工厂化钻机现状和发展趋势研究

李凯, 周天明, 吴卫周, 张虎山, 陆俊康

（1.国家油气钻井装备工程技术中心，陕西宝鸡721002；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002）

0 引言

近几年来，深水油气、页岩油气等低渗透致密油气资源逐渐成为世界油气工业开发的焦点和热点[1-2]。在此背景下，围绕着如何经济有效开发这些资源，客观上推动了深水钻机、丛式井钻机及工厂化钻机等技术的发展。

工厂化钻机针对低渗透致密性等非常规油气资源的开发已经取得了成功[3-4]，不仅提高产量，而且降低开发成本，目前已在全球范围内开始推广应用。近年来，在国内开始了工厂化作业实践，如长庆苏里格采用钻机组合，实现了以苏里格气田为代表的油气资源经济有效的开发[5]。在国外，应用工厂化钻机美国致密油年产量从2008年的2000万t增至2014年的1.6亿t，极大降低了原油对外依存度[6]。且根据调查报告表明：国内页岩等致密油气的单井造价最高达7000万元人民币，成本是美国的2倍，在产量上更不具备优势[7]。工厂化钻机成为油气开发降本增效的重要手段，同时也极大提高了钻机的自动化水平，因此工厂化钻机在我国迫切需要发展和推广。

1 技术特点

工厂化钻机通过批量化流水线作业实现油气资源开发的降本提效。通过分析国内外在用的工厂化钻机，指导和推动我国非常规油气开发钻机的研制和发展。其主要的技术特点有：1）系统高度集成性。Sparta钻机（如图1）集成先进的技术设备,能够快速实现井间移运，在北美地区页岩气资源开发中占据了主导地位，同时该钻机还符合严格的运输条件限制。2）井间快速移动性。配备滑移系统，满立根井间快速移动。美国Rodgers Technology公司的Versa钻机（如图2），只需1 h即可实现井间或井组间移运，从钻机拆卸到钻机安装也只需12 h左右；相对于传统钻机井间移运需3~4 d，极大降低了作业时间。3）防喷器快速装卸。快速装卸和移动防喷器组，缩短作业时间。4）批量流水线作业。对多口井进行流水线批量化作业，极大缩短作业周期。5）自动化设备。配备管柱处理等设备，实现钻机作业过程中的高度自动化。北美地区主要用于页岩油气资源开发Savanna钻机（如图3），其配备管柱系统等自动化设备；不仅作业安全性高，且通过精密控制大大提高钻机效率，作业优势比较明显。

图1 Sparta钻机

图2 Versa钻机

2 工厂化钻机国内外现状

工厂化钻机正孕育着油气生产行业的深层变革，国内外对工厂化钻机作业都进行了一定的研究和实践活动，下面分别进行总结。

2.1 国外情况综述

图3 Savanna钻机

国外北美地区，自2007年大规模推广应用工厂化钻机以后，有力推动了该地区非常规油气资源开发的快速发展，尤其对页岩气资源开发实现了降本增效。

1)斯伦贝谢。斯伦贝谢应用工厂化钻机作业，平均单井建井周期为8 d，相比较之前周期缩短了约14 d，大幅度地减少了作业时间。

2)美国水平井快速发展。美国将工厂化钻机作为页岩气等非常规油气开发的主要手段，带动了水平井数量快速增长；其中用于开发页岩气的水平井到2013年为止增至1.7万口，占总井数约37%，如图4所示。

图4 美国近几年钻水平

2013年美国应用工厂化钻机钻水平井平均井深首次突破4000 m，这一平均井深超过了中国大多地区页岩油气资源的埋藏深度；同年美国钻水平井进尺共6900万m，占当年全美总进尺约59%，是直井进尺的2倍如图5所示。

图5 美国近几年钻水平井进尺

图6 GES超级钻机

3）全球能源服务公司(GES)工厂化钻机。2010年GES公司推出了新型超级钻机（如图6），该钻机不需要拆卸钻机，就能沿同一方向打20口井，减少钻机等停，缩短作业周期。且该钻机搬家时只需24辆大车，比一般大型钻机少用12辆，从而进一步控制钻机作业成本。

4）西南能源公司工厂化钻机。美国西南能源公司应用工厂化钻机进行页岩气作业，单井平均作业周期从18 d减至8 d；同时钻水平段长度从810 m增至1500 m，整体的作业成本呈逐步下降趋势，如表1所示。

表1 2007-2011年工厂化作业统计

2.2 国内情况综述

国内近几年在各大油田也进行了一些探索实践，初步取得了一些成效，作业周期和成本明显降低[8-10]。

1）塔里木大小钻机组合。塔里木油田2012年开始了工厂化钻机作业的实践活动，如图7所示，采用小钻机打表层大钻机二开作业的流水线模式，解放了大钻机的同时加快了钻机周转速度，钻机等停现象减少，缩短了作业周期，实现钻机使用效率的提升。

2）长庆工厂化降本增效。自2013年起，长庆油田逐步实践工厂化钻机作业模式。苏东三区G0-7井场施工周期缩短58 d，节约征地18亩；且钻机井间移运时间由3 d减到3 h，极大减少作业成本。

3）长城钻探流水线模式。2014年长城钻探苏53区块大平台工厂化作业模式示范项目，如图7所示，采用大小钻机组合形成流水线作业，配套移运系统，当年比计划提前50 d完工投产，大幅度降低了作业成本。

4）大庆垣平钻开致密路。2012年大庆油田在垣平进行工厂化作业，不仅单井产量提升而且作业成本下降。目前工厂化钻机已成为大庆油田开发外围致密油气资源的有效途径。

5）油气田丛式井工厂化。2013年西南油气田丛式井采用工厂化钻机作业，建井周期同比减少56%，页岩气资源的开采取得了初步的成果。

图7 大平台工厂化作业模式

3 发展工厂化钻机现状和建议

3.1 我国工厂化钻机的现状

我国拥有较为丰富的致密油气资源，广泛分布于西部地区多个油气盆地中。虽然国内近几年出现了一些工厂化钻机作业探索实践，也初步实现了作业周期的降低和作业成本的减少，但相对于国外在开发致密油气资源已取得的经济和社会效益，我国的工厂化钻机还需要进一步推广使用。

截至目前，国内陆地钻机的自动化程度普遍不高，且配备快速移运系统的工厂化钻机数量更为缺乏。因此应在学习国外工厂化技术的同时，研制适合国内油气资源开发实际需要的工厂化钻机，从而实现国内工厂化钻机大规模应用。

3.2 工厂化新思路：陆用双井口钻机

在国外，大型钻井承包商基本拥有自己的工厂化钻机品牌，如H&P公司目前拥有将近300多台陆地钻机，其中工厂化钻机占了一半。因此，我们在研发适合本国国情的工厂化钻机时，应鼓励石油装备企业发展自己的工厂化钻机品牌。

陆用双井口钻机是宝石机械公司针对丛式井作业而设计的，可同时对相邻2个井位进行独立作业，是为最大限度地提高丛式井作业效率而设计的一种特殊石油钻采设备。陆用双井口作业钻机可作为工厂化钻机方案的一种，为工厂化钻机提供新的思路，实现钻机设计的个性化和多样化。

4 结 论

工厂化钻机正孕育着油气生产行业的深层变革，智能化、工厂化作业已成为趋势。大力发展陆用双井口钻机，将双井口钻机发展成我国自己的工厂化钻机品牌，实现钻机设计的个性化和多样化，满足企业的可持续发展需求，同时进一步增强我国石油装备企业在钻机设计行业的影响力。

[1]汪海阁,王灵碧,纪国栋,等.国内外钻完井技术新进展[J].石油钻采工艺,2013(9):1-12.

[2]夏家祥,韩烈祥,朱丽华,等.北美移动钻机技术现状[J].钻采工艺,2013,36(4):1-8.

[3]郭晓霞,杨金华,钟新荣.北美致密油钻井技术现状及对我国的启示[J].石油钻采工艺,2014(7):1-5.

[4]邓元洲.页岩气“井工厂”钻井技术现状及展望[J].化工管理,2016(13):156.

[5]刘乃震,柳明.苏里格气田苏53区块工厂化作业实践[J].石油钻采工艺,2014(6):8-17.

[6]司光,林好宾,丁丹,等.页岩气水平井工厂化作业造价确定与控制对策[J].天然气工业,2013(12):163-167.

[7]杨金华,何艳青,郭晓霞.美国油气钻井业发展的新特点与启示建议[J].国际石油经济,2014(9):21-28.

[8]张金成,孙连忠,王甲昌,等.“井工厂”技术在我国非常规油气开发中的应用[J].石油钻探技术,2014(1):20-25.

[9]王敏生,光新军.页岩气井工厂关键技术及在国内的应用[J].探矿工程-岩土钻掘工程,2013(增刊1):256-259.

[10]陈新龙,徐军,高迅,等.涪陵页岩气开发“井工厂”钻机现状及发展[J].石油机械,2015,43(9):32-36.