為適應不同深度的煤層氣開發，合理使用煤層氣鉆機，四機廠以“安全、智能、經濟、高效”為設計理念，研制不同等級的多種系列煤層氣鉆機并實現批量生產
本報記者 馬 玲 通訊員 付喜艷
看包裝，驗收……最近一段時間，從印尼來的煤層氣鉆機驗收人員很忙。中國石化石油工程機械公司四機廠生產的煤層氣鉆機將于8月20日運往印尼。隨后的3年中，印尼還將陸續從該廠進口煤層氣鉆機。
“我們花了3年，成功研制出鉆井效率高、搬遷速度快、鉆井深度可達1000米的地面煤層氣專用鉆機，首次出口，具有特別的意義。”四機廠負責人說。
立項：提高煤層氣開發的裝備水平
煤層氣是煤層中自生自儲的非常規天然氣資源。在煤礦開采業，煤層氣(瓦斯) 歷來被人們看作影響生產安全的因素，成為人們重點防護的對象。
近年來，人們發現，這種“有害的因素”完全可以作為新型能源被大規模開發利用。在美國，煤層氣工業起步較早，科研人員根據煤層氣儲層特征、產出機理等方面與常規天然氣儲層的差異，研究開發出一整套適合煤層氣經濟開發的鉆井完井工藝技術。
我國煤層氣鉆機應用雖然起步較早，但基本用于井下作業領域，用于保證煤礦開采的生產安全。為有效利用現有資源，國家發改委大力倡導開發利用煤層氣。資料顯示，我國煤層氣地質資源儲量為36.8萬億立方米，居世界第三位，目前探明地質儲量僅為預測儲量的0.74%。
國外用于煤層氣井的鉆機主要是鉆進效率高的車載鉆井設備。國內用于煤層氣的鉆機主要有石油鉆機、水源鉆機和煤田鉆機等。實踐表明，石油鉆機、水源鉆機和煤田鉆機不能很好地滿足煤層氣井的鉆井作業需要。國內企業開始大量引進國外先進鉆井設備，許多廠家也開展煤層氣裝備的研制工作。
江漢石油管理局與華東石油分公司共同調研，確定了煤層氣鉆機的總體方案、主要部件的結構形式和整機的技術參數，由四機廠負責鉆機的研制，由華東分公司負責研究鉆機的配套和鉆機的應用技術方案。
2009年4月21日，在湖北省荊州市，石油工程機械公司四機廠與華東分公司就煤層氣鉆機開發，簽訂了“地面煤層氣鉆機開發”項目合作意向書。
攻堅：不斷完善設計提升鉆機性能
“采用專用的煤層氣鉆機開采，是煤層氣發展的必然方向。使用專用煤層氣鉆機是提高煤層氣開發速度，以及降低開采成本的有效途徑。”該項目負責人說。
四機廠結合煤層地理環境和鉆井的特點，研制了煤層氣鉆機。這種新型的鉆機，采用全液壓頂驅技術，鉆井可使用空氣、泥漿和泡沫多種循環介質，應用多工藝鉆進技術。
為了給煤層氣鉆機的改進與配套提供依據，2010年9月，四機廠煤層氣鉆機完成樣機試制并進行了廠內試驗。2011年5~12月，在貴州省織金縣，煤層氣鉆機進行了工業性試驗。織5井是該鉆機打的第一口試驗井，在鉆進過程中，浮動頭密封不好、浮動阻力過大、液壓管鉗易損壞等問題出現。對此，四機廠研發人員通過現場應用情況和數據分析，在第一口試驗井完井時，完成了新型結構浮動頭和液壓特制B型鉗的試制，配套完成了鉆機參數儀和井架外接電源照明系統的試制。事實證明，在第二口井的試驗中，這些設計改進，提升了鉆機的性能。
織試1井是該鉆機打的第二口試驗井，是一口排采試驗探井，其鉆井、擴孔過程充分體現了專用鉆機的優勢。該鉆機的進給系統具有加壓能力，正常最大加壓力為140千牛，在織試1井的表層鉆進中，由于地層3米以下的石灰巖地層較硬，而開采用的是某種牙輪鉆頭，需要較大的鉆壓，鉆進才能有效進行。鉆機實際加壓120千牛，機械鉆速達1.37米/時。對普通鉆機來說，由于沒有加壓功能，同時鉆鋌等加重鉆具也沒有空間位置加裝，無法收到加壓的鉆井效果。鉆機的加壓功能在織試1井得到體現。
對比貴州省織金地區來說，普通鉆機打織1井的鉆速為2.11米/時，打織2井的鉆速為1.08米/時，打織3井的鉆速為0.81米/時。與普通鉆機相比，本專用鉆機打織5井的鉆速為5.99米/時，織試1井鉆速為6.07米/時，機械鉆速明顯高于普通鉆機。
創新：打破技術封鎖形成專有技術
油缸、動力頭、專用液壓閥是地面煤層氣鉆機的關鍵部件。“當時我們想從美國引進這些關鍵部件，但是美國相關企業實行技術封鎖，我們必須自己去研究。”四機廠高級工程師李勇說。
在美國，購買專用液壓閥要到專業廠家訂制。四機廠研發人員找到美國某專業廠家設在上海的辦事處，沒想到對方開出了苛刻的條件：1套液壓閥定價22萬元，四機廠要保證連續3年每年訂購20套。
四機廠轉而尋求與德國一家公司合作。該閥在德國試制，由于沒有條件進行鉆機工況試驗，液壓閥回廠裝上鉆機后，第一次進行模擬工業性試驗，試驗結果和理論結果相差甚遠。
設計人員根據試驗結果，更改閥芯結構的設計方案，對閥芯進行修正加工，前后經過6次試驗，生產出了適合國內煤層氣開發的液壓閥。目前，四機廠在申請液壓閥的發明專利。
此后，四機廠研發人員通過研究負載敏感方向流量控制閥，解決系統憋壓問題；研究非對稱大流量液壓系統，掌握液壓非對稱流量回油控制方法；通過結構優化和受力分析，研制出新型箱式伸縮井架；掌握沖管氣、液密封關鍵技術，研制出新型隔環式動力頭密封裝置；掌握液壓升降同步技術，研制出新型高位自鎖液壓底盤。這些研究成果，讓首臺問世的ZJ10CZ煤層氣鉆機顯得“與眾不同”。
“未來，我們在提高鉆機自動化程度領域，還有很大空間。”項目組負責人說。
目前，為適應不同深度的煤層氣開發，合理使用煤層氣鉆機，該廠以“安全、智能、經濟、高效”為設計理念，繼續研制不同等級的多種系列煤層氣鉆機并實現批量生產，為國家非常規油氣資源開采做貢獻。
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