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

 

  石油鉆機.

 

  鉆機是實現鉆井目的最直接的裝備,也直接關系到鉆井技術進步。近年來,國外石油鉆機能力不斷增強,自動化配套進一步完善,使鉆機具備更健康、安全、環保的功能,并朝著不斷滿足石油工程需要的方向發展。主要進展有:

 

  (1)采用模塊化結構設計,套裝式井架,減少鉆機的占地面積,提高鉆機移運性能,降低搬家安裝費.

 

  (2)高性能的/機、電、液0一體化技術促進石油鉆機的功能進一步完善。

 

  (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,提高鉆機的智能化水平,為提高勞動生產率創造條件。

 

  隨鉆測量技術.

 

  隨鉆測量與隨鉆測井技術.

 

  21世紀以來,隨鉆測量(MWD)和隨鉆測井(LWD)技術處于強勢發展之中,系列不斷完善,其測量參數已逐步增加到近20種鉆井工程和地層參數,儀器距離鉆頭越來越近。與前幾年的技術相比,目前,近鉆頭傳感器離鉆頭只有015~2 m的距離,可靠性高,穩定性強,可更好地評價油、氣、水層,實時提供決策信息,有助于避免井下復雜情況的發生,引導井眼沿著最佳軌跡穿過油氣層。由于該技術的市場價值大,世界范圍內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家公司處于領先地位。

 

  電磁波傳輸式隨鉆測量技術.

 

  為適應氣體鉆井、泡沫鉆井和控壓鉆井等新技術快速發展的需要,電磁波傳輸MWD(electromag-netic MWD tools,EM MWD)技術研究與應用已有很大進展,測量深度已經達到41420 km。

 

  11213 隨鉆井底環空壓力測量技術為適應欠平衡鉆井監測井筒與儲層之間負壓差的需要,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空壓力,通過MWD或EMMWD實時將數據傳送到地面,指導欠平衡鉆井作業。

 

  隨鉆陀螺測試技術.

 

  美國科學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已經在美國的多分支井中成功應用數百口井,特別是在需要精確定向或對接井中起到了關鍵作用。

 

  井下隨鉆診斷系統.

 

  美國研究人員開發出了井下隨鉆診斷系統(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等各種參數測量儀器,高速實時數據傳輸系統及其相關的儀器,地面數據校驗和分析軟件。該系統可將井下地層和鉆井狀況與地面數據實時聯系起來,優化鉆井參數和井眼軌跡,指導鉆井作業,減少井下復雜情況的發生,提高速度,獲取最大鉆井效果。

 

  隨鉆核磁共振成像測井技術.

 

  哈里伯頓Sperry-Sun公司和Numar公司聯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 隨鉆地層測試技術隨鉆地層測試(formation testing while drill-ing,FTWD)技術是在鉆井過程中對儲層實施實時測量的一種新技術,其最大好處是節省鉆機時間,特別適合海上鉆井平臺,可降低費用。該技術由斯倫貝謝公司首創,于2005年1月開始商業化服務,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和商業化應用。

 

  隨鉆地震技術.

 

  隨鉆地震(seismic while drilling,SWD)技術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到地面的一種新技術,可用于實時構造解釋、地層評價、地質導向和井眼故障分析等,并可精確確定取心層位和套管應該封隔的地層位置,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]。

 

  復雜結構井鉆井技術.

 

  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量和采收率、降低/噸油0開采成本而得到推廣應用。

 

  水平井.

 

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

 

  多分支井、魚骨井和MRC技術多分支井技術已成熟配套,實現了系列化和標準化,可滿足各類油藏的開發需要,在降低開發成本、提高采收率等方面見到了很好的效果。國際上按完井技術滿足/連接性、分隔性、貫通性0的程度,以及結構由簡單到復雜,將分支井完井系統分為6級。實現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。據美國HIS能源集團統計,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,已經成為高效開發油氣藏的理想井型之一,并在美國煤層氣開采中成功應用。在魚骨井的基礎上提出了最大儲層接觸(maximum reservoir contact, MRC)鉆井技術,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。目前已經完成100多口MRC井,其中進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尺達到1213 km,投產后日產原油1 90717m3。目前世界上多家公司正在探索該技術在低滲透氣藏開發中的應用。

 

  大位移井技術.

 

  大位移井是定向井、水平井技術的延伸,主要應用于海上油田的開發和海油陸采。國外已成功地鉆成數百口大位移井,其中英國Wytch Farm油田的M16井的水平位移達101728 4 km,水平垂深比達6155。最近,BP公司把大位移井和多分支井有機結合在一起;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定性;斯倫貝謝公司提出大位移定向難度指數法理論;哈里伯頓公司用膨脹管技術封隔復雜地層,確保鉆達大位移井的靶位。大位移井的水平位移和/水垂比0越來越大,鉆井風險減小,鉆井成功率大幅度提高。

 

  特殊工藝鉆井技術.

 

  欠平衡和氣體鉆井技術.

 

  各種循環介質的欠平衡和氣體鉆井技術已在世界范圍內得到了廣泛應用,并將欠平衡、氣體鉆井與水平井和套管鉆井等技術結合起來,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防噴器、制氮設備、可循環泡沫、可循環氣體、套管控制閥和不壓井起下鉆作業裝置等,形成了一套適合欠平衡和氣體鉆井地層篩選與評價技術[6]。據最新資料統計,2007年美國欠平衡和氣體鉆井數約占當年總井數的28%,美國75%的井在鉆井過程中都安裝了旋轉控制頭,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、開發井、水平井和特殊工藝井等,有效發揮了發現和保護油氣層、減少工程復雜程度和提高鉆井速度的作用。

 

  套管鉆井技術.

 

  除表層套管和技術套管鉆井外,國外又發展了尾管鉆井技術,如貝克休斯公司的EZCase套管/襯管鉆井系統,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行鉆進,鉆達設計井深后不起鉆直接將尾管與鉆桿脫開留在井內完井。還發展了套管鉆井的取心作業、鋼絲繩換鉆頭和套管欠平衡鉆井等技術。目前,套管鉆井工藝可用于直井、定向井、水平井和開窗側鉆井中。Tesco公司套管鉆井節約鉆井時間30%以上。

 

  控制壓力鉆井技術.

 

  美國研究人員于20世紀90年代起開始研發控制壓力鉆井技術,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量循環密度(ECD)引發的鉆井問題,如在大位移井中ECD過高引發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系統進行欠平衡鉆井,其中又有四分之一的井是采用控制壓力鉆井理念進行鉆井的。最近威德福公司研制出降低當量循環密度工具,斯倫貝謝公司發展了隨鉆測量地層壓力的StethoScope技術,這些技術的發展為控制壓力鉆井技術注入了新的活力。

 

  無風險鉆井技術.

 

  無風險鉆井(no drilling surprise,NDS)技術由斯倫貝謝公司研發,并得到商業化應用。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模型,通過MWD和PWD實時監測井下環空壓力、扭矩等各種參數來分析鉆井情況,及早發現復雜事故發生的預兆,及時采取措施,預防復雜情況與事故的發生,從而優化鉆井技術措施,減少或避免井涌、卡鉆和井漏等復雜事故的發生,達到安全快速鉆井的目的。

 

  深井超深井鉆井技術.

 

  深井超深井鉆井技術是勘探開發深部油氣資源必不可少的關鍵技術,也是衡量一個國家或公司鉆井技術水平的重要標志之一。近年來,國外對深井鉆井技術研究的投入力度很大,技術發展迅速:先后發展并逐步完善了垂直鉆井、無風險鉆井、氣體鉆井、高效鉆頭、膨脹管和波紋管等高新技術,有效地解決了深井超深井易斜地層的快速鉆進、復雜地層的漏失、窄密度窗口安全鉆進和深層高研磨性地層提速等技術難題;大量采用非常規井身結構,拓展套管層次,應對鉆井風險;深井鉆井效率和探井發現率得到大幅度提高。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.

 

  自動化鉆井技術是21世紀鉆井技術的重要發展方向,包括井下自動化和地面鉆機自動化兩大部分。

 

  旋轉導向與地質導向技術.

 

  導向鉆井已從初級導向鉆井、地面人工控制的導向鉆井逐漸發展到目前的全自動井下閉環旋轉導向鉆井,也正是這一技術的發展,提高了復雜結構井、薄儲層等鉆井速度、質量和成功率。2008年美國導向鉆井使用量占到定向井總進尺的40%。

 

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

 

  (2)哈里伯頓公司于2000年2月研制出第二代旋轉導向系統(Geo-Pilot),該系統采用偏置鉆柱、不旋轉外筒式導向方式,同年10月份開始商業化應用,實現了井眼軌跡控制精確、水平井扭矩摩阻降低、井下復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導向系統,該技術把閉環導向技術與螺桿鉆具結合在一起,增加了旋轉導向馬達的鉆井能力,速度、可靠性和精度更好。該系統可精確地按設計鉆出井眼軌跡,可以用連續旋轉鉆井的方式在油藏內自動精確導向鉆達目標,實現了旋轉閉環鉆井。

 

  自動垂直鉆井技術.

 

  自動垂直鉆井(vertical drilling system,VDS)技術源于1988年原聯邦德國的大陸超深井科學鉆探計劃。近幾年,隨著旋轉導向技術進步,為解決高陡構造、斷層和鹽層等復雜易斜地質條件下深井防斜打快的難題,自動垂直鉆井技術得到快速發展。

 

  國外同類技術及產品已經相當成熟,并進入大規模商業化應用階段[8]。

 

  (1)貝克休斯公司的Verti-Trak系統。該系統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定器的閉環導向系統,其特點是鉆井過程中工具可根據實鉆井眼軌跡自動向鉆頭施加側向力,用以克服地層的自然造斜力,在保持井眼垂直的同時,解放鉆壓以提高機械鉆速。

 

  (2)斯倫貝謝公司的Power-V系統。該系統是Power Drive導向系統的低端產品,主要由電子測控件、機械和輔助裝置等3部分組成。根據井斜的變化Power-V系統自動調整促動儀器所發動的側力以及側力的方向使井斜快速返回垂直,在整個過程中系統100%旋轉,能夠大幅度提高井身質量和鉆井效率[3]。

 

  (3)德國SmartDrilling公司的ZBE5000系統。

 

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

 

  井下管材技術.

 

  膨脹管技術.

 

  膨脹管技術是近年發展起來的一項實用鉆井新技術,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、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主要工具的試驗,并研發兩項新技術: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,實現單井徑鉆井和建井。威德福公司把膨脹防砂網與層間封隔膨脹管用一段無縫管連接在一起形成一種聯合系統,并研制出一種高柔曲性的旋轉擴管系統。

 

  連續管技術.

 

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

 

  連續管鉆井深度已達315 km,過油管側鉆井深度已達到5 km。截至2008年底,全世界用連續管鉆井已超過11000口,預計今后每年用連續管技術鉆新井數量將達1000口左右[9]。

 

  2004年以來,美國石油鉆桿制造和應用技術的發展具體表現在研制和制造出了具有很高強度、撓性和耐用性而且質量輕、耐腐蝕強的碳纖維鉆桿和鈦合金鉆桿,可大容量、高速度傳輸井下數據的智能鉆桿,以及隔熱鉆桿和高強度514912 mm鉆桿等。

 

  另外,實時鉆桿遙測技術和鉆桿屈曲技術的研究也取得了巨大進展。

 

  完井新技術.

 

  智能完井.

 

  智能井(SmartWell)是為了適應現代油藏經營新概念和信息技術在油氣藏開采中的應用而發展起來的新技術。該技術特別適用于大位移、大斜度、水平井、多分支井、邊遠地區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,智能完井系統的安裝以每年27%的速度增長[10]。椐美國SFG公司預測,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.

 

  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境,實現更加可靠、經濟有效的層段隔離技術。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,已經在1 000多口井中應用,故障率為零。