鉆井業務綜合節能降耗對策

陳衍飛 呂莉莉 陳由旺（中國石油規劃總院）

鉆井業務綜合節能降耗對策

陳衍飛 呂莉莉 陳由旺（中國石油規劃總院）

“十二·五”以來，中國石油鉆探企業依托“10+5”節能節水項目，加大推廣應用力度，分別從機制節能、管理節能、技術節能、理念節能入手，著力提升節能能力。以技術路線為基礎，分析介紹了鉆井業務節能降耗主要技術和管理措施等，從而明確提出在鉆井業務量增長、鉆井難度增大、鉆井能耗增加的形勢下，伴隨著大數據時代的來臨、現代化管理方式的升級，鉆井節能需因地制宜采取適用的節能技術，提高節能投資效益；應與時俱進，推動標準化管理，實現智能化管理，創新管理模式；同時強化過程管理，追求精細化管理，實現一井一策，挖掘節能機會。

鉆井技術 節能降耗 創新模式 一井一策

近年來，中國石油油氣田業務開發規模不斷增大，在穩油增氣的大形勢下，每年新增各種井1.5萬口以上。同時，定向井、水平井及深層氣井數量大幅度增加，鉆井業務能耗也不斷增加，鉆井單耗亦呈一定的上升趨勢。而隨著大數據時代、互聯網時代的來臨，信息時代的企業管理及能源管理面臨新的形勢，國家政策鼓勵采用新型的現代化管理手段促進管理升級。鉆井業務節能降耗、降本增效，壓力與機會并存[1]。

1 影響鉆井能耗的主要因素

鉆井工程主要能源消耗種類為柴油、電力和天然氣，其中，柴油消耗占能耗總量的80%；因此，如何有效利用并減少柴油消耗成為鉆井工程節能降耗工作的重中之重[2]。影響鉆井工程能源消耗的主要因素如下：

1）設備方面。設備的新舊程度、先進程度、配置等因素，在一定程度上影響鉆井速度，從而影響鉆井能耗。例如，在井深相差不大的情況下，有現場數據顯示，對于1100～1200 m的井，使用ZJ50鉆機比使用ZJ15鉆機能耗高2.13倍，使用ZJ15鉆機較經濟；而對于1550～1650 m的井，使用ZJ30比使用ZJ20鉆機能耗高1.42倍，使用ZJ20鉆機較經濟，使用ZJ15鉆機為“小馬拉大車”，能耗及能耗費用最高。故在選擇鉆機及井隊時，應綜合協調，在設備允許調度范圍內，選用最節能的鉆機，降低能耗。

2）鉆井類型。井型不同，所需鉆井時間不同，能耗不同。近年來，定向井、水平井數量增多，鉆井難度增大，鉆井周期長，鉆井能耗也隨之增大。例如，某油田鉆井公司的一臺ZJ30DB鉆機，在井深等對比條件相差不多的情況下，水平井每米進尺綜合能耗是直井的1.96倍。

3）用能方式。在不考慮電能為二次能源的情況下，同類井深、相同鉆機、同區域鉆井能源消耗從小到大依次為：全部使用電網電鉆井，使用電、柴油鉆井，全部使用柴油鉆井。

4）地質狀況。油層深度不同，地層硬度不同，鉆井消耗也不同。在實際鉆井過程中，由于隨著井越鉆越深，地層硬度增加，鉆進速度越來越小，平均每天進尺量變小。例如，有24 h鉆進1200 m以上的情況，也有24 h鉆進不到24 m的情況。

5）區域溫度。區域不同，季節不同，能耗也不同。冬季設備需保溫伴熱，井隊需采暖，冬季能耗較夏季高。例如，在大慶油田，海拉爾的鉆井隊消耗高標號柴油（35#柴油）時間要比大慶老區多一個月，能耗費用相對較高。

另外，工作量不飽滿，井位不連續，井隊等停過程中，駐地人員少，用電負荷小，柴油發電機組不得不低負荷運轉，造成低效高耗。網電鉆井過程中，協調搭電事項、農作物賠償、井場占地、通井路占地問題解決的快慢，影響能源消耗。操作工人的熟練程度也影響能耗，技術力量強的井隊鉆井速度快、能耗小。

2 鉆井節能降耗主要技術

“十二·五”以來，中國石油鉆探企業利用集團公司設立的節能專項資金，加大節能技術推廣應用力度，形成了“10+5”節能節水典型技術。10項節能技術包括油料遠程自動計量、燃油替代、無功補償及諧波抑制、燃氣余熱利用、節油裝置及添加劑、照明節能改造、電機軟啟動、節能發電機、高效傳動裝置、新能源利用。5項節水技術包括污水處理循環利用、泥漿回收再利用、連續混配壓裂技術、防漏打樁、水袋節水及冷凝水回收[3]。

2.1 鉆井提速技術

鉆井提速是鉆井業務節能降耗的關鍵[4-5]。2015年1月，長慶鉆探90002鉆井隊在克深902井用368天鉆至8038 m的深度，超過了2011年同一構造帶克深7井所保持的8023 m陸上最深鉆井紀錄，并比克深7井完鉆周期早380天，提速50.8%。鉆井速度提升，鉆井周期縮短，意味著鉆井能耗大幅度降低。近年來，隨著垂直鉆進、超深小井眼等工藝技術，PDC、渦輪、孕鑲鉆頭等鉆具技術的發展，鉆井提速在降低鉆井能耗成本方面創造出其他技術無法比擬的貢獻。

影響鉆井速度的因素較多，各鉆井隊應針對不同區域、不同井型，做到一井一策，不斷總結提高，通過各種努力提高鉆井速度，縮短鉆井周期，降低鉆井能耗。川慶鉆探在蘇里格氣田，通過持續技術攻關和集成配套，在水平井逐步形成了“四優、兩大、兩精細”的水平井快速鉆井技術系列，極大地推動了水平井整體提速。西部鉆探積極推廣應用垂直鉆井系統、扭力沖擊、脈沖鉆井等新工藝、新技術，2013年國內機速提高6.33%，鉆機月速提高8.14%，縮短鉆井周期66.23臺月，節約柴油7 947.6 t，節約新鮮水17.76×104m3。

2.2 柴油實時計量技術

鉆井公司柴油管理粗放是油耗較高的原因之一，實行精細化柴油管理是節能的重要途徑。大部分柴油鉆井隊采用油罐液面標尺計量或稱重計量，對鉆井生產過程用油并無計量，一方面井隊存在油料流失的可能；另一方面井隊柴油定額及定額修訂缺乏科學依據。柴油實時計量遠程管理系統可實現計量數據的自動采集、實時傳輸、庫存低線及消耗異常報警、遠程管理監控、同區域井隊油耗對比、單井每米進尺油耗分析等功能。

川慶鉆探在141個鉆井隊安裝柴油遠程計量系統，實現了不間斷的數據采集及分析，公司、二級單位的兩級管理部門通過管理軟件進行柴油使用的遠程監控管理。由于鉆井現場偏遠，井位分散，油料管理人員有限等客觀條件限制，以往很難做到對所有井隊經常性檢查，掌握井隊每天實際耗油量。使用該系統以后，可全天候監控井隊用油情況，提高了對井隊的用油管理水平，同時節省人力、車輛等生產成本。通過該系統遠程掌握鉆井隊任意時間段的鉆井進尺、耗油量及存油量，合理確定送油時間及送油量；杜絕了井隊非生產油料流失，節油量可達到1.7%～5%。

2.3 應用網電鉆井

推廣應用工業電網鉆井是降低鉆井綜合能耗的主要方向，其相對柴油鉆井具有以下優勢：節省柴油，降低鉆井綜合能耗和成本；節省柴油運費，節省設備運行時數，節省設備維護費用，節省柴油發電機組三濾等成本費用；綠色環保，無噪音無污染；計量準確，方便管理，不存在非生產流失。“十二·五”期間，西部鉆探先后在吐哈油田和玉門油田推廣應用油改電鉆機，5年來，累計完成進尺39.85×104m，外購電力1.37×108kWh，替代柴油3.15×104t，節能2.9×104t（標煤），節約成本1.42億元。總的來說，柴油鉆井改為工業電網鉆井后，綜合節能率可達50%以上，鉆井時間越長，采用網電鉆井節能與節約成本優勢越明顯。

然而，受應用政策、應用意識和鉆機配置等因素的影響，鉆井工程推廣應用工業電網的程度有較大差異。例如，大慶油田老區各區塊鉆井之前，由油田設計院、采油廠及鉆井公司現場勘察共同完成鉆井線路走向方案，且鉆井線路建設投資列入區塊開發建設投資中，由油公司支付，完鉆之后，多數鉆井線路由采油廠接收，轉為產能線路掛接生產井。而在外圍油田，由于多為擴邊井或零散區塊單獨開發，新鉆井區缺乏可供利用的供電線路；同時滾動開發導致基建規模難以確定，供電能力不足。如搭接線路，一般需從電力集團35 kV主線上搭接。如為探井或深層氣井，鉆井時間長，成本核算收益高，搭接線路方案可行。如為開發井，單井建井時間短，開鉆至完鉆僅不足2天時間，多方協調搭接線路價值不高。同時，油田老區應用工業電網鉆井具有一定的客觀優勢，但電動化鉆機數量不足，在很大程度上影響工業電網鉆井的推廣應用。“十二·五”期間，鉆機“電代油”推進工作有了較大發展，網電鉆井進尺占總進尺的比例上升到了3.4%。但是這一比例仍然很小，有較大的節能空間。

2.4 余熱利用技術

柴油機廢氣余熱回收利用是利用熱管換熱方式回收柴油機廢氣余熱。換熱器與外殼有一定空隙，安裝在柴油機消音器位置，保證負壓很小，不影響柴油機排氣。熱管換熱器傳熱效率高，可有效避免冷、熱流體串流，有效防止露點腐蝕，防止積灰；且運行及維護費用低，具有很好的消音降噪功能。該技術在川慶鉆探、渤海鉆探等鉆井現場得到了較好應用。

渤海鉆探利用柴油機煙氣余熱產生高溫蒸汽，從而取代電加熱或燃煤蒸汽鍋爐，解決鉆井隊冬季防凍保溫、清洗設備所需蒸汽、熱水和降低運行成本的問題。在環境溫度為5℃的情況下，現場安裝的2臺蒸汽發生器，經過近2 h加熱，水溫可達145℃左右，蒸汽壓力0.25 MPa，煙氣進口溫度在340～370℃，出口溫度在180～200℃。另外，通過現場優化，將裝置設為兩種工作模式，即熱水模式和蒸汽模式，通過轉換開關直接實現切換。將自動控制箱及水泵改為防爆形式，增加了軟化水處理裝置，防止蒸汽發生器結垢。將設備進行模塊化設計，方便現場安裝和運輸。計算經濟效益，與采用電加熱蒸汽鍋爐相比當年投入產出比可達1∶1.4；與采用燃煤蒸汽鍋爐相比當年投入產出比可達1∶1.8。

2.5 無功補償技術

電力系統中的發電廠向電網供給兩部分能量，一部分用于負載做功而被消耗掉，稱為“有功功率”。另一部分是用于負載中的電感或電容負荷進行磁場能量交換，這部分能量只是在電源與負載之間往復交換，并沒有消耗掉，被稱為“無功功率”。無功功率對供電系統和負載的運行都十分重要，是保證電能質量不可缺少的部分。在電力系統中應保持無功平衡，否則，將會使系統電壓降低、設備損壞，增加線路損耗，嚴重時，會引起電壓崩潰。如果電網中所需無功功率都要由發電機提供并長距離傳送是不可能的，合理的方法是在需要消耗無功功率的地方產生無功功率，即為無功補償。無功功率補償的基本原理是把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路，當容性負荷釋放能量時，感性負荷吸收能量；而感性負荷釋放能量時，容性負荷卻在吸收能量，能量在兩種負荷之間互相交換。由此感性負荷所吸收的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率中得到補償。鉆井隊通常采用就地動態補償，提高功率因數，減少柴油發電機組總發電量，降低柴油消耗。西部鉆探近3年來累計推廣應用25套，使用298臺月，每臺套月節約柴油15 t，累計節約柴油4466 t，節約成本3400萬元。

3 鉆井隊綜合降耗對策

3.1 因地制宜選用高效節能技術

鉆井節能技術有其適應性，在不同的鉆井區域，針對不同的季節，不同的硬件配置等，需因地制宜選擇合適的技術[6]。

由于南方地區普遍冬季溫度偏高，煙氣余熱利用在諸如四川、重慶等地區經濟性較差，而在高寒地帶保溫效果又差強人意，因此，該技術在高溫高寒地區節能優勢并不明顯。柴油機尾氣利用裝置屬季節性產品，利用率不高，且撬裝式余熱利用裝置屬于壓力容器，每年需報檢。此外，柴油機的可用余熱受柴油機負荷影響大，柴油機的負荷較小時保溫需求量反而更大，柴油機在停機工況下仍需與電加熱配合加以彌補。因此，該技術在鉆井隊適用需加強技術經濟論證。

由于鉆井井位偏遠、網電覆蓋不到位、電動化鉆機不足等原因，目前鉆井多以燃油驅動為主。同時，網電鉆井需與電力集團協調供電能力、與地方政府協調線路臨時征地以及土地補償等問題，程序復雜耗時多；因此，以西部鉆探為代表的鉆探企業多采用合同能源管理的方式進行“鉆機油改電”。

另外，柴油實時計量遠程監控技術適用于偏遠井、長周期井，如探井及深層氣井等；西部鉆探采用“防漏打樁技術”，將自制的大套管用打樁機打入20～25 m的地層，成功解決了沙漠等地表松軟區塊打表層泥漿漏失嚴重的難題，而該技術對于土質堅硬的地區則不適用。

3.2 創新管理模式

管理規范化、制度化是現代化管理的重要標志之一[7]。隨著節能工作不斷深入，鉆井節能管理與時俱進，逐漸向精細化、制度化邁進。同時，積極采用現代化管理工具，創新鉆井管理模式，促進鉆井業務管理水平提高。

1）精細化管理。渤海鉆探鉆井三公司制定《鉆井隊節能降耗辦法》，規定“泥漿泵必須根據不同工況，更換不同直徑缸套，盡量使用小尺寸缸套，提高泵沖速”等26條節能降耗措施；鉆井五公司規定“利用柴油機有效功率，減少并車次數”等39條控制措施，對鉆井過程的每個細節進行了規范，實現了精細化管理。

2）制度化管理。長城鉆探公司通過收集1120口完井資料和柴油消耗資料，確定井深、井型、機型、鉆頭直徑和區塊地質情況與柴油消耗相關聯的48個數學模型、19個修正系數和1個考核系數。經過對遼河油區100多口完井數據的驗證，實際柴油用量與理論定額指標相對誤差僅為0.7%，形成了鉆井能耗指標體系標準下發各單位執行。

3）能效對標管理。對標管理因其巨大的實效性和廣泛的適用性被認為是改善企業經營績效、提高全球競爭力最實用的管理工具之一，與戰略聯盟、企業再造被全球管理學界稱為21世紀三大管理工具。能效對標管理作為提高企業用能水平的一項實踐活動，在國家政策的推動下，近幾年在鉆井業務逐漸得到重視。當前鉆井能效對標的研究和實施尚處于初始階段。川慶鉆探正在開展“鉆井節能減排指標體系及示范隊評價方法研究”，同時逐步探索建立鉆井隊能效對標方法，對選定對標的鉆井隊進行長期跟蹤，查找降耗增效的關鍵環節，降低鉆井能耗；組織了川渝地區70190隊及70016隊鉆井能效對標，在一定程度上找出降耗增效的關鍵環節，提高現場節能管理水平，降低鉆井進尺單位能耗。

3.3 優化方案一井一策

由于各區塊地質條件、氣候條件、當地政策、當地用能用水條件等具有較大差異，鉆井過程的不可復制性較大，各公司的用能管理方式也有較大差別，鉆井管理節能空間較大。鉆井節能應針對不同的情況，優化鉆井過程可以利用的資源、可以提高的環節[8]，一井一策實現降本增效。

1）優化鉆井方案。例如，某鉆井公司在鉆井時，原鉆井方案為13口井同排，該方案一方面地下管柱相碰概率大，鉆井難度大；另一方面，鉆井斜率大，能耗高。將13口井同排改為兩排，降低技術難度同時又減少鉆井能耗。西部鉆探積極與油田勘探開發部門開展技術交流，通過研究優化井身結構方案，施工30口井，減少泥漿用量660 m3，減少套管3198 t，縮短鉆井周期844天，節約柴油3375 t。

2）調整鉆井任務。鉆井年度生產計劃不均衡，一般年底為生產旺季，冬季鉆井需增加燃油鍋爐進行生產；同時泵、管線、發電機組冬天室外工作，為在需要時柴油發電機隨時可啟動，需空載運行，增大了油耗。在鉆井隊工作任務并不飽滿時，可積極與甲方協調，或加大各鉆井隊的調配，盡可能減少冬季鉆井任務，減少油耗。

3）提高操作水平。企業的耗能水平，除技術、管理的因素之外，與生產操作具有直接關系。據近年來的鉆井資料分析，在鉆井過程中，處理井下復雜情況和鉆井事故的時間，約占鉆井總時間的3%～8%。

4）加強技術培訓。同一鉆井公司所轄鉆井隊，鉆同一區域的開發井，技術強的鉆井隊年可鉆進8×104m，技術相對弱的鉆井隊年鉆進量不足4×104m。鉆井工人技術水平也是鉆速較慢、能耗較高的原因之一。加大技術培訓，提高工人操作熟練程度，正確處理因地質因素產生的井下復雜情況，避免或減少因決策失誤、處理不當而造成的井下事故是提高鉆井速度，降低鉆井成本的重要途徑。

4 結束語

鉆井節能降耗工作是一項復雜的系統工程，在因地制宜采取適用的鉆井節能技術的同時，應加強管理，挖掘節能潛力。由于鉆井業務的特殊性，追求管理節能效益，一方面要積極探索現代化的管理工具，創新管理模式，推動標準化管理，實現智能化管理；另一方面要充分調動廣大技術員工的節能積極性、主動性，深入思考研究節能工作中出現的各種問題，力爭實現一井一策，把握各種節能機會，控制各個用能環節，強化過程管理，追求精細化管理。

[1]王剛.淺談新時期如何加強節能鉆井技術研究[J].科技視界,2013(8):136.

[2]葛蘇鞍.鉆探企業節能減排措施綜述[J].石油石化節能,2012(9):38-41.

[3]陳立榮.油氣鉆井節能減排及清潔生產措施實踐[J].油氣田環境保護,2009(1):23-26.

[4]呂正林.川慶鉆井隊節能工作主要措施應用[J].石油石化節能,2012(8):43-44.

[5]許立華.科技提速是鉆井工程節能降耗的關鍵[J].節能與環保,2008(10):36-37.

[6]盧周芳.淺談石油鉆井節能減排的途徑與對策[J].探礦工程:巖土鉆掘工程,2010(10):14-15.

[7]任桂英.鉆井企業節能降耗研究與探討[J].石油石化節能,2010(4):15-17.

[8]孫景濤.鉆井工程優化設計對鉆井施工節能降耗提供科學依據[J].資源節約與環保,2011(3):72-74.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.007.013

2015-04-02）

陳衍飛，工程師，2010年畢業于北京大學（能源動力與資源工程系），從事能源信息及政策、油氣田和長輸管道領域節能技術研究及推廣等工作，E-mail：cyanfei@petrochina.com.cn，地址：北京市海淀區志新西路3號中國石油規劃總院，100083。