煤层气开采装备技术现状及发展趋势(中)

(1)物探设备煤层气物探与石油物探一样多采用地震勘探，施工方式也基本相同，石油物探装备可以沿用到煤层气物探，但由于施工深度和数据采集要求存在差异，二者在设备配套方面也有差异。煤层气物探设备要求空间采样率高、时间采样率高，要求轻便简单灵活兼容性好。(2)钻井设备从钻深能力上讲，石油钻机完全可以满足煤层气勘探开发的要求，但用石油钻机钻煤层气井，存在许多诸如效率、效益之类的问题，国产石油钻机对煤层气的不适应性恰恰表现在其和世界先进水平的差距方面，如空气钻进、顶部驱动、钻头加压、液压驱动、自动化控制等。(3)测录井设备煤层气测井技术是基于石油测井和煤田测井技术发展起来的。由于煤储层的自身特点决定其物性为非均质性和各向异性，造成储层地质与测井响应之间关系的进一步复杂化，呈现更加明显的非线性特征，现有的油气藏测井基础理论不太适合于煤层气测井，给测井资料的解释造成更大困难，也给解释结果带来更大的多解性、模糊性和不确定性。石油天然气测井有比较先进的成像技术，但信息处理和解释评价软件有待于提高。(4)固井设备与一般油气井相比，煤层气井固井的难点表现在：煤层机械强度低，力学稳定性差，破裂压力梯度小，钻井过程中煤层易破碎、易坍塌，形成不规则的井眼；水泥浆易向地层失水，滤液对煤层伤害严重；水泥浆易漏失，堵塞空隙；水泥配方设计困难，固井过程复杂，要求能够满足低温固井的要求。当钻开煤层后，甲烷气从煤的表面解析、扩散，通过裂缝流到井内，如果煤层的空隙和裂缝受到损害，不仅使气体的渗流通道受阻，而且会影响甲烷气的解析过程。目前煤层气固井采用的全是常规的油井固井设备，但在经济性、实用性上还有很大的欠缺，可以考虑适当降低泵组和配套管汇的压力等级，从而减少动力机功率，以提高其经济性[4]。(5)压裂设备直井是煤层气井的主要开采方式，直井压裂技术是国内外煤层气井增产的主要手段。煤层气压裂施工的特点为：在相同区块井位分布密集，施工要求低压大排量（20〜30MPa、6〜8m3/Min），多采用清水加砂工艺，要求压裂设备具有快速移运性，低压、大排量。(6)采气设备煤层气的采气设备和采油设备基本一样，抽油机、螺杆泵、电潜泵等，没有特殊要求。2.1煤层气钻机与石油钻机的区别煤层气的大规模开发带动了煤层气开采设备需求量的增加,研究、开发符合我国国情、具有自主知识产权的煤层气钻机具有重要意义。虽然煤层气钻机和石油钻机一样同属于资源勘探开发设备，都由动力系统、传动系统、提升系统、旋转系统、循环系统等组成，但由于钻采工艺不同、钻井深度不同、造穴方式不同、目的层地质结构不同、目的物物理状态不同，两者之间存在着一定的差异[5]。2.煤层气钻机和油水井钻机的区别（1）煤层的埋藏深度一般比石油的埋藏深度浅，因此煤层气井比油井浅，井深一般在1000m左右，山西煤层气井深大约在650m左右。可见同样井深煤层气钻机需要的载荷比石油钻机小。O（2）煤层气钻机要求旋转扭矩比较大、而转速比较低。石油钻机（钻深1000m左右）最大扭矩一般为10～20kNm，最高转速一般为300r/min；同样钻深的煤层气钻机最大扭矩一般为20～30kNm，最高转速不超200r/min。（3）煤层气在煤层中的吸附与解吸和液体的石油、水在地层中的渗透流动不同，因此煤层气钻井和石油钻井的造穴方式不同、开采工艺不同、钻井介质也不同。石油钻机一般用泥浆钻井，必须配备钻井泵和钻井液循环净化系统；煤层气钻机因解吸需要，一般用压缩空气钻井，必须配备空气压缩机以及空气净化系统，有些煤层气钻井完井后要洗井，还需要配备小功率泥浆泵。（4）煤层气主要存在于上覆岩层和下覆岩层之间的煤层中，由于埋藏深度比较浅，煤层气的压力很低，所以煤层气钻机对井控系统要求不高，井口一般不安装防喷器，或安装简易的胶芯防喷置，不象石油钻机必须安装单闸板、双闸板、环型等一系列井控设备。井场防爆要求也没有石油钻机高。（5）煤层气钻机不仅需要有提升功能，而且需要具有下压功能，以保证顺利下钻和快速钻进。下压力一般为提升力的一半。加压方式有液缸加压、链条加压、齿条加压、钢丝绳加压等。石油钻机一般不需要向下施加压力，仅靠钻柱重量即可顺利钻进。（6）煤层气钻探作业大多处于矿山、煤田，井场面积小（井场占地面积大约为20×20m）、道路运输条件差，要求煤层气钻机尺寸紧凑，重量轻，便于移运，方便安装。（7）为了集中生产设施、减少现场准备成本、减少铺设地下管线网、便于抽采，煤层气井多设计为丛式井、多分支井和水平井。这样便要求煤层气钻机具有定向钻井的功能，必须配备先进的定向钻井控制器，以获取精确的方位角和斜度。（8）石油钻机井架静空比较大，一般都是起下双立根或三立根，效率比较高；煤层气钻机一般是单根起下钻，效率低，有些煤层气钻机受钻塔高度的限制，只能使用特制的6m长的钻杆钻井。（9）石油、天然气的勘探开发已经形成规模、投入成本大、产出效益好，所以石油钻机的配置比较豪华、冗余备用功能多。煤层气的开发利用刚刚开始，起点比较低，要求煤层气钻机经济性好，价格低，初次投入少，使用维修成本低。2.2煤层气钻机和水源钻机的区别[5]水源钻机是为勘察水源、钻探水井而设计的，虽然它的钻探深度和煤层气钻机差不多，但二者之间仍有功能差异[5]。（1）水源钻机用钻井液钻井，钻后必须洗井，故配备有钻井液循环系统；煤层气钻机用压缩空气钻井，必须配备空压机及其动力系统。（2）水源钻机不需要取芯作业，煤层气钻机却要从事大量的取芯作业。2.2煤层气钻机和水源钻机的区别（3）水源钻机一般只钻直井，不钻斜井，更不钻水平井，只要具有旋转和提升功能即可；煤层气钻机除了钻直井外，还大量地钻斜井和水平井，除了具有旋转和提升功能外还必须具有下压功能。（4）水源井井底压力一般很小，钻进过程中只考虑维持井壁，不需要压井作业，钻井泵的功率很小，不需配备井控装置；虽然说煤层气井井底压力总体不大，但不同的井压力差异大，必须配备较大功率空压机和较低等级的井控装置。（5）水源钻机由于用钻井液钻进，钻遇的是水，所以钻机所配备的电器元件一般都不防爆，金属材料一般都不需防H2S；煤层气钻机用压缩空气钻井，钻遇的是瓦斯气，具有爆炸危险性，因此要求电器元件必须防爆，金属材料必须防H2S。（6）水源钻机一般为机械驱动，转盘钻进；煤层气钻机有机械驱动、液压驱动，一般用动力水龙头钻进。（7）水源钻机因为钻出来的是水，水的开采成本相对较低，投入产出比低，所以水源钻机一般都比较简陋,自动化程度低，钻工劳动强度大；煤层气开采成本相对要高一些，煤层气钻机的价格也要高于水源钻机。（8）水源钻机钻井对井斜没有严格要求，煤层气钻机却必须具有定向钻井的功能，必须配备先进的定向钻井控制器，以获取精确的方位角和斜度。3.1国外煤层气钻机发展状况国外生产煤层气钻机的企业主要集中在美国和德国，最知名的是美国的雪姆（SCHRAMM）钻机、阿特拉斯（ATLAS）钻机和德国宝俄（BOHRTECHNIK）钻机。雪姆的代表产品：（1）T685WS钻机：提升能力340kN，适合于井深1000m内的空气钻进，配有空压机、钻井液、注水、注泡沫管线，可实现钻井液、泡沫、空气等多种钻井方式；3.国内外煤层气钻机技术分析（2）T130XD钻机：提升力590kN，适合于井深2000m内的空气钻进，采用伸缩桅杆技术，动力头净空行程高达15.24m，直接用液压桅杆升举和下放钻具，可完成比较复杂的钻井工艺；（3）T200XD钻机：提升能力900kN，满足2800m深度钻进，动力头双档设计，适合水平井，羽状井等特殊施工需要。雪姆钻机性能特点表现在：（1）钻井效率高，采用高效空气潜孔锤钻井工艺，最快进尺40m/h；设备整合度高，所有操作均在控制台上完成；自动化程度高，缩短辅助时间；设备结构紧凑、机动灵活，全面缩短搬家时间。（2）可靠性好、寿命长，从野外苛刻工作条件出发，总结多年的生产经验、及各地用户反馈的实际使用效果，不断完善设备，大幅度提高钻机的可靠性，延长钻机寿命。