一種基于渦流式的井下降壓裝置市場(chǎng)研究

程鵬宇，吳 聰，李紀(jì)新，徐珈璐，秦雨桐

（西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710399）

石油作為當(dāng)今全球工業(yè)不可或缺的“潤(rùn)滑劑”，是現(xiàn)代社會(huì)正常運(yùn)作的基礎(chǔ)。隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)石油的高需求助長(zhǎng)了石油鉆井行業(yè)的發(fā)展。未來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)不斷提高石油勘探技術(shù)和石油附加裝置的創(chuàng)新，促進(jìn)石油鉆井設(shè)備的機(jī)械化、智能化管理，進(jìn)而推動(dòng)中國(guó)石油工業(yè)的發(fā)展。

1 國(guó)內(nèi)井下控壓系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著國(guó)內(nèi)油氣資源的深入開(kāi)發(fā)，優(yōu)質(zhì)油氣資源越來(lái)越少，非均質(zhì)油氣藏、非常規(guī)油氣藏（如深層裂縫油氣藏、碳酸鹽巖油氣藏、頁(yè)巖油氣、致密油氣等）大規(guī)模的勘探與開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。國(guó)內(nèi)許多區(qū)域也存在適合控壓鉆井工藝的地層，如新疆南緣區(qū)塊、四川盆地、青海油田、渤海灣地區(qū)、塔里木塔中、塔北等諸多頁(yè)巖氣區(qū)塊，但這些地區(qū)普遍存在窄密度窗口的安全鉆井問(wèn)題。

中石油、中石化、中海油3家公司每年都有近千口井存在嚴(yán)重漏失的問(wèn)題。同時(shí)，在新疆等西部其他地區(qū)的油氣井使用的鉆井液密度超過(guò)2.1 g/cm3，高密度鉆井液使用對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作要求極為苛刻，泵送速率的精確控制可能難以實(shí)現(xiàn)。若泵送速率達(dá)60次/min，則存在漏油的風(fēng)險(xiǎn)，或泵送速率達(dá)58次/min，且地層孔隙壓力接近破裂壓力，也會(huì)存在油井溢出的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)出現(xiàn)該問(wèn)題時(shí)，通常需要使用壓力控制鉆并技術(shù)來(lái)精確控制壓力。國(guó)內(nèi)的壓力控制鉆井技術(shù)仍處于起步階段，并沒(méi)有廣泛的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。隨著我國(guó)欠平衡鉆井技術(shù)和裝備的完善，以及考慮全國(guó)各油田的現(xiàn)狀，控壓鉆井技術(shù)在國(guó)內(nèi)將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

2 裝置市場(chǎng)評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

井下壓力控制設(shè)備市場(chǎng)是一個(gè)受許多變量影響的復(fù)雜市場(chǎng)，可了解到市場(chǎng)評(píng)估涉及了許多組成部分。

2.1 市場(chǎng)需求

2.1.1 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求

市場(chǎng)需求的高速增長(zhǎng)吸引了大量資本進(jìn)入石油鉆采專用設(shè)備制造業(yè)，產(chǎn)能增長(zhǎng)迅速，供給能力大幅提高。然而就國(guó)內(nèi)市場(chǎng)而言，產(chǎn)能的增長(zhǎng)主要集中在中低端裝置，高端裝置市場(chǎng)主要由國(guó)際鉆采設(shè)備巨頭瓜分。因低端裝置的技術(shù)壁壘較低，以及近年來(lái)該行業(yè)的大部分新產(chǎn)能都應(yīng)用低端裝置，石油鉆井設(shè)備公司的數(shù)量已迅速增長(zhǎng)至石化行業(yè)設(shè)備公司總數(shù)的一半以上。然而，國(guó)內(nèi)從事ECD 設(shè)備生產(chǎn)的公司由于缺少高水平的生產(chǎn)能力和技術(shù)工藝，導(dǎo)致其數(shù)量較少。

2.1.2 國(guó)外市場(chǎng)需求

世界上有100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)需要專業(yè)鉆井設(shè)備，但僅有20個(gè)國(guó)家擁有生產(chǎn)專業(yè)鉆井設(shè)備的技術(shù)。中東、拉丁美洲和非洲等石油資源豐富的地區(qū)從國(guó)際市場(chǎng)進(jìn)口設(shè)備，美國(guó)在技術(shù)、生產(chǎn)、裝置范圍和國(guó)際市場(chǎng)份額方面處于領(lǐng)先地位，歐洲國(guó)家也有擁有更專業(yè)的先進(jìn)鉆井技術(shù)和裝置的公司。近年來(lái)，中國(guó)特種石油鉆井設(shè)備行業(yè)增長(zhǎng)相對(duì)較快，但出口同比增長(zhǎng)在整個(gè)市場(chǎng)中仍處于第2梯隊(duì)。印度和印度尼西亞及其他國(guó)家屬于第3梯隊(duì)，正處于發(fā)展初期階段。鑒于以上國(guó)外市場(chǎng)需求，自主研究的降ECD 工具在制作工藝、價(jià)格需求等方面將大幅降低，幫助其更容易打進(jìn)國(guó)際市場(chǎng)，使出口量和出口額均得到顯著提升，進(jìn)而獲得更廣闊的市場(chǎng)需求前景。

2.2 SWOT分析

通過(guò)條理化、層次化地分析市場(chǎng)的需求前景及國(guó)內(nèi)外鉆井公司的裝置與業(yè)務(wù)，結(jié)合當(dāng)下影響新型井下控壓裝置市場(chǎng)應(yīng)用的因素，利用SWOT 分析法+STP分析法建立該井下控壓裝置的評(píng)價(jià)體系，為該新型井下降壓裝置的發(fā)展提供重要參考。SWOT 分析法如下。

S——Strengths（優(yōu)勢(shì)）。目前，欠平衡鉆井技術(shù)和控制壓力技術(shù)已較為成熟，被世界上很多鉆井公司所用，但面對(duì)窄密度窗口等問(wèn)題或其他一系列復(fù)雜的地底環(huán)境的降ECD 問(wèn)題仍不能有效解決；同時(shí)，一臺(tái)鉆井設(shè)備造價(jià)較昂貴，只能用于地段較好的石油鉆采。而本裝置可做到有效控制，且應(yīng)用本裝置來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題具有更高的性價(jià)比，安裝更為簡(jiǎn)便，作用范圍更加廣泛。

近幾年石油市場(chǎng)持續(xù)跌落，投入成本高、收益小甚至負(fù)收益的不良情況普遍存在，本項(xiàng)目裝置在已解決窄密度窗口相關(guān)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了鉆井速率、鉆井安全率等，因此，可給相關(guān)鉆采企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)收益，彌補(bǔ)損失。

W——Weaknesses（劣勢(shì)）。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，目前無(wú)論是石油鉆采行業(yè)還是相關(guān)加工業(yè)，均未見(jiàn)射流式降ECD 鉆井工具的推廣應(yīng)用。文章所應(yīng)用的降ECD 鉆井設(shè)備雖然依托射流理論和相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)為主進(jìn)行研發(fā)改造，但由于機(jī)械裝置的更新?lián)Q代較快，技術(shù)的發(fā)展不斷前進(jìn)，以及市場(chǎng)上對(duì)設(shè)備需求的不斷擴(kuò)大，可能會(huì)有技術(shù)水平相似或更高的分離裝置出現(xiàn)，進(jìn)而造成一定威脅。

由于中石油、中石化兩大集團(tuán)采取關(guān)聯(lián)交易的方式，國(guó)內(nèi)石油機(jī)械廠生產(chǎn)設(shè)備通常是優(yōu)先采購(gòu)，若出現(xiàn)設(shè)備趨同現(xiàn)象，則會(huì)削弱市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下國(guó)內(nèi)設(shè)備裝置的競(jìng)爭(zhēng)力，當(dāng)國(guó)際裝置涌入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)時(shí)，便會(huì)不斷擠壓國(guó)內(nèi)石油機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)的生存空間。隨著中國(guó)進(jìn)出口貿(mào)易額的逐年增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)石油機(jī)械設(shè)備市場(chǎng)已成為國(guó)際市場(chǎng)的重要組成部分，這使得國(guó)際石油機(jī)械設(shè)備制造商紛紛進(jìn)軍國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，給我國(guó)的石油機(jī)械制造企業(yè)帶來(lái)了巨大的壓力。

O——Opportunities（機(jī)會(huì)）。西方國(guó)家石油裝備價(jià)格很高，不但一些亞非拉產(chǎn)油國(guó)在尋找替代裝置，部分西方石油公司為降低成本也在尋找替代裝置。我國(guó)部分用量較大設(shè)備已擁有十分成熟的技術(shù)，如井口裝置、抽油機(jī)、抽油泵、鉆具、管材等，因此提高了此類裝置進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的機(jī)會(huì)，為該設(shè)備行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)政策亦給石油鉆采專用設(shè)備出口帶來(lái)便利，我國(guó)石油鉆采專用設(shè)備裝置將在世界石油裝備制造業(yè)中占據(jù)越來(lái)越重要位置。長(zhǎng)期來(lái)看，全球競(jìng)爭(zhēng)力提升和“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)施，將使我國(guó)石油鉆采專用設(shè)備產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)較長(zhǎng)的快速成長(zhǎng)期。因此，該石油鉆采專用設(shè)備在未來(lái)的發(fā)展?jié)摿薮?，具有高效安全、成本低等一系列好處，也由此可獲得更多的市場(chǎng)推廣機(jī)會(huì)。

T——Threats（威脅）?？刂茐毫︺@井技術(shù)（MPD）和欠平衡鉆井技術(shù)（UBD）是目前最為先進(jìn)的鉆井技術(shù)，且發(fā)展較為成熟，但對(duì)于窄密度窗口鉆井的難題以及地底更為復(fù)雜的情況仍很難解決，造成了設(shè)備造價(jià)高昂而鉆采產(chǎn)量不足的不利現(xiàn)象，因此，在存在威脅的同時(shí)，要對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的先進(jìn)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行積極的借鑒，化威脅為動(dòng)力，不斷前進(jìn)。

2.3 國(guó)家相關(guān)政策

2019年4月14日，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于協(xié)調(diào)推進(jìn)自然資源資產(chǎn)管理體制改革的指導(dǎo)意見(jiàn)》（以下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》）?！兑庖?jiàn)》發(fā)布后，引起了國(guó)內(nèi)石油天然氣行業(yè)的關(guān)注。

《意見(jiàn)》的發(fā)布，不僅標(biāo)志著中國(guó)油氣勘探開(kāi)發(fā)新一輪重大改革，也給整個(gè)石油行業(yè)帶來(lái)了新的變化和影響。這種改變將進(jìn)一步顛覆傳統(tǒng)石油行業(yè)，一個(gè)橫跨產(chǎn)業(yè)鏈上中下游的大規(guī)模石油裝備競(jìng)爭(zhēng)時(shí)代已到來(lái)。

2021年，國(guó)內(nèi)石油行業(yè)加速改革，公共政策持續(xù)制訂，市場(chǎng)熱點(diǎn)事件頻發(fā)。其中商務(wù)部發(fā)布的《石油裝置分銷行業(yè)管理指導(dǎo)意見(jiàn)》將進(jìn)一步加快石油裝置的商業(yè)化進(jìn)程。

為落實(shí)國(guó)務(wù)院“放管服”改革決定，確保取消成品油批發(fā)儲(chǔ)存經(jīng)營(yíng)資質(zhì)審批和下放成品油零售經(jīng)營(yíng)資質(zhì)審批政策落到實(shí)處，2021年1月，我國(guó)商務(wù)部辦公廳發(fā)布了《成品油流通行業(yè)管理工作指引》（以下簡(jiǎn)稱工作指引）的通知。

《石油裝置分銷行業(yè)管理指南》的發(fā)布，將簡(jiǎn)化成品油市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)者的審批程序。進(jìn)入市場(chǎng)后，針對(duì)經(jīng)營(yíng)者的具體操作規(guī)定和監(jiān)督管理措施將更加細(xì)化和嚴(yán)格，同時(shí)成品油市場(chǎng)化進(jìn)程將進(jìn)一步加快。

目前，國(guó)內(nèi)石油開(kāi)采行業(yè)由自然資源部、國(guó)家發(fā)改委進(jìn)行宏觀調(diào)控管理。依據(jù)國(guó)家對(duì)石油開(kāi)采技術(shù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化要求趨勢(shì)，整個(gè)石油行業(yè)對(duì)鉆井設(shè)備的更加安全及清潔標(biāo)準(zhǔn)化將成為必然趨勢(shì)。

國(guó)家大力扶持、鼓勵(lì)石油天然氣及相關(guān)行業(yè)的發(fā)展及良好的產(chǎn)業(yè)政策環(huán)境，為石油鉆采專用設(shè)備制造業(yè)的快速可持續(xù)發(fā)展提供了有力條件和基本保障。因此，整個(gè)石油行業(yè)對(duì)本研究的降ECD 設(shè)備的需求將會(huì)激增，并且隨著國(guó)家政策的頒布，本研究的降ECD 設(shè)備在鉆井設(shè)備上的安裝將成為我國(guó)當(dāng)前的能源需求新形勢(shì)，預(yù)計(jì)我國(guó)石油鉆采專用設(shè)備行業(yè)在較長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)仍將呈現(xiàn)高經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)形式。

2.4 裝置特性和優(yōu)勢(shì)

（1）本裝置在對(duì)于窄密度窗口鉆井時(shí)ECD 的控制效果明顯。目前最為先進(jìn)的鉆井技術(shù)對(duì)窄密度窗口鉆井的難題及地底更為復(fù)雜的情況仍很難解決，造成設(shè)備造價(jià)高昂而鉆采產(chǎn)量不足的惡性現(xiàn)象，本裝置的研發(fā)正是對(duì)這種現(xiàn)象的回應(yīng)。

（2）本裝置將分流作用與射流抽吸擴(kuò)散作用相結(jié)合，并配有單向止流閥總成的設(shè)計(jì)，可申請(qǐng)專利保護(hù)。

（3）本裝置可通過(guò)壓力感應(yīng)器、溫度感應(yīng)器、視覺(jué)感應(yīng)器openMV 將井底情況通過(guò)單片機(jī)輸送信號(hào)，然后通過(guò)安裝在鉆桿的中繼器反饋到井上控制臺(tái)，控制臺(tái)可通過(guò)5G 技術(shù)遠(yuǎn)程操控主流道的液壓裝置，改變鉆井液的流速。

（4）本裝置在噴嘴處安裝單向止流閥總成。當(dāng)上溯的鉆井液從吸入口進(jìn)入的流速小于從副流道口射出的流速時(shí)，單向止流閥總成開(kāi)啟。由于射流的湍動(dòng)擴(kuò)散作用，將帶動(dòng)上返的鉆井液的流速，從而對(duì)環(huán)空內(nèi)的鉆井液產(chǎn)生抽吸力，降低底層局部區(qū)域的當(dāng)量循環(huán)密度。由噴嘴射出的射流和從環(huán)空中吸入的鉆井液在喉管中匯合，流經(jīng)擴(kuò)散管后再次進(jìn)入環(huán)空。

（5）本裝置沒(méi)有安裝旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件，只是利用射流湍動(dòng)擴(kuò)散作用傳遞能量質(zhì)量，利用射流泵的吸入器的抽吸力來(lái)提高井底環(huán)空內(nèi)的鉆井液的流動(dòng)能量，從而降低流壓，進(jìn)而降低ECD。同時(shí)，安裝更加簡(jiǎn)化，工具的使用壽命更長(zhǎng)。

3 新型井下降壓裝置應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展對(duì)策建議

新型井下降壓裝置可滿足窄密度窗口下鉆井過(guò)程中對(duì)壓力的有效控制，有力地保證了井下鉆井的安全。為促進(jìn)窄密度窗口井下壓力控制技術(shù)在我國(guó)的大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用，仍須解決政策、技術(shù)及認(rèn)知問(wèn)題，這要求時(shí)刻關(guān)注國(guó)家政策，提高相應(yīng)的鉆井勘探技術(shù)，刻苦鉆研，提高認(rèn)知水平。

3.1 政策方面

在面臨科技轉(zhuǎn)化的挑戰(zhàn)下，該設(shè)備從技術(shù)到市場(chǎng)應(yīng)用主旨是“改善體制框架，為以科技為基礎(chǔ)的企業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造一個(gè)框架，并為金融資源的整合創(chuàng)造一個(gè)有利的環(huán)境”。重要的是，可通過(guò)戰(zhàn)略性規(guī)劃發(fā)展海上海水淡化行業(yè)來(lái)支持下游調(diào)節(jié)設(shè)備行業(yè)，以便政府能夠在財(cái)政上支持項(xiàng)目的建設(shè)，并與相關(guān)公司建立聯(lián)系。

3.2 技術(shù)方面

泥漿在循環(huán)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的等效循環(huán)密度，當(dāng)在非常窄的壓力窗口內(nèi)提取石油和天然氣時(shí)，傳統(tǒng)方法不可避免地會(huì)導(dǎo)致效率低下。因此，非常需要改進(jìn)傳統(tǒng)的ECD 控制技術(shù)，使其更能適應(yīng)石油和天然氣行業(yè)當(dāng)前所面臨的挑戰(zhàn)。

3.3 認(rèn)知方面

隨著雙向傾斜鉆井技術(shù)、泥漿封蓋技術(shù)、壓力控制鉆井技術(shù)和連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）的成功應(yīng)用，井下降壓?jiǎn)栴}在國(guó)內(nèi)外都得到了很好的發(fā)展。威德福已成功開(kāi)發(fā)了一種由渦輪電機(jī)、潛水泵和壓縮系統(tǒng)組成的3部分工具（ECD RT）可降低ECD。但由于復(fù)雜的技術(shù)工藝和高昂的成本，阻礙了該工具在我國(guó)的廣泛使用。文章所提出的這種可重定向的注入壓力降低方法，能顯著降低常規(guī)鉆井方法的井下壓力，且在泥漿用料比和性價(jià)比上都極大領(lǐng)先同類型產(chǎn)品。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)分析一種新型井下降壓裝置的市場(chǎng)，利用SWOT 分析法建立了該井下控壓裝置的評(píng)價(jià)體系，預(yù)測(cè)了市場(chǎng)趨勢(shì)，為這種新型井下降壓裝置的發(fā)展提供了重要參考。同時(shí)在技術(shù)層面分析了國(guó)內(nèi)外自上個(gè)世紀(jì)以來(lái)的各種石油開(kāi)采技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，在進(jìn)行一定的綜合比對(duì)后，最終得出文章上述結(jié)果。論證了射流式降壓工具在實(shí)際應(yīng)用上的可創(chuàng)造性及可行性，為未來(lái)石油鉆采降ECD 設(shè)備研發(fā)行業(yè)提供了新的研究發(fā)展方向。