钻完井装备技术与发展趋势

钻完井装备技术与发展趋势第一页，共70页。钻完井装备技术及发展趋势二○一五年五月——油气装备现代设计与仿真实验室第二页，共70页。汇报内容第三页，共70页。1521年之前人工掘井1835年人力顿钻1859年1901年机械顿钻1920年1948年1968年旋转钻井一、钻井技术装备1.1钻井的发展历程第四页，共70页。旋转钻井特点：旋转过程破岩;同时循环钻井液清洁井底;破岩效率高;发展历程：1901192019481968至今概念时期发展时期科学化钻井时期自动化钻井时期1.1钻井的发展历程第五页，共70页。旋转钻井自动化钻井时期：电子仪表、自动测量及计算机的广泛应用综合录井、随钻测量地质和自动导向自动化钻机、井口工具井眼轨迹遥控、自动闭环控制小井眼、欠平衡压力钻井连续管钻井1.1钻井的发展历程第六页，共70页。1.2现代钻井装备现代钻井系统地面：钻机固控系统井控设备地下：钻柱钻头现代钻井系统组成图八大系统起升系统旋转系统钻井液循环系统传动系统控制系统动力驱动系统钻机底座钻机辅助设备系统第七页，共70页。先进钻井技术综合技术定向井、水平井、大位移井分支井深井、超深井深海钻井专项技术欠平衡钻井小井眼钻井地质导向钻井挠性连续管钻井1.2现代钻井装备第八页，共70页。新型钻井系统地面：自动送钻系统连续循环系统液压顶驱驱动钻井系统数字化自动钻井系统地下：井下防喷器井下偏置导向工具定向工具新型钻井系统组成图1.3新型钻井装备技术第九页，共70页。自动排管系统自动排管系统自动铁钻工钻台排管机器人通过井口自动化系统实现钻井的自动化和智能化，以提高作业效率，降低作业风险和运营成本。第十页，共70页。闭环连续循环钻井系统不间断循环钻井系统实现了接单根或立根期间泥浆的不间断循环；适用于窄密度窗口井、海洋深水钻井、大位移井、水平井、欠平衡井、高温高压井及天然气水合物的开采；组成：主机，分流装置，动力单元及控制系统组成；主机：动力钳、强行起下装置、防喷器组和动力卡瓦；优势：消除压力波动、改善ECD控制、消除岩屑沉降、气体聚集影响连续循环系统主机连续循环系统组成

连续循环阀结构组成分流控制管路第十一页，共70页。全液压驱动的顶部驱动钻井系统顶部驱动钻井系统组成：水龙头；液控钻具防喷器；钻井马达总成；钻杆上卸扣装置；液压动力系统；优势：全液压顶部驱动装置是当今石油钻井最前沿的技术与装备；钻井效率高；连续旋转和循环降低了钻井风险；有利于井控、安全性高；已用于2000米到9000米的井深；代表着自动化钻井的发展方向；

液压顶部驱动装置原理图安装布局第十二页，共70页。数字化自动钻井系统钻井装置自动控制系统自动防碰撞系统；井场视频监控；远程视频会议系统；GPS定位；实时数据传输系统；实现对现场作业环节实时监测和动态管理；优势：提高了工作效率降低了管理成本提高了管理效能数字化、自动化司钻室第十三页，共70页。智能钻杆技术国外产品性能特点传输速率：57Kbit/s~2Mbit/s传输深度：无深度限制工作温度：150℃智能钻杆信号接力与放大器顶部旋转通讯短节地面数据处理系统系统组成第十四页，共70页。井下偏置导向工具组成：不旋转外套旋转心轴优点：可实现钻井过程中结构弯角、特别是井斜角和方位角的精确控制应用：高难度定向井、水平井、大位移井和水平分支井等；1.3新型钻井装备技术井下偏执导向工具第十五页，共70页。旋转导向系统BakerHughes公司的AutoTrak曲线旋转导向可一趟快速钻井井眼垂直段+曲线段+水平段，造斜率达15º/100ft，提速提效显著；高造斜率混合式旋转导向系统PowerDriveX6，钻井液推靠垫块与偏心导向轴结合，不受井下环境影响，可在任意井斜角完成高造斜率的造斜。BakerHughes公司的AutoTrakSchlunberger公司的PowerDriveHalliburton的Geo-Pilo第十六页，共70页。泥浆泵－大功率、结构紧凑、压力平稳，能耗低、噪音小NOV研制的Hex-240六缸泵结构紧凑，主要用于海洋平台，独特的六边形设计使得泥浆压力波动小，有利于LWD、螺杆钻具等井下工具的工作；AkerWirth研制的WirthTPK-2200泥浆泵采用单电机结构，有效减轻了重量液力端缸套和阀盖点的液压锁紧技术：更换缸套或阀盖时只要打开泄压阀，排泄掉缸套螺母或阀盖螺母内的液压油，缸套或阀盖很容易拆卸，省时省力。WirthTPK-2200泥浆泵NOVHex-240六缸泵第十七页，共70页。钻头优化设计动态分析软件Halliburton公司PDC钻头动态仿真软件Smith公司集成动态工程分析系统(IDEAS)钻头设计软件和钻头水力系统仿真软件。VarelInternational公司钻头闭环设计软件

HalliburtonSecurityDBS公司“DirectionbyDesign”钻头设计软件程序。

Varel公司SPOT4D软件CFD仿真软件第十八页，共70页。NOVReedHycalog公司旋转导向钻头NOV公司超硬热稳定切削齿高效率钻井的破岩钻头新型钻头能量平衡、合力平衡钻头；定向、旋转导向以及空气钻井钻头；切削深度控制技术；牙轮切削齿高能量抛光(HET)工艺；高性能钻头切削齿；钻头切削齿耐冲击、高抗磨性。SE3000™钻头第十九页，共70页。BakerHughes公司KymeraHybridBitBakerHughes公司开发出集牙轮和PDC钻头优点于一体的新一代Kymera复合钻头；Smith公司推出适应页岩钻进的钢体式聚晶PDC钻头—Spear钻头，专为泥页岩地层设计，能快速、有效地钻进弯曲段和长水平段；Halliburdon公司的SteelForce钢胎体固定齿钻头,比碳化物合金更有韧性,新型表面堆焊硬合金工艺延长了钻头寿命，切削齿提供抗研磨性和抗冲击性。Smith公司SpearbitsHalliburdon公司的SteelForce钻头第二十页，共70页。MicroCOREBits微芯钻头(MicroCORE)优势：微芯钻头能随钻切取小直径岩心，提高破岩效率；用于深部坚硬地层和高温高压井，现场应用提速40%～80%。能够连续提供较大的高质量岩心碎块（直径10×30mm微型岩心）。第二十一页，共70页。控压钻井-钻井节流阀组成：阀芯阀座作用：提高井眼控制能力；控制井口返出的钻井液，把套压值控制在设计范围内；与常规钻井井控作业相比，其工作时间更长。1.3新型钻井装备技术新泰液动/手动节流阀工作原理示意图T3EnergyServices现场应用第二十二页，共70页。宝石机械的ZJ120/9000DB钻机宝石机械的ZJ120/9000DB钻机钻深能力由1000-7000m发展到12000m；驱动方式由机械驱动发展到电驱动；国内新型钻机宏华钻机-电驱、直驱四川宏华的10000米钻机高度智能化、自动化；20层楼高、自重1000吨设计钻井深度10000米；节约超过1/3的操作人员第二十三页，共70页。Huisman公司的LOC400套管钻机Tesco公司的CDR250HA套管钻机套管钻井技术主要用于漏失、易垮塌等复杂地层的特殊井段；与套管钻井工艺配套的套管钻机取消了常规的钻杆，用套管代替钻杆进行钻井；采用复合型液压动力，钻井效率提高20-50%；加拿大Tesco公司、荷兰Huisman公司的套管钻机为复合型液压动力套管钻机。套管钻井钻机TESCO套管夹持器Tesco公司CRD250HA4000m12车

Huisman公司LOC2503500m17车；

LOC4006096m22车第二十四页，共70页。德国的Bentec公司ClusterSliderHR5000钻机；美国Parker公司Yastreb钻机工作条件满足-45—50℃，储存满足-60℃要求；主要承载件和影响人身安全的零部件均采用抗低温材料；油箱等采用自动恒温控制装置，配套保温和加热系统；美国Parker公司的Yastreb滑道式极地钻机德国Bentec公司的ClusterSliderTMHR5000轮轨式极地钻机低温钻机第二十五页，共70页。钻机合理的分解为多个模块，适合直升机吊装组合，快速链接；适用于山地、丛林、沼泽、滩涂、岛屿和沙漠腹地等无公路或正常运输难以到达的油区；减少植被破坏，保护原油区的生态环境；缩短钻井周期，降低钻井成本；主要有加拿大Nabors公司、美国Parker钻井公司等厂商。Nabors的Rig105E,Rig99AC直升机吊装钻机直升机吊装钻机第二十六页，共70页。全液压钻机意大利Drillmec公司HH系列液压钻机全球技术领先；全新模式驱动—全液压驱动、高移运性能；具有高度机械化、智能化操作；自动化程度高，提高钻井效率约30%，能有效避免卡钻事故；钻井费用下降40%，搬家费用下降50%，占地面积下降40%，2人操作；Soilmec公司的HH300液压钻机：额定功率1542hp，大钩静载272t，钻深5500米。Soilmec公司的HH300液压钻机Soilmec公司G100液压钻机；额定功率：383-561hp，大钩静载100t；亚洲第一台液压智能钻机第二十七页，共70页。NOV的拖挂钻机拖挂式钻机轮式移动装置，实现了中深井钻机（4000～7000m）百公里内3～5天完成搬家开钻，近距离时可实现当天搬家当天开钻；第二十八页，共70页。斜井钻机是浅层钻井的理想机型斜井钻机可利用井架倾斜一定角度后，由地面开始钻斜井，完成斜直井、斜定向井；适合人烟稠密地区、农田、建筑物等地下浅层油气资源的开发。斜井钻机由于其高移运性、高机械化程度，在浅稠油区的斜井或水平井的勘探开发上具有优势。无猫道自动斜井钻机第二十九页，共70页。齿轮齿条钻机无绞车、大钩、钻井钢丝绳,传动传动效率比常规的石油钻机高15%以上；结构紧凑、工作可靠，效率高，移运性好；节能、采购成本、使用成本低，作业效率高；是当前便于运输的中小型钻机。AmericanAugers公司的VR-500齿轮齿条钻机第三十页，共70页。连续管钻机不需要接单根，钻井速度快，效率高；可实现不间断循环钻井作业，安全性能好，可靠性高，环境污染小；井场占地面积小、搬迁速度快；钻机重量轻、耗材少、符合减重化、节约化的要求；加拿大FOREMOST公司生产的连续管钻机，适应的最大管径是3-1/2”，注入头最大提升能力90吨，顶驱最大提升能力136吨，钻深达到3000米是目前世界最先进的连续管钻机。FOREMOST公司的连续管钻机CT钻机第三十一页，共70页。连续运动钻机（CMR）挪威油井集团旗下的Ｗest钻井产品公司研制的新型双井架自动钻机；作业效率高、钻井成本低；主要部件：双井架，两个井架机器人，两套提升系统，两套自动管子操作设备提升能力高达750吨；钻杆下入速度1800-3600米/小时，套管下入达速度900米/小时，钻井作业过程全自动。常规钻机（左）连续起下钻及连续循环钻机（右）CMR钻机的主要构件CMR钻机钻杆连接与连续起下钻过程第三十二页，共70页。陆地钻机的发展趋势钻深、提升能力配备大型化；高度模块化、移运便捷化；结构小型化、重量轻型化；操作自动化、控制智能化；功能特殊化、工况复杂化；非常重视节能和环保；第三十三页，共70页。Schlumberger公司的Power-VSmartDrilling公司的”Scout”BakerHughes公司的VertiTrak自动垂直钻井系统依靠其自动闭环控制能力，实现主动防斜，成功地解决了高陡构造、断层、盐层等情况下直井段钻进时的井眼质量问题。自动垂直钻井是油气工业最主要的钻井技术之一，并继续向信息化、智能化及自动化方向发展。自动垂直钻井系统BakerHughes公司的VertiTrak系统Schlumberger公司的Power-V系统SmartDrilling公司的”Scout”系统第三十四页，共70页。新型钻井技术岩屑回注技术(CuttingsRe-Injection)M-ISWACO公司的岩屑回注安全工艺CRI技术：将钻屑研磨后处理成可以泵送的浆体，再通过回注泵注入到合适地层中；岩屑回注系统:岩屑传输系统、浆体处理单元、回注浆罐单元、回注泵单元；环空回注和管柱回注两种形式岩屑环形回注示意图第三十五页，共70页。泥浆冲洗及螺旋岩屑传输真空岩屑收集系统清洁气动岩屑收集系统移动废水重注系统岩屑回注技术第三十六页，共70页。控压钻井技术Weatherford公司的精确控压钻井技术系统，Schlumberger

公司的动态环空压力控制系统和Halliburton公司的自动节流控压钻井系统使控压钻井进入自动精细控制阶段；控压钻井是钻井方式和井控技术的一次突破，已成为解决塌、漏、涌、喷、卡等复杂问题的有效手段和解决窄密度窗口难题的关键技术。Weatherford公司精确控压钻井系统流程图Schlumberger公司动态环空压力控制系统Halliburdon公司自动节流控压钻井系统第三十七页，共70页。无隔水管钻井技术-双壁同心钻杆钻井技术挪威Reelwell公司推出了无隔水管钻井技术；主要组成;管中管、顶驱配合接头、井下双浮阀、地面流量控制装置；优点：钻井液管内循环；不用隔水管减小浮式钻井装置的承重，降低深水钻井成本；可用于深水和超深水钻井；实施自动控压钻井，提高作业安全性；数据传输速率高，双向通讯更畅通。绝缘处理管中管充当同轴电缆第三十八页，共70页。海底钻机（SeabedRig）实现全自自动钻井，装备密封舱设计，通过钻井船连接的“脐带”提供动力和循环液以及实现有效钻井。对天气和水深不敏感；集装箱式模块化设计，采用标准的钻井程序和带接头的管材。RoboticDrillingSystemSeabedRigInstallationSeabedRiggerPipehandlingSeabedRigClosedCleaning第三十九页，共70页。獾式钻探器钻井过程示意图无钻机钻井技术挪威国家石油公司研制；主要组成：钻头，防钻头失速及钻压控制器，井下电动钻具和减速器，地面或者海底电缆，随钻测井系统，电缆存放及施放装置，岩屑输送及压缩系统；优点：无陆地钻机或者海上钻井平台；无钻杆，不需起下钻；无需钻井液，对环境无污染，地层不受伤害；不用套管和水泥固井，井筒由岩屑填充和封固；獾式钻探器第四十页，共70页。激光钻井技术激光钻机利用激光器发出的能量，能烧穿软岩石矿物质固体材料；其穿透速度至少是目前常规钻井的100倍；精度高，范围大，具有很高的输出功率。可以解决井控、侧钻和定向钻井等问题。提高机械钻速，适用于钻很深的油气井，且成本较低。激光三维旋转钻头激光破岩第四十一页，共70页。隔水管系统隔水管采用轻质高强度合金材料，减轻钻井平台负载，增加隔水管下水深度；快速连接，减少隔水管起下时间，；单根长度增加，目前隔水管长度已由75ft增加到90ft；直径小型化，21″→16″→14-3/4″，用于更深的水域；挠性接头分流器Cameron的隔水管系统总成第四十二页，共70页。铝合金隔水管钛合金隔水管复合材料隔水管卡扣式连接锁块式连接夹筒式连接第四十三页，共70页。水下防喷器Cameron、GE油气、NOV是主要制造商；通径18-3/4in，环形10kpsi，闸板15kpsi；体积小型化、重量轻型化、安装快速化、控制灵敏化；对安全性、可靠性的要求越来越高。BP公司墨西哥湾漏油事故中使用的水下防喷器Cameron水下防喷器：马达驱动锁定螺栓，步进式锁定机构，维护简便，适宜水下机器人操作第四十四页，共70页。水下井口系统Cameron、GE油气、FMC、AkerSolution、Dril-Quip是主要制造商；适用水深3000m，工作压力达到20000psi旋转压入式和插入式是两种主要的密封形式安装快速化和高可靠性是发展的趋势FMC的UWD-15Dril-Quip的SS-15GE油气的SG-5第四十五页，共70页。液压连接器抗高压、强拉伸、大弯矩；重力坐封式金属密封，动作反应迅速。第四十六页，共70页。完井（WellCompletion）是指裸眼井钻达设计井深后，使井底和油层以一定结构连通起来的工艺。是钻井工作最后一个重要环节，又是采油工程的开端，与以后采油、注水及整个油气田的开发紧密相连。而油井完井质量的好坏直接影响到油井的生产能力和经济寿命，甚至关系到整个油田能否得到合理的开发。射孔完井裸眼筛管砾石充填……第四十七页，共70页。智能完井工艺流程：利用放置井下永久传感器实时采集井下设备工况及生产层段的压力、温度、流量、组分等参数，通过通信电缆或光缆将信号传输到地面，利用软件平台对数据进行分析，并通过控制系统反馈到井下对油层进行生产遥控，随时重新配置井身结构和提高油井产状的技术。配套系统井下检测系统井下生产控制系统井下数据传输系统地面数据收集分析和反馈控制系统1—控制/传输线;2、5—穿线封隔器;3、7—传感器;4、6—层段控制阀Halliburton公司SmartWell智能完井系统第四十八页，共70页。现代完井工艺的发展趋势适应不同储层合理的完井方式选择；复杂水平井完井技术；高含硫气田固井完井配套技术；多分支井钻井完井技术；低压低渗油藏欠平衡完井技术；复合完井技术；可降解材料在完井中的应用；高温高压井的完井技术；深水油气田开发对完井技术的新要求。第四十九页，共70页。智能滑套工作原理：通过投入相同直径标签小球，滑套识别小球内部标签，通过操作台的控制，可任意选择水平油层进行分段压裂。特点：施工流程简单；压裂级数不受限制；对滑套进行选择性开关；2.4新型完井装备及应用智能滑套第五十页，共70页。多级压裂的施工过程，利用射频技术(RFID)来打开滑套对滑套数量没有限制，每个小球具有相同的内径，具有不同的电子识别码，该电子识别码可以打开特定的滑套。RFID在储层改造中的应用优势：不受投球滑套球大小限制；可打开任意层位的滑套且数量不受限；通过电子识别码打开特定滑套。第五十一页，共70页。RFID智能滑套短节模型半剖图油气装备现代设计与仿真实验室设计FRID智能滑套开关滑套及开关工具第五十二页，共70页。裸眼管外封隔器

裸眼管外封隔技术是新型裸眼完井工艺的基础，成功的裸眼管外封隔为后续完井作业及工艺提供技术保障。ECPs(ExternalCasingPackers)管外封隔器常规注入膨胀式管外封隔器，泥浆或水泥注入胶筒膨胀实现管外封隔；安装时间短，作业成本低，隔离精确；有效安装温度高达316C°；专为不规则形状钻孔设计的套管外封隔器；常规地层和产层地层两种形式管外封隔器第五十三页，共70页。通过管外封隔器，将作业井段分为若干小段，然后调节水力摩阻器来平衡每一小段摩阻，实现均衡采油，减少水锥及淹井的风险。平衡筛管完井技术及应用优势：成功率100%，无失败记录；通过水力摩阻调节每小段摩阻，实现均衡采油，减少水锥及淹井风险；可提高采收率，适用于大位移井长储层段以减少区块开发井数。第五十四页，共70页。哈里伯顿流入控制完井装置EquiFlowAICDEquiFlowAJCD示意图当气体突破时，节流阻力不降反增，从而降低该井段流量大小，控制产气上升；不但能够延缓见水或气时间，能有效降低局部产水或产气井段的水或气量。第五十五页，共70页。目的：压裂可接触更多油藏；增加单井投资回报率；分段压裂系统工艺优点：缩短钻机/修井机使用时间；减少压裂作业时间；无固井作业需求；不需要钢丝作业和射孔作业。第五十六页，共70页。第五十七页，共70页。BakerHughes的MULTINODE™全电动智能井系统是业界第一款先进的完井系统。远程监控，调节水气，均衡条件；主动生产优化；MULTINODE™全电动智能井系统智能完井作业示意图（a）主流控制单元（a）主流控制单元第五十八页，共70页。斯伦贝谢研发的INsidr是一项能在射孔作业中减少振动和岩屑的新技术，主要由高压高密度射孔枪系统和PUREplanner软件所