當前，我國油氣對外依存度已達71%和41%以上。習近平總書記明確要求“加大油氣資源勘探開發和增儲上產力度”“能源的飯碗必須端在自己手里”。石油鉆完井裝備服務于勘探開發和鉆完井工程需求，結合油氣資源分布、勘探開發現狀及工程技術發展，裝備面臨四大形勢與需求：一是基于深層（深海）的勘探開發，深井超深井（9000米以深）越來越多；二是基于非常規資源的大規模勘探開發，長水平段水平井會大量增多；三是基于大量“躺井”的利用，開窗側鉆井會越來越多；四是基于人力資源的短缺和信息化的快速發展，裝備的“四化”會越來越快。
深井超深井勘探開發增多
在常規總油氣資源量中，深層石油、天然氣占公司常規總油氣資源量的比例較大，石油深層超深層資源量137.2億噸，占比26%；天然氣深層超深層資源量26.5萬億立方米，占比70%。近十年，全球油氣重大發現70%來自深水，預計未來10-20年，全球油氣產量一半來自海上，其中深水占35%。海上油氣已成戰略接替區，且井深持續突破極限。按經典干酪根生烴模式，油氣主要分布在1500~3000米，但當前實驗室模擬顯示，原油耐受溫度已突破150℃達230℃，對應井深至少1萬米。
以塔科1井為例，其井身結構復雜，需多開次封固不同地層，面臨多重風險。深井裝備面臨嚴峻挑戰：深井超深井存在高溫（如天灣1井地層壓力171MPa）、高壓、窄密度窗口（易漏易噴）、高陡地層（易斜）、地層堅硬（鉆速慢）、定向難、拉力扭矩大、循環壓耗高、感知難等問題，對井下工具、井控裝備、垂直鉆井工具、鉆頭、導向鉆具、鉆機、泥漿泵及數字化智能化裝備均提出極高要求。如深地川科1井面臨“七超”挑戰，井深10,520米，存在超大尺寸井眼、超重負荷、超高壓、超高溫、超難鉆地層、超難鉆井液保障、超多壓力系數及漏溢轉換風險點等世界級難題。
非常規開發增加水平井數量
未來新增油氣探明儲量中，低品位資源占比達95%。石油低滲-致密儲量從“十五”的68%增長到“十三五”的92%，預計未來十年占比超95%；天然氣低滲-非常規儲量從“十五”的72%增長到“十三五”的95%，未來十年占比也將超95%。在探明低品位儲量中，非常規資源量占80%以上，將是今后勘探開發重點，非常規井數會大幅增加。根據中國石油頁巖油氣產量規劃，頁巖油、頁巖氣產量在“十二五”到“十五五”期間將持續增長。致密砂巖和頁巖孔隙直徑遠小于常規砂巖，曾被視為“油氣禁區”，常規鉆完井技術無自然工業產量。實踐證明，“長水平段水平井+大規模體積壓裂”技術效果顯著，一口長水平段水平井產量相當于數十口直井產量，該技術已推動美國頁巖油氣革命，未來我國長水平段水平井數量將大幅增加。
鉆機技術裝備的發展
當前鉆機新度系數低，大鉆機數量不足，電動化、自動化、數字化、智能化程度低，對深井超深井適應性不強、可靠性不高、能耗較高、效率不佳。從鉆機類型分布看，車裝、機械、液壓、電動鉆機數量結構有待優化，不同型號鉆機匹配度也需改善。整體趨勢為控制總量、調整結構，壓減小鉆機、增加大鉆機是發展趨勢。基于用電便利性及電動化優勢，未來鉆機將普遍采用電力驅動，加快向電動化、自動化、數字化、智能化發展。
具體方面如下：要升級鉆機性能，配備電氣化，以電機加變頻器為主的變頻技術可滿足各類鉆井工況，轉盤、絞車、泥漿泵將采用交流變頻電機直接驅動，液控、氣控逐步向電控轉變，井場控制系統集成度、數字化及智能化程度不斷提高。安全環保性能要提升，大鉆機司鉆房配備雙控制臺，正副司鉆分工協作；司鉆控制臺可監控和操作井場大部分設備（動力、提升、旋轉、循環、固控、井控、井口自動化等），能根據工況優化設備使用，實現優快鉆進、節能減排。管柱處理要自動化與智能化，鉆機可邊鉆進邊接卸鉆具、配立柱，提升工作效率；二層平臺和鉆臺將實現無人操作，鉆具起下鉆過程中可智能探傷。
具體而言，二層臺配備機械手自動排管，鉆臺配備智能鐵鉆工、智能卡瓦、智能吊卡和智能扶手實現無內外鉗工操作，場地配備自動貓道、多功能機具完成管具處理，避免“人拉肩扛”。操作可視化與數智化，實現智能鉆井，通過智能化鉆井軟件與機器人技術結合，使鉆機與井下工具一體化運作；絞車可自動識別、剎車、送鉆，鉆機能在無人干預下自動鉆進、循環、起下鉆；借助司鉆導航儀，結合井下情況和遠程指令進行綜合決策，及時處理異常情況。
同時，泥漿循環系統配套智能設備，自動檢測泥漿參數和溢漏情況，調整鉆井液性能，保持井筒穩定和壓力平衡；智能控壓系統與泥漿循環系統協同，通過調整排量、泥漿密度和井口回壓，使井底液柱壓力與地層壓力自動適應，減少井涌、井漏、卡鉆、井塌等問題。
頂驅、精細控壓鉆井和井口自動化裝備成為深井超深井鉆機標配，除專用設備外，其他設備與鉆機配套裝備共用。為適應工廠化鉆井，鉆機運移性將提升，配套設施更易拆裝，井架與底座、井控系統、泥漿循環系統、井場鉆具系統在輕量化、撬裝化、可移動性和軟連接方面持續改進。
研發特深井井架，隨著井口自動化成熟，針對井深超萬米、鉆機負荷增大的情況，需研發特深井重載鉆機井架，考慮采用雙立柱結構，取消天車、游車、絞車、大鉤、鋼絲繩，采用雙根作業模式，鉆具在地面連接成雙根，通過管柱機械臂、貓道、鐵鉆工和頂驅自動化運移、接卸，且絕大部分設備采用交流變頻驅動。海洋鉆完井裝備要繼續攻關突破。國內陸上裝備可自主生產，但海上國產鉆完井高端裝備配套率低，存在“卡脖子”問題。水下裝備方面，國外140MPa水下井口系統性能先進，可靈活調節匹配復雜套管組合，密封總成能在高溫高壓下懸掛鎖定大載荷；水下采油設備方面，國外企業技術實力強，產品類型多、應用廣泛。未來需從維修入手，逐步推進制造、配套和成套，重點攻關深水導管送入工具、深水鉆井隔水管、水下井口裝置、水下BOP、水下采油樹等高端產品，形成新質生產力和戰略新興產業。
持續攻關壓裂技術裝備
美國壓裂車組輸出水馬力高于國內，如北美頁巖油2500型壓裂車輸出水馬力1800HHP，6000/7000型電驅輸出水馬力3800HHP，而國內吉木薩爾2500型壓裂車輸出1710HHP、6000/7000型電驅輸出2560HHP；且美國閥體等主要易損件壽命是國內的7~10倍，北美頁巖油液力端平均壽命1200小時、維保周期100小時，國內大慶古龍頁巖油液力端平均壽命500小時、維保周期20小時。壓裂效率方面也要實現突破。美國壓裂施工效率高，以二疊紀盆地為例，單機組年均泵注液量375萬方，是大慶古龍最高（114萬方）的3.3倍，單機組年泵注時間4500小時，是大慶古龍最高（1500小時）的3倍，單機組日均泵注時間18小時，是吉木薩爾最高（10小時）的1.8倍。
同步壓裂也有技術差距。美國為提高效率、效果，降低成本，同步壓裂快速發展，占比超20%，每天壓裂約18小時，哈里伯頓、EWS等公司轉向雙井或三井同步壓裂模式，4口井一個作業周期可完成8段壓裂；國內同步壓裂應用較少，仍以拉鏈式壓裂為主（4口井一個作業周期完成4段壓裂）。要重視AI融合。美國AI在智能感知、智能優化算法、裝備智能管控平臺應用領先，采用人工智能擬合和GPU超算技術提升計算速度和準確度，用于預測地質參數、優化壓裂參數設計、實時診斷與調控；壓裂實現“快、準、省”，地面裝備自動化程度高實現提速，采用分布式光纖、微地震、壓力診斷等監測技術實現精準壓裂，構建智能中樞調控系統。
正視旋轉導向的差距并持續研發
我國水平井鉆井80%采用滑動導向，其鉆具組合為“鉆頭+單彎螺桿+穩定器+無磁(M/LWD)+鉆鋌+加重鉆桿+鉆桿”。定向或調整井眼軌跡時需固定工具面，導向過程中僅鉆頭及上方短接頭轉動，其余鉆具不轉動，鉆壓通過鉆具沿井壁滑動產生，導致摩阻扭矩大、鉆進托壓、反扭角、鉆遇率低、井眼質量差、工藝復雜、鉆速慢、周期長、成本高。雖采取措施緩解，但未解決根本問題。國內外水平井鉆井差距大。
美國80%水平井使用旋轉導向，2023年鉆井10,203口，水平井占比98%，平均水平段長3,056米，近十年水平段長度年均增加114米，部分井水平段超6,000米，鉆井周期短、單井產量高。如馬塞勒斯區塊的DAHNTAHN4H井，水平段長6,205.7米，鉆井周期僅6天，單井最高月產量1,634.6萬方。而我國水平井平均水平段長度約1,800米，鉆速慢，主要因旋轉導向研發應用不足，導致裝備短缺、服務成本高。技術存在代差。
國外智能導向技術已發展到第三代，如貝克休斯Lucida系統、斯倫貝謝NeoSteerCLx系統、哈里伯頓iCruise系統，具備高溫、高造斜率、多參數、智能化、閉環鉆井等特點；我國2023年時基本處于第一代，以靜態推靠式為主，如中海油Welleader®、中石化SINOMACSATS、川慶鉆探CGSTEER等，僅少數企業產品投入應用，部分仍處于研發或樣機試驗階段。正視核心技術與性能差距。國外在井下閉環控制、地面系統噪音處理、隨鉆測量數據處理等基礎理論研究更深入；工具尺寸、溫度系列化，可滿足4"~171/2"不同井眼及更高耐溫需求；工具可靠性、穩定性顯著高于國內；隨鉆測量參數多，環視半徑和前探距離達30米以上，正向隨鉆測量和隨鉆地層評價發展，國內工具隨鉆測量參數較少；國外導向機構方式多樣，國內僅有推靠式；國外數據傳輸速率達30bt以上，國內僅3bt左右；國外工具智能化程度高，國內剛起步。
攻關旋轉導向技術裝備的方向
攻關優選偏置方式：國外旋導執行機構有液壓系統推靠井壁、分時接觸（拍打）井壁、偏心環組合控制導向軸、最新一代導向鉆頭（NeoSteerCLxABSS）四種方式，需對比研究優選，指向式相比推靠式優勢更顯著，應重點關注。攻關優選測量控制方式：測控平臺分靜態（測控機構支撐井壁不旋轉，測量控制穩定，控制運算簡單，多數公司采用）和動態（測控機構與鉆柱同速率反方向轉動，與大地相對靜止，控制需精確同步，難度大，斯倫貝謝采用），需結合實際需求攻關優選。攻關全姿態穩定控制平臺方法：該平臺可實現旋轉狀態下姿態測量，隨鉆柱同步旋轉，優化反方向轉動機構，減少動力消耗，連續測量井斜，節約鉆井時間。需開展捷聯式測量平臺多源動態姿態測量方法和全姿態穩定控制平臺導向控制方法研究，研制基于該平臺的旋轉導向系統。
攻關隨鉆測量和測井系列：在LWD基礎上，攻關伽馬、電阻率、孔隙度、中子、密度、聲波等測量短節，實現部分信息實時上傳滿足隨鉆導向，部分信息井下存儲起鉆后回放滿足完井評價，替代有污染、不安全、費時間的完井電纜測井項目。重點攻關隨鉆電阻率電磁波測井，使鉆頭具備環視（周邊30米以上）和前視（前方30米以遠）功能，改變盲鉆現狀；加強鉆頭工況（鉆壓、轉速、扭矩、震動）和環空參數（溫度、壓力、氣體組分）測量，精準掌握井下狀態。攻關雙向通訊傳輸技術：隨鉆工程測量、伽瑪、電阻率、巖石密度、中子孔隙度、聲速、隨鉆地層壓力測試等對傳輸速率需求不同，合計需3.17Mbps。需攻克連續波、鉆桿、光纖等傳播方式，滿足旋轉地質導向信息上傳速率需求。攻關井下動力源驅動方式：當前井下動力源驅動方式包括井下發電機驅動、蓄電池驅動、高壓鉆井液驅動（鉆柱內外壓差）、復合驅動及其他方式，需結合旋轉導向工具需求，攻關高效、穩定、長壽命的動力源驅動技術。攻關滿足工程地質需求的軟件：實現井下閉環、地面監控、遠程支持，“三環”高速暢聯、端邊云協同、智能決策，需多專業協作，研發完善鉆速快、鉆遇率高、高產穩產的智能旋轉地質導向軟件。（本文根據中國石油科協副主席、中國石油原石油工程公司首席專家秦永和在第三屆中國深井超深井論壇發言內容整理。）
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