钻井新技术及发展方向分析

钻井新技术及发展方向分析1钻井技术新进展1.1石油钻机旋挖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的进步。 近年来，国外石油钻机能力不断增强，自动化进一步完善，钻机具有更加健康、安全、环保的功能，向满足石油工程需求的方向发展。 主要进展为：(1)采用模块化结构设计，设置井架，减少钻机占地面积，提高钻机运输性能，降低搬迁安装费用。(2)高性能的“机、电、液”一体化技术进一步完善石油钻机的功能。(3)采用套管和钻头自动运输、自动排放、铁钻和自动进给钻头等自动化工具，为提高钻头智能水平、提高劳动生产效率创造条件。1.2钻头测量技术1.2.1钻头测量和钻头技术21世纪以来，钻头测量(MWD )和钻头测量(LWD )技术处于蓬勃的发展中，系列不断完善，其测量参数逐渐增加到约20种钻井工程和地层参数，仪表接近钻头。 与几年前的技术相比，目前近钻探传感器距钻头只有0.52 m的距离，可靠性高，稳定性强，能够更好地评价油、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，井眼沿着最佳轨迹穿过油气层由于该技术的市场价值巨大，世界上有数十家公司参与市场竞争，其中斯伦贝歇、哈里伯顿和贝克休斯三家领先。1.2.2电磁波传输式在线测量技术为了适应瓦斯钻井、泡沫钻井、压力钻井等新技术的快速发展需求，电磁波传输MWD (electroronormationmagneticmwdtool，EM MWD )技术的研究与应用已取得很大进展，测深达41420 km。1.2.3钻井底环气动测量技术为了满足不平衡钻井监测井筒与储层之间负压差的需要，哈里伯顿、斯伦贝舍和威特福德等公司开发了一种不平衡钻井压力测量仪(annularpressuremeasurementwhidriling，APWD ) 在钻井过程中实时测量井底环的压力，通过MWD或EMMWD实时将数据传输到地面，指导了欠平衡钻井工作。基于1.2.4钻头的陀螺测试技术美国科学钻井公司将航天精密陀螺仪嵌入MWD仪器，开发了gyro measurement-while-drilling、gMWD，截止到2007年底开发了gMWD已经在美国的多分支井中很好地利用了数百口井，特别是在需要正确的方向性和对接的井中发挥着重要的作用。1.2.5井下随钻诊断系统美国研究人员开发了井下随钻诊断系统(DWD )，包括井下温度、压力、钻压、钻矩、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仪器，地面数据检验器该系统将井下地层与钻井状况和地面数据实时结合起来，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，取得最大的钻井效果。1.2.6核磁共振成像测量技术哈利伯顿Sperry-Sun和Numar共同开发了核磁共振成像仪(nuclearmagneticresonancemwdtool，NMR2mwd )，其原理是将核磁共振成像仪与MWD仪连接起来，在钻孔时进行测量。1.2.7地层检测技术钻井过程中实时测量储层的新技术，最大的优点是节约钻井时间，尤其适用于海上钻井平台，降低成本。 该技术由斯伦贝舍公司首创，2005年1月开始商业化服务，到2008年底使用300馀井次，效果良好。 目前有几家公司投入研发和商业化应用。1.2.8遵循地震技术随钻地震(seisesmicwhidriling，SWD )技术是一种将地震探测器放置在井下钻井工具中，在钻井过程中对地层实施地震波测量，实时传递给地面的新技术，可用于实时结构解释、地层评价、地质导向和井眼故障分析等，正确定位心层位置和应隔绝套管的地层位置斯伦贝舍公司于2003年花费15 a时间研发成功，可使用的井眼尺寸为2151966014mm。1.3复杂结构井钻井技术水平井、多分支井和鱼骨井可以提高油气藏露出面积，提高油气井产量和收获率，降低“吨油”开采成本而得到推广。1.3.1水平井水平井自20世纪80年代应用大规模工业化以来，已在全世界建成了50000多个水平井。 2008年美国开采7194口水平井，占年开采总数的12 %的加拿大2008年开采水平井数占年开采数的18 %。 美国水平井最大水平为61118 km，最大垂直深度为61062 km，最大单井为10.172km，实现了厚度在0.5 m以下的薄油层的有效利用，水平井油层的钻井率和地质效应大幅提高。 根据美国油气杂志的统计，53 %的水平井用于裂缝性油藏的开发，33 %用于底水和气顶油藏的开发。 美国水平井钻井成本下降到直井的1.52倍(最低1.2倍)，水平井产量达到直井的38倍。1.3.2多支井、鱼骨井和MRC技术多分支井技术已经成熟，实现了系列化和标准化，可以满足各种油藏的开发需求，在降低开发成本、提高收获率等方面取得了良好效果。 从国际上完全井技术满足“连接性、分离性、贯通性”的程度、结构简单到复杂，分支井完全井系统分为6个阶段。 实现了支井窗的有效密封和自由再入，密封完井方式逐渐增加。 根据美国HIS能源集团的统计，截止到2007年，全球共挖掘出多支井6 895口，其中美国4128口，加拿大2076口。鱼骨井属多支井范畴，已成为高效开发油气藏的理想井型之一，成功开采美国煤层气。 基于鱼骨井提出了最大储层接触(maximum reservoir contact，MRC )钻井技术. MRC井是指储层中井的累积长度(单井筒或多分支井筒)超过5 km的井。 目前已完成100多口MRC井，其中最长的是沙特Shaybah油田的shyb2220井，8个支井筒储层累计进口尺寸达12.3 km，生产后日产原油1907.7m3。 目前世界许多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。 国外已钻入数百口大位移井，其中英国Wytch Farm油田M16井水平位移达到10.728 4 km，水平垂直深度达到6.55。 最近，BP公司有机结合大位移井和多支井的埃克森莫尔定量研究了大位移井眼轨迹方向和井壁稳定性，斯伦贝舍公司提出了大位移定向难易度指数法的理论，哈里伯顿公司通过膨胀管技术封堵了复杂的地层，确保了到达大位移井的目标。 大位移井水平位移与“水垂直比”越来越大，钻井风险减少，钻井成功率大幅提高。1.4特种技术钻井技术1.4.1缺乏平衡和瓦斯钻井技术各种循环介质的不平衡与瓦斯钻井技术已在世界上得到广泛应用，不平衡、瓦斯钻井与水平井和套管钻井等技术相结合，取得了显着效果。 欠平衡钻井设备完善了旋转防喷器、制氮设备、可循环泡沫、可循环气体、套管控制阀和无压力钻井作业装置等，形成了欠平衡钻井地层筛选与评价技术。 据最新资料统计，2007年美国的平衡不足和瓦斯钻井数约占当时总井数的28 %，美国75 %的井在钻井中设置了旋转控制头，90 %的煤层瓦斯井采用了空气钻井。 欠平衡瓦斯钻井用于井探、井开发、水平井和特殊技术井等，起着发现和保护油气层、降低工程复杂性和提高钻井速度的作用。1.4.2套管钻井技术除表层护套和技术护套钻井外，国外发展尾管钻井技术的如贝克休斯公司的EZCase护套/衬套钻井系统，使用钻杆连接尾管悬挂器，将尾管部分代替钻杆，钻到设计井的深度后，将尾管和钻杆直接钻入井内另外，护套钻井拔心作业、钢丝绳更换钻头和护套不足钻井等技术也得到了发展。 目前套管钻井技术已应用于直井、定向井、水平井和开窗侧钻。 Tesco公司的夹克钻井节省了钻井时间的30 %以上。1.4.3控制压力钻井技术美国研究人员从20世纪90年代开始开发压力钻井技术，主要解决裂缝性、岩溶性碳酸盐岩等地层钻井中恶性井漏和当量循环密度(ECD )钻井问题，如大位移井中ECD过高引起的井漏和狭窄密度安全窗问题等。 2007年，美国陆地四分之一井采用密闭循环系统进行失衡钻井，其中四分之一井采用控制压力钻井的理念进行钻井。 最近，widford公司开发出了降低当量循环密度的工具，斯伦贝舍公司发展了测量地层压力的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深部油气资源勘探开发不可或缺的重要技术，也是衡量国家和公司钻井技术水平的重要指标之一。 近年来，国外在深井钻井技术研究投入力大、技术发展快的前后，发展了垂直钻井、无风险钻井、瓦斯钻井、高效钻井、膨胀管和波纹管等高新技术，深井超深井易斜地层快速进入、复杂地层泄漏、窄窗安全进入、 采用了大量有效解决深层高抛光性地层加速等技术问题的非常规井身结构，扩大了套管层次，大大提高了深井钻井应对钻井风险的效率和探井发现率。 美国于2007年完成415 km以上深井1485口，2008年达到1610口，6km左右深井的平均钻井周期为90d左右，平均单井消耗了19只钻头。1.6自动钻井技术自动钻井技术是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井机自动化两大部分。1.6.1旋转导向和地质导向技术导向钻井从早期导向钻井、地面人工控制导向钻井发展到现在的全自动井下闭环旋转导向钻井。 这也是该技术的发展，提高了复杂结构井、薄储层等钻井速度、质量和成功率。 2008年美国导向钻井用量占定向井总进尺的40 %。(1)斯伦贝舍公司于2002年推出了第二代导游工具(Power Drive Xtra )。 这个工具采用了胶印钻头的导向方式。 2005年，新一代近钻发布了钻孔地质导向PeriScope15工具，可连续探测距钻孔前方5m处流体界面和地层的变化，具有360测量和成像能力。 根据美国科菲石油公司现场应用统计，PeriScope15在薄储层的钻井率从常规MWD/LWD技术的50%60%提高到93%，产量比预期提高了60%。(2)哈利伯顿公司于2000年2月开发了第二代旋转导向系统(Geo-Pilot )。 该系统采用偏置钻、不旋转钻头导向方式，从同年10月开始商业应用，实现了井眼轨迹控制精密，水平井扭矩摩擦阻力降低，井下复杂性和钻头事故等减少的目的。(3)贝克休斯公司于2002年推出了第三代自动跟踪引导系统。 该技术将闭环引导技术与螺旋钻相结合，增加旋转引导电机的钻井能力，速度、可靠性和精度更好。 该系统能够准确地按设计穿井，采用连续的旋转钻井方式在油藏内自动准确地达到目标，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 )技术产生于1988年前联邦德国大陆超深井科学钻井计划。 近年来，随着旋转诱导技术的发展，自动垂直钻井技术得到了迅速发展，以解决高陡构造、断层和盐层等复杂的斜地质条件下深井防斜钻井问题。 国外同类技术和产品已相当成熟，已进入大规模商业化应用阶段。(1)贝克休斯公司的Verti-Trak系统。 该系统采用了井下倾斜角传感器和应对地层自然倾斜倾向的膨胀式稳定器的闭环引导系统，其特征在于，在钻井过程中工具能够根据实际钻孔轨迹自动对钻头施加横向力，克服地层自然倾斜力，在保持井眼垂直的同时释放钻头压力，提高机械钻头速度(2)斯伦贝舍公司的Power-V系统。 该系统是Power Drive导向系统的低端产品，主要由电子测量控制器、机械和辅助装置等3个部分组成。 根据井斜的变化，Power-V系统可以自动调整推进器发动的侧力和侧力方向，使井斜快速垂直恢复，全过程中系统旋转100 %，大大提高井体质量和钻井效率。(3)德国Smart Drilling公司的ZBE5000系统。 该系统可选择井下电机，安装特殊设计的支撑翼肋，在硬地层和软地层保证良好的诱导性能，确保井眼垂直性。1.7井下管材技术1.7. 1膨胀管技术膨胀管技术是近年来发展起来的实用钻井新技术，分为实体膨胀管(SET )、膨胀缝管(EST )和膨胀防砂管(ess )三大类，主要用于油井修复、完井和新井。 最近亿万亿奇公司成功试验了膨胀管单井径建井系统的主要工具，开发了两项新技术。 一个是以厚壁管为膨胀管，该管材厚度增加25%50%，其耐挤压破坏能力增加30%50%。 二是弹性膨胀管技术，实现单井径开挖与建设。 威德福公司将膨胀防砂网和层间密封膨胀用的无缝管形成一个联合系统，开发出了高柔性的旋转扩管系统。1.7.2连续管理技术连续管钻井短半径、大位移、多侧水平钻井不平衡，为小井眼钻井提供安全、先进、有效的技术手段，连续管钻井定向井的费用占常规方法的25%75%。 美国开发出高强度大直径(89mm和127 mm )连续管、小直径井下电机、高扭矩导向工具和多重传输接头等工具，注入头最大拉力达到882.6 kN