鉆井工程作為石油天然氣勘探開發(fā)的主要手段和關(guān)鍵環(huán)節(jié),具有技術(shù)密集、高投資和高風(fēng)險的特點。鉆井費用占勘探開發(fā)總投資的50%以上,鉆井技術(shù)的優(yōu)劣和水平直接影響油氣勘探開發(fā)效益。伴隨著油氣勘探開發(fā)的深入,國外鉆井設(shè)備配套、工具儀器研發(fā)、鉆井高新技術(shù)研究與應(yīng)用得到了高度重視和快速發(fā)展,鉆井前沿技術(shù)不斷突破,儲備技術(shù)研究投資不斷加大。目前,鉆井技術(shù)不僅僅只是打開和建立油氣通道,已經(jīng)成為提高油氣井產(chǎn)量、提高采收率等增儲上產(chǎn)的新途徑和主要手段.

 

  石油鉆機(jī).

 

  鉆機(jī)是實現(xiàn)鉆井目的最直接的裝備,也直接關(guān)系到鉆井技術(shù)進(jìn)步。近年來,國外石油鉆機(jī)能力不斷增強(qiáng),自動化配套進(jìn)一步完善,使鉆機(jī)具備更健康、安全、環(huán)保的功能,并朝著不斷滿足石油工程需要的方向發(fā)展。主要進(jìn)展有:

 

  (1)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,套裝式井架,減少鉆機(jī)的占地面積,提高鉆機(jī)移運性能,降低搬家安裝費.

 

  (2)高性能的/機(jī)、電、液0一體化技術(shù)促進(jìn)石油鉆機(jī)的功能進(jìn)一步完善。

 

  (3)采用套管和鉆桿自動傳送、自動排放、鐵鉆工和自動送鉆等自動化工具,提高鉆機(jī)的智能化水平,為提高勞動生產(chǎn)率創(chuàng)造條件。

 

  隨鉆測量技術(shù).

 

  隨鉆測量與隨鉆測井技術(shù).

 

  21世紀(jì)以來,隨鉆測量(MWD)和隨鉆測井(LWD)技術(shù)處于強(qiáng)勢發(fā)展之中,系列不斷完善,其測量參數(shù)已逐步增加到近20種鉆井工程和地層參數(shù),儀器距離鉆頭越來越近。與前幾年的技術(shù)相比,目前,近鉆頭傳感器離鉆頭只有015~2 m的距離,可靠性高,穩(wěn)定性強(qiáng),可更好地評價油、氣、水層,實時提供決策信息,有助于避免井下復(fù)雜情況的發(fā)生,引導(dǎo)井眼沿著最佳軌跡穿過油氣層。由于該技術(shù)的市場價值大,世界范圍內(nèi)有幾十家公司參與市場競爭,其中斯倫貝謝、哈里伯頓和貝克休斯3家公司處于領(lǐng)先地位。

 

  電磁波傳輸式隨鉆測量技術(shù).

 

  為適應(yīng)氣體鉆井、泡沫鉆井和控壓鉆井等新技術(shù)快速發(fā)展的需要,電磁波傳輸MWD(electromag-netic MWD tools,EM MWD)技術(shù)研究與應(yīng)用已有很大進(jìn)展,測量深度已經(jīng)達(dá)到41420 km。

 

  11213 隨鉆井底環(huán)空壓力測量技術(shù)為適應(yīng)欠平衡鉆井監(jiān)測井筒與儲層之間負(fù)壓差的需要,哈里伯頓、斯倫貝謝和威德福等公司研制出了隨鉆井底環(huán)空壓力測量儀(annular pressuremeasurement while drilling,APWD),在鉆井過程中可以實時測量井底環(huán)空壓力,通過MWD或EMMWD實時將數(shù)據(jù)傳送到地面,指導(dǎo)欠平衡鉆井作業(yè)。

 

  隨鉆陀螺測試技術(shù).

 

  美國科學(xué)鉆井公司將航天精確陀螺定向儀封裝在MWD儀器中研制出隨鉆陀螺測試儀(gyromeasurement-while-drilling,gMWD),截至2007年底,gMWD已經(jīng)在美國的多分支井中成功應(yīng)用數(shù)百口井,特別是在需要精確定向或?qū)泳衅鸬搅岁P(guān)鍵作用。

 

  井下隨鉆診斷系統(tǒng).

 

  美國研究人員開發(fā)出了井下隨鉆診斷系統(tǒng)(di-agnostics-while-drilling,DWD),包括井下溫度、壓力、鉆頭鉆壓、鉆頭扭矩、井斜方位和地層參數(shù)等各種參數(shù)測量儀器,高速實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及其相關(guān)的儀器,地面數(shù)據(jù)校驗和分析軟件。該系統(tǒng)可將井下地層和鉆井狀況與地面數(shù)據(jù)實時聯(lián)系起來,優(yōu)化鉆井參數(shù)和井眼軌跡,指導(dǎo)鉆井作業(yè),減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生,提高速度,獲取最大鉆井效果。

 

  隨鉆核磁共振成像測井技術(shù).

 

  哈里伯頓Sperry-Sun公司和Numar公司聯(lián)合研制出了隨鉆核磁共振成像測井儀器(nuclearmagnetic resonance MWD tool,NMR-MWD),其原理是將核磁共振成像測井儀與MWD儀串接,在鉆井過程中實時測量。

 

  11217 隨鉆地層測試技術(shù)隨鉆地層測試(formation testing while drill-ing,FTWD)技術(shù)是在鉆井過程中對儲層實施實時測量的一種新技術(shù),其最大好處是節(jié)省鉆機(jī)時間,特別適合海上鉆井平臺,可降低費用。該技術(shù)由斯倫貝謝公司首創(chuàng),于2005年1月開始商業(yè)化服務(wù),至2008年底,已使用300余井次,效果良好。目前已有幾家公司投入研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用。

 

  隨鉆地震技術(shù).

 

  隨鉆地震(seismic while drilling,SWD)技術(shù)是將地震檢波器置于井下鉆具上,在鉆井過程中對地層實施地震波測量并實時傳輸?shù)降孛娴囊环N新技術(shù),可用于實時構(gòu)造解釋、地層評價、地質(zhì)導(dǎo)向和井眼故障分析等,并可精確確定取心層位和套管應(yīng)該封隔的地層位置,提高勘探效果,降低成本。斯倫貝謝公司用了15 a時間于2003年研制成功,可用井眼尺寸(5)為21519~66014 mm[3]。

 

  復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井技術(shù).

 

  水平井、多分支井和魚骨井由于可提高油氣藏暴露面積,有利于提高油氣井產(chǎn)量和采收率、降低/噸油0開采成本而得到推廣應(yīng)用。

 

  水平井.

 

  水平井從20世紀(jì)80年代大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用以來,全世界已完成50000多口水平井。2008年美國鉆了7194口水平井,占年鉆井總數(shù)的12%;加拿大2008年鉆水平井?dāng)?shù)量占年鉆井?dāng)?shù)的18%。美國水平井最大水平段長61118 km,最大垂深61062 km,最大單井進(jìn)尺101172 km,實現(xiàn)了厚度015 m以下薄油層有效動用,水平井油層鉆遇率和地質(zhì)效果得到極大地提高。根據(jù)美國5油氣6雜志統(tǒng)計,53%的水平井用于裂縫性油藏的開發(fā),33%用于底水或氣頂油藏的開發(fā)。美國水平井鉆井成本已降至直井的115~2倍(最低達(dá)到112倍),水平井的產(chǎn)量是直井的3~8倍。

 

  多分支井、魚骨井和MRC技術(shù)多分支井技術(shù)已成熟配套,實現(xiàn)了系列化和標(biāo)準(zhǔn)化,可滿足各類油藏的開發(fā)需要,在降低開發(fā)成本、提高采收率等方面見到了很好的效果。國際上按完井技術(shù)滿足/連接性、分隔性、貫通性0的程度,以及結(jié)構(gòu)由簡單到復(fù)雜,將分支井完井系統(tǒng)分為6級。實現(xiàn)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。據(jù)美國HIS能源集團(tuán)統(tǒng)計,截至2007年,全世界共鉆多分支井6 895口,其中美國4128口,加拿大2076口。

 

  魚骨井屬于多分支井的范疇,已經(jīng)成為高效開發(fā)油氣藏的理想井型之一,并在美國煤層氣開采中成功應(yīng)用。在魚骨井的基礎(chǔ)上提出了最大儲層接觸(maximum reservoir contact, MRC)鉆井技術(shù),MRC井是指一口井在儲層中的累積長度(單井筒或多分支井筒)超過5 km的井。目前已經(jīng)完成100多口MRC井,其中進(jìn)尺最長的是位于沙特阿拉伯Shaybah油田的shyb-220井,8個分支井筒儲層段累積進(jìn)尺達(dá)到1213 km,投產(chǎn)后日產(chǎn)原油1 90717m3。目前世界上多家公司正在探索該技術(shù)在低滲透氣藏開發(fā)中的應(yīng)用。

 

  大位移井技術(shù).

 

  大位移井是定向井、水平井技術(shù)的延伸,主要應(yīng)用于海上油田的開發(fā)和海油陸采。國外已成功地鉆成數(shù)百口大位移井,其中英國Wytch Farm油田的M16井的水平位移達(dá)101728 4 km,水平垂深比達(dá)6155。最近,BP公司把大位移井和多分支井有機(jī)結(jié)合在一起;埃克森美孚公司定量研究了大位移井眼軌跡方向與井壁穩(wěn)定性;斯倫貝謝公司提出大位移定向難度指數(shù)法理論;哈里伯頓公司用膨脹管技術(shù)封隔復(fù)雜地層,確保鉆達(dá)大位移井的靶位。大位移井的水平位移和/水垂比0越來越大,鉆井風(fēng)險減小,鉆井成功率大幅度提高。

 

  特殊工藝鉆井技術(shù).

 

  欠平衡和氣體鉆井技術(shù).

 

  各種循環(huán)介質(zhì)的欠平衡和氣體鉆井技術(shù)已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用,并將欠平衡、氣體鉆井與水平井和套管鉆井等技術(shù)結(jié)合起來,取得顯著效果。

 

  欠平衡鉆井裝備已逐步完善配套了包括旋轉(zhuǎn)防噴器、制氮設(shè)備、可循環(huán)泡沫、可循環(huán)氣體、套管控制閥和不壓井起下鉆作業(yè)裝置等,形成了一套適合欠平衡和氣體鉆井地層篩選與評價技術(shù)[6]。據(jù)最新資料統(tǒng)計,2007年美國欠平衡和氣體鉆井?dāng)?shù)約占當(dāng)年總井?dāng)?shù)的28%,美國75%的井在鉆井過程中都安裝了旋轉(zhuǎn)控制頭,90%的煤層氣井采用空氣鉆井。欠平衡和氣體鉆井已用于探井、開發(fā)井、水平井和特殊工藝井等,有效發(fā)揮了發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層、減少工程復(fù)雜程度和提高鉆井速度的作用。

 

  套管鉆井技術(shù).

 

  除表層套管和技術(shù)套管鉆井外,國外又發(fā)展了尾管鉆井技術(shù),如貝克休斯公司的EZCase套管/襯管鉆井系統(tǒng),它通過鉆桿丟手工具連接尾管懸掛器,用尾管部分代替鉆柱進(jìn)行鉆進(jìn),鉆達(dá)設(shè)計井深后不起鉆直接將尾管與鉆桿脫開留在井內(nèi)完井。還發(fā)展了套管鉆井的取心作業(yè)、鋼絲繩換鉆頭和套管欠平衡鉆井等技術(shù)。目前,套管鉆井工藝可用于直井、定向井、水平井和開窗側(cè)鉆井中。Tesco公司套管鉆井節(jié)約鉆井時間30%以上。

 

  控制壓力鉆井技術(shù).

 

  美國研究人員于20世紀(jì)90年代起開始研發(fā)控制壓力鉆井技術(shù),主要用于解決裂縫性、巖溶性碳酸鹽巖等地層鉆井過程中的惡性井漏及當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)引發(fā)的鉆井問題,如在大位移井中ECD過高引發(fā)的井漏和窄密度安全窗口問題等[7]。2007年,美國陸上有四分之一的井是利用密閉循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行欠平衡鉆井,其中又有四分之一的井是采用控制壓力鉆井理念進(jìn)行鉆井的。最近威德福公司研制出降低當(dāng)量循環(huán)密度工具,斯倫貝謝公司發(fā)展了隨鉆測量地層壓力的StethoScope技術(shù),這些技術(shù)的發(fā)展為控制壓力鉆井技術(shù)注入了新的活力。

 

  無風(fēng)險鉆井技術(shù).

 

  無風(fēng)險鉆井(no drilling surprise,NDS)技術(shù)由斯倫貝謝公司研發(fā),并得到商業(yè)化應(yīng)用。NDS是通過鉆前充分利用地震、鄰井鉆井、測井和錄井等資料建立待鉆井的地質(zhì)模型,通過MWD和PWD實時監(jiān)測井下環(huán)空壓力、扭矩等各種參數(shù)來分析鉆井情況,及早發(fā)現(xiàn)復(fù)雜事故發(fā)生的預(yù)兆,及時采取措施,預(yù)防復(fù)雜情況與事故的發(fā)生,從而優(yōu)化鉆井技術(shù)措施,減少或避免井涌、卡鉆和井漏等復(fù)雜事故的發(fā)生,達(dá)到安全快速鉆井的目的。

 

  深井超深井鉆井技術(shù).

 

  深井超深井鉆井技術(shù)是勘探開發(fā)深部油氣資源必不可少的關(guān)鍵技術(shù),也是衡量一個國家或公司鉆井技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。近年來,國外對深井鉆井技術(shù)研究的投入力度很大,技術(shù)發(fā)展迅速:先后發(fā)展并逐步完善了垂直鉆井、無風(fēng)險鉆井、氣體鉆井、高效鉆頭、膨脹管和波紋管等高新技術(shù),有效地解決了深井超深井易斜地層的快速鉆進(jìn)、復(fù)雜地層的漏失、窄密度窗口安全鉆進(jìn)和深層高研磨性地層提速等技術(shù)難題;大量采用非常規(guī)井身結(jié)構(gòu),拓展套管層次,應(yīng)對鉆井風(fēng)險;深井鉆井效率和探井發(fā)現(xiàn)率得到大幅度提高。美國2007年完成415 km以上的深井1485口,2008年達(dá)到1610口,6 km左右的深井平均鉆井周期90 d左右,平均單井耗用鉆頭19只[4]。

 

  自動化鉆井技術(shù).

 

  自動化鉆井技術(shù)是21世紀(jì)鉆井技術(shù)的重要發(fā)展方向,包括井下自動化和地面鉆機(jī)自動化兩大部分。

 

  旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向與地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù).

 

  導(dǎo)向鉆井已從初級導(dǎo)向鉆井、地面人工控制的導(dǎo)向鉆井逐漸發(fā)展到目前的全自動井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井,也正是這一技術(shù)的發(fā)展,提高了復(fù)雜結(jié)構(gòu)井、薄儲層等鉆井速度、質(zhì)量和成功率。2008年美國導(dǎo)向鉆井使用量占到定向井總進(jìn)尺的40%。

 

  (1)斯倫貝謝公司于2002年推出了第二代導(dǎo)向工具(Power Drive Xtra),該工具采用偏置鉆頭的導(dǎo)向方式。2005年又推出新一代近鉆頭隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向PeriScope 15工具,能連續(xù)探測距鉆頭前方5 m處流體界面和地層的變化,具有360b測量和成像能力。經(jīng)美國康菲石油公司現(xiàn)場應(yīng)用統(tǒng)計,PeriScope15在薄儲層鉆遇率由常規(guī)MWD/LWD技術(shù)的50% ~ 60%提高到93%,產(chǎn)量比預(yù)期值提高60%。

 

  (2)哈里伯頓公司于2000年2月研制出第二代旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(Geo-Pilot),該系統(tǒng)采用偏置鉆柱、不旋轉(zhuǎn)外筒式導(dǎo)向方式,同年10月份開始商業(yè)化應(yīng)用,實現(xiàn)了井眼軌跡控制精確、水平井扭矩摩阻降低、井下復(fù)雜和卡鉆事故等減少的目的。

 

  (3)貝克休斯公司于2002年推出第三代Auto-Trak導(dǎo)向系統(tǒng),該技術(shù)把閉環(huán)導(dǎo)向技術(shù)與螺桿鉆具結(jié)合在一起,增加了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向馬達(dá)的鉆井能力,速度、可靠性和精度更好。該系統(tǒng)可精確地按設(shè)計鉆出井眼軌跡,可以用連續(xù)旋轉(zhuǎn)鉆井的方式在油藏內(nèi)自動精確導(dǎo)向鉆達(dá)目標(biāo),實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井。

 

  自動垂直鉆井技術(shù).

 

  自動垂直鉆井(vertical drilling system,VDS)技術(shù)源于1988年原聯(lián)邦德國的大陸超深井科學(xué)鉆探計劃。近幾年,隨著旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)進(jìn)步,為解決高陡構(gòu)造、斷層和鹽層等復(fù)雜易斜地質(zhì)條件下深井防斜打快的難題,自動垂直鉆井技術(shù)得到快速發(fā)展。

 

  國外同類技術(shù)及產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)成熟,并進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用階段[8]。

 

  (1)貝克休斯公司的Verti-Trak系統(tǒng)。該系統(tǒng)是采用井下傾角傳感器和對付地層自然造斜趨勢的膨脹式穩(wěn)定器的閉環(huán)導(dǎo)向系統(tǒng),其特點是鉆井過程中工具可根據(jù)實鉆井眼軌跡自動向鉆頭施加側(cè)向力,用以克服地層的自然造斜力,在保持井眼垂直的同時,解放鉆壓以提高機(jī)械鉆速。

 

  (2)斯倫貝謝公司的Power-V系統(tǒng)。該系統(tǒng)是Power Drive導(dǎo)向系統(tǒng)的低端產(chǎn)品,主要由電子測控件、機(jī)械和輔助裝置等3部分組成。根據(jù)井斜的變化Power-V系統(tǒng)自動調(diào)整促動儀器所發(fā)動的側(cè)力以及側(cè)力的方向使井斜快速返回垂直,在整個過程中系統(tǒng)100%旋轉(zhuǎn),能夠大幅度提高井身質(zhì)量和鉆井效率[3]。

 

  (3)德國SmartDrilling公司的ZBE5000系統(tǒng)。

 

  該系統(tǒng)可以選配井下馬達(dá),裝配有特殊設(shè)計的支撐翼肋保證在硬或軟地層中具有良好的導(dǎo)向性能,確保井眼垂直。

 

  井下管材技術(shù).

 

  膨脹管技術(shù).

 

  膨脹管技術(shù)是近年發(fā)展起來的一項實用鉆井新技術(shù),分為實體膨脹管(SET)、膨脹割縫管(EST)和膨脹防砂管(ESS)3大類,主要用于油井修復(fù)、完井和建新井。最近,億萬奇公司成功地完成了膨脹管單一井徑建井系統(tǒng)主要工具的試驗,并研發(fā)兩項新技術(shù):一是用厚壁管作膨脹管,這種管材的厚度增加了25%~50%,其抗擠毀能力可增加30%~50%;二是彈性膨脹管技術(shù),實現(xiàn)單井徑鉆井和建井。威德福公司把膨脹防砂網(wǎng)與層間封隔膨脹管用一段無縫管連接在一起形成一種聯(lián)合系統(tǒng),并研制出一種高柔曲性的旋轉(zhuǎn)擴(kuò)管系統(tǒng)。

 

  連續(xù)管技術(shù).

 

  連續(xù)管鉆井為短半徑、大位移、多側(cè)向的水平鉆井和欠平衡、小井眼鉆井提供了安全、先進(jìn)、有效的技術(shù)手段,用連續(xù)管鉆定向井的費用是常規(guī)方法的25%~75%。美國已研制出高強(qiáng)度大直徑(589mm和5127 mm)連續(xù)管、小直徑井下馬達(dá)、高扭矩導(dǎo)向工具和多路傳輸接頭等工具,注入頭的最大拉力已經(jīng)達(dá)到88216 kN,實現(xiàn)了/機(jī)、電、液0一體化,自動化程度高,作業(yè)軟件功能齊全,井下工具先進(jìn)。

 

  連續(xù)管鉆井深度已達(dá)315 km,過油管側(cè)鉆井深度已達(dá)到5 km。截至2008年底,全世界用連續(xù)管鉆井已超過11000口,預(yù)計今后每年用連續(xù)管技術(shù)鉆新井?dāng)?shù)量將達(dá)1000口左右[9]。

 

  2004年以來,美國石油鉆桿制造和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展具體表現(xiàn)在研制和制造出了具有很高強(qiáng)度、撓性和耐用性而且質(zhì)量輕、耐腐蝕強(qiáng)的碳纖維鉆桿和鈦合金鉆桿,可大容量、高速度傳輸井下數(shù)據(jù)的智能鉆桿,以及隔熱鉆桿和高強(qiáng)度514912 mm鉆桿等。

 

  另外,實時鉆桿遙測技術(shù)和鉆桿屈曲技術(shù)的研究也取得了巨大進(jìn)展。

 

  完井新技術(shù).

 

  智能完井.

 

  智能井(SmartWell)是為了適應(yīng)現(xiàn)代油藏經(jīng)營新概念和信息技術(shù)在油氣藏開采中的應(yīng)用而發(fā)展起來的新技術(shù)。該技術(shù)特別適用于大位移、大斜度、水平井、多分支井、邊遠(yuǎn)地區(qū)無人操作的油井及多層注采井以及電潛泵井。在過去的5 a中,智能完井系統(tǒng)的安裝以每年27%的速度增長[10]。椐美國SFG公司預(yù)測,到2010年智能井市場將增加到6億美元,到下一個10 a將超過10億美元。

 

  自動膨脹封隔器完井新技術(shù).

 

  Easywell公司研制出一種遇油氣水自動膨脹的智能封隔器,適用于任何體系的鉆井液環(huán)境,實現(xiàn)更加可靠、經(jīng)濟(jì)有效的層段隔離技術(shù)。該封堵器安裝簡單,無須任何工具和專門技能。自2001年首次使用以來,已經(jīng)在1 000多口井中應(yīng)用,故障率為零。