陸地石油鉆井裝備技術現狀及發展方向探討*

王定亞 孫 娟 張茄新 張繼環 高龍崗

(寶雞石油機械有限責任公司；國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心 )

0 引 言

2020年以來，“疫情+低油價”為全球石油行業的發展帶來了嚴重的創傷，在此危機下，催生新科技以達到提質增效、促進技術不斷進步則顯得更有價值和意義?？v觀我國石油裝備的發展歷史，我國大型石油鉆井裝備的研制自20世紀60年代開始，歷經60年風雨，從研制方法來說，石油鉆井裝備先后經歷了仿制、部分研制、自主研制到創新研制4個階段；從技術路線而言，石油鉆井裝備從柴油機機械驅動起步，歷經直流電驅動、機電復合驅動、交流變頻電驅動直到當前的管柱自動化鉆機，并經產品從小到大、系列化和多類型發展完善，才逐漸形成了當今全球制造規模最大、型號品種多樣的產品發展格局，可以說這其中凝結了幾代石油人的心血和智慧，一路走來，實屬不易。但隨著當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展時代是必須要認真研究的一個重大問題。

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

1 石油鉆井裝備國內外技術發展現狀

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

1.1 國外先進鉆井裝備技術現狀

近年來，在世界石油鉆井裝備的發展方面，以部分歐洲國家和美國等為代表的發達國家充分利用自動化、信息化、數字化及快捷化等技術手段，大力改進提升鉆井裝備技術性能，先后研制了多種形式、特色鮮明、性能優良的鉆井裝備，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, 適應鉆井深度可達到5 000 m，已在我國川渝地區鉆井現場應用了5年多，鉆機自動化程度高，現場使用效果良好。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，并通過液壓頂驅配合鐵鉆工來完成接鉆柱過程，無需配備常規的二層臺裝置，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連續運動鉆機，提升載荷達7 500 kN ，鉆機的設計理念打破了傳統思維，配備有獨立建立根系統，鉆柱可實現不間斷連續運動，滿足連續循環鉆井工作需要，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鉆機具有結構緊湊、體積小和搬家速度快等顯著優點，整套鉆機全部采用模塊化設計，可拆分成19個可用標準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快速移動，整套鉆機配備有區域管理系統和安全聯鎖裝置，可將反彈撞擊的風險降至最低。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動，鉆機設計配套有獨立建立根系統，可實現管柱全流程自動化操作，具有管柱運送平穩，各操作設備動作銜接準確、快捷等特點[2-3]。另外，通過現場實地考察，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。該鉆機功率設計為1 103 kN，鉆井深度為5 000 m，其操控系統設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，司鉆系統內置各種傳感器超過1 000個，主要對鉆機安全狀態、設備健康狀態、設備運行狀態和作業流程等進行全方位監測，并研制出了“DrillPlan”平臺，以實現整套鉆機的虛擬數字化控制，設計理念超前。

1.2 國內先進鉆井裝備技術現狀

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

1.2.1 超深井四單根立柱鉆機技術

近年來，圍繞新疆庫車山前特殊地質地貌特征，我國已先后為新疆塔里木地區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，目前已完成7口超深井作業，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難題，開發了推扶小鉆具三單根立柱和復合式(懸持+推扶)大鉆具四單根立柱的立柱組合排放技術，并于2020年2月開始在新疆塔里木地區開展工業性試驗，目前已進入3開作業，現場應用表明，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

根據中石油提出的 “六年三代”鉆機發展規劃，國內由寶雞石油機械有限責任公司(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，目前已推廣應用了60多套，其技術特點主要表現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備，基本替代了繁重的人力作業，實現了二層臺高位無人值守，減人增效，確保了現場操作的安全性[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測等關鍵技術，可望于2020年年底完成制造和工廠內部試驗。

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。該鉆機設計鉆深能力3 000 m，目前已完成20多口井的鉆井作業，鉆機的控制自動化和操作安全性等獲得了油田現場使用者的高度評價。該鉆機在結構設計方面的突出優點是無二層臺裝置，無立根排放系統，超長鉆桿的輸送通過旋轉機械臂從低位直接抓舉輸送至鉆臺面，交給頂驅后由鐵鉆工來完成上卸扣作業。除此之外，該鉆機還配套了國產的直驅頂驅、直驅鉆井泵和直驅絞車等關鍵裝備，確保整套鉆機操作過程簡單、高效。另外，根據市場發展需要，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計研發工作，其中已開發的ZJ40DT鉆機配備有雙單根立柱排放系統，主機采用輪式拖掛移運結構，目前已完成產品試制，準備發往油田進行工業性試驗。

1.2.4 穩壓力大排量鉆井泵技術

隨著噴射鉆井、水平鉆井、海洋鉆井和復雜難鉆井等鉆井工藝的發展變化，國內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性推廣應用，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

根據中東地區沙漠特殊作業環境需要，國內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)等企業先后為阿聯酋和科威特等地區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主機直立移運，節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

近年來，國內寶石機械和航天宏華等公司先后針對俄羅斯極寒冷地區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軌上的油缸拉動來實現整套鉆機的移動，非常方便。另外，為了保溫，在鉆臺面下方、電控房、泵房和固控區等采用全封閉式結構，房體內配有鍋爐和電熱器等加熱設施，鉆臺面四周設有擋風墻等，可以滿足-45 ℃極地環境下的作業要求和-60 ℃環境下的設備存儲要求[11]。目前該鉆機已通過俄羅斯北極地區冬季嚴寒天氣的考驗，其設計性能完全滿足極地環境工作要求。

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，主要表現在大型裝備集成配套技術、鉆機自動化研發技術、鉆機搬家快速移運技術及超深井裝備研究技術等方面，但認真分析對比，我國仍然在產品設計理念、產品配套技術能力及卡脖子核心技術研究方面與國外還存在較大差距，需要不斷加大研究力度，力爭早日實現突破。

2.1 鉆井工具的研發工作需要不斷加強

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

2.2 自動化產品的應用研究仍需要深化

我國雖然已經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，但與國外同類產品相比，創造性成果較少，結構形式相對單一，系統集成水平不夠，尤其在產品的穩定性和可靠性等方面還存在一定的差距，仍需在結構創新和優化提升方面加大力度。

2.3 智能化鉆井技術研究需要加快速度

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

2.4 核心元器件研發工作需要強力推進

核心關鍵配套元器件與國外差距較大，已成為制約國內鉆井裝備發展的瓶頸，尤其涉及鉆機配套必須的柴油發電機組、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，需要發揮各個行業的優勢，舉全國之力開展重點技術攻關，特別在產品可靠性、安全性和耐久性方面需要不斷提升，力爭在較短時間內取得突破性進展，大力支撐國產裝備健康發展。

3 未來鉆井裝備的發展方向和建議

結合當前國際油氣行業總體發展形勢和我國宏觀經濟對油氣勘探開發的發展需要來判斷，預計未來石油鉆井裝備將朝以下幾個方向發展。

3.1 常規裝備將逐漸向標準化方向發展

按照中石油提出的鉆機“四化”方針，即“機械化、標準化、信息化、專業化”目標，推廣鉆機結構型式的規范化、配套內容的標準化等，既滿足了產品規?；l展的需要，同時也對裝備企業和鉆探公司提質增效帶來了效益。一方面，裝備企業達到了一次性設計、統一配料、批量連續投產的目的，另一方面，由于產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，建議我國應持續加大該項工作的推進力度，節約資源，降本增效。

3.2 石油裝備將向深井特深井方向發展

為了解決經濟快速增長和陸地已勘探開發油氣資源不足的矛盾，迫使人們必須在特殊區域、更深層次的地域進行勘探開發作業。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石油鉆探企業加強大型化特深井鉆井的信心和決心，預計未來幾年，石油裝備向超深井和特深井發展已成為必然趨勢。這就需要科研人員提前做好調研分析工作，并將其作為當前和今后一段時間的重點攻關工作。

3.3 向特殊地層地貌發展必將加快速度

隨著常規地層油氣當量的不斷減少，鉆井會逐漸向高原、高山、沼澤等特殊地貌和高溫、高壓、復雜地質構造區域發展延伸，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，研究和開發適應不同區域和地層鉆探要求的鉆井裝備，必將成為今后裝備發展的一個新目標和方向。為此，建議裝備研發工作應盡早聯合地質和鉆探等多學科一起開展攻關，做好深入的研究工作，為滿足國家油氣增長需求打下基礎。

3.4 不斷向快捷綠色環保節能方向發展

受制于當前石油鉆井裝備體態龐大、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境和地層的污染等帶來的諸多影響，特別是國家在綠色環保方面出臺的多項政策限制，未來石油鉆采裝備向綠色、環保、節能、輕量化等方向發展將成為主流[15]。為此，科研及管理人員都應從思想觀念上、設計理念上以及技術方法上擯棄舊理念，適應新形勢和新變化。

3.5 向自動化和智能化發展已成為定局

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

4 結 論

(1)對國外全液壓自動化鉆機、連續運動鉆機、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現狀與我國在自動化、快速移運、深井超深井及超低溫作業環境鉆井裝備現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、自動化產品應用研究、智能化鉆井技術及鉆井裝備核心元器件研發等方面與西方發達國家還有較大的差距。

(2)通過對未來鉆井裝備發展趨勢的分析預測，提出了我國鉆井裝備應進一步向標準化配置技術、深井超深井鉆井技術、特殊環境和特殊地域鉆井技術、綠色環保節能鉆井技術、全自動化和智能化鉆井技術發展等5點建議。