钻井新技术及发展方向分析
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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
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
,
< br>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<
/p>
,
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<
/p>
,
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
) ,<
/p>
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
(
d
iagnostics-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<
/p>
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
< br>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
,<
/p>
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
< br>2005
年
1
月开始商业化
服务
,
至
2008
< br>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
21
519
～
66014
mm
。
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<
/p>
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，<
/p>
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
< br>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
1907.7m
3
。
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、<
/p>
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，<
/p>
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
< br>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。<
/p>
最近威德福公司研制出降低当量循环密
度工具，
< br>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，
20
08
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