页岩油气钻完井主技术装备的发展取决于页岩油气勘探开发形势和工程技术需求。未来勘探开发形势表现为新增油气探明储量低品位资源占比达 95%，石油低渗 - 致密储量未来十年占比超 95%，天然气低渗 - 非常规储量预计未来十年占比超 95%。探明的低品位储量中，非常规资源量占 80% 以上，非常规井数将大幅增加。高效开发非常规资源必须采用长水平井加体积压裂技术，可以预见未来水平井数量将大幅度增加，水平井垂深、水平段长以及井深都会不断增加。
 
随着水平井的增加，给钻井、压裂等主要技术装备（钻机、旋转导向和压裂装备等）会带来了巨大挑战。战胜挑战、满足需求就是钻完井主要技术装备的发展方向和重点。与此同时，面对环境恶劣、条件复杂、劳动力紧张、用工成本上升的形势，超高压输变电和交流变频技术的成熟以及物联网、大数据、云计算和人工智能的快速发展，钻完井主要技术装备的电动化、自动化、数字化和智能化也必将加速。
 
钻机挑战与发展方向
 
当前我国钻机存在新度系数低，大钻机不足，电动化、自动化、数字化、智能化程度低，对深井超深井存在适应性不强、可靠性不高、能耗较高、效率不佳等问题。为此，笔者提出以下几点发展方向建议。
 
第一整体趋势是控制总量，调整结构，小钻机压减，大钻机增加。基于用电越来越方便和电动化的独特优势，今后钻机都会趋于用电，并加快向电动化、自动化、数字化、智能化发展；第二钻机性能将发生变化。装备电气化，鉴于以电机加变频器为主的变频技术已很好地满足了各种钻井工况的需要，转盘、绞车和泥浆泵都将用交流变频电机直接驱动。液控、气控逐步向电控转变。井场控制系统会更加集成，数字化、智能化程度越来越高；第三安全环保性能提升。大钻机司钻房内配两个控制台，正副司钻分工协作；司钻控制台可以监控和操作井场上的绝大部分设备（动力、提升、旋转、循环、固控、井控和井口自动化等装备），根据工况优化使用设备，实现优快钻进、节能减排。
 
第四管柱处理自动化，智能化。钻机可以一边钻进，一边接卸钻具、配立柱，从而提高钻井工作效率。二层平台和钻台，这两个历史上最费人力、最危险、最低效的地方将很快实现无人操作。二层台配备机械手，自动排管，无人操作。钻台配有智能铁钻工、智能卡瓦、智能吊卡和智能扶手，实现无内外钳工操作；第五操作可视、数字化、智能化程度越来越高。场地配有自动猫道、多功能机具，更多的管具处理工作量都在场地完成，不再有“人拉肩扛”现象。实现智能钻井，通过一套智能化钻井软件与机器人技术相结合，钻机与井下工具一体化运作；绞车自动识别，自动刹车，自动送钻；钻机能够在无人干预下自动钻进、循环、起下钻；通过司钻导航仪，依靠井下情况和二线远程指令进行综合决策，及时操控干预异常情况。泥浆循环系统配套智能负压振动筛、调速离心机、智能除气器，可以自动检测泥浆参数和溢漏情况，并根据工程需要自动配液、加重减重、调整流变参数，使井筒保持稳定和压力平衡。智能控压系统快速感知预警，它与泥浆循环系统协同运行，井底液柱压力通过调整排量、泥浆密度和井口回压，与地层压力自动适应，大量减少井涌、井漏以及携岩不佳引起的卡钻、井塌。
 
第六配套更加智能、经济、适用。顶驱、精细控压钻井和井口自动化装备成为深井超深井钻机标配，除去专用设备外，其他设备与钻机配套装备共用。适应工厂化钻井需要，钻机的运移性更好，配套设施更容易拆装，井架与底座、井控系统、泥浆循环系统、井场钻具系统在轻量化、撬装化、可移动性和软连接等方面将有更大改进。
 
旋转导向挑战
 
我国水平井钻井80%用滑动导向。滑动导向工艺比较原始、落后。滑动导向钻具组合采用钻头+单弯螺杆+稳定器+无磁(M/LWD)+钻铤+加重钻杆+钻杆模式。
 
与滑动导向相比，旋转导向具有显著优势：不存在加不上钻压的问题，工艺简化，允许强化钻进，钻速高，周期短，综合效益好；轨迹控制精确，三维绕障能力强，更适合井工厂钻井防碰，有利于安全高效钻进；井眼净化好，摩阻扭矩小，井下事故复杂少，水平段钻得更长；配套近钻头地质参数测量，能及早应对储层变化，储层钻遇率更高，有利于提产；井眼光滑，完井、压裂顺利，有利于增产。
 
美国80%使用旋转导向，平均水平段长度3000m以上，施工周期短。旋导作为主体技术，已助力美国实现了页岩油气革命，而且革命一直在继续。单井速度、质量、日产量和EUR还在不断提升。以美国2023年数据为例，钻井10203口，水平井占比98%，平均水平段长3056m，而我国水平井水平段长度是1800m左右。近十年，来美国页岩油气水平井水平段长度每年增加114米，目前还处在增加的趋势。
 
在北美非常规油藏中，斯伦贝谢新一代旋转导向NeoSteer ABSS已经应用250余次，共钻进了80万米。其中，钻进速度最快的井，29小时纯钻时间，一趟钻完成垂直段、弯曲段与水平段，总进尺4,610m，机械钻速160m/h。NeoSteer CLx ABSS旋转导向在美国东部马塞勒斯页岩实现直井段、弯曲段和水平段一趟钻进尺4212m，狗腿度较小，同时在整个钻井过程中，机速保持在46m/h以上。和美国相比，我们仅有20%使用旋转导向，速度慢，水平段长度只有1800m。究其原因就是没有大力研发应用旋转，使国内装备短缺，服务成本很高。 只有大力研发应用旋导，才能把井打得更快、更深、水平段更长、油气层钻遇率更高。
 
旋转导向发展方向
 
实现井下智能闭环钻井。转导向系统发展的目标是形成钻井智能闭环——两个环，井下智能控制闭环，按照给定的轨道钻进，或按照地质导向钻进；井下与地面双向高速传输闭环，地面指令改变井下钻井模式。
 
实现地面远程智能决策与控制。远程智能钻井决策控制系统包括数据采集传输、信息处理、工程设计、实时监控、施工作业与决策分析功能，具有实时、稳定、可靠、自学习优点；利用数据库、大数据分析、分布式计算和协同决策等技术对钻井过程进行仿真模拟;利用人工智能技术进行钻井参数优化、井身结构设计、故障智能诊断、风险识别与预测;基于智能决策系统，做出实时分析决策，对多井钻井作业实现远程实时智能控制。
 
实现“航地”——“井下自动驾驶”，形成集精准制导、深远探测、闭环调控、智能决策于一体的钻井新技术，大幅提升储层发现率和钻遇率。
 
实现”超级一趟钻”技术质的飞跃，大幅增加钻头进尺和速度，大幅降低工程成本和风险，大幅提高低品位油气开发效益。所谓的“超级一趟钻”，就是“一串金刚钻”，一趟钻打完一个开次的所有进尺。根据地层和井型，除了采用高性能、长寿命的LWD和旋转导向工具以外，将更多采用高切削、耐研磨、自适应的专打PDC钻头；大扭矩、耐高温、长寿命的井下马达；大水眼、低压耗、高抗扭、防疲劳钻杆；可靠性强、切实管用的井下震击器和各种减摩降阻工具。
 
压裂技术装备挑战
 
我们资源品位低、储层薄、储层横向展布不均匀，但是压裂装备不配套、效率低、参数不合理、密切割不到位、智能化程度低、效果差等问题比较突出。美国在以下方面明显好于我们，
压裂车组性能要优于国内，输出水马力高于国内，阀体等主要易损件的寿命是国内的7-10倍，且压裂效率高，美国二叠纪盆地压裂施工效率，无论从压裂日效率、年作业效率都明显高。为了提高效率，提高效果，降低成本，拉链式压裂逐步转向同步压裂，同步压裂占比已超过20%，每天压裂18小时左右。Halliburton、EWS等公司纷纷转向双井或三井同步压裂模式。
 
AI在智能感知、智能优化算法、装备智能管控平台等方面明显先于国内；AI技术采用人工智能拟合和GPU超算技术，提升了计算速度和准确度；用于预测地质参数，提高储层评估的准确性；优化压裂参数设计，实时诊断与调控，提高施工效率和压裂效果。
 
压得快，地面装备、设备自动化程度高，实现压裂提速；生产时效同比大幅提升；压得准，采用分布式光纤、微地震、压力诊断等核心监测技术，实现油藏与井筒可视化、实时监测、评价与在线压裂参数调控，实现精准压裂；明显提升可采储量，单井初期产量；压得省，构建智能中枢调控压裂施工系统，实现由多人到少人的转变，例如SM能源公司在Eagleford单井降低60万美元。
 
向电动压裂方向发展
 
根据北美和国内实践，采用交流变频电动压裂装备不仅安全环保，能耗低，噪音小，不扰民，效率和效益大幅提升，而且能实现无极调速，运行平稳，有利于实现自动化、数字化、智能化、无人化。今后会向电动压裂方向发展，电动压裂装备会越来越多。 当前，中国石油电动压裂装备不到20%，柴油压裂车占到80%，今后柴油动力的压裂装备将会越来越少。
 
电力设备设施。基于电驱的优势，压裂工作者，一方面会主动掌握和应用燃气发电技术、输变电技术、储能技术和交流变频技术；另一方面会创造条件，架设更多10-30KV线路，实施交流变频电动压裂。在压裂平台较多的大气区，还会利用燃气轮机、内燃机以及CNG/LNG 发电（35MW——2.5MW），1方气可发2.7度电，并架设微电网进行集中供电，降低成本。
成套压裂装备会设计紧凑，高度集成。减少占地面积和设备数量，提高压前转场安装速度，并有强大的连续作业能力。管汇安装，既要快捷、省时、省力又要安全。高低压管汇应集成化、模块化，压裂撬（车）和井口管线尽量减少连接点，采用软连接取代传统压裂弯头、直管等。
 
地面智能化（自动化）操作系统，应用推广自动供水、自动配液、自动供砂和自动控制装备；压裂主管汇、阀门及控制系统模块化；仪表监测、控制系统全面推广；应用高、低压阀门集中控制；监测装备对闸阀开关状态实时监测，流程安全高效切换，段间转换时间15分钟左右即可开始泵注。开发应用泵注优化系统软件，及时预警和防止砂堵事件，提高泵效。
 
建立智能化压裂系统，建立大数据库和远程技术智能支持中心。应用智能实时压裂监测与优化技术，实时监测压裂过程数据，对地层压裂效果进行评估，并实时优化、调整作业参数，实现裂缝均匀开启、延伸。最终，拿出压裂评价报告和下部设计修改意见。
 
数字化智能化装备
 
在5G、物联网、大数据、云计算时代，国内外石油企业、特别是三大油服公司都在强化智能化理念，加快数字化转型和智能化发展。2024年1月30日，斯伦贝谢和Equinor在巴西Peregrino C海上平台创下完全自主钻井记录，2600米井段中99%全自主控制，钻速提高60%，在智能化钻井方面迈出了一大步！我们长城钻探的长龙好也是如此。
 
AI赋能钻完井，使其具备感知、认知、推理等智能功能，能识别地质情况和油气藏位置，智能导向钻进，提高钻遇率和产量，智能决策生成方案，自动寻优参数，闭环调控风险，安全优质快速高效施工。
 
AI赋能钻完井工程，可以智能感知复杂环境，智能决策解决工程难题，机理知识与智能算法有效融合，优势互补、准确可解释，数据增强+迁移学习→面向钻完井小样本案例精准建模，对油气钻完井工程环节全生命周期动态映射，实时感知决策。
 
AI赋能钻完井工程 ，提高效率、减少人力，拓展认知上限，优快新业态，钻完井会完善一个以钻井队和压裂队现场为“井工厂”的信息共享支持系统。该系统依托现场物联网、边缘计算以及互联网、5G、大数据、云计算，持续改进，广泛应用于集团总部，各路专家协同工作，对一线生产现场形成强大的远程技术支持。
 
在该系统平台上，垂直钻井、定向井、固井、泥浆、控压钻井、井控、测井各路资深工程师，可以一同观看现场施工情况、发现潜在问题，制定预防方案，指导或部分亲自操作现场设备（井下仪器），优质高效地完成“井工程”，与此同时，各专业在井场的人员会越来越少。
 
向数字化、智能化发展
 
运用AI强大的数据分析能力和业务学习能力，可以解决钻完井工程设计、施工、决策、控制等方面难题，大幅提升钻完井效率、储层钻遇率和油气采收率。占领智能钻完井研究和应用高地是重中之重。
 
一是需要运用大数据、算法、模型知识，攻克数据治理、模型迁移、模型解释、机理–数据融合等难题；二是需要AI技术与钻完井工程的深度融合，研究智能算法和模型，形成智能决策体系；三是需要适应数字化智能化的技术装备做支撑。要用电动化、数字化、自动化、智能化武装现有装备，使其具有“看得见、摸得着，自我感知、自动寻优、提效避险“的感知功能。装备研发要适应数字化智能化发展要求，树立以勘探开发需求为目标、以钻完井工艺技术方法为引领、以工程技术装备为手段的”一体化“思想。就像旋转导向的研发一样，工程技术的想法促进了旋转导向的诞生，反过来旋转导向的研发提升了工程技术和勘探开发效率和效益。加快打造高端国之利器。
 
必须梳理技术与装备短板，明确战略方向和目标；必须组建跨专业跨企业跨领域的联合研发团队，而且要有工程技术人员参加；必须在长期政策支持下，进行战略研究；必须重视单元技术设备研发，突破各项“卡脖子”技术，不断促进技术装备迭代升级；必须注重产学研用联合。
 
页岩油气装备的数字化、智能化发展是全球能源产业升级的必然趋势。同时，全球智能钻采装备市场规模的快速增长、政策对智能化改造的强制要求，以及国内外企业在技术研发与产业布局上的持续投入，进一步印证了这一趋势的不可逆性，数字化、智能化已成为页岩油气装备提升核心竞争力、实现可持续发展的必由之路。