永磁顶驱钻机在页岩气勘探LC-1井的应用

郭 坤，刘家荣，李 超

（北京探矿工程研究所，北京100083）

1 概述

浙江临安页岩气区块为2012年国土资源部20个公开招标页岩气区块之一，通过竞标，安徽能源集团公司取得该区块的勘探权。井区位于临安区块西北角岛石镇。

安徽省地矿局三一三地质队承接了浙江临安岛石镇2520m页岩气勘探孔的施工，设计终孔∅152mm，设计孔深2500m，全孔取芯。结合此项工程，使用北京探矿工程研究所研制的3000m直驱顶驱钻机进行施工作业。

钻机参数如下：

顶驱行程：22m；顶驱功率：260kW；

转速：0～250r/min；绞车功率：2×260kW；

额定扭矩：15kN·m（单台）；快绳速度：0～10m/s；

井架高度：39m；单绳提升力：135kN；

轮系：5×6；提升力：1350kN;

一层平台高度：2.8m;二层平台高度：17m。

2 施工技术方案

（1）全孔取芯，取芯直径85mm。钻具配长度3m及4.5m两种规格∅114mm绳索取芯钻杆，加工过渡接头使114接杆扣与顶驱主轴NC38接头联接。

（2）外管系统：钻头∅152mm，配相应的外管部件，如外管、弹卡室、弹卡挡头等，部件外径140mm。

（3）钻铤技术方案：

①钻铤规格：140mm×19mm，钻铤连接为13根，每根长度9m，总长度为117m，140mm钻铤重量56.7kg/m，钻铤总重量为6.63t。

②钻铤螺纹仿照相应规格的API石油钻铤，钻铤连接用钻铤中接箍，钻铤中接箍兼扶正器作用，外径比钻头小2mm，带螺旋水槽，钻铤配套扳叉及垫叉。

③钻铤提升用吊卡，配相应的提引接头。

（4）过渡钻杆技术方案：过渡钻杆选用∅127mm规格，过渡钻杆是连接钻铤及∅114mm绳索钻杆的缓冲部件，长度为6m。

（5）扶正器：扶正器起扶正和缓冲作用，扶正带长度300mm，外径与钻头外径尺寸一样。

（6）绳索钻杆金刚石扩张器：扶正器上边连接∅114mm绳索取芯钻杆，在单根绳索钻杆之间连接一个扩孔器，共连接2～5个扩孔器，起修饰孔壁和扶正作用，扩孔器外径与钻具扩孔器同。

（7）钻头：外径∅152mm，内径∅85mm。由于钻头的唇面与径向比值较大因此综合考虑钻头的性能，钻头要求冷却和排粉效果好，减小唇面有效面积,增加钻头内径保径等。

（8）绳索绞车：金石生产JS-3000型绳索取芯绞车，绞车配备9～11mm规格钢丝绳，容绳量3100m，电机为11kW，满足3000m深孔绳索取芯要求。

3 钻机在施工过程中的应用情况

开钻前挖方井，长2.0m宽1.50m高2.20m，采用直径∅190mm三牙轮钻头开孔，钻至5.69m处开始用，∅152mm金钢石钻头开始取芯，钻进至14.7m处分别采用190mm牙轮钻头扩孔至10.33m，用∅300mm牙轮钻头扩至7.21m，用∅450mm牙轮钻头扩至7.11m，分别下∅426mm和∅273mm套管下深至7m，用水泥固定套管，下∅152mm金刚石钻头钻进取芯，钻机转速80r/min,钻压10kN，泵量400L/min,泵压1MPa。

3.1 绞车的的应用情况

（1）开钻前，由机长和班长分别操作，进行绞车断电制动试验、紧急制动试验。

（2）开钻后，由于孔浅，为节省电费，先用一台电机带动绞车工作，正常送钻工作时消耗的功率不到10kW，电流不超过10A。

（3）正式开钻后，经恒压和恒速2种方案实际操作对比，最终选定恒速送钻方案，根据钻压的变化调整快绳送钻速度在3～12mm/s间。在电路故障导致断电时，绞车安全钳能及时刹死，没有发生不工作的现象。

（4）绞车单电机工作到2015年8月15日，已经钻深1288m，超过设计孔深2520m的一半，启用双电机工作的钻机计算机程序，将2台电机与绞车联接，双电机带动绞车工作后，提升钻具时每台电机的电流只有60A左右，电机的同步性优异，电机电流差异性小。2015年8月15日双电机带动的绞车由孔深1288m工作至2016年2月1日终孔深度2328m。

3.2 顶驱的应用情况

在用顶驱的进行钻进应用中，空钻转速可达到300r/min，显示试验转速在3～160r/min间，顶驱的工作扭矩在4kN·m左右，最大扭矩达到过8kN·m,顶驱电机工作平稳可靠,顶驱吊卡油缸可方便地带动吊卡协助抓取钻杆，回转头可左右回转，背钳可在任何位置上协助拧卸钻杆，平衡油缸能够在顶驱主轴和钻柱螺扣松开后上跳保护丝扣，顶驱上扣和卸扣的转速可在3～10r/min内调节，液压盘刹刹车可靠。

3.3 应用结果

2015年3月22日开钻至2016年2月1日2328m终孔，共施工317d，其中调试、修理、保养设备29d，钻机纯工作时间288d。钻进效率最快达1m/h,钻压为20～40kN,泵压在4MPa以下，泵量在300～450L/min间，由于高转速下多次发生断钻杆事故，试验时最高转速限定在160r/min。

钻进地层，0～1506m为灰色硅质泥灰岩和泥质灰岩、灰岩角砾、泥砾，有破碎和软硬互层，1506～2328m为含有石英、长石、黑云母的白垩系灰色花岗岩，由于在花岗岩中钻进822m，页岩气不可能在花岗岩中存在，故提前终孔，没有钻进到原设计的2520m深。

4 结论

经过近一年的施工作业，施工单位按期完成了任务，对钻机的评价如下：

（1）钻机使用的永磁电机非常省电，下钻时发电。2014年在距岛石镇直线距离30km的昌化镇，用全液压动力头钻机施工了∅152mm孔径的LC-02井，地层相近的勘探孔1000m，与现在施工的勘探孔在1000m工作量上做了对比，节省电费30%以上。

（2）钻机结构简单，操作人员劳动强度低，回转和升降都可在司钻房内操作手柄和旋纽完成，操作人员非常容易掌握，显示屏可监控修改钻机的钻进参数和电机的电气参数，可监测电控房内的温度和湿度，可通过视频观察二层平台、一层平台、井口、泥浆泵的工作情况。

（3）绞车是直驱绞车，无齿轮传动，没有带刹和刹车钳，完全利用电机本身和变频控制系统的特性进行刹车、悬停，减少了维护保养的成本；提下钻速度控制准确可靠，下钻时利用永磁电机的发电来控制速度，减少了日常维护的成本，刹车过程平稳，对钢丝绳的损伤小，在一年的工程试验中，没有更换过钢丝绳，双电机驱动的绞车提升能力强，运转可靠，维护简单，绞车在单电机驱动的情况下可提升2200m钻具，在一台电机有故障时仍能完成钻进工作。

（4）钻机的自动送钻功能准确、实用、可靠，2328m的孔深大部分是用自动送钻模式完成的，根据钻压的变化在司钻台显示屏上调整自动送钻的参数，简单易学，操作人员易掌握。正常钻进时，一层平台上只需司钻房内的司钻在监控司钻台上的显示屏。

（5）钻机配置合理，两台气动绞车协助装卸钻杆钻具，液压锚头协助拧卸钻杆和钻铤,顶驱液压系统具有抓取、拧卸、保护钻杆的功能，机械化程度较高。

（6）顶驱的工作行程可达20m以上，提下钻时可进行长行程开泵扫孔工艺，处理钻探事故时能力较强，有助于提高整体钻进时效。