石油裝備技術(shù)現(xiàn)狀及展望

張吉平 喬建華 潘躍明 劉曉東 王明永

摘 要：石油裝備自動化主要包括井下作業(yè)自動化和地面裝備自動化，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、和5G技術(shù)的快速發(fā)展，給石油裝備的發(fā)展帶來了新的契機。國外石油裝備自動化是集先進(jìn)性、可靠性、適應(yīng)性和經(jīng)濟性于一體自動化鉆機，與自動化工具配合，實現(xiàn)了真正意義自動化和智能化操作。指出國內(nèi)未來石油裝備自動化的發(fā)展方向，實現(xiàn)可視化的過程監(jiān)控和可視化的數(shù)字鉆井。

關(guān)鍵詞：石油裝備;自動化;數(shù)字化;展望

石油工程技術(shù)的進(jìn)步，都極大地推動了勘探開發(fā)的發(fā)展，有效保障了勘探增儲、開發(fā)增產(chǎn)、降本增效，是儲量發(fā)現(xiàn)、油氣上產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。隨著油氣勘探開發(fā)不斷向深海、沙漠、極地、高山等自然地理環(huán)境惡劣的邊遠(yuǎn)地區(qū)延伸，向深層、“三高”氣藏、低壓低滲透、稠油、非常規(guī)資源等難動用儲量延伸，特殊工藝井?dāng)?shù)量不斷增長，促使國內(nèi)外鉆井工程技術(shù)得到快速發(fā)展;鉆采工程技術(shù)裝備是實現(xiàn)油氣勘探開發(fā)的重要保障。鉆采工程技術(shù)的不斷創(chuàng)新和提高是有效降低勘探開發(fā)成本，增加油氣產(chǎn)量的重要手段，也為石油裝備制造業(yè)發(fā)展提出了更高的要求。

1.國內(nèi)石油裝備技術(shù)現(xiàn)狀

（1）裝備結(jié)構(gòu)與市場需求仍不匹配。在海外市場，甲方標(biāo)準(zhǔn)要求高，現(xiàn)有鉆井設(shè)備配置不能滿足海外市場需求;在國內(nèi)外部市場，7000米以上電動鉆機數(shù)量不足，特別是新疆、西南等市場鉆機不能滿足甲方要求，外闖市場的競爭力受到了限制;各油區(qū)內(nèi)部市場，近幾年受油價低影響，鉆機更新慢，快裝快移、搬遷車次少、占地面積小、低成本的3000米及以下鉆機缺口較大。

（2）是高端工具、儀器產(chǎn)品仍是短板。從國際市場收入占比看，斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯等油服企業(yè)高端收入均在50%以上，我們僅為30%多。隨著全球油氣勘探力度加大，高端隨鉆設(shè)備需求擴大，高溫MWD、近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等儀器供不應(yīng)求，需要加快步伐解決卡脖子難題。

（3）自動化、環(huán)保設(shè)備推廣數(shù)量偏少。受到成本控制影響，各大鉆井公司僅在少量鉆機和修井機上進(jìn)行了逐步配套使用，自動化、環(huán)保設(shè)備還未得到較大面積的推廣。自動化、環(huán)保設(shè)備是設(shè)備發(fā)展方向，在工程公司減員增效、環(huán)境保護(hù)要求不斷提高的背景下，需大力推廣自動化、環(huán)保設(shè)備，實現(xiàn)環(huán)保生產(chǎn)、較少勞動用工、提高本質(zhì)安全。

（4）高端特種作業(yè)設(shè)備數(shù)量不能滿足市場需求。連續(xù)油管作業(yè)、不壓井修井作業(yè)逐步成為常規(guī)作業(yè)技術(shù)，連續(xù)管裝備作業(yè)能力不斷提高，作業(yè)范圍不斷擴大，作業(yè)工藝、配套工具技術(shù)日漸成熟;不壓井裝備由注水井向高壓油氣井作業(yè)過渡。由于設(shè)備投產(chǎn)時間較長，新工具的配套投入較大，連續(xù)油管車和不壓井設(shè)備等特種作業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國內(nèi)國外市場的需要。

2.國外石油裝備概況

（1）國外自動化石油鉆機都是“機電儀計”一體的智能化、信息化、自動化鉆機，具有完善的性能，集先進(jìn)性、可靠性、適應(yīng)性和經(jīng)濟性于一體。國外自動化鉆井技術(shù)主要包括井下作業(yè)自動化和地面自動化鉆井裝備。井下自動化包括旋轉(zhuǎn)閉環(huán)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、自動垂直鉆井系統(tǒng)等;地面裝備自動化旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)系統(tǒng)自動化、鉆井管柱操作系統(tǒng)自動化、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)自動化、一體化司鉆控制系統(tǒng)等。隨著云計算和和智能識別系統(tǒng)和控制系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，與自動化工具配合，實現(xiàn)了真正意義自動化和智能化操作。

（2）“井工廠”模式廣泛應(yīng)用于北美頁巖氣開發(fā)，帶來了巨大收益。其優(yōu)點運移效率高、可以提供任何方向的移動; 降低了鉆機整體結(jié)構(gòu)的磨損; 操作靈活、控制精度高。 驅(qū)動類型主要是大中型電驅(qū)動鉆機，近幾年新增的成套定制鉆機幾乎全部是交流變頻電驅(qū)動鉆機。此外，還開發(fā)應(yīng)用了噪聲小、污染少、運移性能好和自動化程度高的液壓驅(qū)動鉆機。大部分配有頂驅(qū)、鐵鉆工、動力貓道和鉆機集成控制系統(tǒng)等，少部分配備了自動井架工，大大提高了鉆井工作效率和安全性。

（3）國外輕型的自動化鉆機，重量僅為普通鉆機的1＼2，僅需1-2人即可在司鉆房內(nèi)通過計算機控制完成所有鉆井管柱輸送、接單跟、鉆進(jìn)、起下鉆等鉆井作業(yè)。自動化程度高，模塊化、移運方便快捷，設(shè)計緊湊，占地面積小。

（4）發(fā)達(dá)國家要求對鉆井廢棄物實現(xiàn)“零排放”，從源頭上減少到最終處理有嚴(yán)格規(guī)定。國外對于鉆井廢棄物的管理始終堅持廢棄物處理數(shù)量最少化、毒性最小化的管理原則，稱為“4R”原則。鉆屑回注技術(shù)是實現(xiàn)零排放較好方式，“從那里來到那里去”適合于海上鉆井平臺的井組施工或陸地的叢式井施工，但是這項技術(shù)的局限性在于對地層要求較高，要先期進(jìn)行地質(zhì)分析，地層要有大孔道，也就是說能夠注得進(jìn)去，而且能夠“注入到地層安全層”，油藏與注入?yún)^(qū)要隔離開，防止對產(chǎn)油層造成污染和破壞。

3.石油裝備發(fā)展方向

從全球近年來鉆井技術(shù)發(fā)展趨勢看，每一項鉆井技術(shù)的重大進(jìn)展都對應(yīng)著某項高技術(shù)的引入。鉆井主導(dǎo)自動化技術(shù)的發(fā)展實質(zhì)上是把鉆井、錄井、測井與信息技術(shù)四者集成于一體，最大限度地實現(xiàn)提高油氣層的發(fā)現(xiàn)、提高單井產(chǎn)量、縮短鉆井周期、降低“噸油成本”，高效的自動化鉆井系統(tǒng)將在油氣勘探開發(fā)中扮演越來越重要的角色。

伴隨大數(shù)據(jù)時代的到來，計算能力的大幅提升，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、5G的應(yīng)用，人工智能技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域取得了突破或者長足的進(jìn)步。人工智能會使石油鉆機朝著自動化、數(shù)字化、智能化、信息化，高適應(yīng)性、高可靠性、高效率、高效益方向發(fā)展。5G技術(shù)毫秒級的延時，使操作接近100%的可靠性，通過實時監(jiān)控井下和地面參數(shù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程決策、可視化的過程監(jiān)控，真正實現(xiàn)可視化的數(shù)字鉆井。

（1）鉆井裝備：主要體現(xiàn)在快移快裝、智能控制、低碳環(huán)保的發(fā)展理念，強調(diào)鉆機整體運作效率、自動化操作，智能化運行。

（2）固井裝備：滿足固井作業(yè)完全自動控制與工程設(shè)備大型集成控制;滿足特殊泥漿體系寬幅密度控制的泥漿混配、泵注要求;滿足超深井、深海及非常規(guī)固井工藝作業(yè)需求。

（3）壓裂裝備：向大功率、大排量、高壓力、自動化、網(wǎng)絡(luò)化、自適應(yīng)發(fā)展，滿足連續(xù)作業(yè)、超高破裂地層、大規(guī)模施工作業(yè)工況，實現(xiàn)壓裂作業(yè)集群控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控及操作。

（4）修井作業(yè)裝備：向多功能組合、一機多用、高端作業(yè)設(shè)備發(fā)展，連續(xù)管裝備作業(yè)能力不斷提高，作業(yè)范圍不斷擴大，作業(yè)工藝、配套工具技術(shù)日漸成熟。

（5）井下儀器：向高精度、陣列化、集成化、隨鉆化方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳強，劉冰.石油裝備制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及其機遇和挑戰(zhàn).《石油知識》.2009年 第5期.