陆地石油钻井装备技术现状及发展方向探讨*

王定亚 孙 娟 张茄新 张继环 高龙岗

(宝鸡石油机械有限责任公司；国家油气钻井装备工程技术研究中心 )

0 引 言

2020年以来，“疫情+低油价”为全球石油行业的发展带来了严重的创伤，在此危机下，催生新科技以达到提质增效、促进技术不断进步则显得更有价值和意义。纵观我国石油装备的发展历史，我国大型石油钻井装备的研制自20世纪60年代开始，历经60年风雨，从研制方法来说，石油钻井装备先后经历了仿制、部分研制、自主研制到创新研制4个阶段；从技术路线而言，石油钻井装备从柴油机机械驱动起步，历经直流电驱动、机电复合驱动、交流变频电驱动直到当前的管柱自动化钻机，并经产品从小到大、系列化和多类型发展完善，才逐渐形成了当今全球制造规模最大、型号品种多样的产品发展格局，可以说这其中凝结了几代石油人的心血和智慧，一路走来，实属不易。但随着当前智能化钻井和智慧化油田等概念的诞生，石油钻井装备又开始面临着一场新的革命，在此前提下，如何更深入完善地做好全流程自动化钻机，进而开启智能化钻机发展时代是必须要认真研究的一个重大问题。

为了促进石油钻井装备今后的发展并为未来智能化钻井技术进步打下基础，笔者将对国内外钻井装备的发展现状及国内与国外先进产品之间的主要技术差距等进行分析，并就钻井装备今后的发展方向提出看法和建议。

1 石油钻井装备国内外技术发展现状

21世纪以来，全球钻井装备可谓经历了一场翻天覆地的变化，尤其以电驱动替代传统柴油机驱动的直流电驱动钻机及交流变频电驱动钻机的兴起和日趋成熟，迅速扩展并成为主流产品在各大油田得到了广泛应用，特别是近10年来，在电驱动钻机研究的基础上，大型钻机的移运技术、全液压驱动技术、钻机自动化智能化技术的不断推广，再次为石油钻机的发展插上了腾飞的翅膀。

1.1 国外先进钻井装备技术现状

近年来，在世界石油钻井装备的发展方面，以部分欧洲国家和美国等为代表的发达国家充分利用自动化、信息化、数字化及快捷化等技术手段，大力改进提升钻井装备技术性能，先后研制了多种形式、特色鲜明、性能优良的钻井装备，取得了良好的成效，有力地促进了全球钻井装备的技术进步。如德国海瑞克研制成功的TI-350T陆地全液压自动化钻机，最大钩载3 500 kN, 适应钻井深度可达到5 000 m，已在我国川渝地区钻井现场应用了5年多，钻机自动化程度高，现场使用效果良好。其突出特点是通过在地面建立双立根钻柱模式，采用液压机械臂直接举升至钻台面，并通过液压顶驱配合铁钻工来完成接钻柱过程，无需配备常规的二层台装置，整个管柱的输送路线短，安全性好，省时省力[1]。挪威West Group公司研制的CMR连续运动钻机，提升载荷达7 500 kN ，钻机的设计理念打破了传统思维，配备有独立建立根系统，钻柱可实现不间断连续运动，满足连续循环钻井工作需要，送钻效率快捷高效，该钻机起下钻速度比常规钻机提高了30%以上。

荷兰豪氏威马(Huisman)公司先后研制了LOC 400和HM 150两种高效自动化钻机。其中LOC 400钻机具有结构紧凑、体积小和搬家速度快等显著优点，整套钻机全部采用模块化设计，可拆分成19个可用标准ISO集装箱装运的模块，整套钻机运输单元少，运输快捷方便；研制的HM 150型钻机属于一款移动性很强的拖车式钻机，可在不同地点及多口井场之间实现快速移动，整套钻机配备有区域管理系统和安全联锁装置，可将反弹撞击的风险降至最低。意大利Drillmec公司研制的AHEAD375自动化钻机，整套钻机采用液压控制驱动，钻机设计配套有独立建立根系统，可实现管柱全流程自动化操作，具有管柱运送平稳，各操作设备动作衔接准确、快捷等特点[2-3]。另外，通过现场实地考察，美国斯伦贝谢公司近年来最新研制了一款名为FUTURE RIG的未来智能型石油钻机。该钻机功率设计为1 103 kN，钻井深度为5 000 m，其操控系统设置有两个前后错位排放、高低位分别布局的主、辅司钻操作台，钻机二层台配备有多部机械手，司钻系统内置各种传感器超过1 000个，主要对钻机安全状态、设备健康状态、设备运行状态和作业流程等进行全方位监测，并研制出了“DrillPlan”平台，以实现整套钻机的虚拟数字化控制，设计理念超前。

1.2 国内先进钻井装备技术现状

我国在先进钻井装备技术研发方面，通过不断努力追赶，先后在管柱自动化技术、钻机移运技术、司钻集成控制技术、超深井钻机技术、高压喷射钻井技术、特殊地域和气候条件下需要的钻机技术研究方面也有了长足的进步，主要表现在以下几个方面。

1.2.1 超深井四单根立柱钻机技术

近年来，围绕新疆库车山前特殊地质地貌特征，我国已先后为新疆塔里木地区研制出钻深能力分别为9 000和8 000 m的超深井四单根立柱两种不同型号的石油钻机[4-5]。其中，ZJ90DBS四单根立柱钻机于2012年研制成功并一直在新疆塔里木油田实施钻探作业，目前已完成7口超深井作业，平均钻井深度超过7 300 m，累计进尺超过51 200 m；ZJ80DBS四单根立柱钻机重点围绕小钻柱排放技术难题，开发了推扶小钻具三单根立柱和复合式(悬持+推扶)大钻具四单根立柱的立柱组合排放技术，并于2020年2月开始在新疆塔里木地区开展工业性试验，目前已进入3开作业，现场应用表明，钻机综合性提效超过15%，钻井周期缩短6%[6]。

1.2.2 系列管柱自动化石油钻机技术

根据中石油提出的 “六年三代”钻机发展规划，国内由宝鸡石油机械有限责任公司(以下简称宝石机械)牵头率先完成了第一代ZJ50DB、ZJ70DB、ZJ80DB和ZJ90DB系列自动化钻机的研制，目前已推广应用了60多套，其技术特点主要表现为钻机配备有自动化的动力猫道、钻台机械手、铁钻工及电动二层台机械手等各种自动化设备，基本替代了繁重的人力作业，实现了二层台高位无人值守，减人增效，确保了现场操作的安全性[7]。正在研制的第二代ZJ70DB自动化钻机突显了独立建立根和远程在线监测等关键技术，可望于2020年年底完成制造和工厂内部试验。

1.2.3 超长单根和双单根立柱自动化钻机

2018年，宝石机械为大庆钻探公司1202尖刀钻井队研制了一款ZJ30DB交流变频超长单根自动化钻机。该钻机设计钻深能力3 000 m，目前已完成20多口井的钻井作业，钻机的控制自动化和操作安全性等获得了油田现场使用者的高度评价。该钻机在结构设计方面的突出优点是无二层台装置，无立根排放系统，超长钻杆的输送通过旋转机械臂从低位直接抓举输送至钻台面，交给顶驱后由铁钻工来完成上卸扣作业。除此之外，该钻机还配套了国产的直驱顶驱、直驱钻井泵和直驱绞车等关键装备，确保整套钻机操作过程简单、高效。另外，根据市场发展需要，目前宝石机械又开始进行适合中深井使用的双单根立柱钻机的设计研发工作，其中已开发的ZJ40DT钻机配备有双单根立柱排放系统，主机采用轮式拖挂移运结构，目前已完成产品试制，准备发往油田进行工业性试验。

1.2.4 稳压力大排量钻井泵技术

随着喷射钻井、水平钻井、海洋钻井和复杂难钻井等钻井工艺的发展变化，国内宝石机械等公司率先推出了功率级别为1 600、2 200和3 000 hp系列五缸高压力大排量钻井泵。其中研制成功的QDP-3000型五缸钻井泵和QDP-2200型五缸钻井泵已通过油田工业性推广应用，其性能已得到充分验证，与同型号三缸钻井泵相比，不仅泵组的体积减小了20%以上，而且输出排量比三缸泵提升30%以上，排出压力波动仅为三缸泵的，不均匀度约为7%[8]，产品可靠性明显得到提高，总体性能先进，受到了油田用户广泛好评。

1.2.5 钻机大吨位直立移运技术

根据中东地区沙漠特殊作业环境需要，国内宝石机械和中国航天科工集团有限公司宏华集团有限公司(以下简称航天宏华)等企业先后为阿联酋和科威特等地区成功研制了钻深能力5 000～9 000 m范围的各型号大模块轮式移运拖挂钻机，其中为阿联酋国家研制的ZJ50DBT和ZI70DBT两种轮式拖挂钻机具有多种移运组合模式，尤其近距离搬家可实现主机直立移运，节省了大量搬家安装时间[9]；同时，为科威特研制的ZI70DBT轮式拖挂钻机不仅满足直立移运，而且还可实现井架的弯折功能，可以有效避开高空高压线等障碍物，使其整体通过性更好，移运范围更加广阔。

1.2.6 丛式井轨道式极地钻机技术

近年来，国内宝石机械和航天宏华等公司先后针对俄罗斯极寒冷地区研制了多种低温钻机。其中由宝石机械2018年研制的钻深能力7 000 m低温列车ZI70DB轨道式钻机[10]，主体采用高强度抗低温耐韧性材料，钻机整体安装在列车导轨上，钻机下方配有钢制滚动轮，与钻机整体呈一字形排列，更换井位时只需通过固定于导轨上的油缸拉动来实现整套钻机的移动，非常方便。另外，为了保温，在钻台面下方、电控房、泵房和固控区等采用全封闭式结构，房体内配有锅炉和电热器等加热设施，钻台面四周设有挡风墙等，可以满足-45 ℃极地环境下的作业要求和-60 ℃环境下的设备存储要求[11]。目前该钻机已通过俄罗斯北极地区冬季严寒天气的考验，其设计性能完全满足极地环境工作要求。

2 我国钻井装备与国外钻井装备的主要差距

近年来，我国在钻井装备研究方面取得了长足的进步，主要表现在大型装备集成配套技术、钻机自动化研发技术、钻机搬家快速移运技术及超深井装备研究技术等方面，但认真分析对比，我国仍然在产品设计理念、产品配套技术能力及卡脖子核心技术研究方面与国外还存在较大差距，需要不断加大研究力度，力争早日实现突破。

2.1 钻井工具的研发工作需要不断加强

以美国斯伦贝谢和哈利伯顿等公司为代表，其先进钻井技术长期引领着世界钻井技术的发展潮流，尤其表现在高性能钻头、随钻测量、扭转冲击、减振增压以及垂直钻井等井下产品和技术方面[12-13]。近年来我国在这方面虽然也做了相应的技术研究，先后研制了部分产品，但就产品性能、产品品种和产品规格等方面与国外还存在较大差距。

2.2 自动化产品的应用研究仍需要深化

我国虽然已经研制出了具有双司钻集成控制、基于模拟人工操作形式的管柱自动化石油钻机，并已形成了一定的批量，但与国外同类产品相比，创造性成果较少，结构形式相对单一，系统集成水平不够，尤其在产品的稳定性和可靠性等方面还存在一定的差距，仍需在结构创新和优化提升方面加大力度。

2.3 智能化钻井技术研究需要加快速度

西方发达国家起步较早，早已着手智能化技术在钻井装备方面的研究与实践，相比较，我国起步较晚，虽然国内已有部分科研院所和高等院校等着手这方面的技术研究工作，并建立了必要的理论基础，但距实际应用还有较长距离，应加快该项工作的研发进程，力争早日推出样机并开展现场试验及应用。

2.4 核心元器件研发工作需要强力推进

核心关键配套元器件与国外差距较大，已成为制约国内钻井装备发展的瓶颈，尤其涉及钻机配套必须的柴油发电机组、变频器、液压和电器控制元件以及高压密封器件等卡脖子技术，需要发挥各个行业的优势，举全国之力开展重点技术攻关，特别在产品可靠性、安全性和耐久性方面需要不断提升，力争在较短时间内取得突破性进展，大力支撑国产装备健康发展。

3 未来钻井装备的发展方向和建议

结合当前国际油气行业总体发展形势和我国宏观经济对油气勘探开发的发展需要来判断，预计未来石油钻井装备将朝以下几个方向发展。

3.1 常规装备将逐渐向标准化方向发展

按照中石油提出的钻机“四化”方针，即“机械化、标准化、信息化、专业化”目标，推广钻机结构型式的规范化、配套内容的标准化等，既满足了产品规模化发展的需要，同时也对装备企业和钻探公司提质增效带来了效益。一方面，装备企业达到了一次性设计、统一配料、批量连续投产的目的，另一方面，由于产品互换性和通用性的增强，也为各钻探公司装备的搬家、安装和维修等带来了诸多便利。为此，建议我国应持续加大该项工作的推进力度，节约资源，降本增效。

3.2 石油装备将向深井特深井方向发展

为了解决经济快速增长和陆地已勘探开发油气资源不足的矛盾，迫使人们必须在特殊区域、更深层次的地域进行勘探开发作业。2019年9月中石油在新疆塔里木轮深1井打出了8 882 m的亚洲第一特深井[14]；《石油人》2020年5月21日报道，哈里波顿公司在俄罗斯Sakhalin实现了总进尺14 600 m的世界最深新记录井的完钻，这些案例更加坚定了国内石油钻探企业加强大型化特深井钻井的信心和决心，预计未来几年，石油装备向超深井和特深井发展已成为必然趋势。这就需要科研人员提前做好调研分析工作，并将其作为当前和今后一段时间的重点攻关工作。

3.3 向特殊地层地貌发展必将加快速度

随着常规地层油气当量的不断减少，钻井会逐渐向高原、高山、沼泽等特殊地貌和高温、高压、复杂地质构造区域发展延伸，这必然需要与其运输条件和特殊地层钻探要求相匹配的钻井装备，所以，研究和开发适应不同区域和地层钻探要求的钻井装备，必将成为今后装备发展的一个新目标和方向。为此，建议装备研发工作应尽早联合地质和钻探等多学科一起开展攻关，做好深入的研究工作，为满足国家油气增长需求打下基础。

3.4 不断向快捷绿色环保节能方向发展

受制于当前石油钻井装备体态庞大、搬家运输困难、动力噪声大、配比动力消耗大、地层有毒有害气体排放及钻井液对环境和地层的污染等带来的诸多影响，特别是国家在绿色环保方面出台的多项政策限制，未来石油钻采装备向绿色、环保、节能、轻量化等方向发展将成为主流[15]。为此，科研及管理人员都应从思想观念上、设计理念上以及技术方法上摈弃旧理念，适应新形势和新变化。

3.5 向自动化和智能化发展已成为定局

按照国家对装备行业未来向智能产品发展的工作思路，随着技术进步和解放人工劳动的发展需要及互联网、大数据、信息化、数字化等技术的突飞猛进，各行各业都在追求装备不断向现代化迈进，油气装备向全自动化、智能化发展的时代已经开启，并将成为今后各大装备企业追求的必然目标[16-17]。对于长期坚守在野外艰苦危险工作环境、主要依靠人力为主的石油行业而言，加快钻井装备智能化发展问题亟待解决，建议国家在此方面加大资金和人力投入，促其快速发展。

4 结 论

(1)对国外全液压自动化钻机、连续运动钻机、快速搬迁移运钻机、自动化智能化钻机等先进钻井装备技术现状与我国在自动化、快速移运、深井超深井及超低温作业环境钻井装备现状分析及研究成果对比表明，我国石油钻井装备主要在钻井工具的配套研发、自动化产品应用研究、智能化钻井技术及钻井装备核心元器件研发等方面与西方发达国家还有较大的差距。

(2)通过对未来钻井装备发展趋势的分析预测，提出了我国钻井装备应进一步向标准化配置技术、深井超深井钻井技术、特殊环境和特殊地域钻井技术、绿色环保节能钻井技术、全自动化和智能化钻井技术发展等5点建议。