工廠化鉆機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢研究

李凱, 周天明, 吳衛(wèi)周, 張虎山, 陸俊康

（1.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)中心，陜西寶雞721002；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002）

0 引言

近幾年來，深水油氣、頁巖油氣等低滲透致密油氣資源逐漸成為世界油氣工業(yè)開發(fā)的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)[1-2]。在此背景下，圍繞著如何經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)這些資源，客觀上推動(dòng)了深水鉆機(jī)、叢式井鉆機(jī)及工廠化鉆機(jī)等技術(shù)的發(fā)展。

工廠化鉆機(jī)針對低滲透致密性等非常規(guī)油氣資源的開發(fā)已經(jīng)取得了成功[3-4]，不僅提高產(chǎn)量，而且降低開發(fā)成本，目前已在全球范圍內(nèi)開始推廣應(yīng)用。近年來，在國內(nèi)開始了工廠化作業(yè)實(shí)踐，如長慶蘇里格采用鉆機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)了以蘇里格氣田為代表的油氣資源經(jīng)濟(jì)有效的開發(fā)[5]。在國外，應(yīng)用工廠化鉆機(jī)美國致密油年產(chǎn)量從2008年的2000萬t增至2014年的1.6億t，極大降低了原油對外依存度[6]。且根據(jù)調(diào)查報(bào)告表明：國內(nèi)頁巖等致密油氣的單井造價(jià)最高達(dá)7000萬元人民幣，成本是美國的2倍，在產(chǎn)量上更不具備優(yōu)勢[7]。工廠化鉆機(jī)成為油氣開發(fā)降本增效的重要手段，同時(shí)也極大提高了鉆機(jī)的自動(dòng)化水平，因此工廠化鉆機(jī)在我國迫切需要發(fā)展和推廣。

1 技術(shù)特點(diǎn)

工廠化鉆機(jī)通過批量化流水線作業(yè)實(shí)現(xiàn)油氣資源開發(fā)的降本提效。通過分析國內(nèi)外在用的工廠化鉆機(jī)，指導(dǎo)和推動(dòng)我國非常規(guī)油氣開發(fā)鉆機(jī)的研制和發(fā)展。其主要的技術(shù)特點(diǎn)有：1）系統(tǒng)高度集成性。Sparta鉆機(jī)（如圖1）集成先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備,能夠快速實(shí)現(xiàn)井間移運(yùn)，在北美地區(qū)頁巖氣資源開發(fā)中占據(jù)了主導(dǎo)地位，同時(shí)該鉆機(jī)還符合嚴(yán)格的運(yùn)輸條件限制。2）井間快速移動(dòng)性。配備滑移系統(tǒng)，滿立根井間快速移動(dòng)。美國Rodgers Technology公司的Versa鉆機(jī)（如圖2），只需1 h即可實(shí)現(xiàn)井間或井組間移運(yùn)，從鉆機(jī)拆卸到鉆機(jī)安裝也只需12 h左右；相對于傳統(tǒng)鉆機(jī)井間移運(yùn)需3~4 d，極大降低了作業(yè)時(shí)間。3）防噴器快速裝卸。快速裝卸和移動(dòng)防噴器組，縮短作業(yè)時(shí)間。4）批量流水線作業(yè)。對多口井進(jìn)行流水線批量化作業(yè)，極大縮短作業(yè)周期。5）自動(dòng)化設(shè)備。配備管柱處理等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)作業(yè)過程中的高度自動(dòng)化。北美地區(qū)主要用于頁巖油氣資源開發(fā)Savanna鉆機(jī)（如圖3），其配備管柱系統(tǒng)等自動(dòng)化設(shè)備；不僅作業(yè)安全性高，且通過精密控制大大提高鉆機(jī)效率，作業(yè)優(yōu)勢比較明顯。

圖1 Sparta鉆機(jī)

圖2 Versa鉆機(jī)

2 工廠化鉆機(jī)國內(nèi)外現(xiàn)狀

工廠化鉆機(jī)正孕育著油氣生產(chǎn)行業(yè)的深層變革，國內(nèi)外對工廠化鉆機(jī)作業(yè)都進(jìn)行了一定的研究和實(shí)踐活動(dòng)，下面分別進(jìn)行總結(jié)。

2.1 國外情況綜述

圖3 Savanna鉆機(jī)

國外北美地區(qū)，自2007年大規(guī)模推廣應(yīng)用工廠化鉆機(jī)以后，有力推動(dòng)了該地區(qū)非常規(guī)油氣資源開發(fā)的快速發(fā)展，尤其對頁巖氣資源開發(fā)實(shí)現(xiàn)了降本增效。

1)斯倫貝謝。斯倫貝謝應(yīng)用工廠化鉆機(jī)作業(yè)，平均單井建井周期為8 d，相比較之前周期縮短了約14 d，大幅度地減少了作業(yè)時(shí)間。

2)美國水平井快速發(fā)展。美國將工廠化鉆機(jī)作為頁巖氣等非常規(guī)油氣開發(fā)的主要手段，帶動(dòng)了水平井?dāng)?shù)量快速增長；其中用于開發(fā)頁巖氣的水平井到2013年為止增至1.7萬口，占總井?dāng)?shù)約37%，如圖4所示。

圖4 美國近幾年鉆水平

2013年美國應(yīng)用工廠化鉆機(jī)鉆水平井平均井深首次突破4000 m，這一平均井深超過了中國大多地區(qū)頁巖油氣資源的埋藏深度；同年美國鉆水平井進(jìn)尺共6900萬m，占當(dāng)年全美總進(jìn)尺約59%，是直井進(jìn)尺的2倍如圖5所示。

圖5 美國近幾年鉆水平井進(jìn)尺

圖6 GES超級鉆機(jī)

3）全球能源服務(wù)公司(GES)工廠化鉆機(jī)。2010年GES公司推出了新型超級鉆機(jī)（如圖6），該鉆機(jī)不需要拆卸鉆機(jī)，就能沿同一方向打20口井，減少鉆機(jī)等停，縮短作業(yè)周期。且該鉆機(jī)搬家時(shí)只需24輛大車，比一般大型鉆機(jī)少用12輛，從而進(jìn)一步控制鉆機(jī)作業(yè)成本。

4）西南能源公司工廠化鉆機(jī)。美國西南能源公司應(yīng)用工廠化鉆機(jī)進(jìn)行頁巖氣作業(yè)，單井平均作業(yè)周期從18 d減至8 d；同時(shí)鉆水平段長度從810 m增至1500 m，整體的作業(yè)成本呈逐步下降趨勢，如表1所示。

表1 2007-2011年工廠化作業(yè)統(tǒng)計(jì)

2.2 國內(nèi)情況綜述

國內(nèi)近幾年在各大油田也進(jìn)行了一些探索實(shí)踐，初步取得了一些成效，作業(yè)周期和成本明顯降低[8-10]。

1）塔里木大小鉆機(jī)組合。塔里木油田2012年開始了工廠化鉆機(jī)作業(yè)的實(shí)踐活動(dòng)，如圖7所示，采用小鉆機(jī)打表層大鉆機(jī)二開作業(yè)的流水線模式，解放了大鉆機(jī)的同時(shí)加快了鉆機(jī)周轉(zhuǎn)速度，鉆機(jī)等停現(xiàn)象減少，縮短了作業(yè)周期，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)使用效率的提升。

2）長慶工廠化降本增效。自2013年起，長慶油田逐步實(shí)踐工廠化鉆機(jī)作業(yè)模式。蘇東三區(qū)G0-7井場施工周期縮短58 d，節(jié)約征地18畝；且鉆機(jī)井間移運(yùn)時(shí)間由3 d減到3 h，極大減少作業(yè)成本。

3）長城鉆探流水線模式。2014年長城鉆探蘇53區(qū)塊大平臺(tái)工廠化作業(yè)模式示范項(xiàng)目，如圖7所示，采用大小鉆機(jī)組合形成流水線作業(yè)，配套移運(yùn)系統(tǒng)，當(dāng)年比計(jì)劃提前50 d完工投產(chǎn)，大幅度降低了作業(yè)成本。

4）大慶垣平鉆開致密路。2012年大慶油田在垣平進(jìn)行工廠化作業(yè)，不僅單井產(chǎn)量提升而且作業(yè)成本下降。目前工廠化鉆機(jī)已成為大慶油田開發(fā)外圍致密油氣資源的有效途徑。

5）油氣田叢式井工廠化。2013年西南油氣田叢式井采用工廠化鉆機(jī)作業(yè)，建井周期同比減少56%，頁巖氣資源的開采取得了初步的成果。

圖7 大平臺(tái)工廠化作業(yè)模式

3 發(fā)展工廠化鉆機(jī)現(xiàn)狀和建議

3.1 我國工廠化鉆機(jī)的現(xiàn)狀

我國擁有較為豐富的致密油氣資源，廣泛分布于西部地區(qū)多個(gè)油氣盆地中。雖然國內(nèi)近幾年出現(xiàn)了一些工廠化鉆機(jī)作業(yè)探索實(shí)踐，也初步實(shí)現(xiàn)了作業(yè)周期的降低和作業(yè)成本的減少，但相對于國外在開發(fā)致密油氣資源已取得的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，我國的工廠化鉆機(jī)還需要進(jìn)一步推廣使用。

截至目前，國內(nèi)陸地鉆機(jī)的自動(dòng)化程度普遍不高，且配備快速移運(yùn)系統(tǒng)的工廠化鉆機(jī)數(shù)量更為缺乏。因此應(yīng)在學(xué)習(xí)國外工廠化技術(shù)的同時(shí)，研制適合國內(nèi)油氣資源開發(fā)實(shí)際需要的工廠化鉆機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)國內(nèi)工廠化鉆機(jī)大規(guī)模應(yīng)用。

3.2 工廠化新思路：陸用雙井口鉆機(jī)

在國外，大型鉆井承包商基本擁有自己的工廠化鉆機(jī)品牌，如H&P公司目前擁有將近300多臺(tái)陸地鉆機(jī)，其中工廠化鉆機(jī)占了一半。因此，我們在研發(fā)適合本國國情的工廠化鉆機(jī)時(shí)，應(yīng)鼓勵(lì)石油裝備企業(yè)發(fā)展自己的工廠化鉆機(jī)品牌。

陸用雙井口鉆機(jī)是寶石機(jī)械公司針對叢式井作業(yè)而設(shè)計(jì)的，可同時(shí)對相鄰2個(gè)井位進(jìn)行獨(dú)立作業(yè)，是為最大限度地提高叢式井作業(yè)效率而設(shè)計(jì)的一種特殊石油鉆采設(shè)備。陸用雙井口作業(yè)鉆機(jī)可作為工廠化鉆機(jī)方案的一種，為工廠化鉆機(jī)提供新的思路，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)設(shè)計(jì)的個(gè)性化和多樣化。

4 結(jié) 論

工廠化鉆機(jī)正孕育著油氣生產(chǎn)行業(yè)的深層變革，智能化、工廠化作業(yè)已成為趨勢。大力發(fā)展陸用雙井口鉆機(jī)，將雙井口鉆機(jī)發(fā)展成我國自己的工廠化鉆機(jī)品牌，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)設(shè)計(jì)的個(gè)性化和多樣化，滿足企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展需求，同時(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)我國石油裝備企業(yè)在鉆機(jī)設(shè)計(jì)行業(yè)的影響力。

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