摘要
L型水平井是煤层气开发的主力井型，目前国内煤层气L型水平井施工设备均为标准石油钻机，但石油钻机设备配置和安迁移运成本较高。而水源钻机购置成本低，且很多地勘单位原来都配备有水源钻机。为此，本文在研究总结常规水源钻机、石油钻机的设备原理、主要参数、差别特点的基础上，对TSJ-3000型水源钻机进行了4项改进设计，以达到标准石油钻机性能。同时，结合煤层气水平井地质条件、作业环境、施工工艺等特点，对改进TSJ-3000型水源钻机进行了4项提升设计，对随钻录井装置、液压大钳、潜水排污设备、气动绞车等进行改进，以满足煤层气L型水平井施工要求。应用改进TSJ-3000型水源钻机有效提高了钻完井工作效率和经济效益。
我国煤层气资源丰富、开发前景广阔，具有能源、安全和环保三大属性，据国际能源机构（IEA）估计，全球煤层气资源量达263.8×1
目前，国内进行煤层气L型水平井施工的设备均为标准石油钻机，效率高、安全性能好，但是需要外挂压缩空气供给系统才能实施空气钻进，设备价格和安迁移运成本较
项目依托渤海钻探第四钻井公司煤层气水平井及同台斜直井工程，位于沁水盆地南部晋城斜坡带郑庄区块，处于北纬36°以南，区内地形为丘陵山地，沟谷发育，切割较深，地面海拔927 m。郑试25平2-2L井是郑庄区块内为进行煤层气开发设计施工的水平井，钻井目的是利用水平井提高单井产气能力；井口坐标：X=3953288.000，Y=19623876.000，磁偏角-4.4°，设计井深：预测着陆点垂深738 m，完钻井深1677.13 m，目的层位为山西组3号煤，完钻层位为山西组3号煤（P1S），完钻原则为钻至靶点，保证煤层进尺600 m左右，完井方法为套管完井。
该项目主要施工井型为L型水平井，以ZJ30型标准石油钻机为对照（
| 序号 | 设备或部件名称 | TSJ-3000 | ZJ30 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 规格型号 | 主参数 | 规格型号 | 主参数 | ||
| 1 | 钻机 | TSJ-3000/445 | 1350 kN | ZJ30J | 1700 kN |
| 2 | 井架 | JJ135/31 | 1350 kN | K41-200 | 1700 kN |
| 3 | 底座 | DZ135/2.8 | 2.8 m | DZ180/4.5-ZJ30 | 4.5 m |
| 4 | 绞车 | JC20 | 1350 kW | JC-40B | 1100 kW |
| 5 | 天车 | TC-135 | 1350 kN | TC-180 | 1700 kN |
| 6 | 游车 | YC135 | 1350 kN | YG-180 | 1800 kN |
| 7 | 大钩 | DG135 | 1350 kN | YG-180 | 1800 kN |
| 8 | 水龙头 | SL125 | 1250 kN | SL-180 | 1800 kN |
| 9 | 吊环 | DH135 | 1500 kN | SL180.01 | 1800 kN |
| 10 | 转盘 | ZP175 | 37.5 in | ZP-205 | 37.5 in |
| 11 | 柴油机 | G12V190PZL1 | 1000 kW | G12V190PZL | 1000 kW |
| 12 | 发电机组1（总功） | SC27G755D2 | 500 kW | G12V190PZL | 1000 kW |
| 13 | 发电机组2（总功） | SC27G900D2 | 600 kW | TYPE1FC6406-6LA42 | 500 kW |
| 14 | 钻井泵1号 | 3NB1300 | 961 hp | F-1300 | 969 kW |
| 15 | 振动筛1号 | ZDS340PT-5P-2 | 1410 r/min | ZZS504-4P | 1100 m³/h |
| 16 | 振动筛2号 | ZDS340PT-5P-2 | 1410 r/min | ZZS504-4P | 1100 m³/h |
（1）将钻台区操作区域加长加宽加高，满足煤层气钻井压风机、气动绞车、储气罐等设备设施的摆放。（2）增设猫道、管排架，为钻具摆放、提拉施工提供便利和效率。（3）改装整拖滑轨，确保同井组多井孔施工时钻机整体的整拖性能。（4）增设气动绞车1台、增设泥浆泵升降悬挂装置、固控高频振动筛等，有效提升钻井效率和降低成本。
增设井口循环三通，由钻杆扣型上部直接连接固井水泥头，减少固井造成的不必要二次工作量，提升钻完井效率和时效。系统分析作业现场安全设备安全性能，做好本质安全的优选设计，如安装液压大钳保险链和防护罩、防碰装置等。
经过改进设计，TSJ-3000型水源钻机具备了标准石油钻机的基本功能，能够进行煤层气L型水平井施工。但是在实际工程中，改进TSJ-3000型水源钻机的随钻录井装置使用约束较多，记录精度受环境影响较大；液压大钳等孔口工具扭矩和自身体积大，移车易导致气缸断裂甩扫孔口；潜水式排污泵未在水池中固定，容易磕碰到水池内壁导致损毁；单气动绞车外放钻具时会迅速冲下地面，极易造成精密钻具仪器损坏，在上拉钻具时角度发生变化，易急速冲击钻台。通过对以上问题进行提升设计，才能满足煤层气L型水平井施工要求。
在钻机主卷扬行星齿轮部位设计安装了一套同步减速装置（
图1 同步减速装置
用高强度链条做防护绳索，用高强度钢材设计安装防护罩和连接部件（
（a） 提升前液压大钳
（b） 提升后安装防护罩的液压大钳
（c） 提升后的移车气缸
图2 液压大钳防护系统
采用三角形结构吊臂，以固控罐为固定点，左右旋转吊臂安装2台自锁式电动卷扬机，远程电动控制调节泵头入水深度（
图3 潜水排污泵吊装系统示意
设计双气动绞车（
图4 双气动绞车示意
2022年在郑庄区块郑试25平2-2L井应用，4月5日组合一开钻具，钻具结构为：Ø311.2 mm PDC钻头+Ø203 mm螺杆+631/4A10接头+Ø165 mm DC×5+4A11/410接头，钻至60.50 m，按设计一开完钻。4月7日验收合格后二开，钻具结构：Ø215.9 mm PDC钻头+1.5°单弯螺杆+MWD接头+Ø127 mm HWDP×1根+Ø127 mm DP。钻至井深162 m开始定向钻进。通过复合钻进与滑动钻进相结合确保随时校正井斜、方位。4月10日钻进至945 m着陆见煤层，垂深730.22 m，井斜81.85°，方位62.88°，闭合距383.25 m。4月16日钻至井深1645 m，水平进尺700 m，其中纯煤进尺700 m，钻遇率100.00%。
TSJ-3000型水源钻机在煤层气L型水平井钻井施工中的一系列的创新设计和改造，进一步提高了该钻机施工煤层气L型水平井的能力，钻机创新设计实现改造至今，已成功完井24口，完成有效工作30000延米，产值完成3000余万元。通过2年来的完井情况和完井数据的有效对比，其中郑4平6-15-3L井钻井周期10 d，完井井深1436 m，钻机月进尺2991.67 m，创造了华北油田煤层气市场沁水区块同类型井钻井周期和钻机月进尺的双记录。反映出对水源TSJ-3000型钻机所做的创新改造和提升具备推广价值。
为适应煤层气L型水平井施工要求，本文从设备改装、设备性能、安全技术、施工工艺、施工技术等方面对水源TSJ-3000型钻机进行了创新和优化，有效提高了工作效率和经济效益，改善了工作环境，减少了安全隐患，其中底座增高、平台扩展、动力匹配、泥浆固化等重点部位最为重要和突出。
（1）随钻录井同步减速装置的使用，解决了现有的随钻录井装置安装使用不方便，平时维护成本高的问题，达到了随钻录井装置安装方便，记录精准，便于维护的目的。
（2）液压大钳防护装置的使用，在很大程度上降低了事故的发生率和保证了人员在施工中的安全。如：使用时钻塔底面与钻台面顶面固定连接，使其稳定性得以增强，降低使用中因扭矩过大造成的意外伤害。
（3）潜水排污泵吊装装置的使用，整体装置对排污泵加强了保护，有效避免物体打击等损坏排污泵的情况发生，延长了排污泵的使用寿命。通过本装置的使用，改变了原先只能靠抬、拉、拖才能维修和使用的过程，降低人员在使用中易出现挤、压事故的发生，通过全电气化的远程操控，高效快捷省力地完成辅助工作，达到高效安全施工的目的。
（4）双气动绞车吊装运输系统的使用，实现了安全快速吊放钻具、井口工具等设备，大大节约了钻井施工作业中的吊装成本，提高了钻井施工效率。
通过进行改进设计和提升设计，改进水源TSJ-3000型钻机达到了标准石油钻机性能，以较低成本满足了煤层气L型水平井施工要求，在煤层气L型水平井施工领域有着较好的借鉴意义。
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