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世界石油鉆機制造業發展動態

2012-02-10 18:56 | 閱讀(

一、國內外石油鉆機市場分析

(一)市場供求與預測分析

        國際石油鉆井市場主要由鉆井工程承包作業和鉆井技術服務項目兩部分組成,前者包括陸上和海上鉆井工程承包作業;后者涉及鉆井液/完井液、工具、裝備、儀器、軟件、定向、固井和完井等一系列技術服務項目。鉆機是鉆井承包商最主要的裝備,全世界已擁有各類陸地石油鉆機約4500臺,海洋鉆井平臺約650個,其中自升式約400個,半潛式約200個。中國陸地鉆機總數1000多臺,鉆井船20多臺。鉆機擁有數量最多的國家依次是美國、中國、俄羅斯和加拿大。

       進入21世紀以來,全球經濟復蘇拉動油氣需求快速增長,不斷攀升的油氣價格,促使各大石油公司不斷增加油氣勘探開發(E&P)投資,擴大E&P市場規模,這使得占E&P投資60%左右的鉆井市場規模隨之加大,全球在用鉆機數量、鉆井數量等指標上漲,大量鉆井承包商和技術服務公司涌入國際市場,市場競爭日趨激烈。為了應對日益激烈的市場競爭,鉆井承包商和技術服務公司通過調整競爭策略,改進裝備,增加技術含量等措施,不斷加強自身的市場競爭力。

        在全球E&P投資的帶動下,近幾年全球鉆井市場總支出呈增長態勢。全球鉆井支出從2000年的650億美元增加到2004年的980億美元左右,增幅達到50%。幾年來全球鉆井市場總支出一直占全球E&P投資的60%左右。

        國際石油鉆井市場規模擴大使鉆井工程承包和技術服務的工作量增加。根據法國石油研究院分析,2003年全球石油鉆井市場總規模達到800億美元,而2004年已上升到980億美元,其中陸上鉆井承包、海上鉆井承包和鉆井技術服務市場總值分別達到94、134和752億美元左右。

        2004年全球鉆井工程承包市場總值達到228億美元,較2003年增長約8%,2005年全球鉆井工程承包市場總值較2004年增長4%,達到237億美元。由于陸上鉆井數目增加,2004年,全球陸上鉆井工程承包規模價值達到94億美元,同比增長21%;海上鉆井工程承包規模價值為134億美元,同比僅增長1%。

        全球在用旋轉鉆機數量從2000年的1913臺增加到2004年的2380臺,增幅達到24%。其中擁有在用旋轉鉆機數量最多的國家依次是美國、中國、俄羅斯和加拿大。2004年美國在用旋轉鉆機數量占全球總數的三分之一。

        全球的鉆井數也在大幅度增加,2004年較2000年增長21%,達到82308口。獨聯體、南美、北美和非洲是鉆井數量增長幅度最高的地區。北美地區的鉆井數量繼續保持全球之最,2004年約占全球鉆井總量的70%,其次是遠東地區、東歐與獨聯體和南美地區。鉆井數最多的國家依次是美國、加拿大、中國和俄羅斯,2003年這四個國家的鉆井數占全球鉆井數的87.2%。

        占全球鉆井工程承包市場規模近三分之二的海上鉆井數量近年來緩慢增加。雖然海上鉆井工程占鉆井工程承包市場的60%以上,但海上鉆井數只占全球鉆井總數的4%~6%。海上鉆井主要分布在北美、遠東和西歐等地區,其中美國是海上鉆井數最多的國家,其絕大部分海上鉆井位于墨西哥灣,2004年墨西哥灣海上鉆井835口,約占全球海上鉆井數的27%。

        截止到2004年底,在國際鉆井承包商協會(IADC)注冊的鉆井承包商已達250家(見表1),世界上絕大部分的陸地鉆機和海上鉆機掌握在這些鉆井承包商手中,他們中絕大部分兼做修井作業,只有極個別是專職修井的承包商。在這些注冊承包商中,專門從事陸上鉆井工程承包作業的有195家,專門從事海上鉆井工程承包作業的有30家,另外有25家承包商兼做海上和陸上鉆井承包作業。從這些鉆井承包商的地區分布來看,美國擁有138家,占總數一半以上,另外歐洲有38家,其他地區有74家。

表1 IADC 注冊鉆井承包商數量及其分布

地區     陸上  海上  海陸兼做  總計

歐洲      23   9    6    38

美國  東部  12   0    0    12

中部  87   8    7    102

西部  24   0    0    24

合計  123   8    7    138

其他地區    49   13    12    74

IADC總計   195   30    25    250

資料來源:國際鉆井承包商協會網站 www.ladc.org

        近些年來,中國堅決執行走出去和裝備國產化的戰略,中國鉆井承包商在國際鉆井市場的實力和競爭力顯著提高,鉆井裝備的制造水平得到明顯提升,鉆機在不僅滿足國內需求的同時,出口數額呈快速上升趨勢。

        由于國產鉆機性價比較高,國外訂貨(3000米以上鉆機)快速增長導致國內鉆機市場已變為賣方市場,供不應求。預計出口數量3年內將保證每年約100套的市場規模,如中國鉆機制造水平繼續快速提升,將在5年后超越美國成為全球鉆井裝備的主要生產制造國,2005年寶石廠的出產量已經成為全球第一。

        我國各大油田現有各種鉆機保有量在1000-1200臺。資料表明,每年有10%的鉆機需要改造更換,即100-120臺。新老油田開發每年需新增各種鉆機150臺左右。根據近三年國家海關統計,我國各制造企業向世界各國平均年出口66臺套不同規格的鉆機。

        綜上所述,國際鉆井市場的旺盛需求,鉆井裝備也隨之水漲船高,存在較大的市場空間和獲利機遇。但鉆井承包商間的激烈競爭,需要更加先進的技術和裝備去開拓市場,從而對鉆井裝備的先進性、可靠性、適應性提出了更高的要求。分析表明——電驅動鉆機將是未來絕對的主流裝備。

(二)價格現狀與預測

        近一、二年來,由于國外訂貨量快速上升,導致國內鉆機市場已變為賣方市場。一般而言,鉆機機械部分價格相對穩定,短期內不會有較大的浮動;鉆機電氣控制系統的價格與04年相比提高約10%-25%,事實上,整個市場由于生產能力的限制基本處于價高貨缺的緊張狀態。

        未來3年,鋼材和銅等原材料價格按供求關系會有所回落,控制系統的制造成本會略有降低,但價格很難回落到04年之前的水平,估計會比05年略有降低和04年持平。

        隨著石油鉆機市場需求的加大,原材料價格也相應增高,鉆機產品技術含量越來越高,使平臺鉆機產品售價逐步提高。在國內市場和國際市場均具有價格向上浮動的空間,經濟學專家預測石油鉆機產品不論是國內還是國際市場每年將以5~10%的增幅提升,價格空間較大。為我們盡快大力發展石油鉆機產品,開拓市場提供了一定的決策依據。

二、國內外石油鉆機技術發展現狀及趨勢

(一)總體設計技術

        石油鉆機是完成石油鉆井任務的主要工具。從其出現之日起,就與鉆井工藝密不可分。相互促進,共同發展。隨著科學技術的不斷發展,國內外鉆井技術和裝備也得到了長足的發展。回顧鉆井技術和裝備發展的歷史,可以看到促進鉆井技術及裝備的發展的動力主要有:提高勞動生產率,降低勞動強度;降低消耗;提高可靠性、安全性和環保要求;以及經濟性要求——將成本降到最低。對鉆機的要求可從鉆井工藝的發展需求上看出:

※鉆井速度更快

1、起升系統能力不斷加大

        隨著鉆井工藝的不斷完善,特別是隨著定向井、水平井鉆井工藝的不斷成熟,鉆井深度不斷加大,或有一些大斜度井、水平井,雖然垂直深度并不大,但水平位移大。這就要求鉆機的起升能力不斷加大。更由于海洋深水鉆井作業的需要,使鉆機的起升能力達到空前的高度。如今,鉆井深度為7000m的鉆機已很普遍,9000m~15000m鉆機也已出現,15000m以至更大鉆機的出現也是指日可待的。隨著鉆機起升能力的加大,也伴隨著如頂驅、鉆井泵等裝置的不斷加大,從而引起鉆機設計、制造上的不斷突破。

2、絞車、鉆井泵功率不斷加大

        在起升能力加大的同時,要提高鉆井效率,必須要提高絞車和鉆井泵的功率。絞車功率已從2205kW(3000hp)到2941kW(4000hp)以至出現了4412kW(6000hp)的絞車。鉆井泵也從735kW~956kW(1000hp~1300hp)到1176kW(1600hp)以至出現了1618kW(2200hp)的鉆井泵。同時,鉆井泵的最高泵壓也從20MPa升高到35MPa。鉆井泵功率的加大和配置臺數的增多,以及最高泵壓的加大,也使得實現深井和超深井的高壓噴射鉆井工藝成為可能。也就提高了鉆井的效率。

3、控制參數不斷增多

        為不斷提高鉆井速度和鉆井效率,特別是隨鉆測量系統的不斷成熟,鉆進過程中司鉆要監視和控制的參數也不斷增多。從原有的鉆壓、轉速、泵壓三個主要參數,增加到8~10個之多。這就要求鉆機的測量控制系統有更高的能力。在加裝多參數測量儀的基礎上,又出現了數字化鉆機,以至智能化鉆機。當然,計算機技術和現代通訊技術的不斷完善和全面普及,無疑是促進鉆機向數字化,以至智能化方向發展的強有力的推動力。

4、輔助設備不斷增多

        為不斷提高鉆井速度和鉆井效率,減少工人的勞動強度,井場輔助設備也不斷增多。主要體現在:

(1)鉆井液固相控制設備的增多:鉆井液固相控制設備由原有的振動篩、除砂器、除泥器、除氣器,增加了離心分離機,(真空)除氣器。鉆井液配置設備也增加了如剪切泵,出現了密封的添加劑加入裝置等。

(2)氣液分離設備和油水分離設備的增多。

(3)井口機械化程度不斷提高:液壓套管扶正機、二層臺液壓機械手、鉆柱機械化上下臺設備。

(4)氣源凈化和強制冷卻設備等專用輔助設備。

※適應性更廣

1、鉆機分檔合理

2、驅動方式多樣化

3、機械化程度不斷提高

4、自動化程度不斷提高

5、智能化程度不斷提高

6、新型鉆井方式不斷出現

※消耗降低

1、功率分配更合理

2、結構設計更巧妙

3、占地面積小

4、短距離整體移動

5、完井方式的改變

※可靠性、安全性、環保要求不斷提高

1、部件、整機的可靠性要求不斷提高,故障停機時間有嚴格要求。

2、部件、整機的可維護性提高,在規定的時間內可修復。

3、HSE(健康、安全、環保)要求提高。包括HSE設計理念和HSE管理體系的形成。

※經濟性要求不斷提高

1、鉆機配套更靈活。

2、鉆機根據不同環境需求專門設計、制造。

3、轉盤、鉆井泵要求獨立驅動

※靈活性提高

1、配套更靈活

2、運移方式多樣化

3、井架形式多樣化

4、底座形式多樣化

◎概括起來,鉆機設計、制造的趨勢如下:

1、全面規劃、合理布局

制訂標準,使絞車按功率合理分級,鉆機按鉆井深度合理分級,常規鉆機嚴格按標準設計、制造,使用戶更方便的選擇,更靈活、經濟的使用鉆機。

2、部件標準化設計制造

鉆機大部件,如:絞車、大鉤、游車、水龍頭、鉆井泵等,按標準分級成標準化的部件,鉆機設計時像搭積木式的選用即可。

3、鉆進驅動方式多樣化

現有轉盤驅動、底部驅動、頂部驅動和復合驅動等驅動方式,可供用戶根據需要選擇。

4、測量控制系統進一步加強

測控系統從井口控制到井底測量多點測控,安全監控,信息自動測控傳遞,直到智能化鉆機、數字化鉆機。

5、輔助設備機械化程度進一步提高

如配備鉆柱自動排放和上下臺裝置、鉆井液處理設備、防噴器吊裝裝置等。

6、適應新工藝的發展

新型鉆機不斷出現,如小井眼鉆井鉆機、套管鉆井鉆機、連續管鉆井鉆機、膨脹管鉆井鉆機等。還有如欠平衡鉆井鉆機、空氣鉆井鉆機、泡沫鉆鉆井鉆機等。

◎目前各級鉆機的發展趨勢

1、對3 000 m以下的鉆機,由于鉆井載荷小、鉆井周期短、搬家頻繁,要求鉆機要具有良好的移運性、經濟性、技術先進性和可靠性。根據地域條件和運輸條件的要求,可分為車裝鉆機和撬裝鉆機兩種形式,應大力推廣車裝鉆機,同時發展撬裝鉆機,電力供應充足的地區,使用電驅動鉆機。今后需要開發高速柴油機、阿里遜傳動箱和小節距傳動鏈條。

2、4 000 m鉆機是當前乃至今后一個時期內在國內使用的主力機型鉆機,市場需求量較大。該級別鉆機要充分體現結構緊湊、運輸單元少、拆裝方便、移運快捷、可靠性高、價格適中等特點。對于該級別鉆機應以機械驅動鉆機為主,其重點是發展機電復合型鉆機、適當發展交流變頻電驅動鉆機。

3、5 000—9 000 m鉆機,由于多用于鉆探井、深井和開發井,對該級別鉆機要求技術含量高、性能先進、質量可靠、操作維修簡便、機械化、自動化、智能化程度高,并具有良好的移運性。

4、提高鉆機集裝化程度和高移運性能,是今后亟待解決的重點。大型鉆機應采用輪式運輸方式;中、小型鉆機應采用獨立驅動大模塊運輸形式或車載形式。要實現的關鍵是必須對模塊合理組合,簡化傳動結構、減小設備外形尺寸和減輕設備重量等方面下功夫。

5、10000 m級鉆機在國內尚屬空白,為適應向更廣闊領域及更深層埋藏油氣資源勘探開發的需要,應積極進行前期開發。

(二)鉆機主機

        經過50多年的努力,特別是改革開放后20多年的發展,目前國產石油鉆機已經形成了比較完整的系列,在品種和質量上基本能夠滿足在國內不同地區、不同井深和不同環境條件進行油氣資源勘探,開發的需要。近年來還有相當數量的國產鉆機在國外承擔鉆井服務。寶雞石油機械廠、蘭州蘭石國民油井石油工程有限公司、南陽二機廠、江漢四機廠等鉆井設備制造廠已開發和生產了2 000~9 000 m機械驅動鉆機、機電復合驅動鉆機和整拖式、輪式半拖掛整體移運式鉆機;研制了4 000~9 000m各型直流電驅動鉆機、交流變頻電驅動鉆機和3 000 m以下各種車裝及撬裝鉆機。發展方向主要有:

1、提高鉆機的鉆深能力

        目前,我國石油鉆機最大鉆深能力為9000 m(4-1/2英寸鉆桿),滿足不了勝利、塔里木等油田超深井陸上油田鉆井的需要,更滿足不了陸上及海上鉆超深水平井及大位移井的需要,也滿足不了我國工程技術服務隊伍出國作業的特殊需要。目前,我國鉆機絞車的最大功率為1471 kW,而美國Varco 公司的交流變頻絞車功率已達5220kW,德國Wirth公司生產的交流變頻鉆機絞車已達4922kW,鉆深能力可達15 000m。

2、研制大型拖掛鉆機

        拖掛鉆機的主要優點是移運性好,搬家車次少、時間短,節約成本,適于在沙漠、平坦地區作業。特別在沙漠地區,如用陸上常規鉆機鉆井,其運輸將成為主要問題。我國拖掛鉆機最大鉆深能力為5000 m,而在美國7000m拖掛鉆機的技術已很成熟,顯然我國拖掛鉆機滿足不了工程技術服務隊伍開拓國際市場的需要,中石油集團長城鉆井公司急需大型拖掛鉆機出國服務。

3、開發極地鉆機

        極地鉆機是指適于在-40℃以下低溫地區作業的鉆機。目前寶石機械公司正在研究其結構件、天車、游吊系統及電氣元件等技術,難度較大,研究工作已取得一定的成果。在美國、意大利及俄羅斯,極地鉆機的技術已很成熟,其鉆機分別在美國阿拉斯加、冰島及俄羅斯等寒冷地區作業。

4、研究開發連續油管鉆機

        連續油管鉆機是通過注入頭向井中下入連續油管,利用井下動力鉆具鉆井的鉆機。連續油管鉆井作業適合于在地面條件受限制的地區或海上平臺鉆井和過油管鉆井,特別適用于小井眼鉆井、欠平衡鉆井、水平井及大位移井鉆井。在國外連續油管鉆井已應用到油氣勘探開發的各個領域,投入使用的連續管鉆機已達800多臺。1997年全世界用連續管鉆機約600余臺,至2003年底共鉆井約7 000口。美國在2003年以后每年用小井眼連續油管技術鉆2萬口淺層開發井、100口油藏數據監測井、3 000口淺層老井加深井、100口深層勘探井,而在我國寶石機械公司正在進行方案調研攻關。

5、研制超深井鉆機關鍵配套部件

        我國大鉤、水龍頭最大靜載荷只能達到4500kN,且產能不足,滿足不了自己配套的要求,轉盤最大開口直徑只能達到952 mm(37-1/2英寸),只能為7000m鉆機配套。美國Varco公司的大鉤、水龍頭的最大靜載荷已達到10000 kN,轉盤最大開口直徑也達到1537 mm(60-1/2英寸),可滿足15000m鉆機的配套要求。

6、攻關交流變頻鉆機轉盤防倒轉技術

        我國交流變頻電驅動鉆機曾不止一次發生轉盤倒轉問題,主要是電控系統設計有問題,為此,需解決兩個問題。一是當井下阻力矩增大到一定值或鉆進過程中停車時,電動機可實現堵轉,即輸出轉速為零,同時保持電動機的輸出扭矩等于鉆桿的反扭矩;二是當出現上述工況時,電控系統應能吸收鉆桿已儲蓄的反轉勢能,以防止鉆桿拖動轉盤和電動機高速反轉,造成鉆桿脫扣等事故。

7、開發液缸升降式液壓鉆機

        液壓缸升降式液壓鉆機沒有常規鉆機的絞車,轉盤和井架。它利用頂部驅動鉆井裝置旋轉鉆柱,利用液壓油缸提升和下放鉆柱,井可自動送鉆。該種鉆機在我國尚處于空白,并且也沒有開展研究工作。挪威在20世紀90年代末已將該種液壓鉆機用于海洋鉆井船,鉆探能力達到10058 m,意大利Drillmec公司也于1994年開發成功升降式液壓鉆機,其HH300型最大提升能力為2720kN,各型液壓鉆機已生產30余臺,訂單累計已達50余臺。產品表現出良好的性能。使用該鉆機1個井隊只需15人,遠低于我國目前平均人數49人。

(三)動力與電氣控制

        交流變頻電驅動鉆機是現代高新技術與石油鉆井機械的有機結合,具有強大的生命力,是當代石油鉆機的發展趨勢,但直流鉆機在一段時間內仍將占有相當的市場份額。

        目前鉆機電氣控制系統已基本實現了數字化、網絡化,正向著智能化和自適應控制前進。天傳所生產的控制系統從柴油發電機組的控制到主工作機的驅動調節控制,從操作回路的自動化系統到操作界面的軟件控制,全部采用數字控制和調節,數字化設備之間通過PROFIBUS-DP現場總線實現數據的交換和通訊,實現了與上級系統的遠程監控功能。

(四)鉆機輔機

1、鉆機的主機和輔機的配套

主要有:

•    固控系統

•    防噴系統

•    循環系統

•    氣源凈化裝置等

•    鉆桿自動排放系統

        其中問題最多的是固控系統。以往國產鉆機固控系統往往由用戶指定廠家配套或自己配套,質量往往難以控制,水平也長時間無法提高。造成各用戶自成體系,國內無法統一規范和標準,設計單位和生產廠家無所適從,國外的先進技術推廣應用較慢。

        防噴系統的制造、生產和使用均有較好的標準和規范,缺陷在于防噴器的現場安裝較困難,機械化程度不高。

        循環系統中泥漿泵、水龍頭等單機質量沒有大問題。但泥漿泵的驅動方式及井場布置、管匯及灌注泵的布置也是值得研究的。

        氣源凈化裝置,國產新鉆機多數已配置。但應更系統地研究、設計,提出模塊化、整體組合運輸等更高的要求。

2、鉆井機械化裝置的配套

鉆井機械化大致分為:

•    井口作業機械化裝置

•    鉆桿上下鉆臺機械化裝置

•    鉆柱排放機械化裝置

•    二層臺作業機械化裝置

•    鉆柱及其螺紋的機械化清洗裝置

        井口作業機械化裝置如:液壓大鉗、液壓套管鉗、氣動旋扣鉗、液壓貓頭、氣動卡瓦、彈簧卡瓦等,已在油田全面推廣應用,效果較好。大大減輕了工人的勞動強度,提高了效率、增加了安全性。但缺點是:液壓大鉗和液壓套管鉗系列不全,缺少扭矩自動控制、記錄裝置,如何配套更合理以及其它問題,有待進一步完善。

        鉆桿上下臺機械化裝置,鉆柱的機械化排放裝置(包括井場排放和井口立根排放),二層臺作業機械化裝置以及鉆柱和螺紋的機械化清洗裝置均為空白,應引起重視,國外已有較先進的產品,國內如蘭州石油機械研究所等一些科研單位也做過一些設計,但均未投入生產和使用。

        鉆桿的上臺的方式,國內多年來一直采用電動或氣動小絞車吊上,而鉆桿的下臺則一直采用鋼絲繩甩下,對鉆桿的損壞非常嚴重。采用機械化上下臺裝置既可減少鉆桿的損壞、節約成本,又能大大的提高安全性,減小勞動強度,應加快研制。

        對于鉆柱的機械化排放裝置,4000米以上的鉆機應采用液壓、機械或電控的裝置加機械臂自動排放。而2000米以下的小鉆機、小井眼鉆機,為節約搬家安裝時間,減少搬運車次,應采取管架固定鉆柱立式排放,以單臂小吊車上下臺較為合適。

3、鉆柱、套管柱的自動化測量和記錄

        鉆桿柱、套管柱的測長、記錄,多年來一直是人工拉卷尺測量、記錄,費工費時,無論冬季夏季,天熱天冷,刮風下雨均如此,效率低,出錯率高。而且在資料歸檔過程中,多次重寫、抄寫或轉輸,既不易保存、傳輸,也不便查詢。鉆桿柱、套管柱的在線測量,國內已有幾年研究,有幾種產品。如蘭州石油機械研究所最近研制成功激光測長儀,利用激光技術可實現自動測長、精確計量,測長距離可達30--100米,每次測量的精度誤差小于1.5毫米,相對誤差可在萬分之1.5左右。利用掌上電腦一次性記錄現場所需的各種數據(如長度、根號、根數、累計長度、測量時間、測量人員等)后,可直接與計算機對接傳輸,實現數據聯網和數據共享。既減小一線工人的勞動強度,又減少數據轉抄,提高效率,降低錯誤率。同時利用該儀器還可解決鉆機等設備在安裝、調試過程中的測量、找正等問題,大大提高工作效率和工作質量。

4、鉆機井場照明電路的布置和其它機械使用電源的合理配置

        鉆機井場照明電路的安裝、布置、連線,也一直無規范,由用戶自己安裝,既不安全,又不美觀。鉆機搬家安裝時費時費力,電線電纜損壞嚴重。井場配電設計標準化、線路固定規范化已勢在必行。采用卡式安裝,外加保護套,既美觀大方又安全可靠,同時減小安裝拆卸時間。

井場所用的輔助機械的用電,也應合理分配和配置,按規范執行。在配電房設專用的線板,避免盲目使用時過載引起事故或接頭不安全造成事故。

5、井場污泥、污水的處理、排放裝置的配套

        井場的污泥、污水包括鉆井液、鉆屑、化學添加劑、潤滑油、清洗液等,國內使用的鉆機尚未提到這些污泥污水的處理和排放問題,但出國鉆井的部分鉆機已有要求。隨著對環保問題的日益重視和民眾環保意識的增強,這也是很快會提到日程上來的事,應盡快研究出相應的產品,最好是車裝的移動式井場處理設備或集中處理設備。 

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