【煤层气钻机的技术现状及发展对策】 煤层气钻机

煤层气钻机的技术现状及发展对策

1、国外煤层气钻机的技术现状

国外用于煤层气井钻进的钻机主要是钻进效率高的车载钻井设备。主要包括英格索兰车载钻机、雪姆车载钻机、钻科车载钻机等。这些车载全液压钻机具有以下几方面的突出优点。

(1)模块化程度高。安装拆卸工作量小，动作协调、速度快，井架起放迅速、钻进效率高。

(2)钻台高度可调。钻台高度通过液缸调节，可以方便地实现合适的钻台高度，满足现代钻井对防喷系统的需要。

(3)自动化程度高。钻柱的排放、连接和上卸全部自动化，无须手工操作，降低了劳动强度、减少操作人员，全液压动力头，可以实现自动控制钻井参数。

(4)配套能力强。高性能的发动机、空压机、长寿命井底马达、高精度定向装置和随钻测量装置等技术成熟。

(5)操作环境友好。采用全液压安全、低噪音，对环境的污染少，更符合HSE的要求。

2、国内煤层气钻机的技术现状

目前国内用于煤层气开发的钻机主要是石油钻机、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都不能很好地适用煤层气开发井的钻井作业需要。近年来，国内一些单位，从国外进口了几台空气钻机(包括英格索兰车载钻机、雪姆车载钻机、钻科车载钻机等)。空气钻井设备以其钻井效率高、施工成本低及对煤层的伤害小备受青睐。

3、国内煤层气钻机的技术发展趋势

3．1煤层气田的地层特性及其对钻机的要求

根据地层的硬度特征，我国主要煤层气田可能钻遇地层大致分为坚硬地层(如平顶山的砂岩、鹤岗的砂岩)、老地层(如石炭、二叠、三叠等)和松软新地层。根据煤层的硬度特征，我国主要煤层气田可能钻遇煤层大致分为硬煤层(如晋城矿区高变质无烟煤)、原生结构煤层、构造煤及软煤层，其中后两种煤层在钻进过程中易发生井孔跨塌、卡钻、抱钻事故。

煤田地质勘探钻孔和煤矿开采资料显示，除个别地区煤系上覆地层存在含水层外，我国绝大多数煤层气田含煤地层及其上覆地层都属于弱含水层。大量的煤田地质勘探钻孔资料显示，虽然我国绝大多数煤层气田的煤层为欠压储层，在钻进过程中极少有涌冒现象。但也曾有个别地区出现煤田钻孔瓦斯涌冒现象甚至造成钻机被烧现象，如山西阳泉矿区、贵州六盘水矿区等。

3．2煤层气地面抽采钻进工艺对钻机的要求煤层气地面抽采对钻机的要求主要包括以下几个方面。

(1)对钻机效率和钻井成本的要求。实践表明，我国绝大多数煤矿区由于煤层渗透性较差，致使瓦斯地面抽采经济效益极差。为大幅度提高煤矿瓦斯地面抽采经济效益，目前最直接的办法就是降低钻井成本所占比例、缩短钻井周期。因此，急需研发拥有自主知识产权的低成本、高效率的煤矿瓦斯地面抽采的钻机与配套设备。

(2)对钻机钻进深度的要求。根据煤层渗透率与煤层埋深的关系，煤层气地面开发井的完井深度一般为：直井完井深度300—1500m，水平井完井深度1500～2000m。为满足钻井深度的需要，煤层气钻机的最大钻进深度应为2000m。

(3)对钻机实现钻井工艺的要求。为充分满足参数井、生产直井、丛式井和水平井的钻进需要，煤层气钻机应具备清水钻进和绳索取芯、生产井空气雾化钻进和水平井高精度低成本的定向钻进等功能。

(4)对钻机驱动系统的要求。为满足不同地层和不同施工条件的钻进需要，要求煤层气钻机应具备多功能驱动系统，包括转盘驱动、小型顶部驱动和井底马达驱动。开发适用于煤层气钻机的小尺寸井下动力钻具和随钻测量工具，以适应地面钻大斜度井、丛式井、水平井眼的发展需要。

(5)对钻机移动性的要求。为满足煤层气钻井深度小、施工周期短(5～7天)、钻机搬迁频繁的需要，要求煤层气钻机必须采用车载式，相应的配套设备也应为撬装式或车载式。

(6)对钻机传动系的要求。为满足煤层气钻机的多功能操作，应采用现代化的数控交流变频传动和控制。

(7)对钻机井控装备的要求。为确保钻井作业安全、高效的工程目标，要求煤层气钻机必须具备经济、实用的井控系统，包括轻便简易型防喷器、空气钻进防火安全系统等。

4、发展国产煤层气钻机的技术瓶颈

当前我国发展煤层气钻机的技术瓶颈主要体现在以下几个方面。

4．1石油钻机和水源钻机及煤田钻机的系列已成为发展煤层气钻机的技术壁垒从钻进能力看，目前的石油钻机和水源钻机及煤田钻机已完全覆盖了煤层气开发和煤矿瓦斯地面抽采的深度，从而构成了煤层气钻机研发和配套的技术壁垒。水源钻机和煤田钻机的主体结构(因没有钻井平台，则无法安装防喷器、除砂除泥器等设备的要求)和可配套性都无法按标准满足煤层气地面开发钻井的需要。虽然水源钻机和煤田钻机钻井成本较低且被广泛利用，但钻进效率太低，严重制约煤层气开发事业的发展。

从钻机性能考虑，在井场条件、道路条件和经济条件许可的情况下，石油钻机完全可以满足煤层气钻井的要求。然而，由于石油钻机作业成本过高、对井场和道路要求高(因多数煤矿区都是丘陵或山区，平整井场和修路成本较高)，难以广泛应用于煤层气开发。

4．2高精度地质导向系统是阻碍我国煤层气钻机研发的主要瓶颈由于我国研制地质导向系统的时间较短，目前制造水平还有待进一步提高。高精度地质导向系统是阻碍我国煤层气钻机研发的主要瓶颈。尽管国外生产的定向钻井系统、地质测量系统和井底马达的性能较好，但由于这些产品的价格高昂，对于煤层气开发这种低效益项目无法采用这些高成本设备。因此，我们需要尽快整合国内煤炭和石油的技术优势，研发出低廉的定向钻井系统、随钻测量系统。

4．3同时满足绳索取芯、空气钻进、定向钻进等不同要求困难大煤层气地面开发不仅需要采用空气循环系统快速施工生产直井，而且也需要进行绳索取芯和施工各种定向井(U型井、丛式井、多分支水平井)，因此优化设计难度较大。5、发展煤层气钻机的技术对策

为尽快发展我国的煤层气钻机，除尽可能的吸收国外同类钻机和石油钻机的先进技术之外，其主要技术对策应包括以下几个方面。

5．1切实抓好钻机结构的优化设计

根据自主研发与集成创新相结合的原则，充分利用现有的成熟技术和成熟装备，通过整体优化设计，实现集成创新。针对煤层气开发对钻井技术装备的工艺要求，抓好以下几方面的优化设计：(1)钻机主要功能及其能力的定位研究；(2)钻机整体配套与钻机主体结构的优化设计；(3)钻机核心配套装备的优化设计；(4)适应不同循环介质的循环系统优化设计；(5)钻柱力学优化设计。

5．2加快关键配套装备的研制

针对我国基础工业水平较低、综合配套能力弱的特点，应加强下述核心配套装备的研发：(1)高精度地质导向；(2)随钻测量系统；(3)数控交流变频传动系统；(4)空气钻进安全循环系统；(5)空气钻进防斜装置；(6)顶驱与潜孔锤的小型化设计与研制。

5．3认真做好配套装备的选型

为快速发展我国的煤层气钻机，应认真做好配套装备的选型和改良工作，以保障钻机的整体稳定性和技术水准。配套的重点是发动机、空压机、履带式自行机构、关键钻具等。