當(dāng)前，我國油氣對外依存度已達(dá)71%和41%以上。習(xí)近平總書記明確要求“加大油氣資源勘探開發(fā)和增儲上產(chǎn)力度”“能源的飯碗必須端在自己手里”。石油鉆完井裝備服務(wù)于勘探開發(fā)和鉆完井工程需求，結(jié)合油氣資源分布、勘探開發(fā)現(xiàn)狀及工程技術(shù)發(fā)展，裝備面臨四大形勢與需求：一是基于深層（深海）的勘探開發(fā)，深井超深井（9000米以深）越來越多；二是基于非常規(guī)資源的大規(guī)?？碧介_發(fā)，長水平段水平井會大量增多；三是基于大量“躺井”的利用，開窗側(cè)鉆井會越來越多；四是基于人力資源的短缺和信息化的快速發(fā)展，裝備的“四化”會越來越快。
深井超深井勘探開發(fā)增多
在常規(guī)總油氣資源量中，深層石油、天然氣占公司常規(guī)總油氣資源量的比例較大，石油深層超深層資源量137.2億噸，占比26%；天然氣深層超深層資源量26.5萬億立方米，占比70%。近十年，全球油氣重大發(fā)現(xiàn)70%來自深水，預(yù)計(jì)未來10-20年，全球油氣產(chǎn)量一半來自海上，其中深水占35%。海上油氣已成戰(zhàn)略接替區(qū)，且井深持續(xù)突破極限。按經(jīng)典干酪根生烴模式，油氣主要分布在1500~3000米，但當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室模擬顯示，原油耐受溫度已突破150℃達(dá)230℃，對應(yīng)井深至少1萬米。
以塔科1井為例，其井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需多開次封固不同地層，面臨多重風(fēng)險(xiǎn)。深井裝備面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：深井超深井存在高溫（如天灣1井地層壓力171MPa）、高壓、窄密度窗口（易漏易噴）、高陡地層（易斜）、地層堅(jiān)硬（鉆速慢）、定向難、拉力扭矩大、循環(huán)壓耗高、感知難等問題，對井下工具、井控裝備、垂直鉆井工具、鉆頭、導(dǎo)向鉆具、鉆機(jī)、泥漿泵及數(shù)字化智能化裝備均提出極高要求。如深地川科1井面臨“七超”挑戰(zhàn)，井深10,520米，存在超大尺寸井眼、超重負(fù)荷、超高壓、超高溫、超難鉆地層、超難鉆井液保障、超多壓力系數(shù)及漏溢轉(zhuǎn)換風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)等世界級難題。
非常規(guī)開發(fā)增加水平井?dāng)?shù)量
未來新增油氣探明儲量中，低品位資源占比達(dá)95%。石油低滲-致密儲量從“十五”的68%增長到“十三五”的92%，預(yù)計(jì)未來十年占比超95%；天然氣低滲-非常規(guī)儲量從“十五”的72%增長到“十三五”的95%，未來十年占比也將超95%。在探明低品位儲量中，非常規(guī)資源量占80%以上，將是今后勘探開發(fā)重點(diǎn)，非常規(guī)井?dāng)?shù)會大幅增加。根據(jù)中國石油頁巖油氣產(chǎn)量規(guī)劃，頁巖油、頁巖氣產(chǎn)量在“十二五”到“十五五”期間將持續(xù)增長。致密砂巖和頁巖孔隙直徑遠(yuǎn)小于常規(guī)砂巖，曾被視為“油氣禁區(qū)”，常規(guī)鉆完井技術(shù)無自然工業(yè)產(chǎn)量。實(shí)踐證明，“長水平段水平井+大規(guī)模體積壓裂”技術(shù)效果顯著，一口長水平段水平井產(chǎn)量相當(dāng)于數(shù)十口直井產(chǎn)量，該技術(shù)已推動美國頁巖油氣革命，未來我國長水平段水平井?dāng)?shù)量將大幅增加。
鉆機(jī)技術(shù)裝備的發(fā)展
當(dāng)前鉆機(jī)新度系數(shù)低，大鉆機(jī)數(shù)量不足，電動化、自動化、數(shù)字化、智能化程度低，對深井超深井適應(yīng)性不強(qiáng)、可靠性不高、能耗較高、效率不佳。從鉆機(jī)類型分布看，車裝、機(jī)械、液壓、電動鉆機(jī)數(shù)量結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化，不同型號鉆機(jī)匹配度也需改善。整體趨勢為控制總量、調(diào)整結(jié)構(gòu)，壓減小鉆機(jī)、增加大鉆機(jī)是發(fā)展趨勢?；谟秒姳憷约半妱踊瘍?yōu)勢，未來鉆機(jī)將普遍采用電力驅(qū)動，加快向電動化、自動化、數(shù)字化、智能化發(fā)展。
具體方面如下：要升級鉆機(jī)性能，配備電氣化，以電機(jī)加變頻器為主的變頻技術(shù)可滿足各類鉆井工況，轉(zhuǎn)盤、絞車、泥漿泵將采用交流變頻電機(jī)直接驅(qū)動，液控、氣控逐步向電控轉(zhuǎn)變，井場控制系統(tǒng)集成度、數(shù)字化及智能化程度不斷提高。安全環(huán)保性能要提升，大鉆機(jī)司鉆房配備雙控制臺，正副司鉆分工協(xié)作；司鉆控制臺可監(jiān)控和操作井場大部分設(shè)備（動力、提升、旋轉(zhuǎn)、循環(huán)、固控、井控、井口自動化等），能根據(jù)工況優(yōu)化設(shè)備使用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)快鉆進(jìn)、節(jié)能減排。管柱處理要自動化與智能化，鉆機(jī)可邊鉆進(jìn)邊接卸鉆具、配立柱，提升工作效率；二層平臺和鉆臺將實(shí)現(xiàn)無人操作，鉆具起下鉆過程中可智能探傷。
具體而言，二層臺配備機(jī)械手自動排管，鉆臺配備智能鐵鉆工、智能卡瓦、智能吊卡和智能扶手實(shí)現(xiàn)無內(nèi)外鉗工操作，場地配備自動貓道、多功能機(jī)具完成管具處理，避免“人拉肩扛”。操作可視化與數(shù)智化，實(shí)現(xiàn)智能鉆井，通過智能化鉆井軟件與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，使鉆機(jī)與井下工具一體化運(yùn)作；絞車可自動識別、剎車、送鉆，鉆機(jī)能在無人干預(yù)下自動鉆進(jìn)、循環(huán)、起下鉆；借助司鉆導(dǎo)航儀，結(jié)合井下情況和遠(yuǎn)程指令進(jìn)行綜合決策，及時處理異常情況。
同時，泥漿循環(huán)系統(tǒng)配套智能設(shè)備，自動檢測泥漿參數(shù)和溢漏情況，調(diào)整鉆井液性能，保持井筒穩(wěn)定和壓力平衡；智能控壓系統(tǒng)與泥漿循環(huán)系統(tǒng)協(xié)同，通過調(diào)整排量、泥漿密度和井口回壓，使井底液柱壓力與地層壓力自動適應(yīng)，減少井涌、井漏、卡鉆、井塌等問題。
頂驅(qū)、精細(xì)控壓鉆井和井口自動化裝備成為深井超深井鉆機(jī)標(biāo)配，除專用設(shè)備外，其他設(shè)備與鉆機(jī)配套裝備共用。為適應(yīng)工廠化鉆井，鉆機(jī)運(yùn)移性將提升，配套設(shè)施更易拆裝，井架與底座、井控系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、井場鉆具系統(tǒng)在輕量化、撬裝化、可移動性和軟連接方面持續(xù)改進(jìn)。
研發(fā)特深井井架，隨著井口自動化成熟，針對井深超萬米、鉆機(jī)負(fù)荷增大的情況，需研發(fā)特深井重載鉆機(jī)井架，考慮采用雙立柱結(jié)構(gòu)，取消天車、游車、絞車、大鉤、鋼絲繩，采用雙根作業(yè)模式，鉆具在地面連接成雙根，通過管柱機(jī)械臂、貓道、鐵鉆工和頂驅(qū)自動化運(yùn)移、接卸，且絕大部分設(shè)備采用交流變頻驅(qū)動。海洋鉆完井裝備要繼續(xù)攻關(guān)突破。國內(nèi)陸上裝備可自主生產(chǎn)，但海上國產(chǎn)鉆完井高端裝備配套率低，存在“卡脖子”問題。水下裝備方面，國外140MPa水下井口系統(tǒng)性能先進(jìn)，可靈活調(diào)節(jié)匹配復(fù)雜套管組合，密封總成能在高溫高壓下懸掛鎖定大載荷；水下采油設(shè)備方面，國外企業(yè)技術(shù)實(shí)力強(qiáng)，產(chǎn)品類型多、應(yīng)用廣泛。未來需從維修入手，逐步推進(jìn)制造、配套和成套，重點(diǎn)攻關(guān)深水導(dǎo)管送入工具、深水鉆井隔水管、水下井口裝置、水下BOP、水下采油樹等高端產(chǎn)品，形成新質(zhì)生產(chǎn)力和戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。
持續(xù)攻關(guān)壓裂技術(shù)裝備
美國壓裂車組輸出水馬力高于國內(nèi)，如北美頁巖油2500型壓裂車輸出水馬力1800HHP，6000/7000型電驅(qū)輸出水馬力3800HHP，而國內(nèi)吉木薩爾2500型壓裂車輸出1710HHP、6000/7000型電驅(qū)輸出2560HHP；且美國閥體等主要易損件壽命是國內(nèi)的7~10倍，北美頁巖油液力端平均壽命1200小時、維保周期100小時，國內(nèi)大慶古龍頁巖油液力端平均壽命500小時、維保周期20小時。壓裂效率方面也要實(shí)現(xiàn)突破。美國壓裂施工效率高，以二疊紀(jì)盆地為例，單機(jī)組年均泵注液量375萬方，是大慶古龍最高（114萬方）的3.3倍，單機(jī)組年泵注時間4500小時，是大慶古龍最高（1500小時）的3倍，單機(jī)組日均泵注時間18小時，是吉木薩爾最高（10小時）的1.8倍。
同步壓裂也有技術(shù)差距。美國為提高效率、效果，降低成本，同步壓裂快速發(fā)展，占比超20%，每天壓裂約18小時，哈里伯頓、EWS等公司轉(zhuǎn)向雙井或三井同步壓裂模式，4口井一個作業(yè)周期可完成8段壓裂；國內(nèi)同步壓裂應(yīng)用較少，仍以拉鏈?zhǔn)綁毫褳橹鳎?口井一個作業(yè)周期完成4段壓裂）。要重視AI融合。美國AI在智能感知、智能優(yōu)化算法、裝備智能管控平臺應(yīng)用領(lǐng)先，采用人工智能擬合和GPU超算技術(shù)提升計(jì)算速度和準(zhǔn)確度，用于預(yù)測地質(zhì)參數(shù)、優(yōu)化壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)、實(shí)時診斷與調(diào)控；壓裂實(shí)現(xiàn)“快、準(zhǔn)、省”，地面裝備自動化程度高實(shí)現(xiàn)提速，采用分布式光纖、微地震、壓力診斷等監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)壓裂，構(gòu)建智能中樞調(diào)控系統(tǒng)。
正視旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的差距并持續(xù)研發(fā)
我國水平井鉆井80%采用滑動導(dǎo)向，其鉆具組合為“鉆頭+單彎螺桿+穩(wěn)定器+無磁(M/LWD)+鉆鋌+加重鉆桿+鉆桿”。定向或調(diào)整井眼軌跡時需固定工具面，導(dǎo)向過程中僅鉆頭及上方短接頭轉(zhuǎn)動，其余鉆具不轉(zhuǎn)動，鉆壓通過鉆具沿井壁滑動產(chǎn)生，導(dǎo)致摩阻扭矩大、鉆進(jìn)托壓、反扭角、鉆遇率低、井眼質(zhì)量差、工藝復(fù)雜、鉆速慢、周期長、成本高。雖采取措施緩解，但未解決根本問題。國內(nèi)外水平井鉆井差距大。
美國80%水平井使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，2023年鉆井10,203口，水平井占比98%，平均水平段長3,056米，近十年水平段長度年均增加114米，部分井水平段超6,000米，鉆井周期短、單井產(chǎn)量高。如馬塞勒斯區(qū)塊的DAHNTAHN4H井，水平段長6,205.7米，鉆井周期僅6天，單井最高月產(chǎn)量1,634.6萬方。而我國水平井平均水平段長度約1,800米，鉆速慢，主要因旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向研發(fā)應(yīng)用不足，導(dǎo)致裝備短缺、服務(wù)成本高。技術(shù)存在代差。
國外智能導(dǎo)向技術(shù)已發(fā)展到第三代，如貝克休斯Lucida系統(tǒng)、斯倫貝謝NeoSteerCLx系統(tǒng)、哈里伯頓iCruise系統(tǒng)，具備高溫、高造斜率、多參數(shù)、智能化、閉環(huán)鉆井等特點(diǎn)；我國2023年時基本處于第一代，以靜態(tài)推靠式為主，如中海油Welleader®、中石化SINOMACSATS、川慶鉆探CGSTEER等，僅少數(shù)企業(yè)產(chǎn)品投入應(yīng)用，部分仍處于研發(fā)或樣機(jī)試驗(yàn)階段。正視核心技術(shù)與性能差距。國外在井下閉環(huán)控制、地面系統(tǒng)噪音處理、隨鉆測量數(shù)據(jù)處理等基礎(chǔ)理論研究更深入；工具尺寸、溫度系列化，可滿足4"~171/2"不同井眼及更高耐溫需求；工具可靠性、穩(wěn)定性顯著高于國內(nèi)；隨鉆測量參數(shù)多，環(huán)視半徑和前探距離達(dá)30米以上，正向隨鉆測量和隨鉆地層評價發(fā)展，國內(nèi)工具隨鉆測量參數(shù)較少；國外導(dǎo)向機(jī)構(gòu)方式多樣，國內(nèi)僅有推靠式；國外數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)30bt以上，國內(nèi)僅3bt左右；國外工具智能化程度高，國內(nèi)剛起步。
攻關(guān)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)裝備的方向
攻關(guān)優(yōu)選偏置方式：國外旋導(dǎo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有液壓系統(tǒng)推靠井壁、分時接觸（拍打）井壁、偏心環(huán)組合控制導(dǎo)向軸、最新一代導(dǎo)向鉆頭（NeoSteerCLxABSS）四種方式，需對比研究優(yōu)選，指向式相比推靠式優(yōu)勢更顯著，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。攻關(guān)優(yōu)選測量控制方式：測控平臺分靜態(tài)（測控機(jī)構(gòu)支撐井壁不旋轉(zhuǎn)，測量控制穩(wěn)定，控制運(yùn)算簡單，多數(shù)公司采用）和動態(tài)（測控機(jī)構(gòu)與鉆柱同速率反方向轉(zhuǎn)動，與大地相對靜止，控制需精確同步，難度大，斯倫貝謝采用），需結(jié)合實(shí)際需求攻關(guān)優(yōu)選。攻關(guān)全姿態(tài)穩(wěn)定控制平臺方法：該平臺可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下姿態(tài)測量，隨鉆柱同步旋轉(zhuǎn)，優(yōu)化反方向轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，減少動力消耗，連續(xù)測量井斜，節(jié)約鉆井時間。需開展捷聯(lián)式測量平臺多源動態(tài)姿態(tài)測量方法和全姿態(tài)穩(wěn)定控制平臺導(dǎo)向控制方法研究，研制基于該平臺的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。
攻關(guān)隨鉆測量和測井系列：在LWD基礎(chǔ)上，攻關(guān)伽馬、電阻率、孔隙度、中子、密度、聲波等測量短節(jié)，實(shí)現(xiàn)部分信息實(shí)時上傳滿足隨鉆導(dǎo)向，部分信息井下存儲起鉆后回放滿足完井評價，替代有污染、不安全、費(fèi)時間的完井電纜測井項(xiàng)目。重點(diǎn)攻關(guān)隨鉆電阻率電磁波測井，使鉆頭具備環(huán)視（周邊30米以上）和前視（前方30米以遠(yuǎn)）功能，改變盲鉆現(xiàn)狀；加強(qiáng)鉆頭工況（鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、震動）和環(huán)空參數(shù)（溫度、壓力、氣體組分）測量，精準(zhǔn)掌握井下狀態(tài)。攻關(guān)雙向通訊傳輸技術(shù)：隨鉆工程測量、伽瑪、電阻率、巖石密度、中子孔隙度、聲速、隨鉆地層壓力測試等對傳輸速率需求不同，合計(jì)需3.17Mbps。需攻克連續(xù)波、鉆桿、光纖等傳播方式，滿足旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向信息上傳速率需求。攻關(guān)井下動力源驅(qū)動方式：當(dāng)前井下動力源驅(qū)動方式包括井下發(fā)電機(jī)驅(qū)動、蓄電池驅(qū)動、高壓鉆井液驅(qū)動（鉆柱內(nèi)外壓差）、復(fù)合驅(qū)動及其他方式，需結(jié)合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具需求，攻關(guān)高效、穩(wěn)定、長壽命的動力源驅(qū)動技術(shù)。攻關(guān)滿足工程地質(zhì)需求的軟件：實(shí)現(xiàn)井下閉環(huán)、地面監(jiān)控、遠(yuǎn)程支持，“三環(huán)”高速暢聯(lián)、端邊云協(xié)同、智能決策，需多專業(yè)協(xié)作，研發(fā)完善鉆速快、鉆遇率高、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的智能旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向軟件。（本文根據(jù)中國石油科協(xié)副主席、中國石油原石油工程公司首席專家秦永和在第三屆中國深井超深井論壇發(fā)言內(nèi)容整理。）
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