《天然气发展“十二五”规划》指出,要依托页岩气开发示范区项目,实现高效钻头、可钻式桥塞及分段压裂封隔器、3000型压裂车等关键装备的本地化制造,研究同步压裂和微地震裂缝监测等技术装备;开展新型压裂液、压裂液处理和再利用、储层伤害机理及保护、分段压裂、长井段射孔和体积改造等技术装备研制,掌握适用于我国页岩气开发的核心装备技术体系。依托重大项目建设,加快突破管道建设关键技术和关键设备,如燃气轮机压缩机等,大力提高自主化水平。管材要实现100%国产化。国内大型阀门和压缩机等关键设备技术接近世界先进水平,并在工程上应用。依托重大工程继续做好LNG装备自主化工作,加大科技研发投入,引进消化吸收相结合,重点突破大型LNG液化工艺等关键技术,抓紧海水气化器、海水消防泵等设备国产化工作,整体降低接收站建设成本。继续支持“国船国造、国货国运”,推动LNG造船和运输业发展。目前发改委和能源局已决定对我国页岩气开发相关的技术研发提供支持,加大投入支持装备的国产化。
我国现有的页岩气单井实验开发中的绝大部分核心技术(水平井技术以及分段压裂技术等),仍然需要国际油服公司的技术支持。中美之间页岩气装备的差距,以时间来度量的话,在5-10年左右。大型燃气轮机和大功率天然气压缩机、大型LNG低温泵等关键设备主要依靠进口;天然气高效利用关键技术,如微型燃气轮机等与国际水平差距较大。因此国内企业存在较大的进口替代空间。
煤层气钻机:
煤层气综合抽采是未来煤矿和煤层气综合开发的趋势。开采煤层前进行预抽,卸压邻近层瓦斯边采边抽、采空区煤层气抽采,可以有效减少煤矿事故的发生;此外,地面开采的煤层气甲烷浓度高,可以直接作为天然气的替代品进行使用,地面抽采的煤层气利用率高达78%,而井下抽采利用率仅为32.3%。“十一五”以来,地面煤层气钻采占整个煤层气产量比例逐年提高。
钻机是煤层气地面开采的最重要的设备之一。煤层气井一般比较浅,钻井周期短。因此,要求煤层气钻机自动化程度高,泵排量低,表层开钻加压方便。国外煤层气开发已经进行了多年,其勘探开发设备已形成系列化,技术储备雄厚。煤层气钻机的生产主要集中在美国雪姆公司(Schramm)、美国Gefco、瑞典阿特拉斯(Atlas?Copco)和德国Bauer等公司。
美国的雪姆钻机公司是专业车载钻机供应商,是美国煤层气成功开发的主要贡献者之一,其产品也是我国煤层气钻机的主要进口机型,代表性产品有T685WS钻机、T130XD钻机和T200XD钻机。其特点是配套设施完善,可实现钻井液、泡沫和空气等多种钻井方式,而且结合煤层气钻井的实际情况,对钻机进行了很多改进,如伸缩式井架、车载钻井泵等。
美国的Gefco公司是一家专门致力于石油钻机研究与生产的公司,其生产的钻机对我国的煤层气开发起了很大作用。该公司的钻机可实现多种钻井工艺,包括空气钻井、泡沫钻井、清水钻井和常规钻井等,国内应用较多的是GEFCO-150K、SS-90K等型号钻机,其设备机动灵活、钻井效率高。
瑞典阿特拉斯公司可提供钻具、空压机和增压机等钻机配套设备,国内应用较多的是其生产的RD20型车载钻机。RD20型车载钻机为全液压钻机,整体结构紧凑,可进行空气循环回转钻孔、潜孔钻和钻井液钻孔。其突出优点是机动性高、占地面积小。该钻机在我国煤层气资源丰富的沁水盆地应用广泛。
德国Bauer公司的产品在煤层气领域为非主流产品。该公司生产的全液压多功能车载钻机适合大口径深井钻井(最大直径可达1200mm),可实现常规钻井液钻井和空气钻井。该类钻机主要有RB100、RB50、RB40等型号。
连续油管钻机巨大潜力。相对于用螺纹连接的常规油管,连续油管是卷绕在卷筒上拉直后直接下井的长油管。与常规钻井技术相比,连续油管钻井技术的优势在于可以实现欠平衡钻井,且搬迁和起下钻作业简单、经济,井控更加容易,减少了卡钻事故,在煤层气钻井方面优势明显。
欠平衡钻井技术和空气钻机将是煤层气钻采技术趋势。美国80年代末发明出裸眼洞穴完井技术,该技术无需压裂,减少了煤层气钻完井的投资以及压裂对储层的伤害,同时还增加了3-20倍的产量,该技术适用于低煤阶、高渗透的煤层气开采。另外美国针对煤层储层保护提出了欠平衡钻井技术,该技术降低了钻井液的浓度,减少对储层的压力,并设计出专门的空气钻机来完成钻井。
我国的煤层气开发较晚,开发初期主要借用石油钻井的相关装备和工具,与煤层气钻井的特殊工况不配套,搬迁不便,导致钻井成本偏高。由于我国煤层气藏埋深较浅,钻井深度大多在1000m以浅,因此也采用水文钻机、煤田钻机。但是,水文钻机和煤田钻机的主体结构因没有钻井平台,无法安装防喷器、除砂除泥器等设备,其技术性能和可配套性都无法满足煤层气钻井的需要,而且因其钻进效率太低,直接影响了煤层气开发新工艺、新技术的推广应用。我国专业化的煤层气钻机长期缺失,90%以上的煤层气钻井都是使用水基钻井液完成,对储层伤害较大,相比之下美国90%以上的煤层气都是通过便携式空气钻井完成。
目前,国内煤层气钻机主要生产商和产品有:石家庄煤矿机械有限责任公司的SMJ5510TZJ15/800Y车载钻机、新时代石油机械制造有限公司的ZJ15/90J2钻机、中国地质科学院勘探技术研究所的SDC1000钻机、江汉石油管理局第四机械厂的ZJ20/147OCZ煤层气钻机、南阳二机石油装备(集团)有限公司的ZJ20K系列橇装钻机和3000m模块化煤层气钻机、黄海机械等。
虽然国内煤层气钻机已有一定的生产能力,但都主要处于初期试制和试用阶段,没有得到广泛应用。而且,国内的煤层气钻机仍然不能满足我国煤层气快速发展的需要,为了提高效率,主要煤层气产区的重点井、难点井仍然以进口设备为主。据不完全统计,截至2009年,我国从国外进口的用于煤层气地面勘探和开采的车载钻机为25台左右,同时,我国用于煤层气地面勘探和开采的还有小型石油钻机、水井钻机、岩心钻机等,2009年我国用于煤层气地面勘探开采的钻机大约为100台左右。
水平定向钻机
我国水平定向钻机市场仍处于市场需求量快速增长的成长期,2009年全国销售量仅1,534台,而美国在经济快速发展的1996-2000年,平均每年销售量达到约2,670台,2001-2003年受网络经济泡沫危机影响,网络管线铺设需求量下降导致非开挖水平定向钻机的销量有所下降,但2004年以后每年仍保持在1,500-2,000台的水平。由此预测,2011-2015年我国水平定向钻机市场需求仍将快速增长,平均每年市场需求量可达2,500台左右,并且未来很长一段时间仍将保持每年市场。
井控设备——防喷器
国外的防喷器主要以Hydril、Cameron和Shaffer公司的产品为代表,通径65.0-762.0mm,压力等级3.45-172.50MPa,品种规格齐全,防喷器所能实现的功能也多,在陆上和水下都得到了广泛应用。国内在进行煤层气钻井时,煤田钻机或部分进口液压钻机(雪姆130钻机)一般没有安装防喷器,主要原因是该类型钻机的钻台面无法安装防喷器。由于防喷器是直接借用的油气钻井防喷器,体积大、压力级别高,不易搬迁运输,在一定程度上增加了钻井成本。我国适应煤层气开发的小型、轻便防喷器还较少,有待于进一步研究和开发。
井控设备——旋转控制头
欠平衡钻井技术在煤层气领域的应用,促进了其关键井口设备旋转控制头的发展。目前,国外旋转控制头产品很齐全,既有应用于高压油气井的产品,也有应用于煤层气井等非常规能源方面的低压小型旋转控制头,主要厂商有美国的威德福、哈里伯顿、Shaffer和Washington公司,英国的Grant公司和加拿大的高山公司等,其中Washington公司和Grant公司的产品已经应用于我国的煤层气开发,但价格很高。
我国现有旋转控制头大多是以威德福公司的Williams系列产品为原型研制开发的,且主要是适用于常规油气钻井的较高压力级别产品,在密封的可靠性和密封件寿命上与国外先进产品相比还存在一定差距。应用于煤层气井的低压系列产品目前还处于试制阶段,有待于进一步优化完善。Washington公司系列旋转控制头的进口价格约70万元,而开发低压旋转控制头的成本仅20多万元。因此,开发低压旋转控制头可大大降低钻井成本。