蔣海軍，耿黎東，王曉慧，光新軍

（中石化石油工程技術研究院有限公司，北京 102206）

2020年9月，中國宣布力爭于2030年前達到二氧化碳排放峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和，向世界展現(xiàn)了中國推動構(gòu)建人類命運共同體的責任擔當。全球約75%的溫室氣體排放來源于能源使用，油氣行業(yè)作為重要的排放來源，綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展已迫在眉睫[1-3]，為此，國外大型油公司和油服公司均采取了一系列綠色低碳轉(zhuǎn)型策略。其中，以BP、殼牌、埃尼公司為代表的歐洲油公司的低碳轉(zhuǎn)型態(tài)度激進，主張大幅削減油氣產(chǎn)量和煉廠產(chǎn)能，迅速拓展新能源價值鏈，側(cè)重發(fā)展光伏、風能、太陽能、氫能等新能源業(yè)務[4]； 以埃克森美孚、雪佛龍為代表的北美油公司仍然看好傳統(tǒng)油氣市場的長期需求增長，采取了堅持以油氣為主營業(yè)務，最大化利用現(xiàn)有資源，提升油氣業(yè)務價值鏈，依托現(xiàn)有競爭優(yōu)勢發(fā)展CCUS、地熱、氫能等低碳能源的策略[5]。斯倫貝謝、哈里伯頓和貝克休斯等國際大型油服公司在升級改造傳統(tǒng)石油工程技術的基礎上，將新能源業(yè)務作為新的業(yè)績增長點，期望逐步向能源科技型公司轉(zhuǎn)型發(fā)展[6]。斯倫貝謝公司采用合作研發(fā)、投資收購等方式，在氫能、CCS、地熱和鋰電池制造等領域工程技術得到迅速發(fā)展，均處于現(xiàn)場先導試驗階段。哈里伯頓公司通過采用替代傳統(tǒng)柴油燃料、提高電機設備效率、推進裝備電動化和升級數(shù)字化技術等措施，減少工程作業(yè)過程中的溫室氣體排放，來減輕對環(huán)境的影響。貝克休斯公司通過采取高效動力、數(shù)字技術、油田排放管理高效解決方案和智能資產(chǎn)優(yōu)化管理等措施，來解決排放源減排的問題。

為了實現(xiàn)碳中和目標，我國也加快對低碳技術研發(fā)、低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展的投資，碳排放管理和服務逐漸興起，低碳和減排技術逐漸推廣應用，低碳產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，低碳經(jīng)濟增長顯著加快[2]，但是與國外油公司及油服公司相比，技術水平與管理模式的差距仍然較大。為此，在分析國外石油工程碳減排技術及其作業(yè)管理發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，提出了對我國石油工程行業(yè)碳減排技術發(fā)展的幾點啟示，為我國油氣行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展提供借鑒。

1 國外石油工程碳減排技術現(xiàn)狀

石油工程碳減排技術，是指通過集成或改進現(xiàn)有工程技術、引入新一代信息技術，從而提高作業(yè)效率、降低故障率，進而縮短作業(yè)時間、減小同等條件下工程作業(yè)的能源消耗因而獲得碳減排效應的裝備及工程技術[7-8]。目前，在電動化裝備推廣、井下工具研發(fā)、高性能井下流體研制、先進鉆井技術和信息化技術等方面，均取得較大進展。

1.1 電動化裝備快速推廣

地面裝備在作業(yè)過程中的碳排放量與其采用的動力源直接相關。電動化裝備用電作動力，可以避免或減少柴油機的二氧化碳排放，進而獲得減碳效應。目前，國外已經(jīng)開發(fā)出電動鉆機、混合動力鉆機以及電動壓裂系統(tǒng)并進行了推廣應用，取得了不同程度的碳減排效果。

1）電動鉆機。與傳統(tǒng)的柴油鉆機相比，電動鉆機以柴油發(fā)電機組或網(wǎng)電作為動力源，通過電傳動裝置驅(qū)動鉆井裝備，傳動效率和可操作性大大提高，燃料消耗、噪音和粉塵污染都大幅降低[9]。目前，電動鉆機廣泛采用交流變頻調(diào)速電動機驅(qū)動方式，也是石油機械最好的動力供給方式。美國NOV公司和IRI公司、加拿大Dreco公司、德國西門子公司等均研制出交流變頻頂部驅(qū)動系統(tǒng)。NOV公司基于交流變頻驅(qū)動系統(tǒng)的單速齒輪傳動機構(gòu)，研制了TDS-8型、TDS-10型和TDS-1000型等3種交流變頻頂驅(qū)裝置，其中，TDS-8型電動頂驅(qū)既可用于海上鉆機，又可用于大型陸地鉆機；TDS-10型電動頂驅(qū)則適用于中小型陸地鉆機、海上平臺鉆機和自升式平臺鉆機；TDS-1000型電動頂驅(qū)則主要用于深井鉆機。加拿大Canrig公司生產(chǎn)出5種型號的交流變頻頂驅(qū)裝置，具備變速和矢量控制功能，既可以使輸出的扭矩具有平衡性，又具備較寬的調(diào)速范圍。

2）混合動力鉆機。單臺柴油機組的能量轉(zhuǎn)換效率和污染排放水平與機組負載狀態(tài)密切相關，大部分作業(yè)情況下，鉆機控制系統(tǒng)很難保證每臺柴油發(fā)電機組都處于最佳負載狀態(tài)，從而導致能源浪費和高污染問題。為此，國外引進了鋰電池儲能技術，利用混合動力管理系統(tǒng)來調(diào)節(jié)機組負載配置，從而提高鉆機運行效率，降低碳排放量。2018年，美國Patterson-UTI公司研制了全球首臺柴油機組+鋰電池組的混合動力APEX鉆機，利用動力管理系統(tǒng)（GenAssist）實現(xiàn)柴油機組和鋰電池組負載的最優(yōu)配置，當鉆機動力需求與柴油機組輸出功率不匹配時，鋰電池組主動介入，參與儲能或釋能，在保證鉆機動力平穩(wěn)輸出的前提下提高燃油效率。挪威Seadrill公司在West Mira超深水鉆井平臺上使用了4組鋰電池儲能模塊，柴油消耗量降低了42%，二氧化碳排放量減少15%。

3）全電動壓裂系統(tǒng)。壓裂增產(chǎn)過程中，常規(guī)壓裂系統(tǒng)采用柴油機組作為動力源，需要耗費大量的柴油，導致能耗高、污染大，為此，國外開展了電動壓裂系統(tǒng)研究。2020年，哈里伯頓公司推出了業(yè)內(nèi)首個全電動壓裂系統(tǒng)（見圖1），該系統(tǒng)主要由ZeusTM電動壓裂泵、ExpressBlendTM電動混砂車系統(tǒng)、技術指揮中心（tech command center，簡稱TCC）、電動試井單元和供電、供水等輔助設備組成[10]。ZeusTM電動壓裂泵在業(yè)內(nèi)率先實現(xiàn)了3.498 m3/min排量下能持續(xù)提供3 675 kW的功率，由于未采用柴油機組作為動力，壓裂作業(yè)的污染物排放量大大降低，低于美國能源署的Tier 4排放標準。ExpressBlendTM電動混砂車系統(tǒng)具有業(yè)內(nèi)最少的支撐劑轉(zhuǎn)運點，有效消除了粉塵排放，且采用無放射性的支撐劑濃度測量方法，降低了安全和健康風險。此外，該混砂車系統(tǒng)還具有遠程操作功能和冗余設計，提高了裝備的自動化程度和可靠性，其最大排量和最大輸砂能力分別可達19.080 和4.955 m3/min。哈里伯頓公司將電動壓裂和電動試井作業(yè)相結(jié)合，形成了一體化完井（integrated well completions，簡稱IWC）單元，由TCC統(tǒng)一指揮。全電動TCC與電動絞車配合使用，電動絞車安裝在拖車上，采用直驅(qū)電機的動力傳輸系統(tǒng)，不再需要單獨的測井車，也不再依靠柴油機提供動力，從而有效降低了噪音污染和排放污染，且降低了因使用易發(fā)生故障的鏈條和齒輪箱導致的地面設備失效風險。IWC單元可以通過手持遙控設備或位于TCC中的常規(guī)絞車控制面板遠程操控。2021年8月，切薩皮克能源公司在 Marcellus頁巖氣區(qū)塊成功應用了哈里伯頓公司的電動壓裂系統(tǒng)和VoltaGrid LLC公司的先進發(fā)電系統(tǒng)，污染物排放減少了32%。

1.2 井下工具研發(fā)力度加大

井下工具直接關乎作業(yè)效率、作業(yè)周期和作業(yè)安全。高性能井下工具可以提高作業(yè)效率，進而縮短作業(yè)時間，減少同等條件下工程作業(yè)的能源消耗，進而產(chǎn)生減碳效應。目前，國外已經(jīng)開發(fā)出不同類型的新型PDC鉆頭和提速工具，不同程度地縮短了鉆井作業(yè)周期，從而減少了鉆井作業(yè)中的二氧化碳排放。

1.2.1 新型PDC鉆頭

國際油服公司在鉆頭智能化、個性化、定制化和長壽命等方面不斷加大研發(fā)力度，研制出種類豐富的新型PDC鉆頭，提速效果明顯。

1）脫鈷PDC鉆頭和防泥包PDC鉆頭。脫鈷工藝可以將PDC鉆頭表面的鈷通過酸蝕除掉，深度可達200 μm，可大幅降低退化風險，改善鉆頭耐熱性能。斯倫貝謝公司研制的脫鈷PDC鉆頭在印度Barmer盆地3口井的硬地層中累計鉆進2 328 m，平均機械鉆速10.7 m/h，相比普通PDC鉆頭鉆進時間減少了47%，同時鉆頭磨損較小。防泥包PDC鉆頭應用了防泥包鍍層工藝，即利用鎳磷耐磨加厚處理和電鍍處理形成強化學鍵，從而提高鉆頭表面光滑度，達到防泥包的目的。斯倫貝謝公司的防泥包鉆頭在沙特3口井進行了現(xiàn)場應用，機械鉆速比鄰井至少提高23%，單位長度鉆井費用比鄰井至少節(jié)約8%。

2）新型切削齒PDC鉆頭。史密斯鉆頭公司研制了ONYX 360°可旋轉(zhuǎn)切削齒PDC鉆頭，齒座以銅焊方式鑲嵌至刀翼位置，固定切削齒并允許其旋轉(zhuǎn)。鉆進過程中，其切削齒可360°自由旋轉(zhuǎn)，齒邊緣完全接觸地層，達到均勻磨損，從而有效延長鉆頭壽命。該鉆頭在美國Oklahoma地區(qū)研磨性極高的石英砂地層進行了應用，相比常規(guī)PDC鉆頭，單只鉆頭進尺增加了57%，機械鉆速提高了44%[11]。貝克休斯公司研制了StayCool波紋面PDC鉆頭，其波紋復合片集成了波狀輪廓的金剛石頂面、耐磨金剛石材料等，有效降低了復合片表面的摩擦力，可使鉆井過程中切削齒產(chǎn)生的熱量下降20%，有效降低了切削齒出現(xiàn)熱損壞的概率，從而延長鉆頭壽命。波紋面PDC鉆頭在 Oklahoma 地區(qū)Woodford油田硬砂巖和硬石灰?guī)r中的應用效果表明，機械鉆速提高了10%，單只鉆頭進尺增加了37%[12]。史密斯公司研制了Aegis鎧裝金剛石鉆頭，其刀翼邊緣覆蓋有一層用電子束熔融技術制成的耐腐蝕碳化鎢鋼帶，耐腐蝕性提高400%，強度提高40%[13]，有效延長了鉆頭壽命。

3）混合布齒PDC鉆頭。哈里伯頓公司研制了Crush &ShearTM混合布齒PDC鉆頭（如圖2所示），鉆頭中心的錐形牙輪可實現(xiàn)對地層的有效壓碎，移至端面的刀翼可實現(xiàn)最大的巖石剪切量，中心區(qū)域的凹陷設置有效減小了鉆頭的橫向振動，中心位置的滾子可保證壓碎地層的同時減小扭矩波動，從而使該鉆頭具有很高的破巖效率。該鉆頭在美國中部陸地油氣田進行了應用，一趟鉆完成了長度184.4 m的定向井段，平均機械鉆速達到7.53 m/h，與鄰井相比提高了25%[14]。

圖2 Crush & ShearTM混合布齒鉆頭Fig.2 The Crush & Shear TM hybrid bit

4）流道優(yōu)化型PDC鉆頭。Ulterra公司研制了SplitBlade PDC鉆頭，改進了每個主刀翼上的流道，精細設計了鉆頭臺肩和錐體上的噴嘴，有效改善了巖屑排出效果，現(xiàn)場試驗表明，機械鉆速提高了30%。Varel石油公司設計了一種新型鉆頭彎曲噴嘴，主要由內(nèi)置彎曲硬質(zhì)合金噴嘴和鋼質(zhì)保護套組成，內(nèi)置彎曲噴嘴前緣微凸，鋼質(zhì)保護套外部結(jié)構(gòu)與常規(guī)噴嘴相同（如圖3所示）。內(nèi)置彎曲噴嘴安裝在鋼質(zhì)保護套內(nèi)，便于調(diào)整射流方向，鋼質(zhì)保護套通過螺紋安裝在標準鉆頭上。該鉆頭可在不產(chǎn)生額外鉆頭壓降的前提下，延長射流等速核長度并優(yōu)化射流方向，從而改善井底流場結(jié)構(gòu)，提高井底水力能量利用效率。

1.2.2 鉆井提速工具

常見的提速工具主要包括提高破巖能量類工具和平穩(wěn)鉆井工況類工具2大類。

1）提高破巖能量類工具。它們利用軸向或周向沖擊提高破巖能量、減少粘滑振動，以提高鉆井速度，主要代表產(chǎn)品有扭力沖擊器、旋沖鉆具等。Ulterra公司的Torkbuster是最具代表性的扭力沖擊器，已在國外油田實現(xiàn)商業(yè)化規(guī)模應用，機械鉆速平均提高0.2～10.0倍，在我國塔里木、元壩、塔河等油氣田也取得良好的應用效果[15]。NOV公司的Fluid Hammer旋沖鉆具由馬達總成和沖擊短節(jié)2部分構(gòu)成，振動沖擊短節(jié)是其核心工具。鉆井過程中，鉆井液驅(qū)動上部螺桿轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，帶動花鍵心軸及下接頭一起高速旋轉(zhuǎn)，為鉆頭提供破巖扭矩；同時，下凸輪與上凸輪產(chǎn)生突變嚙合，進而產(chǎn)生突變沖擊力，為鉆頭提供破巖動力[16]。

圖3 內(nèi)置彎曲噴嘴及鋼質(zhì)保護套Fig.3 Built-in curved nozzle and steel protective sleeve

2）平穩(wěn)鉆井工況類工具。它們通過水力或機械作用，減小鉆井過程中的有害振動，保持鉆頭鉆壓、扭矩穩(wěn)定，達到提高機械鉆速和保護PDC鉆頭的目的，主要包括恒扭器、減振器、水力振蕩器等工具。Tomax公司的AST恒扭器可以有效防止粘滑振動，在20 ms內(nèi)即可平衡鉆頭所受載荷[17]，它安裝在靠近鉆頭位置，當上部鉆具的鉆壓、扭矩波動時，其芯軸相對于外殼可以螺旋進行回縮或伸出，碟簧系統(tǒng)進行相應的儲能與釋放，保證下部鉆頭的鉆壓扭矩相對穩(wěn)定，使鉆頭切削力和摩擦力保持最佳匹配狀態(tài)。AST恒扭器在北海白堊紀硬地層的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鉆井周期縮短了12 d，鉆井成本降低了15%～20%。NOV公司的Agitator減振工具由減振器、動力部分、閥片和軸承等組成，減振器進行軸向振動，使鉆柱處于運動狀態(tài)而減小摩阻、提高鉆壓傳遞效率，同時增強對工具面的控制，進而減少鉆井過程中粘滑現(xiàn)象的產(chǎn)生。該工具在越南庫隆盆地花崗巖地層中的應用效果發(fā)現(xiàn)，提速效果顯著，鉆井時間縮短了21%[18]。Scout公司SWOBT穩(wěn)壓降扭工具采用螺桿鉆具的壓耗作為振動的信號和降低鉆柱振動的動力源?；谔厥獾慕Y(jié)構(gòu)設計，該工具可根據(jù)鉆井液壓力調(diào)節(jié)長度。當鉆頭破巖扭矩增大時，鉆柱內(nèi)鉆井液壓力增大，工具長度縮短，從而減小鉆頭破巖扭矩；當鉆頭破巖扭矩減小時，螺桿鉆具產(chǎn)生較小壓耗，鉆井液壓力降低，工具長度增大，從而增大鉆頭破巖扭矩。在美國得克薩斯州WOOD公司1口井的試驗結(jié)果顯示，該工具有效降低了井下鉆柱振動，延長了鉆頭壽命，平均機械鉆速22.0 m/h，鉆井效率大幅提高[19]。

1.3 井下流體性能提升

高性能井下流體可以有效減少井塌、井漏、井噴和卡鉆等井下故障，縮短鉆井周期，提高鉆井效率，從而降低作業(yè)過程中的能耗和碳排放。目前，國外研究和應用了高性能水基和油基鉆井液體系、抗高溫水基鉆井液體系等，不同程度地降低了復雜時效，減少了鉆井作業(yè)的二氧化碳排放。

1.3.1 高性能水基鉆井液

英國MGS公司研制了Pure-Bore水溶性聚合物， 該聚合物采用特殊分子結(jié)構(gòu)設計，富含羥基、胺基等吸附基團，具有高剪切稀釋性，分子間相互交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可大幅度降低鉆井液當量密度。在分子尺度上，Pure-Bore水溶性聚合物是一種納米封堵材料，可有效封堵地層的微裂縫，降低鉆井液的濾失量。MGS公司以Pure-Bore水溶性聚合物為主劑，配制了高性能水基鉆井液體系，典型的鹽水鉆井液體系配方為：1.7% Pure-Bore+1.7% 防漏堵漏劑+5.0%KCl+25.0%NaCl+ 0.2%NaOH+重晶石。在該鉆井液體系中，Pure-Bore水溶性聚合物可以作為鉆井液的抑制劑、流型調(diào)節(jié)劑、降濾失劑和潤滑劑等，實現(xiàn)了一劑多用，有效減少了鉆井液體系的成分，易于現(xiàn)場應用和性能維護。

斯倫貝謝M-I SWACO公司研制了ULTRADRIL高性能水基鉆井液，主要處理劑包括ULTRAHIB、ULTRAFREE ROP和ULTRACAP PLUS。其中，ULTRAHIB為聚胺類頁巖抑制劑，通過黏土活性形成化學鍵，緊密堆積阻止水分子進入黏土顆粒間的孔隙，從而抑制黏土水化；ULTRAFREE ROP為表面活性劑，可包覆在鉆屑和金屬表面，可有效降低因黏土水化可能造成的卡鉆風險，從而提高鉆速；ULTRACAP PLUS為小分子量丙烯酸共聚物類頁巖抑制劑，能夠有效包裹鉆屑、抑制巖屑因水化而粘結(jié)。該水基鉆井液在阿布扎比海上油氣田進行了應用，解決了Laffan 和NahrUmr 地層的井壁失穩(wěn)問題，提前9 d鉆穿厚900 m 的非均質(zhì)層狀頁巖地層[20-21]。

1.3.2 非水基鉆井液體系

哈里伯頓公司研制的新型流型調(diào)節(jié)劑RM具有較低的生物毒性，LC50＞0.000 001 kg/L，28 d生物降解率達66.5%。該公司以RM為關鍵處理劑，配制了新型油基鉆井液體系，其流變性穩(wěn)定，溫度4.5～66.0 ℃范圍內(nèi)具有相近的動切力、靜切力和低剪切流變性，非常適合深水鉆井。

貝克休斯公司研發(fā)的非水基鉆井液體系DELTATEQ由黏土和聚合物構(gòu)成，具有可轉(zhuǎn)變的凝膠結(jié)構(gòu)，在循環(huán)停止時能夠迅速膠結(jié)，以便懸浮巖屑；在恢復鉆井液循環(huán)或下套管期間，較低壓力下凝膠破膠，可保護地層并降低漏失風險。DELTA-TEQ鉆井液在墨西哥灣的一個油氣田進行了現(xiàn)場應用，密度1.16～1.60 kg/L，流變性穩(wěn)定，能有效降低泵壓，消除流速限制，實現(xiàn)安全鉆井[22]。

1.3.3 抗高溫鉆井液體系

哈里伯頓公司以BDF-637聚合物為關鍵處理劑，研制了BaraXtreme高性能抗高溫無黏土水基鉆井液體系，該體系可以用清水或者一價的鹽水（例如氯化鈉）快速配制[23]，在溫度227 ℃時仍具有良好的黏度和降濾失性，且無需加入黏土等來維持其固相懸浮能力。

M-I SWACO公司研制的VeraTherm抗高溫水基鉆井液，在溫度超過150 ℃時仍具有良好的穩(wěn)定性和低剪切流變性，可確保井眼清潔和巖屑懸浮，綜合性能優(yōu)于甲酸鹽鉆井液和常規(guī)聚合物鉆井液。VeraVis支化聚合物是該鉆井液的關鍵處理劑，具有調(diào)節(jié)流變性與控制濾失量的雙重功能，其獨特的支化特性使其具有與常規(guī)聚合物類似的流變學性質(zhì)，但抗溫性顯著提升[24]。該鉆井液在中東某高溫探井進行了應用，在井眼內(nèi)超過7 d時仍保持穩(wěn)定的流變性，鉆進期間未發(fā)生卡鉆、井壁失穩(wěn)等井下故障，表現(xiàn)出優(yōu)異的長期抗溫穩(wěn)定性。

1.4 新型鉆井技術驅(qū)動降本提效

應用新型鉆井技術來提高鉆井速度和作業(yè)效率，降低鉆井能耗，也是減少碳排放的重要手段之一。

1.4.1 小井眼安全鉆井技術

在滿足安全成井和開發(fā)需求的前提下，采用小井眼鉆井可以大大降低鉆完井材料、返排物處理和能耗等各項費用。殼牌公司在Marcellus頁巖氣開發(fā)時應用了小井眼鉆井技術，頁巖氣井采用了小井眼三開井身結(jié)構(gòu)（如圖4所示），降本增效顯著[25]：與采用常規(guī)井身結(jié)構(gòu)的頁巖氣井相比，單井套管鋼材平均消耗從210 t降低至125 t，水泥消耗減少34%，鉆井成本顯著降低；三開井段采用φ171.5 mm 七刀翼PDC鉆頭+φ127.0 mm動力鉆具+φ114.3 mm鉆桿鉆進，配合使用井下軸向振蕩器，減少了軸向摩擦，提高了鉆壓傳遞效率及機械鉆速，同時，在不影響切削效率的前提下，增大了排屑槽面積，降低了切向和徑向作用力，延長了鉆頭壽命；采用新型頂驅(qū)控制系統(tǒng)，其動態(tài)旋轉(zhuǎn)控制裝置緩解粘滑效應，軸向振動裝置可減小軸向摩擦而提高鉆壓傳遞效率。

圖4 Marcellus頁巖氣井小井眼井身結(jié)構(gòu)設計Fig.4 Casing program design for slim wellbore of Marcellus shale gas wells

1.4.2 微井眼安全鉆井技術

微井眼是指直徑小于88.9 mm的井眼，一般應用連續(xù)油管或高壓水射流鉆進，徑向水平井鉆井技術、高壓磨料噴射鉆井技術和魚骨井增產(chǎn)技術等均屬于微井眼鉆井技術[26-29]。與常規(guī)井眼相比，微井眼具有直徑小、鉆井裝備功率低和地層破巖量少等特點。相比傳統(tǒng)鉆井方式，微井眼鉆井不需接單根，可以不間斷鉆進，易實現(xiàn)井底壓力的穩(wěn)定和有效控制，且地面鉆機和井下工具更容易實現(xiàn)電動化，有利于降低能耗和碳排放。目前，國外連續(xù)油管微井眼鉆井地面裝備逐步成熟，配套工具基本完善，自動化程度較高，微井眼環(huán)空壓耗與攜巖、連續(xù)管屈曲與自鎖等基礎理論已基本形成，“精準化、集成化、實時化和智能化”的發(fā)展趨勢明顯；徑向水平井的鉆進長度最長可達100 m，鉆壓施加方式以液力加壓和噴頭自進為主。挪威Fishbones AS公司研發(fā)的裸眼完井魚骨井增產(chǎn)技術最多可形成多達400個φ12.0 mm的側(cè)向分支井眼，目前已在煤層氣直井、碳酸鹽巖水平井和致密砂巖水平井中得到廣泛應用，該技術可使碳酸鹽巖水平井產(chǎn)量提高8.3倍[30-31]。

1.4.3 激進參數(shù)鉆井技術

激進參數(shù)鉆井是指在現(xiàn)有鉆機及其配套設備條件下，通過調(diào)配鉆井泵，優(yōu)選鉆頭、螺桿等鉆井工具，強化鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓和排量等鉆井參數(shù)，達到提高鉆井速度和作業(yè)效率的一種鉆井技術。目前，該技術已在國外頁巖油氣開發(fā)中廣泛應用，國內(nèi)也正在大力推廣，大幅提高了作業(yè)效率，降低了鉆井成本。2016年開始，Range公司在 Marcellus頁巖氣區(qū)塊推廣激進參數(shù)鉆井技術，配套了2臺1 470 kW的超大功率鉆機，推出了高效鉆機5項入門標配：全交流變頻電動鉆機，2～3臺1 100 kW雙燃料發(fā)電機，絞車功率1 100～1 470 kW；頂驅(qū)額定載荷500 t，最大持續(xù)鉆井扭矩50.8 kN·m；3臺1 176～1 470 kW（φ114.3 mm缸套，最大工作壓力為52 MPa）鉆井泵+振動篩；循環(huán)系統(tǒng)壓力等級52 MPa；鉆機全負重步進式井間或平臺間自主搬遷（72 h平臺間移動）。在提高鉆井裝備性能的同時，采用高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆進，將鉆井泵的額定壓力由35 MPa增加至53 MPa，鉆壓控制在120～200 kN，轉(zhuǎn)速控制在110～200 r/min，排量控制在33 L/s，造斜率控制在（10°～12°）/30m，鉆井泵泵壓控制在35 MPa左右。該公司應用激進參數(shù)鉆井技術后，鉆井提速效果明顯，鉆井速度由2012年的79.25 m/d提高至2018年的329.18 m/d，單位長度水平段的鉆井成本降低了69%。

1.5 信息技術與工程技術逐漸融合

大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等信息技術在石油工程中的應用越來越普遍，有力推動了石油工程技術的發(fā)展[32-33]：一方面推動石油工程產(chǎn)業(yè)向少人或無人化方向發(fā)展，加速全產(chǎn)業(yè)鏈的一體化融合；另一方面有助于鉆井參數(shù)和壓裂參數(shù)優(yōu)化，提高作業(yè)效率，進而降低能耗和實現(xiàn)碳減排。

為了有效收集、管理和應用各種數(shù)據(jù)，康菲石油公司構(gòu)建了基于大數(shù)據(jù)的人工智能分析平臺（IDW）[34]，如圖5所示。該平臺是一個涉及多部門的集中式數(shù)據(jù)存儲中心，將地質(zhì)、油藏、鉆井、開發(fā)和生產(chǎn)運行等不同數(shù)據(jù)庫進行整合，實現(xiàn)跨功能集成。該平臺在美國鷹灘頁巖油氣區(qū)的應用效果表明，鉆井周期平均縮短50%，單井產(chǎn)量平均提高20%。斯倫貝謝公司基于微軟Azure云計算平臺和Azure Stack混合云平臺開發(fā)了DELFI勘探開發(fā)信息平臺[35]，利用機器學習、大數(shù)據(jù)分析、可視化和高性能計算等數(shù)字化技術，更大范圍、更大程度地增強地球物理、地質(zhì)、油藏工程、鉆井完井和生產(chǎn)領域之間的互通性，打破學科界限，真正實現(xiàn)上下游一體化。

圖5 人工智能分析平臺（IDW）應用效果及優(yōu)勢Fig.5 Application effect and advantage of artificial intelligence analysis platform Integrated Data Warehouse(IDW)

BP公司將增強現(xiàn)實（augmented reality，簡稱AR）眼鏡應用于智能巡檢中，巡檢人員可以通過AR眼鏡讀取傳感器信息，并與后方專家進行實時溝通，專家可遠程指導巡檢人員處理設備問題[36]。麻省理工大學與埃克森美孚公司合作研發(fā)了水下機器人，在海底緩慢移動的同時收集地震數(shù)據(jù)，并利用機器學習算法提高勘探的準確性，改變了潛水員和地質(zhì)分析師從事水下勘探的傳統(tǒng)方式。為應對惡劣極端環(huán)境下的井場巡檢和硫化氫檢測等問題，殼牌公司研發(fā)了Sensabot遠程操控機器人，通過配備照相機、氣體檢測器和熱成像儀等一系列設備，Sensabot具有自動導航、自主避撞和數(shù)據(jù)自動處理等功能[37]。沙特阿美公司的奧斯曼尼亞天然氣工廠被譽為“燈塔工廠”，利用先進的人工智能解決方案實現(xiàn)了工廠智能化和少人化，利用無人機和可穿戴技術進行管道檢測和設備維護，將人工工作時間減少了90%[38]。

2 碳減排石油工程作業(yè)管理現(xiàn)狀

石油工程作業(yè)管理方式關乎不同技術環(huán)節(jié)協(xié)同和流程優(yōu)化等諸多方面，高效的作業(yè)管理方式可以充分釋放技術及其組合的效能，大幅提高生產(chǎn)時效、改善應用效果，進而促進石油工程節(jié)能減排和低碳發(fā)展。為此，國外大型油服公司不斷優(yōu)化石油工程作業(yè)管理方式，在地質(zhì)工程一體化及“工廠化”鉆井模式方面取得較大進展。

2.1 地質(zhì)工程一體化不斷深化

2010年以來，在石油工程技術進步的基礎上，地質(zhì)工程一體化理念的成功應用促進了美國頁巖氣產(chǎn)量的爆發(fā)式增長。地質(zhì)工程一體化的實質(zhì)是管理革命，核心是實現(xiàn)地質(zhì)和工程跨學科、跨部門多元合作，通過優(yōu)化技術參數(shù)和優(yōu)化管理流程提高作業(yè)效率、降低單位油氣生產(chǎn)成本[39-41]。斯倫貝謝公司將地質(zhì)工程一體化理念應用于Permian盆地的頁巖氣開發(fā)，鉆井費用下降40%，完井效率提高近1倍，壓裂有效性提高35%，最終可采儲量（EUR）提高20%以上。不同區(qū)塊的地質(zhì)工程一體化應用模式不盡相同，但歸結(jié)起來主要表現(xiàn)在：數(shù)據(jù)與工作平臺一體化作為基礎，多學科多專業(yè)融合一體化作為核心，建模與數(shù)模一體化作為關鍵，管理與協(xié)作模式一體化作為保障。

2.2 “工廠化”鉆井模式逐漸成熟

“工廠化”鉆井模式是指在同一平臺布置多口井，使用標準化的裝備和流程，在系統(tǒng)化、標準化部署和設計的基礎上，進行專業(yè)化、流水線式的服務與施工，形成批量化、規(guī)?；淖鳂I(yè)模式。與普通鉆井模式相比，“工廠化”鉆井模式可以最大程度地提升鉆井裝備的有效動用時間和操作人員的有效工作時間，推進資源利用最大化，最大程度地降低成本和提高作業(yè)效率。目前，北美已形成較成熟的“工廠化”鉆井模式[42]：1）“工廠化”平臺部署與井場優(yōu)化設計，綜合考慮三維地震資料、區(qū)域鉆井地質(zhì)環(huán)境因素描述資料、壓裂模擬結(jié)果等多個因素，統(tǒng)籌部署“工廠化”鉆井平臺，優(yōu)化鉆井平臺數(shù)量、布井方式、井眼軌道等，從而實現(xiàn)井網(wǎng)覆蓋儲層的最小井場面積；2）管理模式優(yōu)化，建立統(tǒng)一的技術標準、統(tǒng)一的管理制度和統(tǒng)一的施工流程，打破傳統(tǒng)鉆井方式的限制，實現(xiàn)人與物的最優(yōu)化組合；3）配套裝備優(yōu)化，普遍采用移動式鉆機，在橫向和縱向上均可移動，搬遷時只需移動鉆機即可，節(jié)約了鉆機搬遷時間和設備安裝時間。北美不同地區(qū)油氣井應用“工廠化”鉆井模式后，鉆井周期均得到縮短，從而達到減少能源消耗及二氧化碳排放的效果。例如，加拿大地樺頁巖氣項目平均儲層深度約2 500 m，叢式井應用“工廠化”鉆井模式，每個井場鉆24口井，占地220 m×200 m，平均單井應用鉆頭數(shù)量減少超過83%，鉆井周期縮短76%；同等條件下，有效減少了鉆井作業(yè)中的二氧化碳排放。

3 對我國石油工程碳減排技術發(fā)展的啟示

目前，我國油氣供需矛盾依然突出，這就要求石油公司在碳中和約束下持續(xù)加大油氣勘探開發(fā)力度。石油工程作為油氣上游主要的碳排放來源，直接影響著油氣行業(yè)“雙碳”目標的實現(xiàn)。目前，我國主要采取應用更清潔的電能、提高能源利用效率和借助數(shù)字化技術等3項措施來實現(xiàn)石油工程碳減排，并取得一定進展：使用網(wǎng)電鉆機，減少鉆井作業(yè)的二氧化碳排放；使用全電動壓裂裝備及配套技術，減少壓裂作業(yè)的二氧化碳排放；開發(fā)小型液壓蓄能修井機，減少修井作業(yè)的二氧化碳排放；擴大飛輪儲能裝置配合天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機的應用規(guī)模，提高能源利用效率；構(gòu)建數(shù)字化生產(chǎn)指揮及遠程決策系統(tǒng)，提高生產(chǎn)運行效率，減少二氧化碳排放。上述3項措施雖然總體與國外的措施相似，但裝備和技術的成熟度和應用效果存在較大差距。若要推動我國石油工程作業(yè)的碳減排，實現(xiàn)石油工程碳減排技術大發(fā)展，根據(jù)國外石油工程碳減排技術和作業(yè)管理發(fā)展現(xiàn)狀，可以得到以下幾點啟示：

1）要重視傳統(tǒng)石油工程碳減排技術研發(fā)與應用，做好頂層設計。短時間內(nèi)，碳減排技術仍是石油工程實現(xiàn)“雙碳”目標的基礎。在能源體系和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)全面轉(zhuǎn)型、深度零碳和負碳技術全面成熟應用之前，應繼續(xù)加強傳統(tǒng)石油工程碳減排技術的研發(fā)與推廣應用，充分發(fā)揮碳減排技術的基礎性作用。在全球積極應對氣候變化的大背景下，國外大型石油企業(yè)已紛紛進行了碳中和戰(zhàn)略布局，制定了分階段的實現(xiàn)凈零碳排放的戰(zhàn)略路徑。因此，國內(nèi)石油公司應盡早制定石油工程碳減排技術發(fā)展專項規(guī)劃，強化碳減排技術研發(fā)和推廣力度，建立石油工程碳減排問題統(tǒng)一管理的歸口部門，將碳減排任務與經(jīng)濟效益、考核指標掛鉤，不斷提升企業(yè)和員工的減排積極性。

2）要加大碳減排工程技術創(chuàng)新力度，促進石油工程業(yè)務低碳化。國外大型油服公司一直重視石油工程碳減排新技術研發(fā)，不斷加大低碳工程技術投資力度，以減少石油工程業(yè)務的碳排放。因此，國內(nèi)石油公司要逐步淘汰高能耗、低效率的油氣裝備，加快地面裝備電動化改造速度，通過氫-電互補減少石油工程領域二氧化碳的排放量，研制新型PDC鉆頭和鉆井提速工具，提升井下流體性能，推廣應用新一代低成本、高效率鉆完井技術，加大大數(shù)據(jù)、人工智能和云平臺等信息技術的融合創(chuàng)新力度，發(fā)展智能鉆完井技術，以不斷提高機械鉆速，降低井下故障發(fā)生率，縮短作業(yè)時間，減少能源消耗和碳排放。

3）要持續(xù)優(yōu)化石油工程管理模式，保障碳減排目標順利實現(xiàn)。北美頁巖氣革命表明，采用先進的石油工程管理模式可有效實現(xiàn)提質(zhì)、提速、提效、提產(chǎn)、降本，但簡單復制國外的石油工程管理模式卻并不一定滿足我國頁巖油氣高效勘探開發(fā)的需求。因此，應本著“因地制宜、試點先行”的原則，進一步解放思想、堅定信心，加快探索和實施地質(zhì)工程一體化、“工廠化”鉆井等先進的作業(yè)管理模式，保障資源高效利用、施工高效作業(yè)、裝備高效運轉(zhuǎn)和信息高效利用，實現(xiàn)“打成井、打好井、打快井”的目標，不斷提高作業(yè)效率，以保證碳減排目標的順利實現(xiàn)。

4）要加大內(nèi)部政策扶持力度，加速推進石油工程碳減排體制機制和人才隊伍建設。充分利用國家和行業(yè)相關扶持政策，探索以石油工程現(xiàn)場作業(yè)、施工單位和科研院所為依托，與國內(nèi)外頂尖油服公司、信息企業(yè)、高等院校聯(lián)合籌建石油工程碳減排技術重點實驗室，提供專項資金支撐石油工程碳減排業(yè)務發(fā)展。同時，需加快石油工程碳減排技術人才梯隊建設，通過吸引海內(nèi)外高層次人才和創(chuàng)新團隊，形成結(jié)構(gòu)優(yōu)化的石油工程碳減排人才梯隊。

4 結(jié)束語

我國短期內(nèi)對油氣的依賴不會降低，油氣安全仍是影響能源安全的核心要素?！半p碳”目標的提出，對石油工程行業(yè)既是挑戰(zhàn)也是機遇。在零碳和負碳技術全面推廣應用之前，持續(xù)提升石油工程技術水平，以技術創(chuàng)新帶動效率和效益提升，仍將是石油公司實現(xiàn)碳減排的基本途徑。加快地面裝備電動化進程，提升井下工具、井下流體性能，加速新型高效、低成本鉆完井技術推廣應用，加強新一代信息技術與石油工程的融合創(chuàng)新，優(yōu)化石油工程作業(yè)管理模式，對于優(yōu)化工程作業(yè)參數(shù)、提高作業(yè)效率、減少能耗和碳排放具有重要現(xiàn)實意義。著眼長遠，順應能源低碳轉(zhuǎn)型大勢，研發(fā)新型能源工程技術，拓展石油工程減碳技術邊界，助推油氣行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的同時，為全社會實現(xiàn)碳中和儲備相關工程技術具有重要戰(zhàn)略意義。