钻井新技术及发展方向分析

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1 钻井技术新进展

1.1石油钻机

钻机是实现钻井目的最直接的装备,也直接关系到钻井技术进步。近年来,国外石油钻机能力不断增强,自动化配套进一步完善,使钻机具备更健康、安全、环保的功能,并朝着不断满足石油工程需要的方向发展。主要进展有:

(1) 采用模块化结构设计,套装式井架,减少钻机的占地面积,提高钻机移运性能,降低搬家安装费用。

(2) 高性能的“机、电、液”一体化技术促进石油钻机的功能进一步完善。

(3) 采用套管和钻杆自动传送、自动排放、铁钻工和自动送钻等自动化工具,提高钻机的智能化水平,为提高劳动生产率创造条件。

1.2随钻测量技术

1.2.1随钻测量与随钻测井技术

21 世纪以来, 随钻测量(MWD) 和随钻测井(LWD) 技术处于强势发展之中,系列不断完善,其测量参数已逐步增加到近20种钻井工程和地层参数,仪器距离钻头越来越近。与前几年的技术相比,目前,近钻头传感器离钻头只有0.5～2 m 的距离,可靠性高,稳定性强,可更好地评价油、气、水层,实时提供决策信息,有助于避免井下复杂情况的发生,引导井眼沿着最佳轨迹穿过油气层。由于该技术的市场价值大,世界范围内有几十家公司参与市场竞争,其中斯伦贝谢、哈里伯顿和贝克休斯3 家公司处于领先地位。

1.2.2电磁波传输式随钻测量技术

为适应气体钻井、泡沫钻井和控压钻井等新技术快速发展的需要,电磁波传输MWD(elect romagnetic MWD tool s ,EM MWD) 技术研究与应用已有很大进展,测量深度已经达到41420 km。

1.2.3随钻井底环空压力测量技术

为适应欠平衡钻井监测井筒与储层之间负压差的需要,哈里伯顿、斯伦贝谢和威德福等公司研制出了随钻井底环空压力测量仪（annular pressure measurement while drilling，APWD) ,在钻井过程中可以实时测量井底环空压力,通过MWD 或EMMWD 实时将数据传送到地面,指导欠平衡钻井作业。

1.2.4 随钻陀螺测试技术

美国科学钻井公司将航天精确陀螺定向仪封装在MWD 仪器中研制出随钻陀螺测试仪( gyro measurement-while-drilling ,gMWD) ,截至2007 年底,gMWD

已经在美国的多分支井中成功应用数百口井,特别是在需要精确定向或对接井中起到了关键作用。

1.2.5 井下随钻诊断系统

美国研究人员开发出了井下随钻诊系统(diagnostics-whiledrilling，DWD)包括井下温度、压力、钻头钻压、钻头扭矩、井斜方位和地层参数等各种参数测量仪器,高速实时数据传输系统及其相关的仪器,地面数据校验和分析软件。该系统可将井下地层和钻井状况与地面数据实时联系起来,优化钻井参数和井眼轨迹,指导钻井作业,减少井下复杂情况的发生,提高速度,获取最大钻井效果。

1.2.6 随钻核磁共振成像测井技术

哈里伯顿Sperry-Sun公司和Numar公司联合研制出了随钻核磁共振成像测井仪器(nuclear magnetic resonance MWD tool ,NMR2MWD) ,其原理是将核磁共振成像测井仪与MWD 仪串接,在钻时测量。

1.2.7 随钻地层测试技术

随钻地层测试(formation testingwhile drill2ing ,FTWD) 技术是在钻井过程中对储层实施实时测量的一种新技术,其最大好处是节省钻机时间,特别适合海上钻井平台,可降低费用。该技术由斯伦贝谢公司首创,于2005 年1 月开始商业化服务,至2008 年底,已使用300 余井次,效果良好。目前已有几家公司投入研发和商业化应用。

1.2.8 随钻地震技术

随钻地震(seismic while drilling,SWD) 技术是将地震检波器置于井下钻具上,在钻井过程中对地层实施地震波测量并实时传输到地面的一种新技术,可用于实时构造解释、地层评价、地质导向和井眼故障分析等,并可精确确定取心层位和套管应该封隔的地层位置,提高勘探效果,降低成本。斯伦贝谢公司用了15 a 时间于2003 年研制成功,可用井眼尺寸为21519～66014mm。

1.3 复杂结构井钻井技术

水平井、多分支井和鱼骨井由于可提高油气藏暴露面积,有利于提高油气井产量和采收率、降低 “吨油”开采成本而得到推广应用。

1.3.1 水平井

水平井从20世纪80年代大规模工业化应用以来,全世界已完成50000 多口水平井。2008 年美国钻了7194 口水平井,占年钻井总数的12 %；加拿大2008 年钻水平井数量占年钻井数的18 %。美国水平井最大水平段长61118 km ,最大垂深61062 km ,最大单井进尺10.172km ,实现了厚度0.5 m以下薄油层有效动用,水平井油层钻遇率和地质效果得到极大地提高。根据美国《油气》杂志统计,53 %的水平井用于裂缝性油藏的开发,33 %用于底水或气顶油藏的开发。美国水平井钻井成本已降至直井的1.5～2 倍(最低达到1.2 倍) ,水平井的产量是直井的3～8 倍。

1.3.2 多分支井、鱼骨井和MRC 技术

多分支井技术已成熟配套,实现了系列化和标准化，可满足各类油藏的开发需要,在降低开发成本、提高采收率等方面见到了很好的效果。国际上按完井技术满足“连接性、分隔性、贯通性”的程度，以及结构由简单到复杂，将分支井完井系统分为6级。实现了分支井窗口的有效密封和自由可重入，密封完井方式正在逐步增加。据美国HIS 能源集团统计，截至2007 年，全世界共钻多分支井6 895口，其中美国4128 口，加拿大2076 口。

鱼骨井属于多分支井的范畴，已经成为高效开发油气藏的理想井型之一，并在美国煤层气开采中成功应用。在鱼骨井的基础上提出了最大储层接触(maximum reservoir contact，MRC) 钻井技术，MRC 井是指一口井在储层中的累积长度(单井筒或多分支井筒) 超过5 km 的井。目前已经完成100多口MRC 井，其中进尺最长的是位于沙特阿拉伯Shaybah 油田的shyb2220 井，8 个分支井筒储层段累积进尺达到12.3 km，投产后日产原油1907.7m3。目前世界上多家公司正在探索该技术在低渗透气藏开发中的应用。

1.3.3 大位移井技术

大位移井是定向井、水平井技术的延伸，主要应用于海上油田的开发和海油陆采。国外已成功地钻成数百口大位移井，其中英国Wytch Farm 油田的M16 井的水平位移达10.728 4 km，水平垂深比达6.55。最近，BP 公司把大位移井和多分支井有机结合在一起；埃克森美孚公司定量研究了大位移井眼轨迹方向与井壁稳定性；;斯伦贝谢公司提出大位移定向难度指数法理论，哈里伯顿公司用膨胀管技术封隔复杂地层,确保钻达大位移井的靶位。大位移井的水平位移和“水垂比”越来越大，钻井风险减小，钻井成功率大幅度提高。

1.4 特殊工艺钻井技术

1.4.1 欠平衡和气体钻井技术

各种循环介质的欠平衡和气体钻井技术已在世界范围内得到了广泛应用，并将欠平衡、气体钻井与水平井和套管钻井等技术结合起来，取得显著效果。欠平衡钻井装备已逐步完善配套了包括旋转防喷器、制氮设备、可循环泡沫、可循环气体、套管控制阀和不压井起下钻作业装置等，形成了一套适合欠平衡和气体钻井地层筛选与评价技术。据最新资料统计，2007 年美国欠平衡和气体钻井数约占当年总井数的28 % ，美国75 %的井在钻井过程中都安装了旋转控制头，90 %的煤层气井采用空气钻井。欠平衡和气体钻井已用于探井、开发井、水平井和特殊工艺井等，有效发挥了发现和保护油气层、减少工程复杂程度和提高钻井速度的作用。

1.4.2 套管钻井技术

除表层套管和技术套管钻井外，国外又发展了尾管钻井技术，如贝克休斯公司的EZCase 套管/衬管钻井系统，它通过钻杆丢手工具连接尾管悬挂器，用尾管部分代替钻柱进行钻进，钻达设计井深后不起钻直接将尾管与钻杆脱开留在井内完井。还发展了套管钻井的取心作业、钢丝绳换钻头和套管欠平衡钻井等技术。目前，套管钻井工艺可用于直井、定向井、水平井和开窗侧钻井中。Tesco 公司套管钻井节约钻井时间30 %以上。

1.4.3 控制压力钻井技术

美国研究人员于20 世纪90 年代起开始研发控制压力钻井技术，主要用于解决裂缝性、岩溶性碳酸盐岩等地层钻井过程中的恶性井漏及当量循环密度( ECD) 引发的钻井问题，如在大位移井中ECD 过高引发的井漏和窄密度安全窗口问题等。2007 年，美国陆上有四分之一的井是利用密闭循环系统进行欠平衡钻井，其中又有四分之一的井是采用控制压力钻井理念进行钻井的。最近威德福公司研制出降低当量循环密度工具，斯伦贝谢公司发展了随钻测量地层压力的Stetho Scope 技术，这些技术的发展为控制压力钻井技术注入了新的活力。

1.5 深井超深井钻井技术

深井超深井钻井技术是勘探开发深部油气资源必不可少的关键技术，也是衡量一个国家或公司钻井技术水平的重要标志之一。近年来，,国外对深井钻井技术研究的投入力度很大，技术发展迅速；先后发展并逐步完善了垂直钻井、无风险钻井、气体钻井、高效钻头、膨胀管和波纹管等高新技术，有效地解决了深井超深井易斜地层的快速钻进、复杂地层的漏失、窄密窗口安全钻进和深层高研磨性地层提速等技术难题；大量采用非常规井身结构,拓展套管层次，,应对钻井风险；深井钻井效率和探井发现率得到大幅度提高。美国2007 年完成415 km 以上的深井1485口，2008年达到1610口，6km 左右的深井平均钻井周期90d 左右，平均单井耗用钻头19只。

1.6 自动化钻井技术

自动化钻井技术是21 世纪钻井技术的重要发展方向，包括井下自动化和地面钻机自动化两大部分。

1.6.1旋转导向与地质导向技术

导向钻井已从初级导向钻井、地面人工控制的导向钻井逐渐发展到目前的全自动井下闭环旋转导向钻井，也正是这一技术的发展,提高了复杂结构井、薄储层等钻井速度、质量和成功率。2008 年美国导向钻井使用量占到定向井总进尺的40 %。

(1) 斯伦贝谢公司于2002 年推出了第二代导向工具( Power Drive Xtra)，该工具采用偏置钻头的导向方式。2005 年又推出新一代近钻头随钻地质导向PeriScope15工具，能连续探测距钻头前方5m处流体界面和地层的变化，具有360°测量和成像能力。经美国康菲石油公司现场应用统计，PeriScope15在薄储层钻遇率由常规MWD/ LWD 技术的50%～60% 提高到93% ，产量比预期值提高60%。

(2) 哈里伯顿公司于2000 年2月研制出第二代旋转导向系统( Geo-Pilot )，该系统采用偏置钻柱、不旋转外筒式导向方式，同年10 月份开始商业化应用，实现了井眼轨迹控制精确、水平井扭矩摩阻降低、井下复杂和卡钻事故等减少的目的。

(3) 贝克休斯公司于2002 年推出第三代Auto-Trak 导向系统，该技术把闭环导向技术与螺杆钻具结合在一起，增加了旋转导向马达的钻井能力，速度、可靠性和精度更好。该系统可精确地按设计钻出井眼轨迹，可以用连续旋转钻井的方式在油藏内自动精确导向钻达目标,实现了旋转闭环钻井。

1.6.2自动垂直钻井技术

自动垂直钻井( vertical drilling system，VDS)技术源于1988 年原联邦德国的大陆超深井科学钻探计划。近几年,随着旋转导向技术进步，为解决高陡构造、断层和盐层等复杂易斜地质条件下深井防斜打快的难题，自动垂直钻井技术得到快速发展。国外同类技术及产品已经相当成熟,并进入大规模商业化应用阶段。

(1) 贝克休斯公司的Verti-Trak 系统。该系统是采用井下倾角传感器和对付地层自然造斜趋势的膨胀式稳定器的闭环导向系统，其特点是钻井过程中工具可根据实钻井眼轨迹自动向钻头施加侧向力，用以克服地层的自然造斜力，在保持井眼垂直的同时,解放钻压以提高机械钻速。

(2) 斯伦贝谢公司的Power-V 系统。该系统是Power Drive 导向系统的低端产品，主要由电子测控件、机械和辅助装置等3 部分组成。根据井斜的变化Power-V系统自动调整促动仪器所发动的侧力以及侧力的方向使井斜快速返回垂直，在整个过程中系统100 %旋转，能够大幅度提高井身质量和钻井效率。

(3) 德国Smart Drilling公司的ZBE5000 系统。该系统可以选配井下马达，装配有特殊设计的支撑翼肋保证在硬或软地层中具有良好的导向性能，确保井眼垂直。

1.7 　井下管材技术

1.7. 1 膨胀管技术

膨胀管技术是近年发展起来的一项实用钻井新技术，分为实体膨胀管(SET)、膨胀割缝管( EST) 和膨胀防砂管( ESS) 3大类，主要用于油井修复、完井和建新井。最近，亿万奇公司成功地完成了膨胀管单一井径建井系统主要工具的试验，并研发两项新技术：一是用厚壁管作膨胀管，,这种管材的厚度增加了25%～50% ，其抗挤毁能力可增加30%～50%；二是弹性膨胀管技术，实现单井径钻井和建井。威德福公司把膨胀防砂网与层间封隔膨胀管用一段无缝管连接在一起形成一种联合系统，并研制出一种高柔曲性的旋转扩管系统。

1.7.2 连续管技术

连续管钻井为短半径、大位移、多侧向的水平钻井和欠平衡、小井眼钻井提供了安全、先进、有效的技术手段,用连续管钻定向井的费用是常规方法的25%～75%。美国已研制出高强度大直径(Φ89mm 和Φ127 mm) 连续管、小直径井下马达、高扭矩导向工具和多路传输接头等工具，注入头的最大拉力已经达到882.6 kN，实现了“机、电、液”一体化,自动化程度高，作业软件功能齐全，井下工具先进。连续管钻井深度已达3.5 km，过油管侧钻井深度已达到5km。截至2008 年底，全世界用连续管钻井已超过11000口，预计今后每年用连续管技术钻新井数量将达1000 口左右。

1.7.3 新型钻杆技术

2004年以来，美国石油钻杆制造和应用技术的发展具体表现在研制和制造出了具有很高强度、挠性和耐用性而且质量轻、耐腐蚀强的碳纤维钻杆和钛合金钻杆，可大容量、高速度传输井下数据的智能钻杆，以及隔热钻杆和高强度Φ149.2 mm钻杆等。另外，实时钻杆遥测技术和钻杆屈曲技术的研究也取得了巨大进展。

2 钻井技术发展趋势

2.1 钻井技术总体发展趋势

根据美国Welling & Company 公司统计预测:未来世界范围内3～5 a 钻井井型将更趋复杂,但仍以常规井为主，将占总井数的67%；水平井等复杂结构井(包括分支井、大位移井和老井重入侧钻水平井等) 将占25%；将有30 %的井要使用旋转导向技术(包括复杂结构井和直井防斜打快) ；连续管钻井完井、井底压力/ 温度测量仪的应用增长快，欠平衡钻井和气体钻井略有增加,主要在陆地上应用；智能完井维持在6 %的比例，主要在海上应用。

综观21 世纪，世界钻井技术发展总的趋势是向自动化、智能化和更加注重QHSE等方向发展，并以信息化、智能化为特点，将钻井、电测、信息采集和控制技术紧密结合，多技术集成一体化,最大限度地发现和保护油气藏、提高油气井产量和油气田采收率，提高速度，降低成本，提高勘探开发的综合效益。

2.2 　钻井单项技术发展趋势

未来高度需求重点发展的钻井技术有3个方面：一是降低每米钻井进尺费用技术；二是降低旋转导向费用技术；三是提高钻井速度技术。需求适度高的技术为智能完井和钻井最优化技术。需求适度的技术为旋转导向、LWD、顶驱下套管、钻直井眼的马达、钻台机械化、大位移井、膨胀套管/ 尾管、高温井、连续管钻井等技术。

(1) 随钻测量和导向钻井技术。发展近钻头测量技术，进一步提高仪器抗高温能力、可靠性和精度,并增加更多的地层参数测量； EM MWD 技术向延长深度方向继续发展，以满足气体欠平衡钻水平井的需要；随钻地层测试和随钻地震技术将扩大应用。旋转导向钻井仍将是未来油气工业最主要的钻井方法，并且不断向着信息化、智能化和自动化方向发展，最终将实现遥控钻井。当务之急是发展低成本的旋转导向系统和LWD 技术，以显示出其更强的价值定位，使钻井技术步入自动化钻井阶段。根据美国的统计，过去3a内，大约有25 %的电缆测井已被LWD 所取代，未来用MWD/ LWD 结合钻井液录井取代电缆测井将成为一种趋势。

(2) 膨胀管和连续管技术。膨胀管近两年的发展速度较快，膨胀管钻井已经试验成功，有望实现用一种套管尺寸钻成一口井。连续管技术方面，朝着发展更先进的超小型连续管钻机以及利用连续管进行足够深度钻井的配套机具发展。一是连续管直径增大(最大为Φ168.27 mm)，钛合金和复合材料应用增加，强度提高，注入头性能继续加强；二是研制电动连续管系统；三是采用连续管技术进行水平井气体钻井将成为油田增产、难动用储量开采和提高最终采收率的主导技术；四是连续管微小井眼钻井技术和超高压连续管喷射钻井技术作为崭新的油气开发技术，正处于强势发展的初期。

(3) 欠平衡和气体钻井技术。其趋势是与水平井、分支井、侧钻重入井、套管/ 尾管钻井和连续管钻井等技术配套使用，起到更好地发现和保护储层、增产增效的作用，解决井漏和钻井提速等工程问题，并朝着控压钻井方向发展。应对地层出水的反循环气体钻井技术已在研发中。据2007 年美国《油气》杂志统计，欠平衡技术与特殊工艺井结合使用的效果比单一技术提高产量2～10倍。未来欠平衡和气体钻井的使用量仍然会增加，预计陆上使用欠平衡钻井的比例将达到37% ，海上将达到12%。因此，欠平衡和气体钻井要提高设备配套，扩大技术培训工作和推广力度，发展选井技术。

(4) 复杂结构井。以信息化、智能化为特点，将进一步扩大井下闭环钻井技术在水平井、大位移井、多分支井、连续管钻井和精细控制压力钻井中应用，并完善配套这些技术，大量采用复杂结构井技术来大幅度提高油气采收率。

(5) 套管钻井。进一步改进回收工具，提高可靠性和井下钻具系统的起出成功率。研制可回收式套管钻井钻井液和气体马达,提高尾管钻井、钻深井或硬地层时的机械钻速,并试验成功膨胀管钻井。

( 6) 重入井技术。老井再钻技术是在已开采油气井中以重新加深、侧钻或钻多分支井等方式，开采地下剩余油气,提高油气采收率。美国2008 年完成2117 口老井侧钻井，占年钻井总数的3.5%。预计未来老井再钻/ 侧钻将成为一个庞大的新兴产业。

(7) 复杂深井超深井钻井技术。不断研发抗高温(204 ℃) 高压(140 MPa) 自动化钻井设备，完善无风险钻井、控压钻井、新型钻头和自动化钻井等新技术，显著提高复杂深探井、超深探井的勘探成功率和钻井速度。此外，美国能源部最近又致力于资助石油天然气钻井领域超前技术研究与推广项目计划，包括低成本旋转导向、激光钻井和射孔、大功率微小井眼钻井、负压脉冲钻井、先进的可导向空气冲击钻井和钻井液冲击钻井、超高压连续管钻井、高效头、新型无污染钻井液完井液和井下流体自动分析仪等新技术。

从世界近年来钻井技术发展趋势看，每一项钻井技术的重大进展都对应着某项高技术的引入。钻井主导技术的发展实质上是把钻井、录井、测井和信息技术集成于一体，最大限度地实现提高油气层的发现及单井产量、缩短钻井周期、降低“吨油成本”这个目标。可以预见,在钻井技术朝着经济性、高质量、高效率、自动化方向发展的道路上,最终必将走到这几个方面的结合和统一。