石油裝備技術現狀及展望

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自動化和地面裝備自動化，隨著人工智能、大數據、和5G技術的快速發展，給石油裝備的發展帶來了新的契機。國外石油裝備自動化是集先進性、可靠性、適應性和經濟性于一體自動化鉆機，與自動化工具配合，實現了真正意義自動化和智能化操作。指出國內未來石油裝備自動化的發展方向，實現可視化的過程監控和可視化的數字鉆井。

關鍵詞：石油裝備;自動化;數字化;展望

石油工程技術的進步，都極大地推動了勘探開發的發展，有效保障了勘探增儲、開發增產、降本增效，是儲量發現、油氣上產、穩產的關鍵。隨著油氣勘探開發不斷向深海、沙漠、極地、高山等自然地理環境惡劣的邊遠地區延伸，向深層、“三高”氣藏、低壓低滲透、稠油、非常規資源等難動用儲量延伸，特殊工藝井數量不斷增長，促使國內外鉆井工程技術得到快速發展;鉆采工程技術裝備是實現油氣勘探開發的重要保障。鉆采工程技術的不斷創新和提高是有效降低勘探開發成本，增加油氣產量的重要手段，也為石油裝備制造業發展提出了更高的要求。

1.國內石油裝備技術現狀

（1）裝備結構與市場需求仍不匹配。在海外市場，甲方標準要求高，現有鉆井設備配置不能滿足海外市場需求;在國內外部市場，7000米以上電動鉆機數量不足，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;各油區內部市場，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，高端隨鉆設備需求擴大，高溫MWD、近鉆頭地質導向、旋轉導向等儀器供不應求，需要加快步伐解決卡脖子難題。

（3）自動化、環保設備推廣數量偏少。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行了逐步配套使用，自動化、環保設備還未得到較大面積的推廣。自動化、環保設備是設備發展方向，在工程公司減員增效、環境保護要求不斷提高的背景下，需大力推廣自動化、環保設備，實現環保生產、較少勞動用工、提高本質安全。

（4）高端特種作業設備數量不能滿足市場需求。連續油管作業、不壓井修井作業逐步成為常規作業技術，連續管裝備作業能力不斷提高，作業范圍不斷擴大，作業工藝、配套工具技術日漸成熟;不壓井裝備由注水井向高壓油氣井作業過渡。由于設備投產時間較長，新工具的配套投入較大，連續油管車和不壓井設備等特種作業設備遠遠滿足不了國內國外市場的需要。

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，集先進性、可靠性、適應性和經濟性于一體。國外自動化鉆井技術主要包括井下作業自動化和地面自動化鉆井裝備。井下自動化包括旋轉閉環導向鉆井系統、自動垂直鉆井系統等;地面裝備自動化旋轉鉆進系統自動化、鉆井管柱操作系統自動化、鉆井液循環系統自動化、一體化司鉆控制系統等。隨著云計算和和智能識別系統和控制系統相繼出現，與自動化工具配合，實現了真正意義自動化和智能化操作。

（2）“井工廠”模式廣泛應用于北美頁巖氣開發，帶來了巨大收益。其優點運移效率高、可以提供任何方向的移動; 降低了鉆機整體結構的磨損; 操作靈活、控制精度高。 驅動類型主要是大中型電驅動鉆機，近幾年新增的成套定制鉆機幾乎全部是交流變頻電驅動鉆機。此外，還開發應用了噪聲小、污染少、運移性能好和自動化程度高的液壓驅動鉆機。大部分配有頂驅、鐵鉆工、動力貓道和鉆機集成控制系統等，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人即可在司鉆房內通過計算機控制完成所有鉆井管柱輸送、接單跟、鉆進、起下鉆等鉆井作業。自動化程度高，模塊化、移運方便快捷，設計緊湊，占地面積小。

（4）發達國家要求對鉆井廢棄物實現“零排放”，從源頭上減少到最終處理有嚴格規定。國外對于鉆井廢棄物的管理始終堅持廢棄物處理數量最少化、毒性最小化的管理原則，稱為“4R”原則。鉆屑回注技術是實現零排放較好方式，“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，但是這項技術的局限性在于對地層要求較高，要先期進行地質分析，地層要有大孔道，也就是說能夠注得進去，而且能夠“注入到地層安全層”，油藏與注入區要隔離開，防止對產油層造成污染和破壞。

3.石油裝備發展方向

從全球近年來鉆井技術發展趨勢看，每一項鉆井技術的重大進展都對應著某項高技術的引入。鉆井主導自動化技術的發展實質上是把鉆井、錄井、測井與信息技術四者集成于一體，最大限度地實現提高油氣層的發現、提高單井產量、縮短鉆井周期、降低“噸油成本”，高效的自動化鉆井系統將在油氣勘探開發中扮演越來越重要的角色。

伴隨大數據時代的到來，計算能力的大幅提升，隨著人工智能、大數據、5G的應用，人工智能技術在越來越多的領域取得了突破或者長足的進步。人工智能會使石油鉆機朝著自動化、數字化、智能化、信息化，高適應性、高可靠性、高效率、高效益方向發展。5G技術毫秒級的延時，使操作接近100%的可靠性，通過實時監控井下和地面參數，遠程監控、遠程決策、可視化的過程監控，真正實現可視化的數字鉆井。

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

（2）固井裝備：滿足固井作業完全自動控制與工程設備大型集成控制;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、深海及非常規固井工藝作業需求。

（3）壓裂裝備：向大功率、大排量、高壓力、自動化、網絡化、自適應發展，滿足連續作業、超高破裂地層、大規模施工作業工況，實現壓裂作業集群控制和遠程監控及操作。

（4）修井作業裝備：向多功能組合、一機多用、高端作業設備發展，連續管裝備作業能力不斷提高，作業范圍不斷擴大，作業工藝、配套工具技術日漸成熟。

（5）井下儀器：向高精度、陣列化、集成化、隨鉆化方向發展。

參考文獻：

[1]吳強，劉冰.石油裝備制造業發展現狀及其機遇和挑戰.《石油知識》.2009年 第5期.