世界钻井技术新进展

  钻井工程作为石油天然气勘探开发的主要手段和关键环节,具有技术密集、高投资和高风险的特点。钻井费用占勘探开发总投资的50%以上,钻井技术的优劣和水平直接影响油气勘探开发效益。伴随着油气勘探开发的深入,国外钻井设备配套、工具仪器研发、钻井高新技术研究与应用得到了高度重视和快速发展,钻井前沿技术不断突破,储备技术研究投资不断加大。目前,钻井技术不仅仅只是打开和建立油气通道,已经成为提高油气井产量、提高采收率等增储上产的新途径和主要手段.

 

  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.

 

  (2)高性能的/机、电、液0一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。

 

  随钻测量技术.

 

  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015~2 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。

 

  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(electromag-netic MWD tools,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。

 

  11213 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 pressuremeasurement 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。

 

  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(gyromeasurement-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。

 

  井下随钻诊断系统.

 

  美国研究人员开发出了井下随钻诊断系统(di-agnostics-while-drilling,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。

 

  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(nuclearmagnetic resonance MWD tool,NMR-MWD),其原理是将核磁共振成像测井仪与MWD仪串接,在钻井过程中实时测量。

 

  11217 随钻地层测试技术随钻地层测试(formation testing while drill-ing,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。

 

  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(5)为21519~66014 mm[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0开采成本而得到推广应用。

 

  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101172 km,实现了厚度015 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5油气6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115~2倍(最低达到112倍),水平井的产量是直井的3~8倍。

 

  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0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shyb-220井,8个分支井筒储层段累积进尺达到1213 km,投产后日产原油1 90717m3。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。

 

  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101728 4 km,水平垂深比达6155。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0越来越大,钻井风险减小,钻井成功率大幅度提高。

 

  特殊工艺钻井技术.

 

  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[6]。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。

 

  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。

 

  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[7]。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StethoScope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。

 

  无风险钻井技术.

 

  无风险钻井(no drilling surprise,NDS)技术由斯伦贝谢公司研发,并得到商业化应用。NDS是通过钻前充分利用地震、邻井钻井、测井和录井等资料建立待钻井的地质模型,通过MWD和PWD实时监测井下环空压力、扭矩等各种参数来分析钻井情况,及早发现复杂事故发生的预兆,及时采取措施,预防复杂情况与事故的发生,从而优化钻井技术措施,减少或避免井涌、卡钻和井漏等复杂事故的发生,达到安全快速钻井的目的。

 

  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、窄密度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,6 km左右的深井平均钻井周期90 d左右,平均单井耗用钻头19只[4]。

 

  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。

 

  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PeriScope 15工具,能连续探测距钻头前方5 m处流体界面和地层的变化,具有360b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。

 

  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[8]。

 

  (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]。

 

  (3)德国SmartDrilling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。

 

  井下管材技术.

 

  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。

 

  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(589mm和5127 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88216 kN,实现了/机、电、液0一体化,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315 km,过油管侧钻井深度已达到5 km。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[9]。

 

  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514912 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。

 

  完井新技术.

 

  智能完井.

 

  智能井(SmartWell)是为了适应现代油藏经营新概念和信息技术在油气藏开采中的应用而发展起来的新技术。该技术特别适用于大位移、大斜度、水平井、多分支井、边远地区无人操作的油井及多层注采井以及电潜泵井。在过去的5 a中,智能完井系统的安装以每年27%的速度增长[10]。椐美国SFG公司预测,到2010年智能井市场将增加到6亿美元,到下一个10 a将超过10亿美元。

 

  自动膨胀封隔器完井新技术.

 

  Easywell公司研制出一种遇油气水自动膨胀的智能封隔器,适用于任何体系的钻井液环境,实现更加可靠、经济有效的层段隔离技术。该封堵器安装简单,无须任何工具和专门技能。自2001年首次使用以来,已经在1 000多口井中应用,故障率为零。