頁巖油氣鉆完井主技術裝備的發展取決于頁巖油氣勘探開發形勢和工程技術需求。未來勘探開發形勢表現為新增油氣探明儲量低品位資源占比達 95%，石油低滲 - 致密儲量未來十年占比超 95%，天然氣低滲 - 非常規儲量預計未來十年占比超 95%。探明的低品位儲量中，非常規資源量占 80% 以上，非常規井數將大幅增加。高效開發非常規資源必須采用長水平井加體積壓裂技術，可以預見未來水平井數量將大幅度增加，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、壓裂等主要技術裝備（鉆機、旋轉導向和壓裂裝備等）會帶來了巨大挑戰。戰勝挑戰、滿足需求就是鉆完井主要技術裝備的發展方向和重點。與此同時，面對環境惡劣、條件復雜、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的成熟以及物聯網、大數據、云計算和人工智能的快速發展，鉆完井主要技術裝備的電動化、自動化、數字化和智能化也必將加速。
鉆機挑戰與發展方向
當前我國鉆機存在新度系數低，大鉆機不足，電動化、自動化、數字化、智能化程度低，對深井超深井存在適應性不強、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展方向建議。
第一整體趨勢是控制總量，調整結構，小鉆機壓減，大鉆機增加。基于用電越來越方便和電動化的獨特優勢，今后鉆機都會趨于用電，并加快向電動化、自動化、數字化、智能化發展；第二鉆機性能將發生變化。裝備電氣化，鑒于以電機加變頻器為主的變頻技術已很好地滿足了各種鉆井工況的需要，轉盤、絞車和泥漿泵都將用交流變頻電機直接驅動。液控、氣控逐步向電控轉變。井場控制系統會更加集成，數字化、智能化程度越來越高；第三安全環保性能提升。大鉆機司鉆房內配兩個控制臺，正副司鉆分工協作；司鉆控制臺可以監控和操作井場上的絕大部分設備（動力、提升、旋轉、循環、固控、井控和井口自動化等裝備），根據工況優化使用設備，實現優快鉆進、節能減排。
第四管柱處理自動化，智能化。鉆機可以一邊鉆進，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無人操作。二層臺配備機械手，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，實現無內外鉗工操作；第五操作可視、數字化、智能化程度越來越高。場地配有自動貓道、多功能機具，更多的管具處理工作量都在場地完成，不再有“人拉肩扛”現象。實現智能鉆井，通過一套智能化鉆井軟件與機器人技術相結合，鉆機與井下工具一體化運作；絞車自動識別，自動剎車，自動送鉆；鉆機能夠在無人干預下自動鉆進、循環、起下鉆；通過司鉆導航儀，依靠井下情況和二線遠程指令進行綜合決策，及時操控干預異常情況。泥漿循環系統配套智能負壓振動篩、調速離心機、智能除氣器，可以自動檢測泥漿參數和溢漏情況，并根據工程需要自動配液、加重減重、調整流變參數，使井筒保持穩定和壓力平衡。智能控壓系統快速感知預警，它與泥漿循環系統協同運行，井底液柱壓力通過調整排量、泥漿密度和井口回壓，與地層壓力自動適應，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、經濟、適用。頂驅、精細控壓鉆井和井口自動化裝備成為深井超深井鉆機標配，除去專用設備外，其他設備與鉆機配套裝備共用。適應工廠化鉆井需要，鉆機的運移性更好，配套設施更容易拆裝，井架與底座、井控系統、泥漿循環系統、井場鉆具系統在輕量化、撬裝化、可移動性和軟連接等方面將有更大改進。
旋轉導向挑戰
我國水平井鉆井80%用滑動導向?；瑒訉蚬に嚤容^原始、落后?；瑒訉蜚@具組合采用鉆頭+單彎螺桿+穩定器+無磁(M/LWD)+鉆鋌+加重鉆桿+鉆桿模式。
與滑動導向相比，旋轉導向具有顯著優勢：不存在加不上鉆壓的問題，工藝簡化，允許強化鉆進，鉆速高，周期短，綜合效益好；軌跡控制精確，三維繞障能力強，更適合井工廠鉆井防碰，有利于安全高效鉆進；井眼凈化好，摩阻扭矩小，井下事故復雜少，水平段鉆得更長；配套近鉆頭地質參數測量，能及早應對儲層變化，儲層鉆遇率更高，有利于提產；井眼光滑，完井、壓裂順利，有利于增產。
美國80%使用旋轉導向，平均水平段長度3000m以上，施工周期短。旋導作為主體技術，已助力美國實現了頁巖油氣革命，而且革命一直在繼續。單井速度、質量、日產量和EUR還在不斷提升。以美國2023年數據為例，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。
在北美非常規油藏中，斯倫貝謝新一代旋轉導向NeoSteer ABSS已經應用250余次，共鉆進了80萬米。其中，鉆進速度最快的井，29小時純鉆時間，一趟鉆完成垂直段、彎曲段與水平段，總進尺4,610m，機械鉆速160m/h。NeoSteer CLx ABSS旋轉導向在美國東部馬塞勒斯頁巖實現直井段、彎曲段和水平段一趟鉆進尺4212m，狗腿度較小，同時在整個鉆井過程中，機速保持在46m/h以上。和美國相比，我們僅有20%使用旋轉導向，速度慢，水平段長度只有1800m。究其原因就是沒有大力研發應用旋轉，使國內裝備短缺，服務成本很高。 只有大力研發應用旋導，才能把井打得更快、更深、水平段更長、油氣層鉆遇率更高。
旋轉導向發展方向
實現井下智能閉環鉆井。轉導向系統發展的目標是形成鉆井智能閉環——兩個環，井下智能控制閉環，按照給定的軌道鉆進，或按照地質導向鉆進；井下與地面雙向高速傳輸閉環，地面指令改變井下鉆井模式。
實現地面遠程智能決策與控制。遠程智能鉆井決策控制系統包括數據采集傳輸、信息處理、工程設計、實時監控、施工作業與決策分析功能，具有實時、穩定、可靠、自學習優點；利用數據庫、大數據分析、分布式計算和協同決策等技術對鉆井過程進行仿真模擬;利用人工智能技術進行鉆井參數優化、井身結構設計、故障智能診斷、風險識別與預測;基于智能決策系統，做出實時分析決策，對多井鉆井作業實現遠程實時智能控制。
實現“航地”——“井下自動駕駛”，形成集精準制導、深遠探測、閉環調控、智能決策于一體的鉆井新技術，大幅提升儲層發現率和鉆遇率。
實現”超級一趟鉆”技術質的飛躍，大幅增加鉆頭進尺和速度，大幅降低工程成本和風險，大幅提高低品位油氣開發效益。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尺。根據地層和井型，除了采用高性能、長壽命的LWD和旋轉導向工具以外，將更多采用高切削、耐研磨、自適應的專打PDC鉆頭；大扭矩、耐高溫、長壽命的井下馬達；大水眼、低壓耗、高抗扭、防疲勞鉆桿；可靠性強、切實管用的井下震擊器和各種減摩降阻工具。
壓裂技術裝備挑戰
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，
壓裂車組性能要優于國內，輸出水馬力高于國內，閥體等主要易損件的壽命是國內的7-10倍，且壓裂效率高，美國二疊紀盆地壓裂施工效率，無論從壓裂日效率、年作業效率都明顯高。為了提高效率，提高效果，降低成本，拉鏈式壓裂逐步轉向同步壓裂，同步壓裂占比已超過20%，每天壓裂18小時左右。Halliburton、EWS等公司紛紛轉向雙井或三井同步壓裂模式。
AI在智能感知、智能優化算法、裝備智能管控平臺等方面明顯先于國內；AI技術采用人工智能擬合和GPU超算技術，提升了計算速度和準確度；用于預測地質參數，提高儲層評估的準確性；優化壓裂參數設計，實時診斷與調控，提高施工效率和壓裂效果。
壓得快，地面裝備、設備自動化程度高，實現壓裂提速；生產時效同比大幅提升；壓得準，采用分布式光纖、微地震、壓力診斷等核心監測技術，實現油藏與井筒可視化、實時監測、評價與在線壓裂參數調控，實現精準壓裂；明顯提升可采儲量，單井初期產量；壓得省，構建智能中樞調控壓裂施工系統，實現由多人到少人的轉變，例如SM能源公司在Eagleford單井降低60萬美元。
向電動壓裂方向發展
根據北美和國內實踐，采用交流變頻電動壓裂裝備不僅安全環保，能耗低，噪音小，不擾民，效率和效益大幅提升，而且能實現無極調速，運行平穩，有利于實現自動化、數字化、智能化、無人化。今后會向電動壓裂方向發展，電動壓裂裝備會越來越多。 當前，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。
電力設備設施?；陔婒尩膬瀯?，壓裂工作者，一方面會主動掌握和應用燃氣發電技術、輸變電技術、儲能技術和交流變頻技術；另一方面會創造條件，架設更多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，還會利用燃氣輪機、內燃機以及CNG/LNG 發電（35MW——2.5MW），1方氣可發2.7度電，并架設微電網進行集中供電，降低成本。
成套壓裂裝備會設計緊湊，高度集成。減少占地面積和設備數量，提高壓前轉場安裝速度，并有強大的連續作業能力。管匯安裝，既要快捷、省時、省力又要安全。高低壓管匯應集成化、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壓裂彎頭、直管等。
地面智能化（自動化）操作系統，應用推廣自動供水、自動配液、自動供砂和自動控制裝備；壓裂主管匯、閥門及控制系統模塊化；儀表監測、控制系統全面推廣；應用高、低壓閥門集中控制；監測裝備對閘閥開關狀態實時監測，流程安全高效切換，段間轉換時間15分鐘左右即可開始泵注。開發應用泵注優化系統軟件，及時預警和防止砂堵事件，提高泵效。
建立智能化壓裂系統，建立大數據庫和遠程技術智能支持中心。應用智能實時壓裂監測與優化技術，實時監測壓裂過程數據，對地層壓裂效果進行評估，并實時優化、調整作業參數，實現裂縫均勻開啟、延伸。最終，拿出壓裂評價報告和下部設計修改意見。
數字化智能化裝備
在5G、物聯網、大數據、云計算時代，國內外石油企業、特別是三大油服公司都在強化智能化理念，加快數字化轉型和智能化發展。2024年1月30日，斯倫貝謝和Equinor在巴西Peregrino C海上平臺創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、認知、推理等智能功能，能識別地質情況和油氣藏位置，智能導向鉆進，提高鉆遇率和產量，智能決策生成方案，自動尋優參數，閉環調控風險，安全優質快速高效施工。
AI賦能鉆完井工程，可以智能感知復雜環境，智能決策解決工程難題，機理知識與智能算法有效融合，優勢互補、準確可解釋，數據增強+遷移學習→面向鉆完井小樣本案例精準建模，對油氣鉆完井工程環節全生命周期動態映射，實時感知決策。
AI賦能鉆完井工程 ，提高效率、減少人力，拓展認知上限，優快新業態，鉆完井會完善一個以鉆井隊和壓裂隊現場為“井工廠”的信息共享支持系統。該系統依托現場物聯網、邊緣計算以及互聯網、5G、大數據、云計算，持續改進，廣泛應用于集團總部，各路專家協同工作，對一線生產現場形成強大的遠程技術支持。
在該系統平臺上，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，可以一同觀看現場施工情況、發現潛在問題，制定預防方案，指導或部分親自操作現場設備（井下儀器），優質高效地完成“井工程”，與此同時，各專業在井場的人員會越來越少。
向數字化、智能化發展
運用AI強大的數據分析能力和業務學習能力，可以解決鉆完井工程設計、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。占領智能鉆完井研究和應用高地是重中之重。
一是需要運用大數據、算法、模型知識，攻克數據治理、模型遷移、模型解釋、機理–數據融合等難題；二是需要AI技術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；三是需要適應數字化智能化的技術裝備做支撐。要用電動化、數字化、自動化、智能化武裝現有裝備，使其具有“看得見、摸得著，自我感知、自動尋優、提效避險“的感知功能。裝備研發要適應數字化智能化發展要求，樹立以勘探開發需求為目標、以鉆完井工藝技術方法為引領、以工程技術裝備為手段的”一體化“思想。就像旋轉導向的研發一樣，工程技術的想法促進了旋轉導向的誕生，反過來旋轉導向的研發提升了工程技術和勘探開發效率和效益。加快打造高端國之利器。
必須梳理技術與裝備短板，明確戰略方向和目標；必須組建跨專業跨企業跨領域的聯合研發團隊，而且要有工程技術人員參加；必須在長期政策支持下，進行戰略研究；必須重視單元技術設備研發，突破各項“卡脖子”技術，不斷促進技術裝備迭代升級；必須注重產學研用聯合。
頁巖油氣裝備的數字化、智能化發展是全球能源產業升級的必然趨勢。同時，全球智能鉆采裝備市場規模的快速增長、政策對智能化改造的強制要求，以及國內外企業在技術研發與產業布局上的持續投入，進一步印證了這一趨勢的不可逆性，數字化、智能化已成為頁巖油氣裝備提升核心競爭力、實現可持續發展的必由之路。
微信公眾號
微信視頻號
京公網安備11010502053156號