0 引言

自2008年美国将“井工厂”技术应用于页岩气开发以来，催生了一种新型钻机——工厂化作业钻机。目前北美地区既有通过现有钻机改造、加装快速移动装置而形成的工厂化作业钻机，也有成套定制的全新工厂化作业钻机。多种适用于工厂化作业的先进钻机的研制成功为充分发挥工厂化钻井的技术优势提供了装备支撑，有力地推动了“井工厂”作业模式在北美的推广应用。2010年以来，我国在苏里格、涪陵、长宁-威远等多个非常规油气区块开展了工厂化钻井作业模式先导试验，并在个别区块进行了推广应用^[1-3]，取得了良好的阶段性成果。在借鉴国外经验和技术的基础上，国内开展了工厂化作业钻机相关技术研究，主要通过对常规陆地钻机改造，初步满足了现场施工需要，但与国外相比还存在明显差距，无法完全满足经济安全的工厂化作业要求。因此，有必要对工厂化作业钻机的技术现状及发展趋势进行探讨。

1 工厂化作业模式对钻机的要求

工厂化钻井是在同一井场集中布置大批相似井，使用标准化的装备和服务，结合精益管理方法和远程监控，以生产或装配流水线方式进行钻完井的一种高效低成本作业模式。工厂化钻井和常规点状、分散钻井作业模式明显不同，因此对工厂化作业钻机也提出了更高要求。具体如下：

(1) 工厂化钻井群式布井和分开次批钻的作业模式，要求钻机能够在工作状态(井架和底座不下放、满立根)下进行同井场近距离井间的安全快速搬迁和安装，同时降低劳动强度和成本。

(2) 工厂化钻井作业不但因规模施工、井间防碰和三维水平井等因素导致钻井施工要求高、难度大，而且工序转换频繁紧凑、钻机平均月进尺高，对钻机的施工能力、安全可靠性和自动化水平等提出了更高要求。

(3) 为了最大程度地发挥工厂化钻井标准化、批量化和流程化的作业优势，防止因单台钻机或单口井影响平台整体进度，对多钻机联合施工的管控水平和管控效率提出了更高要求。

2 国外工厂化作业钻机技术现状 2.1 井间安全快速平移技术

免拆卸高移动性是工厂化作业钻机的最显著特征之一。目前国外工厂化作业钻机的平移技术已经很成熟，根据加装或配套平移装置的不同，北美的工厂化作业钻机主要有滑轨式和步进式2种类型。

2.1.1 滑轨式钻机

滑轨式钻机的平移系统主要由组合式滑移轨道底座和液压平移装置2部分组成。井场第1口井钻机安装前，在基础上铺设组合式滑移轨道底座，并使其方向与井口连线方向平行，然后在滑移轨道底座上安装钻机及其他地面设备，需要在井间进行平移时，通过液压平移装置推动钻机在滑轨上移动。根据能够实现移动方向的不同，滑轨式钻机可分为单向和双向2种类型。目前北美工厂化作业应用的滑轨式钻机主要有Savanna快速移动钻机、Sparta模块式交流变频电动钻机和Versa快速移动钻机等，其主要技术参数如表 1所示^[4-7]。

2.1.2 步进式钻机

步进式钻机也叫自走钻机，其平移系统主要由液压顶升装置、液压平移装置和控制装置组成。步进式钻机不需预先铺设滑轨，自身带有的平移系统可将钻机整体抬起、平移和下放，实现钻机移动。与滑移式钻机相比，步进式钻机不但运移相率高、可以提供任何方向的移动，同时还降低了钻机整体结构的磨损，因此步进式钻机正逐步成为北美工厂化作业钻机的主流配置。

目前北美地区工厂化作业应用的步进式钻机主要有GES公司8向行走钻机、Nabors快速移动钻机、Landshark快速移动钻机和APEX行走钻机等，其主要技术参数见表 2^[8-10]。

2.1.3 轮轨式钻机

轮轨式钻机是指配套使用轮轨式平移系统的钻机，在国内外工厂化钻井作业中的应用均较少。轮轨式平移系统是在滑轨式平移系统的基础上，将滑动摩擦变为滚动摩擦，大大减小了平移阻力。根据结构和工作原理的不同，轮轨式平移系统主要分为有轨和无轨2种类型。在北美工厂化钻井中，主要使用了无轨式轮轨钻机，如Savanna 655E型定制轮轨钻机。平移系统主要由液压平移装置、液压顶升装置、平移小车、滚轮履靴和控制装置等组成，具有工作平稳可靠、体积小和安装使用方便等优点^[11]。

2.2 驱动类型

北美地区工厂化作业在用钻机主要是大中型电驱动钻机，近几年新增的成套定制钻机几乎全部是交流变频电驱动钻机。在推广应用交流变频电动钻机和电网供电技术的基础上，还开发应用了噪声小、污染少、运移性能好和自动化程度高的液压驱动钻机，如在Marcellus和Utica页岩气区使用的定制式Schramm T500XD液压钻机，液压进给力达356 kN，大钩载荷2 224.1 kN，钻深4 500 m，具有360°移动式功能，可在井间快速平移^[12]。

2.3 自动化设备配套

北美工厂化作业钻机多属自动化钻机，大部分同时配有顶驱、铁钻工、动力猫道和钻机集成控制系统等，少部分配备了自动井架工，使钻井工作效率和安全性都得到了很大提高。

目前顶驱已成为北美新建工厂化作业钻机的标配设备，且广泛应用了先进的AC变频电驱动顶驱或液压顶驱，顶驱提速可达20%~40%。井口自动化工具主要包括自动吊卡、自动卡瓦、铁钻工和动力辅助鼠洞等，可实现钻具的自动传送、加持固定、上/卸扣，使井口钻杆操作全自动化或半自动化，工作效率和安全性大幅提高。管柱自动化处理装置主要包括动力猫道、多功能机械手和自动井架工，与顶驱和自动化井口工具相配合，实现了钻具上下钻台、建立根、接立根、起下钻、立根输送、立根排放、井口作业的自动化和智能化。控制系统主要包括钻机集成控制系统和远程监控系统(如DART系统和FDC系统等)^[13-14]，不但实现了施工现场钻机的整体监视与控制，而且可以把现场大量的施工数据和工作状态实时传输到远程监控中心，供后勤职能部门或技术专家监控、指导和处理现场问题，提高了工厂化作业的管控水平和工作效率。

3 国内工厂化作业钻机技术现状 3.1 钻机平移装置

我国在借鉴国外经验和技术的基础上，虽然在个别区块工厂化钻井中研发应用了自动化配置较高的定制钻机^[15], 但目前我国整体上仍处于对陆地钻机的改装阶段，即主要通过对现有钻机进行底座加固改造和加装平移装置来实现钻机的整体平移。根据工作方式的不同，国内研制使用的工厂化作业钻机平移装置主要有滑轨式和步进式2种。

3.1.1 滑轨式平移装置

棘爪滑轨式平移装置是目前国内工厂化作业中应用最广泛的平移装置(见图 1)，最大可满足ZJ70钻机在工作状态下的平移需求。但是和国外相比，目前国内滑轨式钻机平移装置还只能实现钻机的单向移动，不能实现前、后移动，且主要适用于在同一井台，沿大门坡道方向直线移动的钻机，满足打单列多口井的要求。

3.1.2 步进式平移装置

目前宝鸡石油机械有限责任公司、中石化石油工程机械有限公司第四机械厂和四川宏华石油设备有限公司等多家单位均研制了步进式平移装置(见图 2)，可满足ZJ70钻机在工作状态下的平移需求。与滑轨式平移装置相比，步进式平移装置不仅不需要预先铺设滑轨，而且具有结构紧凑、安装简便、可以提供任意方向的移动和减轻钻机整体结构磨损等优点，特别适用于小井场多口井的工厂化钻井作业。国内步进式平移装置主要技术参数如表 3所示。

3.1.3 轮轨式平移装置

我国已有成熟的轮轨式平移装置，但在工厂化钻井中的应用很少。从公开的文献资料看，仅在我国涪陵页岩气工厂化钻井中有过应用，并取得了良好的应用效果^[16]。装置为有轨式轮轨平移装置，主要由导轨和运移系统组成。导轨为标准节结构，任意2根均可互换，安装在地面上，导轨之间采用拉杆定位，以保证左、右两侧导轨的平行。运移系统主要由支撑梁、举升油缸、移动油缸、连杆、滚轮和支撑结构等组成。与国内滑轨式平移装置相比，该轮轨式平移装置的主要优点有：① 钻机移动时摩擦阻力更小；② 可以沿大门坡道或垂直大门坡道方向移动钻机，钻机在井场内的摆放更灵活；③ 导轨质量和接地面积均更大，结构上还可以调整因地基下沉引起的钻机不平，更适用于承载能力低的井场；④ 可以通过将机房、钻井泵和循环系统等附属设备放置在移动平台上，可以实现钻机主机与辅助设备的一体化整体移位，整套钻机换井位时无须拆装，大大提高了平移效率。

3.2 驱动类型

国内目前使用的工厂化作业钻机主要是机械驱动或电驱动ZJ40、ZJ50钻机，且以电动钻机居多，个别区块还开展了网电代油和页岩气自发电试验，在降低钻井成本、减少油料消耗、节能减排和降低噪声污染方面取得了良好效果。

3.3 自动化设备配套

目前我国虽然已经实现了铁钻工、动力猫道、自动卡瓦及钻井远程监控系统等钻机自动化装备的国产化和系列化，自动井架工也已进入工业试验阶段，但是由于国内钻机自动化技术装备整体水平落后于国外，除个别成套定制钻机外，我国工厂化作业钻机自动化装备的整体配套水平和国外还存在较大差距。

4 国内应用情况 4.1 应用效果

近年来在北美各大页岩油气和致密油气产区，采用工厂化钻井模式完成井的占比快速增长，现已超过70%，个别产区达到了90%以上^[17]，大量改造钻机和成套定制钻机投入了使用。我国已在苏里格、长宁-威远、涪陵、吉木萨尔、长庆油田、大庆油田及胜利油田等多个陆上页岩气或致密油气区块开展了工厂化钻井先导试验或推广应用，累计完成了70多井组300多口井。为了满足工厂化钻井作业对钻机的性能要求和充分发挥工厂化钻井作业的技术优势，国内主要通过对常规陆地钻机的改造配套和少量的成套定制钻机，初步满足了工厂化钻井作业现场施工需要。以中石油正在长7和长宁等4个示范区开展的工厂化作业先导试验为例，从前期完成的18井组67口井的工厂化钻井施工来看，通过工厂化作业钻机的应用，不但平均单井钻井周期大幅缩短(见图 3)，而且与常规钻机搬安方式相比，井间平均搬安时间缩短60%以上，单个平台节约搬迁费用(2~8) 万，同时大幅减轻了搬安工作量和工人劳动强度。

4.2 存在的主要问题及发展方向

(1) 国内成套定制的工厂化作业钻机数量和应用均较少，由常规陆地钻机改造而成的工厂化作业钻机应用广泛，但存在结构庞大、模块数量多和占地面积大等缺点。与北美地区相比，我国工厂化作业工区具有地形地貌复杂、道路运输条件差、平台面积小以及平台内井数较少(一般在6口井以下)等特点，因此应加快开发和使用结构尺寸小、模块化程度较高的成套定制工厂化作业钻机。

(2) 改造而成的工厂化作业钻机不但自动化装备配置率低，而且定制钻机的自动化程度和国外相比也有较大差距。因此在现有装备基础上，进一步提升平移装置性能和钻机自动化、信息化水平，是今后提高工厂化作业钻机作业效率和安全性、减轻人员劳动强度的关键手段。

(3) 没有形成相关的设备改造、连接和配套技术规范，无法完全满足经济安全的工厂化作业要求。因此，应抓紧制定相关的技术规范或标准，以指导现场装备配套和使用。

5 结束语

工厂化作业钻机作为工厂化钻井的关键装备，是充分发挥其技术优势的保障。由常规陆地钻机改造而成的工厂化作业钻机在我国“井工厂”作业模式中得到了广泛应用，基本满足了工厂化作业的技术要求，但在高效移动、自动化水平和经济安全性等方面与国外还存在较大差距。针对目前存在的问题，建议综合考虑我国非常规油气资源井场条件、地形地貌和现有装备基础等因素，加快开发结构尺寸小、模块化和自动化程度均较高的成套定制工厂化作业钻机，并抓紧制定相关技术规范，以满足今后我国非常规油气资源工厂化开发作业的需求。