對于油氣工業來講，科技創新是產業的生命力，其對行業進步的推動作用越來越明顯。在“全國科技創新大會、兩院院士大會、中國科協第九次全國代表大會”閉幕之際，本刊就當前中國頁巖氣資源開發的創新趨勢和技術方向，采訪了中石化石油機械股份有限公司總經理謝永金先生。

        謝永金介紹了自2012 年以來，在新形勢、新常態、低油價下，石化機械針對國內頁巖氣開發工程裝備技術不成熟的現狀，先后攻克掌握了30 多項核心關鍵技術，其中，“十二五”國家科技重大專項“3000 型成套壓裂裝備研制及應用示范工程”實現工業化應用，“十三五”國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發——深層頁巖氣開發關鍵裝備與工具研制”全面啟動，企業正由單一制造銷售產品成功向為客戶提供一體化解決方案轉型發展。中國頁巖氣由于非常規油氣資源生成機理和賦存環境的特殊性，氣藏地表條件復雜，儲層埋藏深，對石油工程裝備的技術要求比美國要高，因此，創新研發國產自主裝備是推進中國頁巖氣開發的必由之路。2012 年，中石化在涪陵焦石壩焦頁1HF 井的成功開鉆，是中國頁巖氣勘探開發的新開端、轉折點，也是國內首個大型頁巖氣田——涪陵頁巖氣田提前進入商業化開發階段，同時標志中國頁巖氣開發實現重大戰略突破。

        目前，中國石油化工集團公司已基本形成了頁巖氣井壓裂改造設計、體積壓裂滑溜水液體配置、大型壓裂施工等頁巖氣儲層大型水力壓裂改造技術體系和水平井分簇射孔、可鉆式橋塞分段、電纜泵送橋塞、連續油管泵送橋塞、鉆塞等配套工藝技術體系以及“井工廠化”頁巖氣平臺井組鉆井、完井和一只鉆頭一根螺桿“一趟鉆”鉆完水平井段的技術體系；特別是自主研發的3000 型壓裂車達到世界壓裂裝備的領先水平，形成了完備的壓裂作業技術體系。“擁有核心關鍵裝備技術是解決頁巖氣大規模開發的有效手段。”謝永金表示。石化機械通過自主研發和合作攻關，掌握核心技術，為涪陵焦石壩頁巖氣開發提供關鍵裝備和工具一體化解決方案，研制出了23 項關鍵裝備和工具，打破國外技術和市場服務壟斷。井工廠移運鉆機、壓裂工程整體配套裝備、頁巖氣專用鉆頭、耐油基等壁厚螺桿鉆具、易鉆復合橋塞等系列關鍵裝備和工具，重點解決了鉆機井間移運搬遷時間長、定向鉆進工具面不穩定等問題，形成了井工廠鉆機全方位步進式移運、大型儲層改造壓裂工程配套裝備和整體控制技術、頁巖氣全井段專用鉆頭鉆具組合優化技術等國產化特色技術，推進了頁巖氣低成本、高效率、規模開發，為重慶涪陵“建成示范、走在前列”實現一期建成50 億立方米產能以及中石油長寧威遠的頁巖氣開發建設中發揮了重要裝備支撐作用。

        “井工廠”作業模式有效降低頁巖氣開發成本
        謝永金表示：“針對涪陵頁巖氣現場具體工程問題，圍繞鉆井提速提效目標，使用一個鉆井平臺布控多口采氣井，按照均勻布井方式，采取‘井工廠’作業模式進行，施工成本下降，作業效率明顯提高。而這些成績的取得有賴于國產裝備的技術提升與創新。”由石化機械自主研發的井工廠自走式鉆機一舉實現了山區快速轉場移運、同井臺整體快速移運、鉆機自動化、井工廠高效鉆井以及減少輔助作業時間、縮短鉆井周期和作業安全高效的目標。

        輪軌式ZJ50、ZJ70 電驅動鉆機，采用平衡式重負荷車輪技術、重型寬翼導軌標準節技術，進行單列井間移運；滑軌式機械式或復合驅動鉆機（ZJ50L/LDB、ZJ70L/LDB）， 采用成熟的棘爪步進式結構技術，適用于各種驅動型式的鉆機進行單列井間移運；步進式5,000m~7,000m 電動鉆機，采用多組步進平移油缸同步性控制技術、鉆機整體移運無線檢測控制技術等，實現任意方向整體快速移動，并快速對正井口。

        鉆完井工具在頁巖氣開發中全面實現國產化
針對涪陵頁巖氣井井底高溫高壓等復雜地層，石化機械開發出的適應導眼、一開、二開、三開等各開次的針對性牙輪和金剛石鉆頭、螺桿鉆具產品，攻克了鉆具在涪陵工區因儲層埋藏較深、地質條件復雜、地層穩定性差等造成的鉆頭易斷齒、磨損快、鉆具易卡易斷等技術難關；滿足“一趟鉆”的高要求，實現了國產化降本、機械鉆速提高和長壽命的目標。大扭矩等壁厚螺桿鉆具技術、耐油基泥漿等壁厚螺桿鉆具技術，解決常規螺桿傳遞扭矩小的不足，國產耐油基泥漿螺桿使用壽命短等問題，其中全井段系列的3 個規格螺桿，機速平均提高30% 以上；耐油基螺桿使用平均超過140 小時，最高達246 小時。

        從2013 年到2015 年，石化機械自行研制的鉆頭鉆具平均鉆井周期由78 天減少到62 天，平均機械鉆速由4.2 米/h 提高至8.2 米/h。2015 年， 在涪陵解決了水平段五峰組進尺少的問題，焦頁10-4HF 井進尺1,530m，一趟鉆完成水平段龍馬溪、五峰、澗草溝組鉆進；在焦頁32-4HF 開展全井承包應用，井深4,666m，平均機械鉆速13.13m/h，創當時工區最快記錄。“公司自主研制的SCP 系列復合材料橋塞，掌握了易鉆復合材料關鍵技術，用于直井和水平井分層壓裂作業中的臨時性地層分隔，可用多種主流電纜或液壓坐封工具坐封，卡瓦能可靠錨定于多種級別套管，施工完成后一趟管柱快速鉆除多個橋塞，展示了良好的密封性、穩定性、承壓性和可鉆性，在涪陵頁巖氣大規模分段壓裂中全面替代進口。以此為標志，中國頁巖氣開發裝備與工具全面實現國產化，并出口北美市場6000 余套，為國產裝備‘走出去’贏得了口碑。”謝永金介紹說。

        大型壓裂裝備為改造頁巖氣儲層提供有力保障
        大型壓裂技術突破了常規壓裂理論的束縛，主要采用大排量、大砂量在地層中造出超過常規壓裂長、寬、高的裂縫，擴大泄油氣半徑，創造“人造滲透率”，提高單井產量，大幅增加了非常規油氣儲量的動用程度。近年來，石化機械采油工程裝備躋身世界前沿，研制的世界首臺3000 型壓裂泵車，與自主研發的混砂車、儀表車、連續配液裝置、連續輸砂裝置、液氮泵裝置等輔助裝備配套形成系列，掌握了超高壓大功率壓裂泵及集成技術輕量化集成技術，大規模壓裂液全流程高效混配、精確輸送技術和超高壓管匯設計、制造及安全保障技術體系以及基于大型壓裂工程成套裝備集群化控制與應用技術等多項關鍵技術，有效解決了涪陵頁巖氣受限井場交叉、同步壓裂等難題，實現了大功率、高壓力、大排量、連續壓裂作業施工；低能耗、低噪音、低排放和綠色、低碳、環保、安全的目標。

        其“超高壓大功率油氣壓裂裝備研制及集群化應用項目”獲得國家科技進步二等獎，3000 型成套壓裂裝備成為中國石油裝備制造行業標志性產品。160 多臺裝備在涪陵先后壓裂施工140 多口井，成為涪陵頁巖氣開發儲層改造的主力技術裝備。在焦頁9-1HF、9-3HF井，首次實現交叉式壓裂，縮短施工周期40% ；南頁1HF 井壓裂施工中單段連續時間達8 小時，最高壓力高達112MPa，井深5,820m，3000 型壓裂泵裝置在高壓長時間下持續作業，刷新國內頁巖氣壓裂“最高施工壓力”施工紀錄；2500 型、3000 型成套壓裂裝備涪陵焦頁42 號臺四井大型同步壓裂排量14~16m3/min，壓力70~91MPa，共75 段，以8 段/ 天（每天工作15 小時以上）的速度，施工總液量達13 萬方、砂量5 千方，52臺設備長時間高可靠性運行刷新了國內規模最大、連續作業時間最長的紀錄。

        井口氣回收裝置促進頁巖氣開發綠色環保
        石化機械“綠色驅動”理念將助力全球頁巖氣開發更高效、節能、環保。通過持續深入開展井口氣回收技術研究和工藝創新，加大工藝攻關力度，石化機械解決了困擾油公司試采井口頁巖氣放空燃燒問題，促進了涪陵頁巖氣綠色開發。針對深層頁巖氣井口壓力高特點，對井口氣回收裝置進行了優化改進，采用高進壓回收流程，將壓縮機入口壓力范圍擴大至3~20MPa，優化后的井口氣回收裝置能夠更好適應深層頁巖氣的回收使用。結合試氣試采工藝要求、井口頁巖氣特點，石化機械設計了無基礎安裝運行，變工況能力好，移動搬遷性能強的成套井口頁巖氣回收系統。通過氣體處理、增壓計量、充裝回收的方式，將該類天然氣轉變為商品氣，減少能源浪費和環境污染 。目前已在涪陵、大牛地、杭錦旗以及丁山、金山等區塊開展天然氣回收，每天回收天然氣10 萬方 ，減排二氧化碳約300 噸/ 天 。

        路雖遠，行則將至；事雖難，做則必成。

        中石化石油機械股份公司將進一步強化與用戶的結合，從設計源頭上降本提質，為國內頁巖氣大規模開發提供更多精良裝備和服務支撐。按照2017 年涪陵頁巖氣示范區總產能100 億立方米的目標，借助承擔“十三五”國家油氣重大專項“深層頁巖氣開發關鍵裝備與工具研制”契機，自主創新開展井工廠高效自動化鉆機組研制、深層頁巖氣帶壓作業裝備、鉆完井關鍵工具、頁巖氣回收及專用井口裝置等六大課題攻關，掌握井工廠鉆機全方位步進式移運技術和管柱自動化處理 、井工廠大型壓裂工程配套裝備和整體控制以及頁巖氣全井段專用鉆頭鉆具組合優化和大容量連續油管作業裝備等關鍵核心技術，加快推動了頁巖氣裝備與工具向“自動化、系列化、標準化、國產化”轉化，支撐中國頁巖氣安全、綠色、高效開發。