钻井业务综合节能降耗对策

陈衍飞 吕莉莉 陈由旺（中国石油规划总院）

钻井业务综合节能降耗对策

陈衍飞 吕莉莉 陈由旺（中国石油规划总院）

“十二·五”以来，中国石油钻探企业依托“10+5”节能节水项目，加大推广应用力度，分别从机制节能、管理节能、技术节能、理念节能入手，着力提升节能能力。以技术路线为基础，分析介绍了钻井业务节能降耗主要技术和管理措施等，从而明确提出在钻井业务量增长、钻井难度增大、钻井能耗增加的形势下，伴随着大数据时代的来临、现代化管理方式的升级，钻井节能需因地制宜采取适用的节能技术，提高节能投资效益；应与时俱进，推动标准化管理，实现智能化管理，创新管理模式；同时强化过程管理，追求精细化管理，实现一井一策，挖掘节能机会。

钻井技术 节能降耗 创新模式 一井一策

近年来，中国石油油气田业务开发规模不断增大，在稳油增气的大形势下，每年新增各种井1.5万口以上。同时，定向井、水平井及深层气井数量大幅度增加，钻井业务能耗也不断增加，钻井单耗亦呈一定的上升趋势。而随着大数据时代、互联网时代的来临，信息时代的企业管理及能源管理面临新的形势，国家政策鼓励采用新型的现代化管理手段促进管理升级。钻井业务节能降耗、降本增效，压力与机会并存[1]。

1 影响钻井能耗的主要因素

钻井工程主要能源消耗种类为柴油、电力和天然气，其中，柴油消耗占能耗总量的80%；因此，如何有效利用并减少柴油消耗成为钻井工程节能降耗工作的重中之重[2]。影响钻井工程能源消耗的主要因素如下：

1）设备方面。设备的新旧程度、先进程度、配置等因素，在一定程度上影响钻井速度，从而影响钻井能耗。例如，在井深相差不大的情况下，有现场数据显示，对于1100～1200 m的井，使用ZJ50钻机比使用ZJ15钻机能耗高2.13倍，使用ZJ15钻机较经济；而对于1550～1650 m的井，使用ZJ30比使用ZJ20钻机能耗高1.42倍，使用ZJ20钻机较经济，使用ZJ15钻机为“小马拉大车”，能耗及能耗费用最高。故在选择钻机及井队时，应综合协调，在设备允许调度范围内，选用最节能的钻机，降低能耗。

2）钻井类型。井型不同，所需钻井时间不同，能耗不同。近年来，定向井、水平井数量增多，钻井难度增大，钻井周期长，钻井能耗也随之增大。例如，某油田钻井公司的一台ZJ30DB钻机，在井深等对比条件相差不多的情况下，水平井每米进尺综合能耗是直井的1.96倍。

3）用能方式。在不考虑电能为二次能源的情况下，同类井深、相同钻机、同区域钻井能源消耗从小到大依次为：全部使用电网电钻井，使用电、柴油钻井，全部使用柴油钻井。

4）地质状况。油层深度不同，地层硬度不同，钻井消耗也不同。在实际钻井过程中，由于随着井越钻越深，地层硬度增加，钻进速度越来越小，平均每天进尺量变小。例如，有24 h钻进1200 m以上的情况，也有24 h钻进不到24 m的情况。

5）区域温度。区域不同，季节不同，能耗也不同。冬季设备需保温伴热，井队需采暖，冬季能耗较夏季高。例如，在大庆油田，海拉尔的钻井队消耗高标号柴油（35#柴油）时间要比大庆老区多一个月，能耗费用相对较高。

另外，工作量不饱满，井位不连续，井队等停过程中，驻地人员少，用电负荷小，柴油发电机组不得不低负荷运转，造成低效高耗。网电钻井过程中，协调搭电事项、农作物赔偿、井场占地、通井路占地问题解决的快慢，影响能源消耗。操作工人的熟练程度也影响能耗，技术力量强的井队钻井速度快、能耗小。

2 钻井节能降耗主要技术

“十二·五”以来，中国石油钻探企业利用集团公司设立的节能专项资金，加大节能技术推广应用力度，形成了“10+5”节能节水典型技术。10项节能技术包括油料远程自动计量、燃油替代、无功补偿及谐波抑制、燃气余热利用、节油装置及添加剂、照明节能改造、电机软启动、节能发电机、高效传动装置、新能源利用。5项节水技术包括污水处理循环利用、泥浆回收再利用、连续混配压裂技术、防漏打桩、水袋节水及冷凝水回收[3]。

2.1 钻井提速技术

钻井提速是钻井业务节能降耗的关键[4-5]。2015年1月，长庆钻探90002钻井队在克深902井用368天钻至8038 m的深度，超过了2011年同一构造带克深7井所保持的8023 m陆上最深钻井纪录，并比克深7井完钻周期早380天，提速50.8%。钻井速度提升，钻井周期缩短，意味着钻井能耗大幅度降低。近年来，随着垂直钻进、超深小井眼等工艺技术，PDC、涡轮、孕镶钻头等钻具技术的发展，钻井提速在降低钻井能耗成本方面创造出其他技术无法比拟的贡献。

影响钻井速度的因素较多，各钻井队应针对不同区域、不同井型，做到一井一策，不断总结提高，通过各种努力提高钻井速度，缩短钻井周期，降低钻井能耗。川庆钻探在苏里格气田，通过持续技术攻关和集成配套，在水平井逐步形成了“四优、两大、两精细”的水平井快速钻井技术系列，极大地推动了水平井整体提速。西部钻探积极推广应用垂直钻井系统、扭力冲击、脉冲钻井等新工艺、新技术，2013年国内机速提高6.33%，钻机月速提高8.14%，缩短钻井周期66.23台月，节约柴油7 947.6 t，节约新鲜水17.76×104m3。

2.2 柴油实时计量技术

钻井公司柴油管理粗放是油耗较高的原因之一，实行精细化柴油管理是节能的重要途径。大部分柴油钻井队采用油罐液面标尺计量或称重计量，对钻井生产过程用油并无计量，一方面井队存在油料流失的可能；另一方面井队柴油定额及定额修订缺乏科学依据。柴油实时计量远程管理系统可实现计量数据的自动采集、实时传输、库存低线及消耗异常报警、远程管理监控、同区域井队油耗对比、单井每米进尺油耗分析等功能。

川庆钻探在141个钻井队安装柴油远程计量系统，实现了不间断的数据采集及分析，公司、二级单位的两级管理部门通过管理软件进行柴油使用的远程监控管理。由于钻井现场偏远，井位分散，油料管理人员有限等客观条件限制，以往很难做到对所有井队经常性检查，掌握井队每天实际耗油量。使用该系统以后，可全天候监控井队用油情况，提高了对井队的用油管理水平，同时节省人力、车辆等生产成本。通过该系统远程掌握钻井队任意时间段的钻井进尺、耗油量及存油量，合理确定送油时间及送油量；杜绝了井队非生产油料流失，节油量可达到1.7%～5%。

2.3 应用网电钻井

推广应用工业电网钻井是降低钻井综合能耗的主要方向，其相对柴油钻井具有以下优势：节省柴油，降低钻井综合能耗和成本；节省柴油运费，节省设备运行时数，节省设备维护费用，节省柴油发电机组三滤等成本费用；绿色环保，无噪音无污染；计量准确，方便管理，不存在非生产流失。“十二·五”期间，西部钻探先后在吐哈油田和玉门油田推广应用油改电钻机，5年来，累计完成进尺39.85×104m，外购电力1.37×108kWh，替代柴油3.15×104t，节能2.9×104t（标煤），节约成本1.42亿元。总的来说，柴油钻井改为工业电网钻井后，综合节能率可达50%以上，钻井时间越长，采用网电钻井节能与节约成本优势越明显。

然而，受应用政策、应用意识和钻机配置等因素的影响，钻井工程推广应用工业电网的程度有较大差异。例如，大庆油田老区各区块钻井之前，由油田设计院、采油厂及钻井公司现场勘察共同完成钻井线路走向方案，且钻井线路建设投资列入区块开发建设投资中，由油公司支付，完钻之后，多数钻井线路由采油厂接收，转为产能线路挂接生产井。而在外围油田，由于多为扩边井或零散区块单独开发，新钻井区缺乏可供利用的供电线路；同时滚动开发导致基建规模难以确定，供电能力不足。如搭接线路，一般需从电力集团35 kV主线上搭接。如为探井或深层气井，钻井时间长，成本核算收益高，搭接线路方案可行。如为开发井，单井建井时间短，开钻至完钻仅不足2天时间，多方协调搭接线路价值不高。同时，油田老区应用工业电网钻井具有一定的客观优势，但电动化钻机数量不足，在很大程度上影响工业电网钻井的推广应用。“十二·五”期间，钻机“电代油”推进工作有了较大发展，网电钻井进尺占总进尺的比例上升到了3.4%。但是这一比例仍然很小，有较大的节能空间。

2.4 余热利用技术

柴油机废气余热回收利用是利用热管换热方式回收柴油机废气余热。换热器与外壳有一定空隙，安装在柴油机消音器位置，保证负压很小，不影响柴油机排气。热管换热器传热效率高，可有效避免冷、热流体串流，有效防止露点腐蚀，防止积灰；且运行及维护费用低，具有很好的消音降噪功能。该技术在川庆钻探、渤海钻探等钻井现场得到了较好应用。

渤海钻探利用柴油机烟气余热产生高温蒸汽，从而取代电加热或燃煤蒸汽锅炉，解决钻井队冬季防冻保温、清洗设备所需蒸汽、热水和降低运行成本的问题。在环境温度为5℃的情况下，现场安装的2台蒸汽发生器，经过近2 h加热，水温可达145℃左右，蒸汽压力0.25 MPa，烟气进口温度在340～370℃，出口温度在180～200℃。另外，通过现场优化，将装置设为两种工作模式，即热水模式和蒸汽模式，通过转换开关直接实现切换。将自动控制箱及水泵改为防爆形式，增加了软化水处理装置，防止蒸汽发生器结垢。将设备进行模块化设计，方便现场安装和运输。计算经济效益，与采用电加热蒸汽锅炉相比当年投入产出比可达1∶1.4；与采用燃煤蒸汽锅炉相比当年投入产出比可达1∶1.8。

2.5 无功补偿技术

电力系统中的发电厂向电网供给两部分能量，一部分用于负载做功而被消耗掉，称为“有功功率”。另一部分是用于负载中的电感或电容负荷进行磁场能量交换，这部分能量只是在电源与负载之间往复交换，并没有消耗掉，被称为“无功功率”。无功功率对供电系统和负载的运行都十分重要，是保证电能质量不可缺少的部分。在电力系统中应保持无功平衡，否则，将会使系统电压降低、设备损坏，增加线路损耗，严重时，会引起电压崩溃。如果电网中所需无功功率都要由发电机提供并长距离传送是不可能的，合理的方法是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即为无功补偿。无功功率补偿的基本原理是把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。由此感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿。钻井队通常采用就地动态补偿，提高功率因数，减少柴油发电机组总发电量，降低柴油消耗。西部钻探近3年来累计推广应用25套，使用298台月，每台套月节约柴油15 t，累计节约柴油4466 t，节约成本3400万元。

3 钻井队综合降耗对策

3.1 因地制宜选用高效节能技术

钻井节能技术有其适应性，在不同的钻井区域，针对不同的季节，不同的硬件配置等，需因地制宜选择合适的技术[6]。

由于南方地区普遍冬季温度偏高，烟气余热利用在诸如四川、重庆等地区经济性较差，而在高寒地带保温效果又差强人意，因此，该技术在高温高寒地区节能优势并不明显。柴油机尾气利用装置属季节性产品，利用率不高，且撬装式余热利用装置属于压力容器，每年需报检。此外，柴油机的可用余热受柴油机负荷影响大，柴油机的负荷较小时保温需求量反而更大，柴油机在停机工况下仍需与电加热配合加以弥补。因此，该技术在钻井队适用需加强技术经济论证。

由于钻井井位偏远、网电覆盖不到位、电动化钻机不足等原因，目前钻井多以燃油驱动为主。同时，网电钻井需与电力集团协调供电能力、与地方政府协调线路临时征地以及土地补偿等问题，程序复杂耗时多；因此，以西部钻探为代表的钻探企业多采用合同能源管理的方式进行“钻机油改电”。

另外，柴油实时计量远程监控技术适用于偏远井、长周期井，如探井及深层气井等；西部钻探采用“防漏打桩技术”，将自制的大套管用打桩机打入20～25 m的地层，成功解决了沙漠等地表松软区块打表层泥浆漏失严重的难题，而该技术对于土质坚硬的地区则不适用。

3.2 创新管理模式

管理规范化、制度化是现代化管理的重要标志之一[7]。随着节能工作不断深入，钻井节能管理与时俱进，逐渐向精细化、制度化迈进。同时，积极采用现代化管理工具，创新钻井管理模式，促进钻井业务管理水平提高。

1）精细化管理。渤海钻探钻井三公司制定《钻井队节能降耗办法》，规定“泥浆泵必须根据不同工况，更换不同直径缸套，尽量使用小尺寸缸套，提高泵冲速”等26条节能降耗措施；钻井五公司规定“利用柴油机有效功率，减少并车次数”等39条控制措施，对钻井过程的每个细节进行了规范，实现了精细化管理。

2）制度化管理。长城钻探公司通过收集1120口完井资料和柴油消耗资料，确定井深、井型、机型、钻头直径和区块地质情况与柴油消耗相关联的48个数学模型、19个修正系数和1个考核系数。经过对辽河油区100多口完井数据的验证，实际柴油用量与理论定额指标相对误差仅为0.7%，形成了钻井能耗指标体系标准下发各单位执行。

3）能效对标管理。对标管理因其巨大的实效性和广泛的适用性被认为是改善企业经营绩效、提高全球竞争力最实用的管理工具之一，与战略联盟、企业再造被全球管理学界称为21世纪三大管理工具。能效对标管理作为提高企业用能水平的一项实践活动，在国家政策的推动下，近几年在钻井业务逐渐得到重视。当前钻井能效对标的研究和实施尚处于初始阶段。川庆钻探正在开展“钻井节能减排指标体系及示范队评价方法研究”，同时逐步探索建立钻井队能效对标方法，对选定对标的钻井队进行长期跟踪，查找降耗增效的关键环节，降低钻井能耗；组织了川渝地区70190队及70016队钻井能效对标，在一定程度上找出降耗增效的关键环节，提高现场节能管理水平，降低钻井进尺单位能耗。

3.3 优化方案一井一策

由于各区块地质条件、气候条件、当地政策、当地用能用水条件等具有较大差异，钻井过程的不可复制性较大，各公司的用能管理方式也有较大差别，钻井管理节能空间较大。钻井节能应针对不同的情况，优化钻井过程可以利用的资源、可以提高的环节[8]，一井一策实现降本增效。

1）优化钻井方案。例如，某钻井公司在钻井时，原钻井方案为13口井同排，该方案一方面地下管柱相碰概率大，钻井难度大；另一方面，钻井斜率大，能耗高。将13口井同排改为两排，降低技术难度同时又减少钻井能耗。西部钻探积极与油田勘探开发部门开展技术交流，通过研究优化井身结构方案，施工30口井，减少泥浆用量660 m3，减少套管3198 t，缩短钻井周期844天，节约柴油3375 t。

2）调整钻井任务。钻井年度生产计划不均衡，一般年底为生产旺季，冬季钻井需增加燃油锅炉进行生产；同时泵、管线、发电机组冬天室外工作，为在需要时柴油发电机随时可启动，需空载运行，增大了油耗。在钻井队工作任务并不饱满时，可积极与甲方协调，或加大各钻井队的调配，尽可能减少冬季钻井任务，减少油耗。

3）提高操作水平。企业的耗能水平，除技术、管理的因素之外，与生产操作具有直接关系。据近年来的钻井资料分析，在钻井过程中，处理井下复杂情况和钻井事故的时间，约占钻井总时间的3%～8%。

4）加强技术培训。同一钻井公司所辖钻井队，钻同一区域的开发井，技术强的钻井队年可钻进8×104m，技术相对弱的钻井队年钻进量不足4×104m。钻井工人技术水平也是钻速较慢、能耗较高的原因之一。加大技术培训，提高工人操作熟练程度，正确处理因地质因素产生的井下复杂情况，避免或减少因决策失误、处理不当而造成的井下事故是提高钻井速度，降低钻井成本的重要途径。

4 结束语

钻井节能降耗工作是一项复杂的系统工程，在因地制宜采取适用的钻井节能技术的同时，应加强管理，挖掘节能潜力。由于钻井业务的特殊性，追求管理节能效益，一方面要积极探索现代化的管理工具，创新管理模式，推动标准化管理，实现智能化管理；另一方面要充分调动广大技术员工的节能积极性、主动性，深入思考研究节能工作中出现的各种问题，力争实现一井一策，把握各种节能机会，控制各个用能环节，强化过程管理，追求精细化管理。

[1]王刚.浅谈新时期如何加强节能钻井技术研究[J].科技视界,2013(8):136.

[2]葛苏鞍.钻探企业节能减排措施综述[J].石油石化节能,2012(9):38-41.

[3]陈立荣.油气钻井节能减排及清洁生产措施实践[J].油气田环境保护,2009(1):23-26.

[4]吕正林.川庆钻井队节能工作主要措施应用[J].石油石化节能,2012(8):43-44.

[5]许立华.科技提速是钻井工程节能降耗的关键[J].节能与环保,2008(10):36-37.

[6]卢周芳.浅谈石油钻井节能减排的途径与对策[J].探矿工程:岩土钻掘工程,2010(10):14-15.

[7]任桂英.钻井企业节能降耗研究与探讨[J].石油石化节能,2010(4):15-17.

[8]孙景涛.钻井工程优化设计对钻井施工节能降耗提供科学依据[J].资源节约与环保,2011(3):72-74.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.007.013

2015-04-02）

陈衍飞，工程师，2010年毕业于北京大学（能源动力与资源工程系），从事能源信息及政策、油气田和长输管道领域节能技术研究及推广等工作，E-mail：cyanfei@petrochina.com.cn，地址：北京市海淀区志新西路3号中国石油规划总院，100083。