世界钻井技术新进展

1、世界钻井技术新进展一、2002年世界各国钻井情况 2002年全世界共打井69296口，而2001年全世界共打井74178口，与2001年相比，钻井数量减少了4882口，下降幅度为6.6。钻井数量下降的地区主要为北美、南美、和西欧。而东欧、中东、远东和南太平洋地区2002年的钻井数量则是上升的。2002年钻井数量居世界第一位的是美国，美国共打井29233口，与2001年的30196口相比，美国的钻井数量下降了3.2%。钻井数量居世界第二位的是加拿大。加拿大在2002年共打井14200口。虽然加拿大在2002年的钻井数量较多，但与2001年的相比，下降的幅度比较大。2001年加拿大打井18017口

2、，下降幅度达21.2%。中国的钻井数量居世界第三位。2002年中国共打井10275口，而2001年打井10200口，2002年的钻井数量增长了75口，增长率为0.7%。其他情况见表1。表1 2002年世界各国钻井数量国家或地区 2002年钻井数量预测 2001年钻井数量 井数 20022001的增减 北 美 43922 -9.8 48695加 拿 大 14200 -21.2 18017古 巴 30 15.4 26 墨 西 哥 450 0.0 450美 国 29233 -3.2 30196其 他 9 50.0 6南 美 2877 - 23.5 3761阿 根 廷 870 -38.3 1409玻利

3、维亚 42 -19.2 52巴 西 495 -12.9 568智 利 4 -20.0 5哥伦比亚 95 -13.6 110厄瓜多尔 90 -3.2 93秘 鲁 20 -47.4 38特立尼达和多巴哥 136 -12.8 156委内瑞拉 1028 -19.6 1278其 他 97 86.5 52西 欧 722 -8.4 788澳 地 利 23 25.8 31丹 麦 35 -2.8 36法 国 20 -16.7 24德 国 24 100 12意 大 利 58 5.5 55荷 兰 40 14.3 35挪 威 170 -20.6 214英 国 342 -6.8 367其 他 10 -28.6 14 东

4、欧/前苏联 6778 6.6 6361克罗地亚 25 19.0 21捷 克 16 -15.8 19俄 罗 斯 5500 7.0 5140前苏联其他 814 5.7 770 匈 牙 利 22 -35.3 34波 兰 70 29.6 54罗马尼亚 305 2.7 297其 他 26 0.0 26非 洲 922 18.5 778阿尔及利亚 182 23.0 148安 哥 拉 70 -6.7 75刚 果 10 -16.7 12埃 及 273 23.4 192赤道几内亚 27 22.7 22加 蓬 15 -42.3 26利 比 亚 110 13.4 97尼日利亚 110 0.0 110苏 丹 50 4.

5、2 48突 尼 斯 21 50.0 14其 他 90 203.6 34中 东 1337 2.2 1308伊 朗 120 -15.5 142伊 拉 克 - - -科 威 特 60 -40.0 100中 立 区 51 2.0 50阿 曼 360 4.3 345卡 塔 尔 89 2.3 87萨特阿拉伯 300 13.2 265叙 利 亚 85 6.3 80土 尔 其 30 -3.2 31阿布扎比 91 8.3 84迪 拜 11 37.5 8也 门 95 13.1 84其 他 45 40.6 32远 东 12477 1.9 12248文 莱 52 -15.2 27中 国 10275 0.7 10200

6、印 度 387 9.0 355印 尼 1250 4.2 1200马来西亚 45 -49.4 89缅 甸 58 38.1 42巴基斯坦 55 34.1 41菲 律 宾 3 0.0 3泰 国 260 28.1 203越 南 55 10.0 50其 他 37 -2.6 38南太平洋 261 9.2 239澳大利亚 233 11.0 210新 西 兰 24 -4.0 25巴布新几内亚 4 0.0 4全世界总计 69296 -6.6 74178 二、套管钻井技术套管钻井技术分为普通套管钻井技术、全程套管钻井技术和阶段套管钻井技术（尾管钻井技术）三种。普通套管钻井是指在对钻机和钻具做少许改造的基础上，用套

7、管作为钻柱，接上方钻杆和钻头进行钻井。这种钻井方式主要用于钻小井眼。使用这种钻井技术比较多且比较成功的是墨西哥的Pemex勘探开发公司，全程套管钻井技术的主要特点是，使用特制的套管钻机、特制的钻具和特制的钻头，利用套管作为水力通道，采用绳式钻井马达进行钻井作业的一种钻井工艺。阶段套管钻井技术是指，在钻井过程中，在钻柱的端部连接一段套管和一种特制的钻具，打完这一段后把钻头起出，而把套管留在井下并对这一段套管进行固井，用以封隔破碎带和水层。为把阶段套管钻井与全程套管钻井区别开来，阶段套管钻井技术又称为尾管钻井技术。Tesco公司和Sperry Sun钻井服务公司开发出套管钻井技术并制定了各自的套管

8、钻井技术的发展战略。2000年，Tesco公司已准备把4.5in13.375in的套管钻井技术作为一种商业服务推向市场,为世界各地的油田服务。两家公司都预言,套管钻井技术可使油公司降低钻井成本10%13%，在海上钻井中降低钻井成本的潜力会更大些。1套管钻机Tesco公司研制的套管钻井钻机是一种混合钻机。钻机的钻深能力为3000m。钻机由带有顶驱和特制绞车的双伸缩式井架、800马力的三缸泥浆泵、井架管汇清洁器、180ft高的吊运式底座和一座模块式建筑组成。钻机的设备由液压驱动并由数字可编程序逻辑控制器来控制。钻机所有的功能可通过设在控制室的司钻控制中心用数字可编程序逻辑控制器来控制。钻机的结构使

9、搬迁、井场建设、钻机安装更为方便，而使钻井作业更为经济有效。钻机的辅助设施被设计成可叠加式模块式建筑，这样使基础占地小从而减少了井场的占地面积。使用了20个模块式建筑作为发动机、电力设备、罐类、泥浆系统、控制室和其他设备的房间。模块式建筑的特点是面积大、有供暖设备和机械加工车间，模块式建筑也降低了每个单位载荷的重量。另外，绞车安装在井架的背面以及使用了固定式顶驱也大幅度降低了钻机的安装和拆卸时间。钻机的辅助设备分别设置在20×8×21/2ft的模块式房间里，模块式房间的平均重量为18500lb。包括底座和井架在内的钻机被分装在20t的拖车上。与标准的橇装模块相比，该模块结构

10、降低了单元载荷的重量。数字可编程序逻辑控制器（以下称PLC）的控制系统。钻井作业的控制和监测是由设在司钻控制中心的一种特制的人机司钻面板和钻井数据采集系统进行遥控的，而司钻控制中心则设在钻台附近。在通常情况下，PLC接收司钻控制中心的输入数据并提供了几乎不受限制的连接和计算以增加钻井的安全和效率，以及简单的诊断、遥测和事故停机。钻井的PLC系统包括可从遥远现场经由卫星电话的直接存取系统。PLC可以监测钻机的状态，但问题的诊断、参数的调整以及整个PLC程序的改变和下载则可在办公室进行。绞车使用了结构紧凑、大扭矩和多种排量的涡轮液压马达并且直接并在缆绳滚筒的锻轴上，因此不再需要齿轮箱、链条、皮带、

11、离合器/链轮和链条护罩。绞车滚筒决不会脱挡，可在最优速度控制下向两个反向平稳转动。这种轻便的结构使绞车可以与井架合并为一体。下钻时液压系统使用返回的能量作为动力刹车的能量。钻井装置上没有设置液压制动装置和涡流制动器。而是用盘式刹车直接安装在钢管架上作为手刹车和应急刹车。顶驱和其他设备。钻机上装有顶驱，顶驱具有良好的扭矩和速度控制系统。顶驱可以单独连接钻杆而且在滑动钻进时具有钻井扭矩控制能力和司服控制能力，即司钻可以通过摆动钻柱降低滑动摩擦阻力。整体结构的管材装卸和机器人化的特点降低了接单根的时间而增加了钻台的安全性。顶驱和三分之二的轨道永久固定在井架上以便降低钻井和拆卸时间。据估计，就这一项就

12、可节省5h的安装时间。泥浆泵的驱动。泥浆泵由直接安装在曲轴上的径向活塞马达驱动。由于是直接驱动总成，所以去掉了活塞轴而用大齿轮代替了飞轮，从而降低了泥浆泵的复杂性和重量。泥浆泵可以在安全运转的情况下降低到零转/分，以便进行漏失测试等试验。泥浆泵有一独立的、电驱动的润滑系统，保证了在各种速度下的润滑。驱动泥浆泵的液压马达在闭环系统损坏的情况下，可由开环系统提供动力。从而使得即便是在井场的主发电机停止供电的情况下，仍能保证钻井液的循环。转盘。使用了额定载荷为150t的171/2ft转盘以支撑滑动载荷以及在非钻进时缓慢转动钻柱。转盘在套管钻进井中的主要作用是在接单根或顶驱发生问题时作为一种辅助设备。

13、套管钻机转盘的重量轻而且在转盘罩内设有液压驱动系统（不需要外部马达、链条或驱动轴）。2 套管钻井的井下系统套管钻井总成。套管钻井工艺用套管代替钻杆，由套管作为向钻头传递水马力和机械能的通道。一种可回收式钢丝绳井下钻具组合连接在套管的底端，钻一段足尺寸的井眼以允许套管向下前进。井下钻具组合使用一种联顶总成,所以可以使用钢丝绳装置回收和重新下入井下钻具组合而不需要起下套管。套管钻井总成的结构见图1。图1套管钻井总成下钻和回收工具。为了安装和拆卸井下钻具组合，使用了一种专门设计的钢丝绳下入和回收设备。水龙头可防止辫状钢丝绳旋转打结，所以在钢丝绳作业期间可以转动套管。当钢丝绳的拉力达到20000lb（

14、9t）时，应急剪切接头提供垂直拉力，释放在缩径条件下产生的锁定力保证断开连接。钻头和管下扩眼器。用套管和可回收式钢丝绳钻具钻井时要求切削结构要小到能穿过套管同时又能钻出比套管外径大的井眼。这要通过小直径的领眼钻头和后面的管下扩眼器来完成。用牙轮钻头和PDC钻头进行过试验，也用两臂和三臂PDC管下扩眼器进行过下井试验。用安装在套管上的PDC钻鞋下过几次井，采用PDC钻鞋就不需要井下扩眼器了。钻具组合的下井和回收。试验时，对井下钻具组合的下井和回收系统反复进行了下井和回收，结果证明这种系统在直井中效果较好。目前取得的主要进展有：· 有了一种可靠的旁通系统；· 下井工具和套管钻井

15、总成匹配良好；· 有了全井眼正确到位的联顶系统；· 有效的密封保证了在开泵时钻屑不在钻具周围循环。地层评价。在不起出套管的情况下，用常规的测井仪无法进行测井。其替代方法是用套管内测井仪可在钻井过程中连续测井。在多数情况下，套管钻井是用于打开发井的，可把开发井的地层评价设计成能满足套管钻井要求的。3套管钻井工程中应考虑的问题多数套管钻井的设计方法中与常规钻井相似。在处理诸如井眼稳定、井控、套管下深、定向设计和选择钻头等问题时，多数与常规钻井相似。套管钻井与常规钻井的巨大差别就是套管要承受附加应力。图2出示了影响套管钻井中套管完整性的相互作用因素。影响套管完整性的三个主要因素（

16、弹性载荷、疲劳和磨损）出示在右侧，而有关的操作控制事宜（操作参数、管材特性、接头结构和油井设计）出示在左侧。图2在套管钻井中影响套管技术完善的相互作用因素作业参数；管材特性；接头结构；油井设计；水力载荷；机械载荷；扭矩和摩阻；屈曲；井眼几何形状；应变应力；振动；弹性载荷极限；磨损；疲劳影响套管钻井的大多数因素可用常规钻井技术来对付，但有三种情况（屈曲、疲劳和水马力）需要专门介绍：(1)屈曲套管钻井与常规钻井的最大曲别是套管钻井不用钻铤来提供钻压。多年来，对司钻的教育就是钻井时要下钻铤以保证钻柱不被屈曲损坏。那么摆在我们面前的一个问题就是在不使用钻铤的情况下怎样有效地进行套管钻井作业。对套管钻井

17、技术的应用而言，重要的是确定套管是否屈曲，以及套管屈曲是否会引起问题。在水平井中，造成屈曲的压缩载荷是由管材的刚性、重力造成的横向力（管材重量和井斜）和与井壁间的距离决定的。在直井中，部分处于压缩状态的套管始终处于屈曲状态（在没有扶正器提供横向支撑时），就向钻铤在垂直井眼中发生屈曲一样。如果井眼轨迹是水平的而不是垂直的，那么躺在井眼低边的管材的法向井壁接触力提供了稳定的作用并在钻井套管产生屈曲前增加了可以支撑套管的压缩载荷。在弯曲井眼中，当井斜增加时，套管变得更稳定，但在低弯曲度下（通常低于10/100ft）当井斜角降低时套管可能失稳。从钻井工程的观点出发，控制整个井下钻井过程用以维持套管的完

18、整性和钻井效率是重要的。这一过程的第一步是筛选出在特殊的井眼条件下屈曲是否严重。如果管材产生屈曲,要准确地评价屈曲对接触力和应力的影响。如上所述，应该评价屈曲影响钻井效率的两种临界因素。首先，井壁接触力影响旋转钻柱所需要的扭矩和套管所承受的磨损。接触部位确定了磨损是否位于套管接箍或磨损是否还影响了套管本体。第二，屈曲造成的管材弯曲将影响管材所承受的应力。如果应力的量级足够高，管材可能发生屈服和损坏，但在套管钻井条件下几乎不可能使应力量达到这一量级。在较低的应力量级条件下，应力可能影响管材的疲劳寿命。除屈曲外，井壁接触力和管材应力受很多因素的影响。对套管钻井来说屈曲似乎不是最大的问题。对于井眼来

19、说，较大直径的套管能大幅度降低屈曲的影响而且能使应力保持在较低水平。井眼弯曲比套管屈曲更容易造成套管体应力增加。对直径小于7in的套管和井斜角小于50°的井眼，应该作完整的屈曲分析，即便是在这些条件下，采用适宜的措施也能取得成功。(2)疲劳钻柱的疲劳损坏一般是由振动弯曲载荷造成的而不是扭转载荷造成的。疲劳损坏主要发生在钻柱的底部而不是发生在静张应力较高的顶部。在多数情况下，裂隙在钻柱断裂前将产生漏失，因此发现大多数冲蚀是由疲劳裂隙引起的。损坏常常发生在接头的丝扣部位或者在钻柱的卡瓦卡紧面上。目前已开始对套管疲劳进行研究，最新的研究成果是海上生产立管的疲劳研究成果，但对套管钻井来说，套

20、管的疲劳研究可能是最重要的。特定部位的疲劳寿命通常可用S-N曲线鉴别， (3)水马力液流通道的几何形状使套管钻井与常规钻井之间产生了另一个巨大的差异。液流通过的套管的内径较大而且是不受限制的，所以在套管内产生很小的压力降。套管钻井的环形空间是一个限制条件较高的液流通道；所以液流通过后压力损失较高。当液流受到较大的限制时，液流也变得更加均匀，所以从套管鞋到井口的环空速度是接近稳定的。这就为在低排量下清洁井眼提供了方便条件，但是钻井液性能必须合适，而且必须有合适的水力能量以清洁钻头和下部扩眼器。既使在较高的环空速度下，活动套管对保持井眼清洁仍然是重要的。由于地层强度和压力环境而被迫使用较高的当量钻

21、井液密度极限时必须考虑这些因素。在多数套管钻井条件下，尽管使用较低的排量，套管钻井的当量钻井液密度要高于常规钻井的当量钻井液密度。3 尾管钻井技术早在1996年，贝克休斯公司就发表过尾管钻井（套管钻井）的论文。尾管钻井系统是用尾管或套管作为钻杆的一种钻井工具。尾管钻井系统可在因地层坍塌和严重压差造成卡钻时使用。研制这种钻井系统的目的是解决在印尼易发生井眼失稳的Arun油田的钻井问题。该油田的枯竭高渗储层上履着高压页岩层和含盐水砂岩储集层。因为一旦钻头穿过高压盖层而进入枯竭层后就会发生漏失，最终导致静水压力下降，往往造成页岩垮塌和卡钻。降低静水压头还能诱发浅层的含盐水砂层侵入井眼。当钻入低压层后

22、，使用尾管钻井系统，尾管将立刻进入所钻地层，虽然仍发生漏失，但尾管已经下入，因而能保护井眼。在起出井下钻具后，把套管或尾管留在井下，通过固井和改换钻井液，可使用常规钻井技术恢复钻井作业。尾管钻井系统由尾管钻具、尾管、尾管柱和尾管悬挂器组成。尾管钻井作业设计用81/2in井眼钻穿上覆页岩至生物礁以上±100ft，然后用下述尾管钻井方法钻进：· 下尾管钻井总成，钻81/2in井眼穿过上履页岩层到达枯竭层顶部；· 继续钻井直至钻遇大的漏失层和钻井总成被卡；· 采取井控措施；· 注水泥至管鞋以保证隔离页岩。(1)下尾管钻井系统并钻页岩按常规油井剖面进行

23、设计，使钻井扭矩达到可以接受的水平。因为对多数尾管的优质接头的屈曲扭矩和抗疲劳性了解的还不十分清楚。提起尾管钻井工具和7in尾管并将其悬挂在卡瓦上。将接有钻头的尾管柱下入尾管内。为使助推器保持在原始位置，将钻头与尾管钻具连接并将其与内管柱隔开。尾管总成由内管柱和尾管两部分组成。将尾管钻井总成下入井内，并使其距井底有一定的距离，在上下活动尾管钻进总成的同时循环钻井液。在开始旋转之前，要使管柱的重复扭矩达到预定的极限。在管柱开始连续旋转之前，可能需要循环几个周期的钻井液。(2)大规模漏失当发生大规模漏失时，井队人员应当预先确定可以接受的大钩载荷。在Arun油田，流体抽空程度完全有可能使16.8lb

24、/gal密度的钻井液柱下降6000ft。这就导致要增加大钩载荷和钻柱的长度。司钻必须对最终载荷变化进行补偿以避免尾管损坏。当发生钻井液漏失时，错误地上提钻柱可能导致尾管发生挠曲。司钻必须马上调整大钩载荷，其原因是页岩的坍塌会在几分钟内卡住尾管。随后钩载增加太大可能导致尾管提离井底并暴露不稳定页岩，从而导致钻井事故的发生。(3)井控在补偿大钩载荷后，司钻必须注意监测环空以确定暴露的含盐水砂岩层是否发生井涌。控制井涌的首要手段是使用尾管悬挂器总成下封隔器。如果钻井封隔器的状态良好，那么当悬挂器到位后，井涌就会被压住。如果没下钻井封隔器或因钻井过程中的磨损而使封隔器无法起作用，那么盐水将继续侵入井筒

25、。当页岩在尾管周围形成封堵后，在钻井液到达井口和关井之前，侵入井筒的盐水将充满套管-钻杆的环空。在关闭环形防喷器的情况下，可能要在压力条件下进行悬挂器坐放和起出，当用尾管解除了尾管悬挂器的密封后，井涌开始在内管柱与尾管间的环空向下流动而后进入枯竭层。井中的液面高度下降到平衡点。只要内管鞋是朝着枯竭层打开的，井涌流体将保留在井内的深处。当内管柱从井内起出时，打开钻杆的端部然后下入钻杆，在尾管鞋被堵塞之前要泵入堵漏小球。之后可用高密度钻井液压死。三、激光钻井激光钻井早在20世纪80年代初就有研究成果，后来因技术不过关而销声匿迹。20世纪末，美国开始把星球大战战略中采用的激光技术向民用转移，激光钻井

26、自然是首当其冲。目前，激光钻井还处于“激光破岩”的研究阶段，离现场应用还有相当大的距离。但是激光钻井的优越性在初始研究阶段就已见端倪。研究结果证明，激光钻井有下列转盘钻井所不能替代的优点：· 完钻后在井壁周围形成一玻璃状的凝固体；· 无论多深的井激光器始终能以单一直径钻到设计深度；· 激光钻井的钻速只取决于井眼尺寸和供给功率的大小；· 因光子以直线路径行进，激光器所钻的井眼不会偏斜；· 其钻速比转盘钻井高100倍多。1 激光器的工作原理目前，美国的激光器的种类较多，以化学氧碘激光器为例简单介绍激器的工作原理和工作过程。激光产生的原理和过程是，当

27、碱性的过氧化氢与氯气混合时产生激发状态的氧（称为氧独态），反应的副产品是盐水。当氧独态与液态碘化合时使分子碘离解为原子碘，同时产生激发状态的碘。受激碘的激化幅射将电子转移到原子碘并依次释放光子。氧和碘激化幅射期间释放的能量（）为： （1）式中h为普朗克常数（6.626 E-34 J-s）；v为光速c（2.99792458 E+10 cm/s）除以波长，或v=c/；因此。氧碘激光器适合于油气钻井的主要特点是：· 对准岩石面的激光束是可调节的连续波；· 能更好地聚焦；· 其功率强度足以使岩石破碎、熔融或汽化；· 化学剂安全可靠而且容易在市场上买到，副产品对环境无害;· 设备轻便。2 激光钻井的研究现状1997年，美国天然气研究所对一项为期两年的基础研究项目提供了60万美元的经费，目的是与军方合作对激光技术应用于石油钻井和完井的可行性、成本、效益及环保问题进行审查。这个项目由天然气研究所负责，主承包单位是科罗拉多矿业学院，参加的单位有美国空军、美国陆军、麻省理工学院、雷克伍德工程公司以及菲利普斯石油公司。