王定亞 孫 娟 張茄新 張繼環(huán) 高龍崗

(寶雞石油機械有限責(zé)任公司；國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心 )

0 引 言

2020年以來，“疫情+低油價”為全球石油行業(yè)的發(fā)展帶來了嚴(yán)重的創(chuàng)傷，在此危機下，催生新科技以達到提質(zhì)增效、促進技術(shù)不斷進步則顯得更有價值和意義?？v觀我國石油裝備的發(fā)展歷史，我國大型石油鉆井裝備的研制自20世紀(jì)60年代開始，歷經(jīng)60年風(fēng)雨，從研制方法來說，石油鉆井裝備先后經(jīng)歷了仿制、部分研制、自主研制到創(chuàng)新研制4個階段；從技術(shù)路線而言，石油鉆井裝備從柴油機機械驅(qū)動起步，歷經(jīng)直流電驅(qū)動、機電復(fù)合驅(qū)動、交流變頻電驅(qū)動直到當(dāng)前的管柱自動化鉆機，并經(jīng)產(chǎn)品從小到大、系列化和多類型發(fā)展完善，才逐漸形成了當(dāng)今全球制造規(guī)模最大、型號品種多樣的產(chǎn)品發(fā)展格局，可以說這其中凝結(jié)了幾代石油人的心血和智慧，一路走來，實屬不易。但隨著當(dāng)前智能化鉆井和智慧化油田等概念的誕生，石油鉆井裝備又開始面臨著一場新的革命，在此前提下，如何更深入完善地做好全流程自動化鉆機，進而開啟智能化鉆機發(fā)展時代是必須要認(rèn)真研究的一個重大問題。

為了促進石油鉆井裝備今后的發(fā)展并為未來智能化鉆井技術(shù)進步打下基礎(chǔ)，筆者將對國內(nèi)外鉆井裝備的發(fā)展現(xiàn)狀及國內(nèi)與國外先進產(chǎn)品之間的主要技術(shù)差距等進行分析，并就鉆井裝備今后的發(fā)展方向提出看法和建議。

1 石油鉆井裝備國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

21世紀(jì)以來，全球鉆井裝備可謂經(jīng)歷了一場翻天覆地的變化，尤其以電驅(qū)動替代傳統(tǒng)柴油機驅(qū)動的直流電驅(qū)動鉆機及交流變頻電驅(qū)動鉆機的興起和日趨成熟，迅速擴展并成為主流產(chǎn)品在各大油田得到了廣泛應(yīng)用，特別是近10年來，在電驅(qū)動鉆機研究的基礎(chǔ)上，大型鉆機的移運技術(shù)、全液壓驅(qū)動技術(shù)、鉆機自動化智能化技術(shù)的不斷推廣，再次為石油鉆機的發(fā)展插上了騰飛的翅膀。

1.1 國外先進鉆井裝備技術(shù)現(xiàn)狀

近年來，在世界石油鉆井裝備的發(fā)展方面，以部分歐洲國家和美國等為代表的發(fā)達國家充分利用自動化、信息化、數(shù)字化及快捷化等技術(shù)手段，大力改進提升鉆井裝備技術(shù)性能，先后研制了多種形式、特色鮮明、性能優(yōu)良的鉆井裝備，取得了良好的成效，有力地促進了全球鉆井裝備的技術(shù)進步。如德國海瑞克研制成功的TI-350T陸地全液壓自動化鉆機，最大鉤載3 500 kN, 適應(yīng)鉆井深度可達到5 000 m，已在我國川渝地區(qū)鉆井現(xiàn)場應(yīng)用了5年多，鉆機自動化程度高，現(xiàn)場使用效果良好。其突出特點是通過在地面建立雙立根鉆柱模式，采用液壓機械臂直接舉升至鉆臺面，并通過液壓頂驅(qū)配合鐵鉆工來完成接鉆柱過程，無需配備常規(guī)的二層臺裝置，整個管柱的輸送路線短，安全性好，省時省力[1]。挪威West Group公司研制的CMR連續(xù)運動鉆機，提升載荷達7 500 kN ，鉆機的設(shè)計理念打破了傳統(tǒng)思維，配備有獨立建立根系統(tǒng)，鉆柱可實現(xiàn)不間斷連續(xù)運動，滿足連續(xù)循環(huán)鉆井工作需要，送鉆效率快捷高效，該鉆機起下鉆速度比常規(guī)鉆機提高了30%以上。

荷蘭豪氏威馬(Huisman)公司先后研制了LOC 400和HM 150兩種高效自動化鉆機。其中LOC 400鉆機具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小和搬家速度快等顯著優(yōu)點，整套鉆機全部采用模塊化設(shè)計，可拆分成19個可用標(biāo)準(zhǔn)ISO集裝箱裝運的模塊，整套鉆機運輸單元少，運輸快捷方便；研制的HM 150型鉆機屬于一款移動性很強的拖車式鉆機，可在不同地點及多口井場之間實現(xiàn)快速移動，整套鉆機配備有區(qū)域管理系統(tǒng)和安全聯(lián)鎖裝置，可將反彈撞擊的風(fēng)險降至最低。意大利Drillmec公司研制的AHEAD375自動化鉆機，整套鉆機采用液壓控制驅(qū)動，鉆機設(shè)計配套有獨立建立根系統(tǒng)，可實現(xiàn)管柱全流程自動化操作，具有管柱運送平穩(wěn)，各操作設(shè)備動作銜接準(zhǔn)確、快捷等特點[2-3]。另外，通過現(xiàn)場實地考察，美國斯倫貝謝公司近年來最新研制了一款名為FUTURE RIG的未來智能型石油鉆機。該鉆機功率設(shè)計為1 103 kN，鉆井深度為5 000 m，其操控系統(tǒng)設(shè)置有兩個前后錯位排放、高低位分別布局的主、輔司鉆操作臺，鉆機二層臺配備有多部機械手，司鉆系統(tǒng)內(nèi)置各種傳感器超過1 000個，主要對鉆機安全狀態(tài)、設(shè)備健康狀態(tài)、設(shè)備運行狀態(tài)和作業(yè)流程等進行全方位監(jiān)測，并研制出了“DrillPlan”平臺，以實現(xiàn)整套鉆機的虛擬數(shù)字化控制，設(shè)計理念超前。

1.2 國內(nèi)先進鉆井裝備技術(shù)現(xiàn)狀

我國在先進鉆井裝備技術(shù)研發(fā)方面，通過不斷努力追趕，先后在管柱自動化技術(shù)、鉆機移運技術(shù)、司鉆集成控制技術(shù)、超深井鉆機技術(shù)、高壓噴射鉆井技術(shù)、特殊地域和氣候條件下需要的鉆機技術(shù)研究方面也有了長足的進步，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.2.1 超深井四單根立柱鉆機技術(shù)

近年來，圍繞新疆庫車山前特殊地質(zhì)地貌特征，我國已先后為新疆塔里木地區(qū)研制出鉆深能力分別為9 000和8 000 m的超深井四單根立柱兩種不同型號的石油鉆機[4-5]。其中，ZJ90DBS四單根立柱鉆機于2012年研制成功并一直在新疆塔里木油田實施鉆探作業(yè)，目前已完成7口超深井作業(yè)，平均鉆井深度超過7 300 m，累計進尺超過51 200 m；ZJ80DBS四單根立柱鉆機重點圍繞小鉆柱排放技術(shù)難題，開發(fā)了推扶小鉆具三單根立柱和復(fù)合式(懸持+推扶)大鉆具四單根立柱的立柱組合排放技術(shù)，并于2020年2月開始在新疆塔里木地區(qū)開展工業(yè)性試驗，目前已進入3開作業(yè)，現(xiàn)場應(yīng)用表明，鉆機綜合性提效超過15%，鉆井周期縮短6%[6]。

1.2.2 系列管柱自動化石油鉆機技術(shù)

根據(jù)中石油提出的 “六年三代”鉆機發(fā)展規(guī)劃，國內(nèi)由寶雞石油機械有限責(zé)任公司(以下簡稱寶石機械)牽頭率先完成了第一代ZJ50DB、ZJ70DB、ZJ80DB和ZJ90DB系列自動化鉆機的研制，目前已推廣應(yīng)用了60多套，其技術(shù)特點主要表現(xiàn)為鉆機配備有自動化的動力貓道、鉆臺機械手、鐵鉆工及電動二層臺機械手等各種自動化設(shè)備，基本替代了繁重的人力作業(yè)，實現(xiàn)了二層臺高位無人值守，減人增效，確保了現(xiàn)場操作的安全性[7]。正在研制的第二代ZJ70DB自動化鉆機突顯了獨立建立根和遠程在線監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)，可望于2020年年底完成制造和工廠內(nèi)部試驗。

1.2.3 超長單根和雙單根立柱自動化鉆機

2018年，寶石機械為大慶鉆探公司1202尖刀鉆井隊研制了一款ZJ30DB交流變頻超長單根自動化鉆機。該鉆機設(shè)計鉆深能力3 000 m，目前已完成20多口井的鉆井作業(yè)，鉆機的控制自動化和操作安全性等獲得了油田現(xiàn)場使用者的高度評價。該鉆機在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的突出優(yōu)點是無二層臺裝置，無立根排放系統(tǒng)，超長鉆桿的輸送通過旋轉(zhuǎn)機械臂從低位直接抓舉輸送至鉆臺面，交給頂驅(qū)后由鐵鉆工來完成上卸扣作業(yè)。除此之外，該鉆機還配套了國產(chǎn)的直驅(qū)頂驅(qū)、直驅(qū)鉆井泵和直驅(qū)絞車等關(guān)鍵裝備，確保整套鉆機操作過程簡單、高效。另外，根據(jù)市場發(fā)展需要，目前寶石機械又開始進行適合中深井使用的雙單根立柱鉆機的設(shè)計研發(fā)工作，其中已開發(fā)的ZJ40DT鉆機配備有雙單根立柱排放系統(tǒng)，主機采用輪式拖掛移運結(jié)構(gòu)，目前已完成產(chǎn)品試制，準(zhǔn)備發(fā)往油田進行工業(yè)性試驗。

1.2.4 穩(wěn)壓力大排量鉆井泵技術(shù)

隨著噴射鉆井、水平鉆井、海洋鉆井和復(fù)雜難鉆井等鉆井工藝的發(fā)展變化，國內(nèi)寶石機械等公司率先推出了功率級別為1 600、2 200和3 000 hp系列五缸高壓力大排量鉆井泵。其中研制成功的QDP-3000型五缸鉆井泵和QDP-2200型五缸鉆井泵已通過油田工業(yè)性推廣應(yīng)用，其性能已得到充分驗證，與同型號三缸鉆井泵相比，不僅泵組的體積減小了20%以上，而且輸出排量比三缸泵提升30%以上，排出壓力波動僅為三缸泵的，不均勻度約為7%[8]，產(chǎn)品可靠性明顯得到提高，總體性能先進，受到了油田用戶廣泛好評。

1.2.5 鉆機大噸位直立移運技術(shù)

根據(jù)中東地區(qū)沙漠特殊作業(yè)環(huán)境需要，國內(nèi)寶石機械和中國航天科工集團有限公司宏華集團有限公司(以下簡稱航天宏華)等企業(yè)先后為阿聯(lián)酋和科威特等地區(qū)成功研制了鉆深能力5 000～9 000 m范圍的各型號大模塊輪式移運拖掛鉆機，其中為阿聯(lián)酋國家研制的ZJ50DBT和ZI70DBT兩種輪式拖掛鉆機具有多種移運組合模式，尤其近距離搬家可實現(xiàn)主機直立移運，節(jié)省了大量搬家安裝時間[9]；同時，為科威特研制的ZI70DBT輪式拖掛鉆機不僅滿足直立移運，而且還可實現(xiàn)井架的彎折功能，可以有效避開高空高壓線等障礙物，使其整體通過性更好，移運范圍更加廣闊。

1.2.6 叢式井軌道式極地鉆機技術(shù)

近年來，國內(nèi)寶石機械和航天宏華等公司先后針對俄羅斯極寒冷地區(qū)研制了多種低溫鉆機。其中由寶石機械2018年研制的鉆深能力7 000 m低溫列車ZI70DB軌道式鉆機[10]，主體采用高強度抗低溫耐韌性材料，鉆機整體安裝在列車導(dǎo)軌上，鉆機下方配有鋼制滾動輪，與鉆機整體呈一字形排列，更換井位時只需通過固定于導(dǎo)軌上的油缸拉動來實現(xiàn)整套鉆機的移動，非常方便。另外，為了保溫，在鉆臺面下方、電控房、泵房和固控區(qū)等采用全封閉式結(jié)構(gòu)，房體內(nèi)配有鍋爐和電熱器等加熱設(shè)施，鉆臺面四周設(shè)有擋風(fēng)墻等，可以滿足-45 ℃極地環(huán)境下的作業(yè)要求和-60 ℃環(huán)境下的設(shè)備存儲要求[11]。目前該鉆機已通過俄羅斯北極地區(qū)冬季嚴(yán)寒天氣的考驗，其設(shè)計性能完全滿足極地環(huán)境工作要求。

2 我國鉆井裝備與國外鉆井裝備的主要差距

近年來，我國在鉆井裝備研究方面取得了長足的進步，主要表現(xiàn)在大型裝備集成配套技術(shù)、鉆機自動化研發(fā)技術(shù)、鉆機搬家快速移運技術(shù)及超深井裝備研究技術(shù)等方面，但認(rèn)真分析對比，我國仍然在產(chǎn)品設(shè)計理念、產(chǎn)品配套技術(shù)能力及卡脖子核心技術(shù)研究方面與國外還存在較大差距，需要不斷加大研究力度，力爭早日實現(xiàn)突破。

2.1 鉆井工具的研發(fā)工作需要不斷加強

以美國斯倫貝謝和哈利伯頓等公司為代表，其先進鉆井技術(shù)長期引領(lǐng)著世界鉆井技術(shù)的發(fā)展潮流，尤其表現(xiàn)在高性能鉆頭、隨鉆測量、扭轉(zhuǎn)沖擊、減振增壓以及垂直鉆井等井下產(chǎn)品和技術(shù)方面[12-13]。近年來我國在這方面雖然也做了相應(yīng)的技術(shù)研究，先后研制了部分產(chǎn)品，但就產(chǎn)品性能、產(chǎn)品品種和產(chǎn)品規(guī)格等方面與國外還存在較大差距。

2.2 自動化產(chǎn)品的應(yīng)用研究仍需要深化

我國雖然已經(jīng)研制出了具有雙司鉆集成控制、基于模擬人工操作形式的管柱自動化石油鉆機，并已形成了一定的批量，但與國外同類產(chǎn)品相比，創(chuàng)造性成果較少，結(jié)構(gòu)形式相對單一，系統(tǒng)集成水平不夠，尤其在產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性等方面還存在一定的差距，仍需在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和優(yōu)化提升方面加大力度。

2.3 智能化鉆井技術(shù)研究需要加快速度

西方發(fā)達國家起步較早，早已著手智能化技術(shù)在鉆井裝備方面的研究與實踐，相比較，我國起步較晚，雖然國內(nèi)已有部分科研院所和高等院校等著手這方面的技術(shù)研究工作，并建立了必要的理論基礎(chǔ)，但距實際應(yīng)用還有較長距離，應(yīng)加快該項工作的研發(fā)進程，力爭早日推出樣機并開展現(xiàn)場試驗及應(yīng)用。

2.4 核心元器件研發(fā)工作需要強力推進

核心關(guān)鍵配套元器件與國外差距較大，已成為制約國內(nèi)鉆井裝備發(fā)展的瓶頸，尤其涉及鉆機配套必須的柴油發(fā)電機組、變頻器、液壓和電器控制元件以及高壓密封器件等卡脖子技術(shù)，需要發(fā)揮各個行業(yè)的優(yōu)勢，舉全國之力開展重點技術(shù)攻關(guān)，特別在產(chǎn)品可靠性、安全性和耐久性方面需要不斷提升，力爭在較短時間內(nèi)取得突破性進展，大力支撐國產(chǎn)裝備健康發(fā)展。

3 未來鉆井裝備的發(fā)展方向和建議

結(jié)合當(dāng)前國際油氣行業(yè)總體發(fā)展形勢和我國宏觀經(jīng)濟對油氣勘探開發(fā)的發(fā)展需要來判斷，預(yù)計未來石油鉆井裝備將朝以下幾個方向發(fā)展。

3.1 常規(guī)裝備將逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展

按照中石油提出的鉆機“四化”方針，即“機械化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、專業(yè)化”目標(biāo)，推廣鉆機結(jié)構(gòu)型式的規(guī)范化、配套內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化等，既滿足了產(chǎn)品規(guī)?；l(fā)展的需要，同時也對裝備企業(yè)和鉆探公司提質(zhì)增效帶來了效益。一方面，裝備企業(yè)達到了一次性設(shè)計、統(tǒng)一配料、批量連續(xù)投產(chǎn)的目的，另一方面，由于產(chǎn)品互換性和通用性的增強，也為各鉆探公司裝備的搬家、安裝和維修等帶來了諸多便利。為此，建議我國應(yīng)持續(xù)加大該項工作的推進力度，節(jié)約資源，降本增效。

3.2 石油裝備將向深井特深井方向發(fā)展

為了解決經(jīng)濟快速增長和陸地已勘探開發(fā)油氣資源不足的矛盾，迫使人們必須在特殊區(qū)域、更深層次的地域進行勘探開發(fā)作業(yè)。2019年9月中石油在新疆塔里木輪深1井打出了8 882 m的亞洲第一特深井[14]；《石油人》2020年5月21日報道，哈里波頓公司在俄羅斯Sakhalin實現(xiàn)了總進尺14 600 m的世界最深新記錄井的完鉆，這些案例更加堅定了國內(nèi)石油鉆探企業(yè)加強大型化特深井鉆井的信心和決心，預(yù)計未來幾年，石油裝備向超深井和特深井發(fā)展已成為必然趨勢。這就需要科研人員提前做好調(diào)研分析工作，并將其作為當(dāng)前和今后一段時間的重點攻關(guān)工作。

3.3 向特殊地層地貌發(fā)展必將加快速度

隨著常規(guī)地層油氣當(dāng)量的不斷減少，鉆井會逐漸向高原、高山、沼澤等特殊地貌和高溫、高壓、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域發(fā)展延伸，這必然需要與其運輸條件和特殊地層鉆探要求相匹配的鉆井裝備，所以，研究和開發(fā)適應(yīng)不同區(qū)域和地層鉆探要求的鉆井裝備，必將成為今后裝備發(fā)展的一個新目標(biāo)和方向。為此，建議裝備研發(fā)工作應(yīng)盡早聯(lián)合地質(zhì)和鉆探等多學(xué)科一起開展攻關(guān)，做好深入的研究工作，為滿足國家油氣增長需求打下基礎(chǔ)。

3.4 不斷向快捷綠色環(huán)保節(jié)能方向發(fā)展

受制于當(dāng)前石油鉆井裝備體態(tài)龐大、搬家運輸困難、動力噪聲大、配比動力消耗大、地層有毒有害氣體排放及鉆井液對環(huán)境和地層的污染等帶來的諸多影響，特別是國家在綠色環(huán)保方面出臺的多項政策限制，未來石油鉆采裝備向綠色、環(huán)保、節(jié)能、輕量化等方向發(fā)展將成為主流[15]。為此，科研及管理人員都應(yīng)從思想觀念上、設(shè)計理念上以及技術(shù)方法上擯棄舊理念，適應(yīng)新形勢和新變化。

3.5 向自動化和智能化發(fā)展已成為定局

按照國家對裝備行業(yè)未來向智能產(chǎn)品發(fā)展的工作思路，隨著技術(shù)進步和解放人工勞動的發(fā)展需要及互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、信息化、數(shù)字化等技術(shù)的突飛猛進，各行各業(yè)都在追求裝備不斷向現(xiàn)代化邁進，油氣裝備向全自動化、智能化發(fā)展的時代已經(jīng)開啟，并將成為今后各大裝備企業(yè)追求的必然目標(biāo)[16-17]。對于長期堅守在野外艱苦危險工作環(huán)境、主要依靠人力為主的石油行業(yè)而言，加快鉆井裝備智能化發(fā)展問題亟待解決，建議國家在此方面加大資金和人力投入，促其快速發(fā)展。

4 結(jié) 論

(1)對國外全液壓自動化鉆機、連續(xù)運動鉆機、快速搬遷移運鉆機、自動化智能化鉆機等先進鉆井裝備技術(shù)現(xiàn)狀與我國在自動化、快速移運、深井超深井及超低溫作業(yè)環(huán)境鉆井裝備現(xiàn)狀分析及研究成果對比表明，我國石油鉆井裝備主要在鉆井工具的配套研發(fā)、自動化產(chǎn)品應(yīng)用研究、智能化鉆井技術(shù)及鉆井裝備核心元器件研發(fā)等方面與西方發(fā)達國家還有較大的差距。

(2)通過對未來鉆井裝備發(fā)展趨勢的分析預(yù)測，提出了我國鉆井裝備應(yīng)進一步向標(biāo)準(zhǔn)化配置技術(shù)、深井超深井鉆井技術(shù)、特殊環(huán)境和特殊地域鉆井技術(shù)、綠色環(huán)保節(jié)能鉆井技術(shù)、全自動化和智能化鉆井技術(shù)發(fā)展等5點建議。