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几项国内外钻完井新技术 一、智能井技术一、智能井技术 .1 二、激光钻井技术二、激光钻井技术 .1 三、钻工对未来钻井的设想三、钻工对未来钻井的设想 .3 四、优化四维地震流体成像四、优化四维地震流体成像 .4 五、用智能井开采海上边际油田五、用智能井开采海上边际油田 .5 六、应用油藏性描述及六、应用油藏性描述及 3d 可视化技术促进海上油田的二次开发可视化技术促进海上油田的二次开发 6 七、高温高压深井钻井前沿专项技术研究七、高温高压深井钻井前沿专项技术研究 .7 几项国内外钻完井新技术 - 1 - 一、智能井技术一、智能井技术 智能井技术并不是新近才出现的。早在 1997 年第一次智能完井即采用了 scram 专利系统。它的特点是可以进行永久的监测，能够控制油藏内流体的流动。而 6 年之 后，供应商与专业服务公司就在世界范围内安装了超过 185 个智能井系统。一些论坛 分析认为，对智能井技术的投资已接近 10 亿美元。智能井技术要想在经济上可行，就 不能仅仅局限于试验基础上单方面的应用，而要在各种各样的油井中作为油田开发一 个重要而不可缺少的部分。可喜的是，虽然发展速度缓慢，但这一切正在得以实现。 智能井技术是油藏实时管理的主要构成部分。通过安置在油藏平面上的传感器与控制 阀，石油工程师们就可以对油藏与油井的动态进行实时监测，分析数据，制定决策， 改变完井方式，以及对设备的性能进行优化。 智能井技术的应用智能井技术的应用范围很广，主要用于油藏开采过程的管理， 这对于二次采油与三次采油非常重要。它可以控制一口油井的注入水或注入气在不同 产层或不同油藏之间的分布，也可以封堵产自其他产层的水或气，因而可以控制注入 水或驱替出的油扫过油藏中未波及的区域。这对于复杂结构井，如大位移井、长水平 井或多分支井以及各向异性的油藏来说非常重要。作为一种有力的工具，智能井技术 不仅可以处理油田开发中经常出现的问题，也可以处理很多井下突发事件，并通过对 这些突发事件的处理创造价值，从而给资产增值。 智能井技术在油田开发中的优点主要在于：优化油藏性能，从而提高油藏采收率， 增加油井产量；减少作业中投入的劳动力，从而减少安全事故，更有效地进行油藏管 理。 目前，已采用智能井技术的油井接近 200 口。这同那些正计划采用与正在采用该 技术的多口油井开发项目共同表明了，该技术可以实现预期的目的。油田开发要尽可 能快地降低开发成本，并使油藏的采收率达到最大。人们也期望能通过智能井技术来 提高开采难度较大的复杂油田的效益。研究表明，由于该技术可以提高开发项目的经 济效益，因而在当今商业环境中仍会继续存在。 二、激光钻井技术二、激光钻井技术 1、从 1997 年起，美国重新开展了激光钻井研究，已经取得了令人鼓舞的成果。 旋转钻井 100 年来没有根本性的变化，市场需要有一种更加有效的替代方法。 旋转钻井这种机械破岩方式于 20 世纪初取代顿钻以来，虽然不断取得进展，但并 没有根本性的变化，而且随着钻井难度越来越大，钻井成本总体上呈上升趋势。要想 几项国内外钻完井新技术 - 2 - 大幅度降低钻井成本，需要开发一种更加有效的替代方法。 2、激光技术发展很快，应用领域不断扩大 早在 20 世纪 60 年代和 70 年代，国外就开展过激光钻井研究。但是由于当时的激 光技术水平有限，研究认为：在技术上，用激光钻井需要的能量太大，实现不了；在 经济上，激光钻井太昂贵，不合算。正是这一结论在此后 25 年的时间妨碍了激光技术 在石油钻井领域的研究与应用，尽管这期间激光技术取得了飞速的发展，特别是冷战 期间美国星球大战计划开发的激光武器，其能量足以击袭毁导弹，摧毁地面目标。 3、激光钻井优势明显，前景广阔 与常规钻井相比，激光钻井具有如下潜在优势： a.激光钻机重量轻，一辆拖车可运到井场； b.激光钻井的井场很小，也许只有普通井场的十分之一甚至更小； c.激光能够穿透各种类型的岩石，而且速度很快，用常规钻井方法需要 100 天 才能钻成的井，用激光钻井也许只需 10 天时间； d.激光钻井不需要常规钻头和常规钻柱，钻成的井眼小，激光将岩石熔化，在 井壁形成一种陶瓷样的保护层，无需下套管固井，因此钻井成本很低，也许只有常规 旋转钻井的十分之一甚至更低； e.激光钻井是一种清洁钻井，激光击碎、熔化和蒸发岩石，钻井中无钻屑上返 到地面，对环境的影响其微； f.过程具有导向性。 激光钻井经过七年的研究，已经取得了许多研究成果，尽管现在还处于室内实 验阶段，还有大量的工作要做，且有美国能源部的支持和世界一流的油气服务公司的 参与。 美国“亚力山大油气通讯”（alexandersoil&gasconnec-tion）杂志追述了石油钻井 中的激光钻井技术起源。1998 年 2 月 24 日，由美国气体研究院、美国空军、美国海 军联合发起了一个研究计划，即“激光钻井”，这是利用美国军方的“星球大战”技术转 化到民用工业应用系列项目的一个内容。这项计划预计用 5 年时间，耗资 600 万美元， 研制目的包括激光钻井与完井，其直接研制产品是一台激光钻机。激光钻井有 2 种激 光发生器。 几项国内外钻完井新技术 - 3 - 一是利用化学的氧化碘激光发生器（coil），这种发生器最初是美国空军用于跟 踪和击毁敌方导弹的激光武器。这种激光器所具有的波长与振幅的准确控制性，使得 在气田中钻探定向井、侧钻井成为可能，其钻探深度可为 5000 米；其能量为 1.6 兆瓦， 波长为 3.4 米。 二是红外线激光发生器（miracl），这原来是海军装备在舰船上，用以将来袭的导弹或飞 机上“穿洞”，以达到将其击毁的目的，其能量为 7 千瓦，波长为 1.34 米。据军方的研究人员介绍， 此方法近来由美国 phillipse 公司进行现场试验，其穿透“像三明治一样的岩层几乎就在数秒之间” 。与常规钻井相比，激光钻井 10 小时的钻井进尺，常规钻井需要钻井 10 天。phillipse 公司使 用化学氧化碘激光发生器，利用光纤输送能量，在岩石上钻出 1 英寸的孔，这或许是真正的小井 眼钻井。与常规钻井过程相比，激光钻井不需要钻井液、钻头、油管和套管，也不产生钻屑，可 以大幅度降低成本。美国军方人员称，将这一军事技术转为民用，最大的受益是从根本上减少石 油钻井成本，并且降低石油开采的风险。 三、钻工对未来钻井的设想三、钻工对未来钻井的设想 设想设想 1：“柔性钻杆柔性钻杆”将让井架消失将让井架消失 现代钻井用的钻井工具真是太笨重了，起钻对钻工而言是一件痛苦的事情。未来 的钻井生产可能要被一种“柔性钻杆”代替，它们强度高，耐压力、拉力，并且能自如 地卷在一种巨大的“轱辘”上面。起下钻很方便，只要转动“轱辘”，就能把“柔性钻杆” 下到井底去或者从井底拉起来，既省掉了现代钻井中接“单根”的麻烦，也不容易破损， 太方便了。由于使用了“柔性钻杆”，未来的钻井队可能就没有井架了。 设想设想 2：“激光钻头激光钻头”真厉害真厉害 现在的钻头寿命太短，效率低下，用不了多久就要起下钻。未来的“钻头”将会是 “激光钻头”，它通过分布在钻头周周的“高能量束”切割周围的岩石。 “激光钻头”至少有 以下优点：一是它通过能量束切割岩石，效率很高；二是由于不直接接触岩石，不易 磨损，它的寿命将会很长；三是可通过控制“激光束”随意确定井眼的走向，所以目标 命中率会很高；四是井壁光滑，并且能量束的高温会让部分岩石熔化并迅速凝结在井 壁周围，减少井壁垮塌。另外还有可能诞生“超声波钻头”，通过超声波来震碎井底坚 硬的岩石。 设想设想 3：“机器钻工机器钻工”会取代人力会取代人力 几项国内外钻完井新技术 - 4 - 随着人工智能机器人的发展，未来的钻工将会被“机器钻工”取代。 “机器钻工”很了 不起。一是它们能适应野外、沙漠、滩涂、海洋等等诸多恶劣的钻井环境。二是它们 有高智能，通过“电脑思维”，它们能从事许多复杂的钻井作业，并能应对像井喷等许 多危险的事故。三是它们效率高，不知疲倦，能每天 24 小时地工作，最大限度地提高 钻井的效率。 设想设想 4：“井喷事故井喷事故”将成陌生名词将成陌生名词 未来可能会在钻头及“柔性钻杆”上面安装“电脑眼”，随时监测井下的情况。并通 过无线信号传到地面的“智能控制系统”。 “智能系统”会及时启动相应措施应对井下复杂 情况。因此，在未来的钻井作业中， “井喷事故”将会成为一个陌生的名词，更不可能发 生像 1223 那样的井喷事故。 设想设想 5：钻井成本会大大降低：钻井成本会大大降低 由于许多高技术的运用，未来的钻井成本将大为降低，并更为随意。 一是不再修那漫长的“乡村公路”。由于采用了 “柔性钻具”等一系列的新工艺，钻 井设施将十分轻便，只要选择了钻井点，只需用飞机或者钻井专用直升机，把那些轻 便的设备空运到目的地就行了。二是由于省去了耗时费力的起下钻和接单根作业，又 有“机器钻工”的参与，钻井周期将大为缩短。不仅如此，由于“高智能机器人”的参与， 钻井将不会受地域限制，海底、深山、河谷、沙漠甚至外星球，都将成为我们的钻井 地点。 四、优化四维地震流体成像四、优化四维地震流体成像 自 20 世纪后期以来，四维地震数据应用于油田开发中的技术有了快速的发展。纳 尔逊油田是应用四维地震技术进行油藏管理的理想候选油田，是首批进行四维地震测 量的油田之一，1997 年进行了四维地震数据采集，调查的目的是帮助论证四维地震技 术的可行性。该油田位于北海中部英国海域，是一个在海平面以下 2195m、向四面倾 斜的简单闭合构造，自 1994 年投产以来共生产 3.3 亿 bbl 油当量。该油田地震数据的 质量极好，适合于进行油藏表征和研究因采油引发的流体流动。通过重复三维地震调 查和弹性反演技术的应用来实现这一目的。 应用四维地震数据和岩石物理数据综合分 析流体与岩石体积来监测纳尔逊油田的油藏动态。通过测井数据的岩石物理分析，在 声阻抗-泊松比图像上出现含油砂岩层、含水砂岩层、灰岩和异类岩相“岩性”的不同 显示。通过将弹性反演技术应用于常规四维振幅-炮检距关系数据，将反射数据转换成 几项国内外钻完井新技术 - 5 - 声阻抗、剪切阻抗、泊松比和角阻抗数据，应用弹性反演数据组定量研究油水界面的 变动，利用精确推导的关系式预测三个地震调查期（1990 年、1997 年和 2000 年）含 油砂岩三维概率体积，通过重复生产测井比较确定由于采油而出现的含油砂岩概率的 变化。不均匀反演差异和含油砂岩概率的综合解释显示未波及油区，以说明加密钻井 机会。 在纳尔逊油田业已成功地进行了 3 期四维地震数据的弹性反演。与常规的振幅 -炮检距关系和四维分析相比较，弹性反演与岩石物理分析结合具有消除子波效应、抑 制随机干扰和改进地质研究等诸多优点。该方法应用了分隔含油砂岩、含水砂岩和页 岩参数空间中的精确推导关系式。通过四维差别数据解释获得有关该油田波及型式的 重要信息，有利于更好地进行开发决策，如通过确定具有良好油藏质量的未波及区决 定加密钻井井位。20012002 年钻的 6 口加密井的结果证明了在纳尔逊油田应用四维 地震数据的价值，增加了储量，使油田产量提高 20%。四维地震技术、弹性反演以及 流体与岩性预测还产生一个附加作用，即激励了跨学科的密切合作，显示了地球物理 技术在油田开发中极其重要的作用。 五、用智能井开采海上边际油田五、用智能井开采海上边际油田 墨西哥湾东喀麦隆油田属边际油田，其原因是补钻的一批油井没有找到钻前预测 的高产油层。若要把油田开发成本控制到最低，用回接技术把完井系统回接到主平台 上是经济可行的。能源技术公司于 2001 年 5 月在墨西哥湾东喀麦隆油田打了 ec374-1 井，这口井的测深为 6755ft，垂深为 5389ft，钻遇了 3 层油层。为了达到最高采收率， 开发方案要求同时开采 3 层油层。下部的 2 层采用混层开采，上部的 1 层采用选择性 开采，以延长油井的寿命。3 层油层采出的原油通过 2 个遥控的滑套进入完井装置。 完井井段分为 3 段独立的砾石充填井段。4000ft 深的砂岩油层和 3700ft 深的砂岩 油层是主力产层，压裂后合采。3100ft 的砂岩油层采用砾石充填封隔油层并采用智能 完井的选择性滑套采油。完井系统由 95/8in31/2in 可回收生产封隔器组成,封隔器下方 的滑套由两条 31/2in 液压管线控制。上部滑套控制上部井段从环空到油管的液流,下部 滑套面控制下部井段从环空到油管的液流。2 个滑套各有一条独立的开启液压管线， 但 2 个滑套共用 1 条液压关闭管线。为了保证各层的分层开采，在智能完井装置的下 面下一密封总成。 用交互修井控制系统（iwocss）和快速连接液压导向控制系统代替采油树的液 压中转控制盒，管线的接头则用联接油管的四通代替。采油树上的所有 1in 阀门全部 几项国内外钻完井新技术 - 6 - 改换最先进的阀门以确保可靠性。因为油井处于较浅水域，所以在完井及安装采油树 时使用了导向索。井口上安装了油管头并下入井眼防护装置，然后开始完井。4000ft 处的砂岩井段和 3700ft 处的砂岩井段分别安装了沉砂封隔器。3700ft 处的砂岩段采用 油管传送射孔枪射孔。在 3700ft 和 4000ft 处的井段分别安装了分流隔离阀，以防止射 孔后发生层间窜槽。用钻杆回收井眼保护器之后，接着用钻杆安装为油管悬挂器定向 的斜口管鞋。采油树安装在甲板上。采油树的顶部安装了修井隔水管总成和应急快速 拆除系统，并把修井控制系统与应急快速拆除系统连接起来。然后对采油树贯通性和 常规功能进行测试。3100ft 砂岩储层试油结果是 1050 万 ft3/d。而这口井的最终的估计 产量为 150 万 ft3/d。把智能完井与海上完井技术结合起来，可以使没有经济前景的海 上边际油田转化为有开采价值的海上油田。多学科工作组成员通过创新，把原先在 2200ft 水深使用的完井设备改造成适用于水深 425ft 和经济环境的完井设备。 这口井完井所耗用的时间为 20 天，据估计节省了 3 天的钻机占用时间。由于是在 大斜度井眼中完井，如果使用连续管进行作业，会节省大量的下管线时间。目前，油 公司打算用同样的方法进一步拓宽海上边际油田的前景。 六、应用油藏性描述及六、应用油藏性描述及 3d 可视化技术促进海上油田的二次开发可视化技术促进海上油田的二次开发 在圣巴巴拉海峡的南 ellwood 油田，海上作业者 venoco 公司利用先进的油藏特性 描述技术识别油田二次开发的选择方案。该公司在描述油藏特性方面所作的工作包括： (1)重新处理第一代 3d 地震资料；(2)综合地层倾角、井眼电视(bhtv)、微电成像 (fmi)测井资料及定向岩心分析资料；(3)用新的 pipeline 网络模型模拟裂缝；(4)进行 生产测井，以确定油水界面，并识别回堵及二次完井的时机。 南 ellwood 油田于 1972 年从中中新世 monterey 含硫地层中采油。monterey 为地质情况复杂的裂缝性燧 石油藏，地层产液的含水率很高。根据岩心分析资料估算的原始地下原油储量约超过 20 亿 bbl。由于一些重要的问题，如断层的复杂性、对裂缝系统了解不足、以及油水 界面不可预测的移动，导致在该油田的许多钻井活动不成功。 1999 年，venoco 公司 与南加利福利亚大学合作，研究裂缝性 monterey 地层原油生产的高含水问题。该研究 项目分三期进行。第一期研究活动包括：通过新的测井技术、地震资料二次处理及裂 缝模拟来描述油藏特征。第二期研究将从 2004 年 1 月开始，包括井下分离器电潜泵的 应用以及钻两口新井。 1982 年，阿科公司在该油田采集了第一代 3d 地震测量资料。 2000 年，用现代算法对这些地震资料进行二次处理，结果清楚地显示出原来的简单背 几项国内外钻完井新技术 - 7 - 斜构造被断层切割，形成大量具有潜在独立油水界面的区块。 另外两组数据有助于作 业者了解该油田结构的复杂性： （1）从钻入 monterey 地层的 40 多口井获得的高质量地层倾角测井资料； （2）monterey 地层非常一致地贯穿整个油田，从而能通过仔细对比测井资料 来确定可能存在的遗漏或重复的区块。 2002 年 56 月，venoco 公司沿背斜脊向 prc3242 区块边界钻了第一口井。采集了高分辨率成像测井资料，并在严重裂缝性下 monterey 地层的油水界面处完井。最初的试井结果令人失望，井的产液量为 1700bbl/d，含水率达 90%。生产测井资料显示的油水界面高于预期深度 100ft。压力恢 复数据显示，该井的流体来自与主油田分开的断块。地质模型指出，一个大的冲断层 在上 monterey 地层与井眼相交，而且该断层可能是密封性断层。 2003 年 2 月，该井 在断层下面二次完井。最初试井结果的油气产量分别为 812bbl/d 和 200 万 ft3/d。生产 资料显示，这口新钻的井对断层顶壁的其它井没有影响。新钻的这口井已经生产原油 20 万 bbl 以上，并收回了 400 万美元的钻井费用。 常规测井技术无法成功预测 monterey 地层的流体含量。对 7 口新钻的井进行了 ghost/deft 测井，并在其中的 5 口井中坐放了过油管膨胀式桥塞。桥塞所封堵的出水量为 2000bbl/d，使其它井的原 油产量增加。其中，3242-18 井的原油增量为 500bbl/d，增产时间保持了 18 个多月。 递减分析认为，由于采取了回堵措施，该井估算的最终开采量已经增加了 600 万 bbl。 根据二次处理的 3d 资料识别出两个未泄油的 monterey 断块：即北部侧翼断块 和 eagle cangon 断块。另外，3d 资料对 sesoe 圈闭新的解释将油藏延