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能源情报按:有一批新的钻机公司成长起来,一些新型钻机也有了产品。但是,如果你是业内人士,请对号入座,找找我国钻机的优势,以及差距是否已经弥补,哪些方面依然做的不足。最后强调:这篇文章发表于10年前。如今的成就,期待业内人士分享。
文/杨汉立 南阳石油机械厂
我国石油钻机制造业经过建国以来几十年的发展,已经形成一定的综合生产能力,基本满足了国内石油勘探开发的需要,但受多方面因素的影响,长期以来,国产钻机的市场及产品定位均局限于国内。面对中国加人以及石油工业实施“走出去”战略的客观形势,无论是出于满足作业需求,还是参与国际市场竞争、树立中国石油装备制造业国际地位的需要,都迫使国内钻机制造业要面向国际,找出差距,把握方向,充分利用现有资源,尽快提升和发展自己。笔者拟在总结国外整机发展趋势基础上,结合国内钻机的发展现状,对我国石油钻机及行业的发展提出一些建议。
国外石油钻机的发展趋势
为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵等不同地带油气藏的勘探和开发,美国、德国、法国、意大利、加拿大、墨西哥和罗马尼亚等国先后开发了各种类型的石油钻机。其中美国的钻机技术和销售业绩在世界上稳居首位,所以与国际技术接轨,实际上是与以美国为代表的钻机技术及API规范接轨。
就我国目前普遍使用的机械驱动钻机而言,美国在20世纪60年代已经成熟,到70年代得到迅速发展。近年来,国外钻机在传动方式和结构形式方面发展很快,交流变频电驱动已经广泛使用,顶驱发展也十分迅速。今后石油钻机的发展趋势是多样化、两极化、自动化和人性化。
1.类型趋于多样化
近几年来,根据井位环境差异和钻井工艺需要,开发出不同类型的石油钻机,如适应各种环境的沙漠钻机、海洋钻机、浅海或海滩钻机、极地钻机、城市钻机、地震区钻机、全地形钻机、直升机吊运钻机和陆地钻机等;适应各种钻并工艺的丛式井钻机、斜井钻机、小井眼钻机、特深井钻机、自走式钻机、自动化钻机、柔杆钻机、模块化钻机等。
尽管钻机的类型多种多样,但新型钻机的发展有一个共性,即在重视钻机作业性能的基础上,逐步重视钻机的移运性能。这是因为对钻井承包商而言,其钻井成本主要包括两方面:一是直接钻井成本,二是辅助钻井成本,包括运载成本和停工成本,而运载成本和停工成本均与钻机本身有直接关系。
2.规模趋于两极化
石油钻机在规模上有两极发展的趋势,即深井钻机大型化和轻便钻机小型化。
(1)深井钻机趋向大型化
钻深能力已达15000m,最大钩载达12500KN。为了提高起升工作效率,绞车功率趋向于提高。美国Emsco公司研制的号称世界上第一台输人功率为3676kw的绞车已问世,该绞车由4台大扭矩的直流电动机驱动,采用强制水冷盘式刹车,起升钢丝绳直径50mm。钻井泵单台最大功率1618kw,最高压力52.7Mpa。原苏联、罗马尼亚的钻机系列中,绞车输人功率最大1838kw。
特深井钻进都采用4个单根组成的立柱,故井架高度超过50m。德国KTB超深井使用的UTB-1GH3000EG钻机,井架最高为63m。考虑安装防喷装置的需要,井架底座最高达12.12m。一般在深并中都339.725mm*70Mpa的防喷器组。随着钻大井眼的需要,大尺寸高压防喷器也有新的发展,德国KTB超深井中已使用476.25mm*70Mpa防喷器组。目前美国可提供476.25mm*105Mpa防喷器。为了把环形防喷器工作压力从35Mpa提高到70Mpa,美国Shaffer公司推出了两个串联胶心的环形防喷器。另外,还推出快拆法兰结构防喷器,拆换胶心方便,省去现场装卸螺栓的繁重劳动。
(2)轻便石油钻机趋向小型化为了适应浅海、海滩、沙漠、丘陵地带油气藏的勘探,国外公司在20世纪60年代开始研制模块式钻机。美国在1973年设计了TBA1000型系列钻机,经济钻深为1800一6000m,结构紧凑、质量轻,模块化设计,每个模块质量不超过,既可用直升机运输,也可用雪橇、履带车、船舶等运输。轻型钻机主要以车装钻机为主,美国是世界上生产车装钻机较多的国家,使用也很广泛,3500m以浅的井几乎都使用车装钻机。其传动特点是设备布置成组集中,动力机组、传动装置、绞车和并架等均在同一自走车上,机泵组安装在可整拖的大底座上,采用液压机构起放井架。最小的微型钻机采用小井眼钻井技术,钻深可达1500m,体积小,质量轻,最轻的只有14t,节省钻井费用30%一40%,减少拆装时间60%一70%,节约钻井液88%,减少井场面积70%,是经济效益最好的一种石油钻机。
3控制趋于自动化
顶驱、盘式刹车技术的逐步成熟,以及电动控制技术、液压驱动技术和可靠性的逐步提高,为实现钻机控制的自动化提供了可能,再加上海洋及深井等复杂工况下,钻井工艺及成本对钻井装备的要求使得钻机控制自动化成为钻机发展的一个重要趋势。
顶部驱动装置克服了转盘钻井方式的缺陷,给钻井作业带来了诸多好处,既可满足复杂作业工况需求,提高作业效率,又使作业更安全。
盘式刹车替代原带式刹车,作为20世纪80年代后期发展起来的一项新技术,以其制动力矩容量大、稳定、安全、可靠等特点,可实现遥控操作,易实现自动送钻,易维护,长寿命,易系列化设计和专业化生产。
电驱动用于钻机最早开始于20世纪50年代中期,随后逐步完善、成熟。与机械驱动相比,电驱动具有操作安全、维修保养方便、易于实现自动控制等特点,特别是全数字系统的出现,使得电驱动系统控制性能更完善,可靠性更高,调整及更改功能更便捷,故障诊断及维修更方便。电驱动可以通过编程控制器获得很多机械驱动所无法实现的功能,如顺序操作和联锁功能等。
液压驱动具有转换容易、体积小、质量轻等特点。全液压驱动的绞车、转盘和钻井泵由挪威MH公司于20世纪90年代推出,与此之前推出的全液压顶驱、管排放系统、液压机械手及天车型液压升沉补偿器,构成了海洋钻机机械化、智能化操作系统。
4.设计趋于人性化
新型钻机充分体现以人为本的思想,最大限度满足HSE要求:护栏、梯子要满足安全规定。
上下井架有助(阻)力器,二层台有逃生器,钻台有逃生滑道。钻机设有天车防碰和紧急刹车装置,避免游车大钩碰撞天车,并能在任何情况下迅速制动大钩和绞车。选用无公害的摩擦盘片、刹车块、油漆,保证员工健康。刹车毅、辅助刹车的冷却水循环使用,柴油机排放满足环保要求。
我国石油钻机的发展现状
纵观我国石油钻机的历史,其发展主要由4个因素所决定:一是钻机的有效使用年限,它决定其更新或改造周期。二是钻探深度(地质构造),它决定钻机的市场方向是浅井、中深井还是深井。三是从钻机的效率和效益出发,决定钻机的驱动形式是机械驱动或是电驱动,结构型式是橇装还是车装。目前国内陆地石油钻井业中,浅井钻机、中深井和深井钻机兼而有之,以中深井较多;在驱动型式上以机械驱动为主;在结构方式上以橇装为主。四是市场的有效需求,它决定钻机的发展规模。
自20世纪90年代以来,由于钻机制造技术、部件质量和研发能力的提高,研发速度加快,研制成功ZJ60L型、AJ-60D型和ZJ-60DS型机械驱动钻机和电驱动钻机,并朝系列化、标准化、多样化方向发展,钻机的性能指标已达到GB1806一86的规定。国产钻机已形成系列,钻深有1500、2000、3200、4500和6000m;驱动方式除常规的柴油机一胶带驱动和柴油机一液力变矩器驱动外,还有AC-SCR-DC驱动。尤其是4500m以浅钻机在提高移运性上成绩斐然,橇装钻机模块化程度大大提高,其中3000m以浅钻机采用自走式运载车、伸缩式井架,大大降低了移运成本,且均拥有自主知识产权。
目前,我国石油钻机的品种和质量基本满足了国内不同地区、不同井深的需要。已有一批国产石油钻机在国外承担钻井作业服务,有一些在国内区块承担反承包钻井,并受到好评。从国内钻机生产能力上看,宝鸡石油机械厂、兰州石油化工机器总厂、四川宏华公司等主要生产中深井钻机;江汉四机厂主要生产3000m以浅车装浅井钻机;南阳石油机械厂主要生产车装和橇装模块式中浅井钻机,生产的替代大庆130型的模块化钻机,已经过多井次的工业化试验。该厂3000m车装钻机已生产30多台,目前有20余台车装及橇装钻机在国外服务,其中由长城钻井公司牵头组织、南阳石油机械厂生产的ZJ20K钻机自1997年就开始在加拿大进行钻井作业,使用情况良好。此外,北京石油机械研究所与大港新世纪机械制造有限公司共同完成了DQ一30Y顶驱工业性试验,北石所研制的为ZJ70D配套的顶驱已在克拉玛依和塔里木完成2口井的工业试验。南阳石油机械厂引进意大利轻便顶驱技术与3000m车装钻机配套后到印尼服务,与石油大学(北京)合作的盘式刹车技术已应用于3000m钻机,并投放到胜利油田及墨西哥市场。
与国外的主要差距及原因分析
1.主要差距
(1)从适应更广领域及更深埋藏油气勘探开发的需要看,我国超过7000m钻深能力的石油钻机还是空白。适应沙漠、戈壁、沼泽地等条件的钻机研制工作刚刚起步。
(2)为适应地貌开阔条件、集装程度较高的钻机研制虽然已经起步,但如何使其拆成便于公路运输的小块组件尚未考虑,限制了这种石油钻机在西部沙漠油田的使用;我国专用搬家车辆研制刚刚起步。在国外承包钻并工程中,搬家安装时占用车辆多、操作工人多和耗时长的问题十分突出。
(3)机械化、智能化进程滞后,水平较低,既影响钻井速度和井身质量的提高,同时也影响在
国际市场上的竞争力。
(4)对于已经生产的石油钻机,主机与国外差距不大,但总体方案尚不能满足具体地区与钻井工艺要求(如配套的固控、钻井仪表数据采集及传输、防爆电路及营房等)。
(5)各部件之间的合理配置还有待优化。各部件的配置不合理现象既增加一次性投资,也因匹配不当造成燃油消耗过大。
(6)为了保证质量与可靠性,一是普遍采用小钻机装大部件,或整体上加大动力储备,造成大马拉小车,加大了能耗;二是大量使用进口元器件,如柴油机、直流电动机、电缆、电传主模块、轴承、液压泵、液马达、控制阀、编程控制器等,虽然提高了整机可靠性,但大大增加了制造成本;三是不少配套件如振动筛、钻井仪表、硫化氢探测仪、二层台逃生装置等也要大量进口,已通过国际质量认证的国内可替代产品还比较少。
(7)国产石油钻机如何体现健康、安全与环保要求的自觉性还有待加强。
(8)整个石油钻机研制工作基本停留在仿造与跟踪阶段,创新所占比例较小。
2.原因分析
(1)需求不旺需求是石油钻机发展的重要动力。为适应渤海湾油田会战发展起来的大庆I型、II型钻机前后共生产了近600台,为我国石油产量从年产5000万t上升到1亿t做出了重大贡献。同样,从1997年开始的石油钻机更新改造又一次加快了石油钻机的发展步伐。在这期间,国产顶驱装置与盘式刹车相继通过鉴定,并在石油钻机上推广应用,缩小了与国外石油钻机的差距。而对于特大型钻机(钻深能力大于7000m)、不同集装程度钻机及机械化、智能化系统,因需求不旺而没有提到议事日程上来。
(2)基础薄弱 可供石油钻机使用的国产基础件品种少,质量差,尤其是用于高移运性钻机的高速柴油机、液力机械换挡箱、小节距多排链、轴承等基础件不过关,很难参与国际市场竞争。
(3)观念落后 重主机轻配套的观念还没有根本改变。配套系统依然靠引进关键设备与技术支撑局面钻机各个系统合理配置未受到重视,重硬件轻软件的倾向严重制约了石油钻机的发展。
(4)消化不力 引进国外先进技术后,在消化吸收上所做的工作还太少,再加上技术改造资金短缺,致使独创技术很少,另外制造技术与设备陈旧,劳动生产率低,零件加工工序多,使产品质量很难再上新的台阶。
对我国石油钻机发展的建议
1.相关技术方面
当前,国际石油钻井技术发展的总趋势是以信息化、智能化、自动化为特点,向自动化钻井发展。国际钻井界自20世纪80年代以来,在以下方面不断取得突破性进展:随钻测量和随钻地层评价技术,实时钻井数据采集、处理与应用技术,复杂结构井的产业化技术,闭环旋转导向钻井技术以及自动化钻机样机的研制,海洋钻井技术等。这些都是为了最终实现自动化钻井。
21世纪全球钻井技术将会有重大进展,我们应坚持有所为有所不为的原则,选准内容制定规划,并按个层次发展钻井技术,即成熟技术产业化,在研技术集成化和高新创新技术自主化,把自主创新放在重要位置。在21世纪初期(2001-2002年),重点发展与自动化钻井有关的主要技术,包括复杂结构井的产业化技术,钻井信息技术,新型绿色无污染钻井液,随钻测量和随钻地层评价技术,井下动态数据的采集、处理与应用系统,信息流闭环系统及旋转导向闭环钻井技术,现代平衡钻进技术,柔管技术等继续解决深井、超深井钻井技术难题进一步完善和推广油气层保护技术和小井眼产业化技术;加强钻井理论研究,相关技术的发展必将引导和促进装备的发展。
2.设备方面
目前,我国石油勘探开发的重点是稳定东部,发展西部,进军海外。石油、石化两大公司在加快对外合作、实施走出去战略上已经迈出实质性步伐。开发适应不同作业环境的钻机,对我国石油装备制造厂家来说既是机遇又是挑战。大的原则上,应遵循深井钻机(5000m以深)自动化、中深井钻机(3000一5000m)模块化、浅井钻机(3000m以浅)车装化,即大型钻机在重点提高自动化、智能化程度的基础上逐步考虑其移运性,中小型钻机在重点考虑其移运性、降低移运成本的基础上逐步考虑智能化水平。同时,在注意主机的同时,也应重视其配套,比如具备较好性能价格比的顶驱等。各厂家在对目前已形成规模的系列产品不断完善基础上,还要逐步考虑:
(1)“一体化”钻机 利用现有成熟的信息技术、交流变频、控制技术、盘式刹车技术等进行整合,以计算机控制为核心,以控制为载体,采用闭环控制,将自动送钻、盘式刹车以及转盘转速、扭矩、钻井液压力、流量、指重、指深及大钩的高度指示,以数字的形式进行采集和控制,实现钻机远程控制和故障的诊断以及自动送钻的功能。
(2)大庆130替代型钻机 大庆130型钻机长期扮演主力机型角色,为我国石油工业的发展做出了巨大的贡献,比较适应国内井深等多方面的要求,但因服役时间长,逐渐老化,函需尽快研发定型技术含量高、移运性能好的替代型钻机。
(3)沙漠石油钻机 ZJ60L型和ZJ60DS型沙漠石油钻机应当进一步改进和完善,后者会有更大的发展。此外,为了适应沙漠地区更深地层钻井,还应当研制ZJ80DS型沙漠石油钻机,钻井深度为8000m。
(4)丛式井石油钻机 ZJ45D型丛式井石油钻机,钻井深度3000一4500m,再增加ZJ60D型丛式井石油钻机品种,形成我国丛式井石油钻机系列。
(5)海洋石油钻机 我国共建造9台自升式钻井装置,其中有3台出口美国和新加坡,还建造了半潜式钻井船和双船体钻井船,由国外引进了13台海洋石油钻井装置。现在应当小批生产
1320一VE型和1625一DE型海洋石油钻机,以满足海洋开发钻井的需要。
(6)浅海和海滩石油钻井装置 我国研制了胜利1号、2号、3号座底式钻并船,35t、50t气
垫船和WJ600型、7210型气垫船,研制了100t、170t浅水轮船以及用于海滩淤泥环境的作业车,还采用了人工岛钻井技术。现应当进一步完善现有座底式钻井船,开发新一代水深6m座底式钻井船以及浅海和海滩运输设备。
(7)微型轻便石油钻机 钻小井眼井具有很高经济效益,我国应尽快开发微型轻便石油钻机。
3.其他方面
从世界范围看,中国的石油装备综合制造能力应该是仅次于美国。从目前的发展现状及趋势看,生产能力主要集中在钻机及配套装备的制造上,因而正视与国际上的差距,整合国内资源,从运行质量及技术层面上提高国内成套钻机及相关产品制造能力,从而跻身国际市场,是中国石油机械制造业所面临的重大课题。为加快钻机发展步伐,建议:
(1)应从面向国际市场、塑造中国石油钻井装备品牌高度来认识国内石油钻井装备制造业,建立相应的石油钻机行业协调机制。考虑到石油钻机工作对象各异,制造厂大而全、小而全等现状,亟需建立一个面向全国的石油钻机归口管理部门或行业协会。这个部门的重要任务是从国内油气藏条件及国际市场需求出发,编制石油钻机发展规划,统筹协调诸如经费、科研、新产品、成套及专业化生产事宜制定促进石油钻机发展的有关政策,整合资源,各有侧重,以利行业整体发展。行业内企业按照统一规划有自律、有竞争。鼓励和支持有技术开发实力企业,重视技术创新参与国际竞争,限制些不重视技术创新、热衷于在国内市场不规范竞争的无序行为。或者在各生产钻机或配套厂家逐步改制建立现代企业制度的基础上,通过相互参股,以商业运作方式实现上述目的。
(2)建立科研一生产一应用相结合的钻井装备研发体系,充分配置资源,促进钻井装备的发展。目前国内科研院所有较强的研发能力,但无企业依托,阻碍了相关技术的产业化步伐制造企业有生产能力但研发能力不足,与现场应用结合不紧密作业单位对钻井技术的发展及现场遇到的问题非常了解,但常常难以很快成为设备生产及研发的有效资讯,如果采取一定的方式把三方面的积极性都充分调动起来,形成一定的协调机制,将会大大促进相关装备的研发速度及适用性,在这个问题上,生产厂家作为中间环节,应该发挥更大的作用。当前重点要从钻井工艺要求出发,加强钻机总体方案研究、主机内合理配置研究、提高移运性研究、正确运行及合理选用钻机方法研究以及机械化、智能化系统研究等。
(3)充分利用国内市场资源,以市场换技术促进国内装备技术及制造水平的尽快提高。目前几个大的机械制造厂均隶属于石油、石化两大集团公司,而两大集团公司每年均有一定数量的设备进口,集团公司应从扶持石油装备制造企业形成产业化角度出发,采取技贸结合的形式,引进部分技术。实践证明引进技术是大跨度提高国内石油装备发展水平的一条捷径。
(4)筹措资金用于创新项目及技术改造。一种新产品从开发研制到投入批量生产,周期往往需要2一3a,甚至更长时间。为了适应技术创新的需要,“超前”发展石油钻机,分工协作,筹措资金,提前安排一定的科研及新产品研制工作是十分必要的。同时要利用先进的信息技术,对传统的钻机制造业进行技术改造。
(5)重视基础部件及与主机相配套辅机的开发,提高钻机成套生产能力。
(6)培养高素质石油钻机专门人才,这是石油钻机快速发展之本。这包括培养熟悉钻井工艺发展的钻机总体方案设计人才,增加熟悉液、电知识的设计人才等。
结束语
21世纪是科学技术特别是工程科学技术进一步高速发展的世纪。现代石油钻井技术的总体发展趋势是从机械化钻井的成熟阶段向实现自动化钻井阶段迈进。通过不懈的努力,相信在不久的将来,我国的石油钻机制造业将使石油钻机朝着机电液一体化方向迈进一大步,为建造具有独立知识产权的新型石油钻机,加快我国石油钻机机械化、智能化步伐,提高石油钻井队劳动生产率,以及为钻井队出国作业提供具有竞争力的钻机进而参与国际市场更广泛的竞争而做出新的贡献。