了導軌的安全系數，工作更加安全可靠；并且縮短了導軌的安裝時間。

2.4 控制系統

預裝自動控制系統，采用先進的PLC控制技術，具備一鍵啟停功能。司鉆操作臺具有鉆井所需的基本操作功能，和各種輔助操作功能。可以設置頂驅的轉速、轉矩、操作模式等。自動控制系統操作界面圖如圖2所示。

圖2 自動控制系統操作界面圖

3 現場應用效果

2021年8月，DQ20B頂驅配套鉆機設備在中國蘇北深層頁巖油側鉆井經過4個月施工，順利完成SY3-7HF井側鉆完井施工，取得了良好的應用效果，頂驅設備與傳統方鉆桿對比總結有以下幾點特點。

3.1 節省接單根時間

頂部驅動鉆井裝置不使用方鉆桿，不受方鉆桿長度限制，避免了鉆進9m左右接單根的麻煩[3]。取而代之的是利用立柱鉆進，節省了接單根的時間，從而節約了鉆井時間[4]。詳細情況見表1，起下鉆接單根時間占比25.9%，低于方鉆桿同類施工水平。

表1 SY3-7HF井鉆井時效分析表

另外，頂驅與液壓卡盤配合使用形成“一吊一卡”作業模式，下鉆過程單人可以完成井口操作施工，進一步提升施工效率、降低安全風險，井口“一吊一卡”作業模式現場施工如圖3所示。

圖3 井口“一吊一卡”作業模式現場施工

3.2 倒劃眼防止卡鉆，處理卡鉆

頂部驅動鉆井裝置具有使用18m立柱倒劃眼的能力，可有效鉆處理復雜情況或工程事故。SY3-7HF井鉆進施工過程發生過3次較為嚴重的卡鉆，均通過頂驅倒劃眼配合開泵循環成功實現解卡。

3.3 下鉆劃眼

頂部驅動鉆井裝置具有不解接方鉆桿鉆過砂橋和縮徑點的能力。使用頂部驅動鉆井裝置下鉆時，可在數秒內接好鉆柱，立刻劃眼配合開泵循環，減少卡鉆的危險。

3.4 人員安全

頂部驅動鉆井裝置可減少接單根次數1/2，從而降低了事故發生率。接單根只需要打背鉗。鉆桿上卸扣裝置總成上的傾斜裝置可以使吊環、吊卡向下擺至鼠洞，減少了人員工作的危險程度。

4 結論建議

4.1 技術先進性方面

通過現場試驗、評價，20B頂驅實現了與3000m車載鉆機配套施工，成功完成SY3-7HF井開窗側鉆完井施工，該井完鉆井深5132.66m，鉆頭118mm，垂深3816m，裸眼段長度，水平段長度均為工區之最。施工過程通過的合理使用，發生3次卡鉆均通過頂驅倒劃眼配合開泵循環成功實現解卡，工區上深層頁巖油小井眼鉆井施工提供了寶貴的經驗，對于同類型施工具有重要推廣價值。

4.2 環保經濟性方面

20B頂部驅動設備采用電力驅動，排放大氣環境的二氧化碳為零，綠色低碳效應明顯，自動化操作系統集成至司鉆套臺，節省人力勞動成本；與電動泥漿泵配套使用，有利于促進蘇北深層頁巖油小井眼側鉆成套裝備實現“電動革命”“綠色革命”，具備良好的社會經濟效益。

4.3 技術升級建議

在SY3-7HF井開窗側鉆及完井施工中，20B頂部驅動設備具備深層頁巖油小井眼側鉆施工適應性，但是在設備參數技術升級方面還有一定空間，如該設備額定循環壓力為35MPa，建議通過更換耐壓52MPa中心管將設備額定循環壓力提高至52MPa，可以進一步提高設備在深層頁巖油小井眼側鉆施工的適用性；另外通過設置內防噴器開關與電動泥漿泵啟動形成聯動，減少因誤操作造成高壓事故的風險。