頁巖油氣鉆完井主技術(shù)裝備的發(fā)展取決于頁巖油氣勘探開發(fā)形勢和工程技術(shù)需求。未來勘探開發(fā)形勢表現(xiàn)為新增油氣探明儲量低品位資源占比達(dá) 95%，石油低滲 - 致密儲量未來十年占比超 95%，天然氣低滲 - 非常規(guī)儲量預(yù)計未來十年占比超 95%。探明的低品位儲量中，非常規(guī)資源量占 80% 以上，非常規(guī)井?dāng)?shù)將大幅增加。高效開發(fā)非常規(guī)資源必須采用長水平井加體積壓裂技術(shù)，可以預(yù)見未來水平井?dāng)?shù)量將大幅度增加，水平井垂深、水平段長以及井深都會不斷增加。
隨著水平井的增加，給鉆井、壓裂等主要技術(shù)裝備（鉆機(jī)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向和壓裂裝備等）會帶來了巨大挑戰(zhàn)。戰(zhàn)勝挑戰(zhàn)、滿足需求就是鉆完井主要技術(shù)裝備的發(fā)展方向和重點。與此同時，面對環(huán)境惡劣、條件復(fù)雜、勞動力緊張、用工成本上升的形勢，超高壓輸變電和交流變頻技術(shù)的成熟以及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能的快速發(fā)展，鉆完井主要技術(shù)裝備的電動化、自動化、數(shù)字化和智能化也必將加速。
鉆機(jī)挑戰(zhàn)與發(fā)展方向
當(dāng)前我國鉆機(jī)存在新度系數(shù)低，大鉆機(jī)不足，電動化、自動化、數(shù)字化、智能化程度低，對深井超深井存在適應(yīng)性不強(qiáng)、可靠性不高、能耗較高、效率不佳等問題。為此，筆者提出以下幾點發(fā)展方向建議。
第一整體趨勢是控制總量，調(diào)整結(jié)構(gòu)，小鉆機(jī)壓減，大鉆機(jī)增加。基于用電越來越方便和電動化的獨特優(yōu)勢，今后鉆機(jī)都會趨于用電，并加快向電動化、自動化、數(shù)字化、智能化發(fā)展；第二鉆機(jī)性能將發(fā)生變化。裝備電氣化，鑒于以電機(jī)加變頻器為主的變頻技術(shù)已很好地滿足了各種鉆井工況的需要，轉(zhuǎn)盤、絞車和泥漿泵都將用交流變頻電機(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)會更加集成，數(shù)字化、智能化程度越來越高；第三安全環(huán)保性能提升。大鉆機(jī)司鉆房內(nèi)配兩個控制臺，正副司鉆分工協(xié)作；司鉆控制臺可以監(jiān)控和操作井場上的絕大部分設(shè)備（動力、提升、旋轉(zhuǎn)、循環(huán)、固控、井控和井口自動化等裝備），根據(jù)工況優(yōu)化使用設(shè)備，實現(xiàn)優(yōu)快鉆進(jìn)、節(jié)能減排。
第四管柱處理自動化，智能化。鉆機(jī)可以一邊鉆進(jìn)，一邊接卸鉆具、配立柱，從而提高鉆井工作效率。二層平臺和鉆臺，這兩個歷史上最費人力、最危險、最低效的地方將很快實現(xiàn)無人操作。二層臺配備機(jī)械手，自動排管，無人操作。鉆臺配有智能鐵鉆工、智能卡瓦、智能吊卡和智能扶手，實現(xiàn)無內(nèi)外鉗工操作；第五操作可視、數(shù)字化、智能化程度越來越高。場地配有自動貓道、多功能機(jī)具，更多的管具處理工作量都在場地完成，不再有“人拉肩扛”現(xiàn)象。實現(xiàn)智能鉆井，通過一套智能化鉆井軟件與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，鉆機(jī)與井下工具一體化運作；絞車自動識別，自動剎車，自動送鉆；鉆機(jī)能夠在無人干預(yù)下自動鉆進(jìn)、循環(huán)、起下鉆；通過司鉆導(dǎo)航儀，依靠井下情況和二線遠(yuǎn)程指令進(jìn)行綜合決策，及時操控干預(yù)異常情況。泥漿循環(huán)系統(tǒng)配套智能負(fù)壓振動篩、調(diào)速離心機(jī)、智能除氣器，可以自動檢測泥漿參數(shù)和溢漏情況，并根據(jù)工程需要自動配液、加重減重、調(diào)整流變參數(shù)，使井筒保持穩(wěn)定和壓力平衡。智能控壓系統(tǒng)快速感知預(yù)警，它與泥漿循環(huán)系統(tǒng)協(xié)同運行，井底液柱壓力通過調(diào)整排量、泥漿密度和井口回壓，與地層壓力自動適應(yīng)，大量減少井涌、井漏以及攜巖不佳引起的卡鉆、井塌。
第六配套更加智能、經(jīng)濟(jì)、適用。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，除去專用設(shè)備外，其他設(shè)備與鉆機(jī)配套裝備共用。適應(yīng)工廠化鉆井需要，鉆機(jī)的運移性更好，配套設(shè)施更容易拆裝，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、可移動性和軟連接等方面將有更大改進(jìn)。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向挑戰(zhàn)
我國水平井鉆井80%用滑動導(dǎo)向。滑動導(dǎo)向工藝比較原始、落后。滑動導(dǎo)向鉆具組合采用鉆頭+單彎螺桿+穩(wěn)定器+無磁(M/LWD)+鉆鋌+加重鉆桿+鉆桿模式。
與滑動導(dǎo)向相比，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向具有顯著優(yōu)勢：不存在加不上鉆壓的問題，工藝簡化，允許強(qiáng)化鉆進(jìn)，鉆速高，周期短，綜合效益好；軌跡控制精確，三維繞障能力強(qiáng)，更適合井工廠鉆井防碰，有利于安全高效鉆進(jìn)；井眼凈化好，摩阻扭矩小，井下事故復(fù)雜少，水平段鉆得更長；配套近鉆頭地質(zhì)參數(shù)測量，能及早應(yīng)對儲層變化，儲層鉆遇率更高，有利于提產(chǎn)；井眼光滑，完井、壓裂順利，有利于增產(chǎn)。
美國80%使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，平均水平段長度3000m以上，施工周期短。旋導(dǎo)作為主體技術(shù)，已助力美國實現(xiàn)了頁巖油氣革命，而且革命一直在繼續(xù)。單井速度、質(zhì)量、日產(chǎn)量和EUR還在不斷提升。以美國2023年數(shù)據(jù)為例，鉆井10203口，水平井占比98%，平均水平段長3056m，而我國水平井水平段長度是1800m左右。近十年，來美國頁巖油氣水平井水平段長度每年增加114米，目前還處在增加的趨勢。
在北美非常規(guī)油藏中，斯倫貝謝新一代旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向NeoSteer ABSS已經(jīng)應(yīng)用250余次，共鉆進(jìn)了80萬米。其中，鉆進(jìn)速度最快的井，29小時純鉆時間，一趟鉆完成垂直段、彎曲段與水平段，總進(jìn)尺4,610m，機(jī)械鉆速160m/h。NeoSteer CLx ABSS旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向在美國東部馬塞勒斯頁巖實現(xiàn)直井段、彎曲段和水平段一趟鉆進(jìn)尺4212m，狗腿度較小，同時在整個鉆井過程中，機(jī)速保持在46m/h以上。和美國相比，我們僅有20%使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，速度慢，水平段長度只有1800m。究其原因就是沒有大力研發(fā)應(yīng)用旋轉(zhuǎn)，使國內(nèi)裝備短缺，服務(wù)成本很高。 只有大力研發(fā)應(yīng)用旋導(dǎo)，才能把井打得更快、更深、水平段更長、油氣層鉆遇率更高。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向發(fā)展方向
實現(xiàn)井下智能閉環(huán)鉆井。轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)發(fā)展的目標(biāo)是形成鉆井智能閉環(huán)——兩個環(huán)，井下智能控制閉環(huán)，按照給定的軌道鉆進(jìn)，或按照地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)；井下與地面雙向高速傳輸閉環(huán)，地面指令改變井下鉆井模式。
實現(xiàn)地面遠(yuǎn)程智能決策與控制。遠(yuǎn)程智能鉆井決策控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集傳輸、信息處理、工程設(shè)計、實時監(jiān)控、施工作業(yè)與決策分析功能，具有實時、穩(wěn)定、可靠、自學(xué)習(xí)優(yōu)點；利用數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)分析、分布式計算和協(xié)同決策等技術(shù)對鉆井過程進(jìn)行仿真模擬;利用人工智能技術(shù)進(jìn)行鉆井參數(shù)優(yōu)化、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、故障智能診斷、風(fēng)險識別與預(yù)測;基于智能決策系統(tǒng)，做出實時分析決策，對多井鉆井作業(yè)實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時智能控制。
實現(xiàn)“航地”——“井下自動駕駛”，形成集精準(zhǔn)制導(dǎo)、深遠(yuǎn)探測、閉環(huán)調(diào)控、智能決策于一體的鉆井新技術(shù)，大幅提升儲層發(fā)現(xiàn)率和鉆遇率。
實現(xiàn)”超級一趟鉆”技術(shù)質(zhì)的飛躍，大幅增加鉆頭進(jìn)尺和速度，大幅降低工程成本和風(fēng)險，大幅提高低品位油氣開發(fā)效益。所謂的“超級一趟鉆”，就是“一串金剛鉆”，一趟鉆打完一個開次的所有進(jìn)尺。根據(jù)地層和井型，除了采用高性能、長壽命的LWD和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具以外，將更多采用高切削、耐研磨、自適應(yīng)的專打PDC鉆頭；大扭矩、耐高溫、長壽命的井下馬達(dá)；大水眼、低壓耗、高抗扭、防疲勞鉆桿；可靠性強(qiáng)、切實管用的井下震擊器和各種減摩降阻工具。
壓裂技術(shù)裝備挑戰(zhàn)
我們資源品位低、儲層薄、儲層橫向展布不均勻，但是壓裂裝備不配套、效率低、參數(shù)不合理、密切割不到位、智能化程度低、效果差等問題比較突出。美國在以下方面明顯好于我們，
壓裂車組性能要優(yōu)于國內(nèi)，輸出水馬力高于國內(nèi)，閥體等主要易損件的壽命是國內(nèi)的7-10倍，且壓裂效率高，美國二疊紀(jì)盆地壓裂施工效率，無論從壓裂日效率、年作業(yè)效率都明顯高。為了提高效率，提高效果，降低成本，拉鏈?zhǔn)綁毫阎鸩睫D(zhuǎn)向同步壓裂，同步壓裂占比已超過20%，每天壓裂18小時左右。Halliburton、EWS等公司紛紛轉(zhuǎn)向雙井或三井同步壓裂模式。
AI在智能感知、智能優(yōu)化算法、裝備智能管控平臺等方面明顯先于國內(nèi)；AI技術(shù)采用人工智能擬合和GPU超算技術(shù)，提升了計算速度和準(zhǔn)確度；用于預(yù)測地質(zhì)參數(shù)，提高儲層評估的準(zhǔn)確性；優(yōu)化壓裂參數(shù)設(shè)計，實時診斷與調(diào)控，提高施工效率和壓裂效果。
壓得快，地面裝備、設(shè)備自動化程度高，實現(xiàn)壓裂提速；生產(chǎn)時效同比大幅提升；壓得準(zhǔn)，采用分布式光纖、微地震、壓力診斷等核心監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)油藏與井筒可視化、實時監(jiān)測、評價與在線壓裂參數(shù)調(diào)控，實現(xiàn)精準(zhǔn)壓裂；明顯提升可采儲量，單井初期產(chǎn)量；壓得省，構(gòu)建智能中樞調(diào)控壓裂施工系統(tǒng)，實現(xiàn)由多人到少人的轉(zhuǎn)變，例如SM能源公司在Eagleford單井降低60萬美元。
向電動壓裂方向發(fā)展
根據(jù)北美和國內(nèi)實踐，采用交流變頻電動壓裂裝備不僅安全環(huán)保，能耗低，噪音小，不擾民，效率和效益大幅提升，而且能實現(xiàn)無極調(diào)速，運行平穩(wěn)，有利于實現(xiàn)自動化、數(shù)字化、智能化、無人化。今后會向電動壓裂方向發(fā)展，電動壓裂裝備會越來越多。 當(dāng)前，中國石油電動壓裂裝備不到20%，柴油壓裂車占到80%，今后柴油動力的壓裂裝備將會越來越少。
電力設(shè)備設(shè)施。基于電驅(qū)的優(yōu)勢，壓裂工作者，一方面會主動掌握和應(yīng)用燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)、輸變電技術(shù)、儲能技術(shù)和交流變頻技術(shù)；另一方面會創(chuàng)造條件，架設(shè)更多10-30KV線路，實施交流變頻電動壓裂。在壓裂平臺較多的大氣區(qū)，還會利用燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)以及CNG/LNG 發(fā)電（35MW——2.5MW），1方氣可發(fā)2.7度電，并架設(shè)微電網(wǎng)進(jìn)行集中供電，降低成本。
成套壓裂裝備會設(shè)計緊湊，高度集成。減少占地面積和設(shè)備數(shù)量，提高壓前轉(zhuǎn)場安裝速度，并有強(qiáng)大的連續(xù)作業(yè)能力。管匯安裝，既要快捷、省時、省力又要安全。高低壓管匯應(yīng)集成化、模塊化，壓裂撬（車）和井口管線盡量減少連接點，采用軟連接取代傳統(tǒng)壓裂彎頭、直管等。
地面智能化（自動化）操作系統(tǒng)，應(yīng)用推廣自動供水、自動配液、自動供砂和自動控制裝備；壓裂主管匯、閥門及控制系統(tǒng)模塊化；儀表監(jiān)測、控制系統(tǒng)全面推廣；應(yīng)用高、低壓閥門集中控制；監(jiān)測裝備對閘閥開關(guān)狀態(tài)實時監(jiān)測，流程安全高效切換，段間轉(zhuǎn)換時間15分鐘左右即可開始泵注。開發(fā)應(yīng)用泵注優(yōu)化系統(tǒng)軟件，及時預(yù)警和防止砂堵事件，提高泵效。
建立智能化壓裂系統(tǒng)，建立大數(shù)據(jù)庫和遠(yuǎn)程技術(shù)智能支持中心。應(yīng)用智能實時壓裂監(jiān)測與優(yōu)化技術(shù)，實時監(jiān)測壓裂過程數(shù)據(jù)，對地層壓裂效果進(jìn)行評估，并實時優(yōu)化、調(diào)整作業(yè)參數(shù)，實現(xiàn)裂縫均勻開啟、延伸。最終，拿出壓裂評價報告和下部設(shè)計修改意見。
數(shù)字化智能化裝備
在5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算時代，國內(nèi)外石油企業(yè)、特別是三大油服公司都在強(qiáng)化智能化理念，加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展。2024年1月30日，斯倫貝謝和Equinor在巴西Peregrino C海上平臺創(chuàng)下完全自主鉆井記錄，2600米井段中99%全自主控制，鉆速提高60%，在智能化鉆井方面邁出了一大步！我們長城鉆探的長龍好也是如此。
AI賦能鉆完井，使其具備感知、認(rèn)知、推理等智能功能，能識別地質(zhì)情況和油氣藏位置，智能導(dǎo)向鉆進(jìn)，提高鉆遇率和產(chǎn)量，智能決策生成方案，自動尋優(yōu)參數(shù)，閉環(huán)調(diào)控風(fēng)險，安全優(yōu)質(zhì)快速高效施工。
AI賦能鉆完井工程，可以智能感知復(fù)雜環(huán)境，智能決策解決工程難題，機(jī)理知識與智能算法有效融合，優(yōu)勢互補(bǔ)、準(zhǔn)確可解釋，數(shù)據(jù)增強(qiáng)+遷移學(xué)習(xí)→面向鉆完井小樣本案例精準(zhǔn)建模，對油氣鉆完井工程環(huán)節(jié)全生命周期動態(tài)映射，實時感知決策。
AI賦能鉆完井工程 ，提高效率、減少人力，拓展認(rèn)知上限，優(yōu)快新業(yè)態(tài)，鉆完井會完善一個以鉆井隊和壓裂隊現(xiàn)場為“井工廠”的信息共享支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算以及互聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、云計算，持續(xù)改進(jìn)，廣泛應(yīng)用于集團(tuán)總部，各路專家協(xié)同工作，對一線生產(chǎn)現(xiàn)場形成強(qiáng)大的遠(yuǎn)程技術(shù)支持。
在該系統(tǒng)平臺上，垂直鉆井、定向井、固井、泥漿、控壓鉆井、井控、測井各路資深工程師，可以一同觀看現(xiàn)場施工情況、發(fā)現(xiàn)潛在問題，制定預(yù)防方案，指導(dǎo)或部分親自操作現(xiàn)場設(shè)備（井下儀器），優(yōu)質(zhì)高效地完成“井工程”，與此同時，各專業(yè)在井場的人員會越來越少。
向數(shù)字化、智能化發(fā)展
運用AI強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力和業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)能力，可以解決鉆完井工程設(shè)計、施工、決策、控制等方面難題，大幅提升鉆完井效率、儲層鉆遇率和油氣采收率。占領(lǐng)智能鉆完井研究和應(yīng)用高地是重中之重。
一是需要運用大數(shù)據(jù)、算法、模型知識，攻克數(shù)據(jù)治理、模型遷移、模型解釋、機(jī)理–數(shù)據(jù)融合等難題；二是需要AI技術(shù)與鉆完井工程的深度融合，研究智能算法和模型，形成智能決策體系；三是需要適應(yīng)數(shù)字化智能化的技術(shù)裝備做支撐。要用電動化、數(shù)字化、自動化、智能化武裝現(xiàn)有裝備，使其具有“看得見、摸得著，自我感知、自動尋優(yōu)、提效避險“的感知功能。裝備研發(fā)要適應(yīng)數(shù)字化智能化發(fā)展要求，樹立以勘探開發(fā)需求為目標(biāo)、以鉆完井工藝技術(shù)方法為引領(lǐng)、以工程技術(shù)裝備為手段的”一體化“思想。就像旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的研發(fā)一樣，工程技術(shù)的想法促進(jìn)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的誕生，反過來旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的研發(fā)提升了工程技術(shù)和勘探開發(fā)效率和效益。加快打造高端國之利器。
必須梳理技術(shù)與裝備短板，明確戰(zhàn)略方向和目標(biāo)；必須組建跨專業(yè)跨企業(yè)跨領(lǐng)域的聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊，而且要有工程技術(shù)人員參加；必須在長期政策支持下，進(jìn)行戰(zhàn)略研究；必須重視單元技術(shù)設(shè)備研發(fā)，突破各項“卡脖子”技術(shù)，不斷促進(jìn)技術(shù)裝備迭代升級；必須注重產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合。
頁巖油氣裝備的數(shù)字化、智能化發(fā)展是全球能源產(chǎn)業(yè)升級的必然趨勢。同時，全球智能鉆采裝備市場規(guī)模的快速增長、政策對智能化改造的強(qiáng)制要求，以及國內(nèi)外企業(yè)在技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)布局上的持續(xù)投入，進(jìn)一步印證了這一趨勢的不可逆性，數(shù)字化、智能化已成為頁巖油氣裝備提升核心競爭力、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。
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