摘要：傳統(tǒng)鉆井振動(dòng)篩在常壓下依靠振動(dòng)產(chǎn)生5～6g的拋擲力將鉆屑從鉆井液中篩分出來，鉆屑含液率高，固廢量大。滾動(dòng)負(fù)壓篩是一種基于帶式真空過濾原理與微振動(dòng)復(fù)合作用的鉆井液固液分離裝置，其鉆井液的透篩主要依靠真空作用，鉆屑含液率低，鉆井液回收率高，固廢產(chǎn)生量少。2014年以來，國(guó)內(nèi)陸續(xù)引進(jìn)部分滾動(dòng)負(fù)壓篩，在海洋鉆井固廢減量和陸地鉆井鉆屑減量中進(jìn)行了試驗(yàn)和小范圍的應(yīng)用，但相關(guān)的試驗(yàn)和應(yīng)用報(bào)道較少。對(duì)滾動(dòng)負(fù)壓篩在國(guó)內(nèi)陸地鉆井中進(jìn)行了應(yīng)用和對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，滾動(dòng)負(fù)壓篩排出鉆屑的體積含液率可降低到35%以下，油基泥漿時(shí)，每米進(jìn)尺泥漿消耗量和固廢實(shí)際產(chǎn)生量比傳統(tǒng)振動(dòng)篩可分別降低32.25%和 51.63%，分離出的鉆井液含砂量和有害固相降低，提升了鉆井液的性能。滾動(dòng)負(fù)壓篩的應(yīng)用具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，但一次性設(shè)備投入成本較高，可能影響其大面積的推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：固控技術(shù);滾動(dòng)負(fù)壓篩;鉆屑含液率;固廢減量;經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號(hào)：TE926" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.04.010

Testing and Application of Rolling Negative Pressure Screen in Domestic Oil and Gas Drilling

DAI Feng1，F(xiàn)U Dong2，CAO Shiping1，HOU Yongjun3，WU Yingze4，LIU Youping5，MENG Jun6

（1.Sichuan Changning Gas Development Company，Chengdu 610051，China ;2. Development Division，PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company，Chengdu，610021，China;3. School of Mechanical and Electrical Engineering， Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China;4. BOMCO Sichuan Petroleum Drill Bit Co.， Ltd.，Chengdu 610051，China;BOMCO Sichuan Special Vehicle Co.，Ltd.，Guanghan 618300，China;

6.Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.，CNPC，Chengdu 610051，China）

Abstract： Traditional shale shakers rely on vibration to generate a throwing force of 5-6g under normal pressure to separate cuttings from drilling fluid，resulting in a high liquid content of cuttings and a large amount of solid waste. Rolling negative pressure screen is a drilling fluid solid-liquid separation device based on the principle of belt vacuum filtration and micro-vibration composite action. The screening of drilling fluid is mainly based on vacuum action， resulting in low content of drilling cuttings，high recovery rate of drilling fluid and low generation of solid waste. Since 2014，some rolling negative pressure screens have been introduced in China and have been tested and applied on a small scale to reduce solid waste in offshore drilling and drilling cuttings in onshore drilling. However，there are relatively few reports on relevant tests and applications. In this article， application and comparative experiments were conducted on the rolling vacuum screen in domestic land drilling. The experimental results showed that the volume liquid content of the cuttings discharged by the rolling negative pressure screen can be reduced to less than 35%. When oil-based mud is used，the consumption of mud per meter and the actual production of solid waste can be reduced by 32.25% and 51.63%，respectively，compared with the conventional vibrating screen. The sand content and harmful solid phase of the separated drilling mud are reduced，and the performance of the drilling mud is improved. The application of rolling negative pressure screen has good economic and environmental benefits，but the investment cost of disposable equipment is relatively high，which may affect its large-scale promotion and application.

Key words： solid control technology;rolling negative pressure screen;liquid content of drilling cuttings; solid waste reduction;cost-effective

鉆井作業(yè)是實(shí)現(xiàn)油氣勘探開發(fā)目標(biāo)的重要手段，但其產(chǎn)生大量廢棄物則是油氣田的主要污染源。多年來，針對(duì)鉆井廢棄物的污染防治，相關(guān)單位或部門做了大量富有成效的工作， 但隨著新環(huán)保法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，其隱患依然突出。在鉆井作業(yè)過程中，采用的傳統(tǒng)方式為鉆井液從井底返回地面后，通過振動(dòng)篩、除砂器、除泥器、離心機(jī)和泥漿不落地系統(tǒng)等設(shè)備完成井底帶回的巖屑分離，分離出的巖屑含液率高，產(chǎn)生了大量固廢。該過程井底返回的有害氣體直接排放在空氣中，對(duì)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生影響。

鉆井產(chǎn)生的廢巖屑、廢泥漿與廢水等鉆井廢棄物具有分散、點(diǎn)多面廣、排放間歇、類別多樣、組成復(fù)雜、污染物濃度高等特點(diǎn)，處理難度大。鉆井廢棄物總量大、風(fēng)險(xiǎn)高，國(guó)家新法環(huán)保要求日益嚴(yán)格，鉆井廢棄物無害化處理及資源化利用迫切需要技術(shù)升級(jí)，以促進(jìn)鉆井作業(yè)依法合規(guī)建設(shè)，提升鉆井環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)防控能力。在鉆井過程中，采用新型技術(shù)設(shè)備對(duì)固控工藝進(jìn)行改進(jìn)，減少固廢產(chǎn)生量，是實(shí)現(xiàn)鉆井生產(chǎn)節(jié)能降耗、低碳排放重要的技術(shù)路線。

傳統(tǒng)固控系統(tǒng)包含振動(dòng)篩、除氣器、除砂除泥器、離心機(jī)等設(shè)備，傳統(tǒng)固控系統(tǒng)排出的固廢含液率很高，水基泥漿固廢的含液率在50%～80%，油基15%～30%（體積比）以上。通常，為減少鉆屑排放，部分鉆機(jī)在固控系統(tǒng)后配置有泥漿不落地系統(tǒng)，包括甩干機(jī)、離心機(jī)、儲(chǔ)存罐、螺桿泵和傳送帶等設(shè)備?？梢钥闯?，整個(gè)固控和泥漿不落地系統(tǒng)的設(shè)備多、能耗高、操作人員需求大，雖然減少了固廢排放，但并沒有實(shí)現(xiàn)節(jié)能和低碳生產(chǎn)的目的。

上個(gè)世紀(jì)80年代，美國(guó)Ramteck 公司[1]研制成的MAX鉆井液一步過濾系統(tǒng)，把帶式真空過濾原理首次應(yīng)用于鉆井液的固相控制，其全長(zhǎng)6.8 m、寬1.96 m、高3.4 m，質(zhì)量達(dá)到10 t，功率達(dá)103 kW（140 hp），尺寸大、笨重且功耗高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)形結(jié)構(gòu)的過濾帶和泄流帶安裝麻煩，難以適應(yīng)鉆井工藝的需求。90年代末，Dehn Courtney[2]改進(jìn)了帶式真空過濾系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，將其環(huán)形過濾帶改為長(zhǎng)節(jié)距的鏈條驅(qū)動(dòng)的濾網(wǎng)，取消了泄流帶，并在煤炭洗選中進(jìn)行了試驗(yàn)，其認(rèn)為可以替代傳統(tǒng)的鉆井振動(dòng)篩。2006年，Jan Kristian Vasshus和Trond Melhus等申請(qǐng)了基于帶式真空過濾原理的采用小節(jié)距鏈條驅(qū)動(dòng)的真空輸送分離裝置（VCS）美國(guó)專利[3]，并發(fā)現(xiàn)微振動(dòng)作用有助于真空過濾篩網(wǎng)鉆井液的透篩流量增大，并于2010年報(bào)道了其試驗(yàn)結(jié)果[4]。2013年在OTC會(huì)議上報(bào)道了其工業(yè)應(yīng)用效果[5]，其排出的巖屑液相含量最低可達(dá)6.9%。自2012年在石油行業(yè)商業(yè)化應(yīng)用以來，已經(jīng)有200多臺(tái)在世界各地應(yīng)用[6]。中石油在2014年首次引進(jìn)該設(shè)備并在四川頁巖氣鉆井中進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，其后國(guó)內(nèi)引進(jìn)了多套該設(shè)備應(yīng)用于石油鉆井，特別是中海油在海洋平臺(tái)鉆井中應(yīng)用該設(shè)備進(jìn)行鉆屑減量工作取得了比較好的效果[7-9]。楊向前等[10]對(duì)該設(shè)備的固相運(yùn)動(dòng)學(xué)和鉆井液的透篩過程進(jìn)行了理論分析，建立顆粒的運(yùn)動(dòng)模型和透篩模型。雷廳[11]設(shè)計(jì)了一種激振電機(jī)激振、鏈條驅(qū)動(dòng)柔性篩網(wǎng)循環(huán)進(jìn)行固液分離的負(fù)壓振動(dòng)篩，并采用CFD方法從理論上研究了該種裝置的鉆井液透篩規(guī)律。馬衛(wèi)國(guó)，吳霽薇等[12-13]提出一種帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)的帶式篩網(wǎng)真空過濾與微振動(dòng)復(fù)合作用的鉆井液固液分離裝置，其篩網(wǎng)與傳動(dòng)帶采用了一體化設(shè)計(jì);曾琦[14]對(duì)文獻(xiàn)[12-13]提出的鉆井液固液分離裝置的脫水機(jī)理進(jìn)行了理論分析和FLUENT模擬。廖春林等[15]提出了一種鏈條驅(qū)動(dòng)循環(huán)篩網(wǎng)真空過濾與振動(dòng)復(fù)合作用的鉆井液分離設(shè)備的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)引進(jìn)該設(shè)備近10年來，僅見其在中海油鉆屑減量應(yīng)用效果的報(bào)道，還未見有以其完全替代現(xiàn)有鉆井振動(dòng)篩的應(yīng)用報(bào)道。本文對(duì)近幾年該設(shè)備在國(guó)內(nèi)陸地鉆井中替代現(xiàn)有振動(dòng)篩的試驗(yàn)及應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，以期為鉆井液固控設(shè)備技術(shù)的發(fā)展提供借鑒。

由于真空輸送分離裝置（VCS）本身并不振動(dòng)，僅僅是在過濾區(qū)域的篩網(wǎng)作用有微振動(dòng)，鉆井液透篩的主要?jiǎng)恿κ钦婵兆饔茫皇钦駝?dòng)作用，雖然把其稱為振動(dòng)篩并不準(zhǔn)確[4]，但考慮到國(guó)內(nèi)前期對(duì)其已使用的名稱及現(xiàn)場(chǎng)習(xí)慣，本文將該裝置仍稱為滾動(dòng)負(fù)壓篩。

1 組成結(jié)構(gòu)與工作原理

滾動(dòng)負(fù)壓篩結(jié)構(gòu)與原理如圖1～2所示。主要包括與驅(qū)動(dòng)鏈條一體化的環(huán)形履帶、繃緊在環(huán)形履帶外側(cè)上的環(huán)形篩網(wǎng)、真空盤、氣液分離器、真空泵、進(jìn)料斗、空氣激振器、氣刀、刮泥器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。環(huán)形履帶的兩側(cè)為鏈條，兩鏈條之間設(shè)置與鏈條同節(jié)距的特殊結(jié)構(gòu)支撐鏈節(jié)[3];環(huán)形篩網(wǎng)為柔性篩布，繃緊在環(huán)形履帶后，篩網(wǎng)上的固體和液體的重力由環(huán)形履帶承受;真空盤布置在環(huán)形履帶內(nèi)部，其上側(cè)邊框與環(huán)形履帶上部的內(nèi)側(cè)接觸，在環(huán)形履帶上部的內(nèi)側(cè)形成一個(gè)真空腔;多個(gè)空氣激振器布置在真空盤內(nèi)部并與上部的環(huán)形履帶內(nèi)側(cè)接觸;氣刀為沿履帶寬度方向成排布置在下部履帶內(nèi)側(cè)的多個(gè)空氣噴嘴，壓縮空氣從噴嘴噴出后對(duì)環(huán)形篩網(wǎng)上粘附的固相吹掃，達(dá)到清潔篩網(wǎng)的目的;氣液分離器設(shè)置在裝置的左側(cè)或右側(cè)，并與真空盤連接，其內(nèi)部設(shè)置了二次過濾器和空氣過濾器;氣液分離器的上部氣體出口與真空泵的入口相連接。

滾動(dòng)負(fù)壓篩在工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)環(huán)形履帶和篩網(wǎng)做循環(huán)運(yùn)動(dòng)，上部履帶和篩網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)速度方向如圖2中的實(shí)心水平箭頭;待分離的鉆井液從進(jìn)料斗后，沿篩網(wǎng)寬度方向分散開來并流入上部環(huán)形篩網(wǎng)上，其中的液相一部分隨同篩網(wǎng)向前運(yùn)動(dòng)，一部分與小于臨界尺寸的固相在真空的作用下透過篩網(wǎng)，大于臨界尺寸的固相隨同篩網(wǎng)向前運(yùn)動(dòng)并逐漸從鉆井液中分離出來;微幅振動(dòng)作用下，分離出來的固相從篩網(wǎng)上剝脫，并從驅(qū)動(dòng)軸一端脫離篩網(wǎng)自由落入下部固相收集裝置（篩面上的固相運(yùn)動(dòng)路線如圖2篩網(wǎng)上部和驅(qū)動(dòng)軸端下部實(shí)心箭頭所示）;粘附在篩網(wǎng)上的固相或卡在網(wǎng)眼中的臨界顆粒，隨著篩網(wǎng)運(yùn)動(dòng)到氣刀位置時(shí)，在高速空氣流的沖刷作用下從篩網(wǎng)上脫落，使篩網(wǎng)重新進(jìn)入固液分離時(shí)得到清潔而具有較高的透篩率;氣刀沖刷脫落的固相落入分離裝置的底板上，通過刮泥器循環(huán)作用將底板上的固相刮送到下部固相收集裝置（固相的運(yùn)動(dòng)路線如底板上實(shí)心箭頭所示）;由于真空的作用，鉆井液透過篩網(wǎng)時(shí)同時(shí)伴隨大量的空氣一同進(jìn)入了真空盤（圖2中的空心箭頭所示），再進(jìn)入氣液分離器，在重力和真空的共同作用下，液相流入氣液分離器下部并從出口排出，氣體分離出來從氣液分離器上部進(jìn)入真空泵，然后排出到大氣環(huán)境中;由于氣液分離器上部設(shè)置的空氣過濾器，對(duì)分離出的氣體中的微小液滴進(jìn)行了過濾，避免了影響安全的油霧被排放到空氣中;氣液分離器中的二次過濾器用于收集透過篩網(wǎng)的鉆井液中的較大顆粒固相，以監(jiān)測(cè)篩網(wǎng)是否發(fā)生破損并及時(shí)報(bào)警。

2 主要技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

分離面積2.66 m2，振動(dòng)頻率100 Hz，振動(dòng)強(qiáng)度≤1g，質(zhì)量1 713 kg，長(zhǎng)×寬×高為2 716 mm×2 171 mm×1 797 mm，壓縮空氣額定壓力0.6～0.8 MPa，壓縮空氣消耗量5.15 m3/min（0.6 MPa時(shí)），適用篩網(wǎng)目數(shù)≤320目，功率8 kW，額定處理量180 m3/h，真空度≤0.02 MPa，噪音≤70 dB。

2.2 主要技術(shù)特點(diǎn)

1） 利用真空將含有固相和液相的鉆井巖屑進(jìn)行機(jī)械分離，分離效率高，鉆井液回收率高，排出鉆屑的含液率低，鉆井廢棄物少，同時(shí)對(duì)鉆井液性能影響小。

2） 高頻微幅低強(qiáng)度振動(dòng)，工作噪音低，巖屑二次破碎幾率小。

3） 鉆井液在封閉結(jié)構(gòu)中完成固液和氣液分離，沒有鉆井液蒸汽蒸發(fā)的污染。

4） 氣刀連續(xù)清潔篩網(wǎng)，可以從篩網(wǎng)上及時(shí)清除殘余固相，徹底解決了篩網(wǎng)堵塞問題。

5） 空氣激振微振動(dòng)技術(shù)，有助于在復(fù)雜情況下（大直徑井眼、高聚合物泥漿或篩網(wǎng)目數(shù)較大）的情況下確保鉆井巖屑的固液最大程度的分離。

6） 篩網(wǎng)更換快速便捷。

7） 篩網(wǎng)為柔性結(jié)構(gòu)，周期性地承受彎曲變應(yīng)力作用，壽命較短。

8） 壓縮空氣消耗量較大。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及結(jié)果

2019—2020年完成了30余口井的陸地鉆井滾動(dòng)負(fù)壓篩的試驗(yàn)與應(yīng)用，威頁46平臺(tái)和陽101H10-3平臺(tái)典型應(yīng)用的具體情況如下。

3.1 威頁46平臺(tái)

在1號(hào)泥漿罐原配置振動(dòng)篩的位置，以2臺(tái)滾動(dòng)負(fù)壓篩替代傳統(tǒng)振動(dòng)篩，保留1臺(tái)傳統(tǒng)振動(dòng)篩進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，配置方案和現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖3所示。運(yùn)行過程中，主要使用滾動(dòng)負(fù)壓篩，普通振動(dòng)篩僅在對(duì)比試驗(yàn)時(shí)使用，其它時(shí)間作為備用。試驗(yàn)篩網(wǎng)目數(shù)200目。

圖4為威頁46-3井在不同井段深度，采集滾動(dòng)負(fù)壓篩與傳統(tǒng)振動(dòng)篩對(duì)比試驗(yàn)時(shí)排出固廢體積含液率的柱狀圖?？梢钥闯觯瑐鹘y(tǒng)振動(dòng)篩排出固廢的體積含液率都在41%以上，平均含液率54%，滾動(dòng)負(fù)壓篩排出的固廢體積含液率都在35%以下，平均含液率24%。6次取樣檢測(cè)的結(jié)果表明：滾動(dòng)負(fù)壓篩的含液率平均比普通振動(dòng)篩降低44.9%，最大可降低50.77%，最少可降低36.58%。

表1為對(duì)威頁46-3井全井段使用滾動(dòng)負(fù)壓篩的固廢量和泥漿用量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出，使用滾動(dòng)負(fù)壓篩后，使用全井段可減少固廢983 m3，水基泥漿減少用量達(dá)463 m3，油基泥漿減少用量127 m3。

威頁46平臺(tái)威頁46-4井采用了傳統(tǒng)振動(dòng)篩，其在油基泥漿井段消耗的泥漿和產(chǎn)生的固廢量如表2所示。

如果該井采用威頁46-3井配置方案的滾動(dòng)負(fù)壓篩，并按威頁46-3井滾動(dòng)負(fù)壓篩的固廢和泥漿損失減量的比例，僅在油基泥漿井段可減少泥漿損失127.05 m3，排出的鉆屑固廢減少量可達(dá)233 t。僅油基泥漿井段能降低各項(xiàng)成本￥172.61萬元。除去設(shè)備使用成本（按租賃計(jì)算），可實(shí)現(xiàn)約￥140多萬元的經(jīng)濟(jì)效益。

通過對(duì)滾動(dòng)負(fù)壓篩在油基泥漿時(shí)真空泵排出空氣（流量3 500 L/min）中的油霧含量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖6所示。排出空氣油霧含量最大值為0.16 mg/m3，平均值僅為0.087 mg/m3，均遠(yuǎn)小于環(huán)保和安全要求的標(biāo)準(zhǔn)值0.6 mg/m3。對(duì)于操作人員安全性和工作環(huán)境得到了巨大提高，鉆井井場(chǎng)的安全性得到了可靠保證。

3.2 陽101H10平臺(tái)

在該平臺(tái)的陽101H10-3井在四開井段（215.9 mm井眼）使用滾動(dòng)負(fù)壓篩，101H10-1井四開井段（215.9 mm井眼）使用傳統(tǒng)振動(dòng)篩，對(duì)比試驗(yàn)井段均為油基泥漿，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表5可以看出，使用滾動(dòng)負(fù)壓篩的陽101H10-3井每米進(jìn)尺泥漿消耗量為0.084 m3/m，比使用傳統(tǒng)振動(dòng)篩的陽101H10-1井減少了0.04 m3/m，每米進(jìn)尺泥漿消耗量降低了32.25%，試驗(yàn)井在使用油基泥漿的四開井段，減少泥漿消耗102 m3;排出巖屑的含液量從傳統(tǒng)振動(dòng)篩的54%降低到12%，含液率降低了77.8%;每米進(jìn)尺固廢實(shí)際產(chǎn)生量從傳統(tǒng)振動(dòng)篩的306 kg/m降低到148 kg/m，降低率達(dá)到51.63%，試驗(yàn)井在四開的油基泥漿極端直接減少固廢量402.9" t;篩下的鉆井液含砂量和有害固相含量也略有下降，泥漿的質(zhì)量略有提升。

4 結(jié)論

滾動(dòng)負(fù)壓篩是基于真空過濾原理從鉆井液中濾出固體，而不是依賴于超重力以分離泥漿和鉆屑，鉆屑在篩面上的二次破碎幾率小，分離后的鉆井液含砂量和有害固相含量有所降低，鉆井液的質(zhì)量比傳統(tǒng)振動(dòng)篩有所提升;排出鉆屑含液率低，泥漿隨鉆回收率高，泥漿再循環(huán)回到泥漿罐重新用于鉆井作業(yè)，減少了浪費(fèi)，也極大地改善了工作環(huán)境;鉆屑含液率低，固廢產(chǎn)生量減少，固廢環(huán)保處理費(fèi)用降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，滾動(dòng)負(fù)壓篩在鉆井中具有較好的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。但滾動(dòng)負(fù)壓篩也表現(xiàn)出了一些不足之處，如整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、一次性設(shè)備投入成本大、柔性篩網(wǎng)壽命短、壓縮空氣消耗大等。與國(guó)內(nèi)已經(jīng)在傳統(tǒng)振動(dòng)篩的基礎(chǔ)上復(fù)合負(fù)壓作用研制成功的負(fù)壓振動(dòng)篩[16-18]相比，二者的處理量、鉆井液回收和鉆屑含液量等技術(shù)性能指標(biāo)相近，但國(guó)內(nèi)研制的負(fù)壓振動(dòng)篩能耗更低，易損件壽命更長(zhǎng)，設(shè)備一次性投入更少。

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收稿日期： 2023-12-01

基金項(xiàng)目： 四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目“沙漠鉆井液隨鉆高效回收關(guān)鍵裝備研究及應(yīng)用”（2022YFQ0064）;中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司工程技術(shù)科技統(tǒng)籌項(xiàng)目“新產(chǎn)品新工藝攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)”子課題“固控系統(tǒng)優(yōu)化與配套應(yīng)用研究”（（2017T-003-004）。

作者簡(jiǎn)介： 代 鋒（1984-），男，四川威遠(yuǎn)人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事頁巖氣鉆完井工程相關(guān)科研及管理工作。