深井超深井钻井技术现状及发展趋势

深井超深井钻井技术现状及发展趋势

中国未发现石油储量约85.108吨，其中73%埋在深度。因此，深层油气资源的勘探和开发是提高石油公司勘探和开发效率、提高公司竞争力的关键。随着油气勘探开发不断向深部地层发展以及现代科学技术的进步,深井超深井钻井技术不断提高,应用规模日益扩大。深井超深井钻井是一项复杂的系统工程,需要有科学的理论、先进的技术及装备、高素质的人才队伍和科学的管理作为支持。深井超深井钻井技术水平是一个国家或企业集团钻井技术水平高低的标志。目前世界上钻深井超深井的国家已达80多个,美国是世界上钻深井历史最长、工作量最大、技术水平最高的国家。1复杂地质条件下地下水超井钻井技术世界上第一口深井于1938年由美国钻成,井深4573m,世界上第一口超深井、特深井分别于1949年、1972年由美国钻成,井深分别为6254.8m、9159m。1984年,前苏联钻成世界上第一口井深超万米的特深井(井深12260m),1991年该井第二次侧钻至井深12869m,目前仍保持着世界最深钻井纪录。截至目前世界上完成特深井7口,它们是前苏联SG-3井(井深12869m)和SG-1井(井深超过9000m),美国瑟复兰奇1-9井(井深9043m)、巴登1井(井深9159m)、罗杰斯1井(井深9583m)、和EmmaLou2井(井深9029m),德国KTB井(井深9101m)。美国深井钻井速度快、事故少、成本低、效益好,平均单井成本比世界其它地区的低40%～50%。在20世纪80年代中期,美国钻1口井深约5000m的井约需90d,钻井深约5500m的井约需110d,钻井深约6000m的井约需140d,钻井深约7000m的井约需7～10个月,其中处理井下复杂情况所耗费的时间占完井周期的5%～15%。20世纪90年代,美国在复杂地质条件下所钻成的5口深约7500m的初探井,其完井周期最短的不到1a,最长的不超过2a。据统计,1999—2004年,美国台月钻井进尺是我国的2倍,加拿大则是我国的3倍。前苏联拥有适用高纬度地区的先进深井钻井技术,其中涡轮及电动钻具钻深井方面处于世界领先地位,电磁波MWD、井眼轨迹控制及纠斜技术具有先进水平。前苏联于1956年钻成第一口井深4812m的深井,至1990年共钻深井2400口。欧洲北海是世界上深井集中地区,平均井深超过5000m,属海上高温高压深井。目前北海地区测量井深8000m左右的大位移井钻井周期一般只有90d左右。德国1990年完成的KTB大陆科探井井深9101m,在钻井中应用了大量高新技术,包括VDS垂直钻井系统、顶驱、铝合金钻杆、金刚石绳索取心、无固相抗高温钻井液、耐高温低转速大扭矩螺杆马达、变速涡轮钻具等。我国深井钻井起步较晚,1966年钻成第一口深井——松基6井,井深4719m;1976年钻成第一口超深井——女基井,井深6011m。我国深井钻井技术发展大致经历了三个阶段,即深井的起步阶段(1966—1975年)、深井和超深井的初步发展阶段(1976—1985年)、深井与超深井的规模发展阶段(1986年至今)。20世纪90年代以来,我国各大石油公司、科研单位、高等院校重点针对塔里木盆地、川东地区深层油气勘探联合进行了复杂地质条件下深井超深井钻井技术攻关,从而提高了我国深井超深井钻井技术水平,并使我国深井超深井钻井进入规模化应用的阶段,完成了一批深探井,如东秋5井、英科1井、库1井、河坝1井等。其中塔河和轮南油田井深约5000m的开发井la可完成4口,深井钻井技术水平已达到国际先进水平。截至目前我国共完成深井约1500口,超过7000m超深井有4口:关基井(7175m,1978年),固2井(7002m,1979年),塔参1井(7200m,1998年),中4井(7220m,2003年)。亚洲陆上第一深井——塔深1井(设计井深8014m)已于2005年4月开钻。2005年3月8日,中国大陆科学钻探工程“科钻一井”顺利完钻,井深5158m,该井钻井中采用了大量高新技术,如人造金刚石钻头、绳索连续取心、井底马达驱动取心工具、活动套管技术、自动送钻系统、MWD、LWD、SWD等。2超深孔主孔的关键2.1复杂地质条件下钻井难点较多我国陆上深井超深井主要分布于新疆塔里木、准噶尔、四川等地区,这些地区地质条件均很复杂,深井超深井钻井存在地层压力系统多、裸眼段长、井壁稳定性条件复杂、高温(240°C)、高压(压力系数2.3),深部地层岩石可钻性差等难点,同时还要解决山前构造、高陡构造、复杂难钻地层、地应力集中、地层压力异常、地层破碎、地层塑性流变、高矿化度(高密度)、高硫化氢质量浓度等复杂地质条件带来的一系列钻井技术难题。2.2钻井技术措施影响探井尤其新区第一口探井具有地质环境因素不确定的特点,包括地层压力、岩石力学特性、应力非均质性、地层状态和岩性、地层分层深度和完井深度的不确定性等,严重影响了钻井设计的科学性、钻井技术措施的针对性和有效性,从而增加了井身结构优化、井眼稳定、井眼轨迹控制、机械钻速的提高、井下复杂情况及事故的预防和处理的难度。2.3特殊钻井技术深井超深井配套钻井技术有待进一步深化研究,主要包括:钻井工程地质环境信息提取和科学化描述技术,复杂地质条件深井超深井优化设计技术,多压力系统、高陡构造、难钻地层的安全优质高效钻井技术,高密度、抗高温、抗污染钻井液技术,井下复杂情况及事故的预防和处理技术,提高复杂层段及小间隙固井质量技术,先进技术装备、特殊工艺钻井技术的应用与发展等。3超深埋技术现状3.1地质特征模型钻井地质环境因素评估技术的研究与应用目前已进入科学化阶段。利用地震资料预测地层孔隙压力和待钻井段岩石力学参数纵向剖面和区域分布的不足之处在于模型建立假设不完全合理、层速度提取精度低等。对各种复杂地质条件、高围压、高温对深部岩石力学特征的影响国内研究较少。随着MWD、LWD、SWD技术的应用,国外不断提出地层压力随钻预测检测新方法,其理论基础更可靠,考虑因素更为全面,更注重高温、高压模拟试验手段的开发应用和数据综合利用,时效性、自动化程度、计算精度不断提高,对钻井作业的指导作用更强。海相碳酸盐岩地层压力的预测与检测在国内外尚属技术难题,还没有成熟的思路和方法。3.2防斜打快钻井系统的应用由于山前高陡构造等复杂条件的影响,深井超深井井斜问题十分突出,基于传统静力学防斜理论的防斜技术常常以牺牲钻井速度来控制井斜,使防斜与打快的矛盾更加突出。为此,国内突破传统的静力学防斜理论,提出了钻柱涡动理论,并以此为基础,形成了动力学防斜理论,为高陡构造防斜打快技术奠定了基础。研究应用了光钻铤大钻压防斜技术、偏轴钻具组合防斜打快技术、刚柔钻具组合防斜打快技术、井下动力钻具防斜打快技术等,均取得良好应用效果。国外在防斜打直方面更注重于机电液一体化的旋转导向闭环钻井系统的研究与应用,已有多套产品投入商业化应用,如VDS自动垂直钻井系统、SDD自动直井钻井系统、ADD自动定向钻井系统、AGS(GeoPilot)自动导向钻井系统、SRD(PowerDrive)旋转导向自动钻井系统、RCLS(AutoTrak)旋转导向闭环系统等。为适应复杂地质条件下防斜打快的要求,对工具进行适应性改进,推出了PowerV、VertiTak、smartdrilling、pathfinder等工具产品。PowerV系统在我国西部复杂深井钻井中应用效果良好,但对深部大倾角地层的适应性有待进一步提高。目前旋转导向闭环技术知识产权多为西方国家拥有,我国虽然开展了这方面的研究,但还未推出成型产品。3.3钻井技术方面目前国内外提高深井超深井钻速的研究热点为螺杆钻具加高效高强PDC钻头、涡轮钻具加金刚石钻头、旋冲钻井技术、欠平衡钻井技术、气体钻井技术、导向钻井技术等。例如,川东地区改变了传统的钻井液钻井技术,利用空气钻井、泡沫钻井和氮气钻井结合新型钻头等钻井新技术,钻速平均提高3倍以上,建井周期由原来的近180d缩短到59d。膨胀管技术的研究与应用为复杂地质条件下井身结构设计与井下复杂情况的处理提供了新的技术手段,可提高固井质量、减少复杂情况及事故时间、减小上部井段井眼的尺寸和套管层次,从而降低钻井成本,提高钻进效率。3.4水基防塌钻井液体系20世纪60、70年代,研制出多种抗温120～150℃的处理剂;20世纪80年代后,研制出多种抗温200℃以上的新型处理剂,如抗钙、抗盐、抗温260℃的解絮凝剂CPD,抗温260℃的降滤失剂COP-1等。超深井钻井液体系有油基、水基和气体3大类。目前国外油基钻井液体系有真油基和逆乳化两种,其热稳定性好,抗电解质能力强,抗温260℃,但是维护费用高,测井解释困难。水基钻井液体系具有成本低、有利于环保等优点,但必须通过抗高温处理剂复配才能保证性能稳定。国外气体钻井的深度超过6300m,我国空气钻井技术用于深井钻井的研究刚刚起步。近年来,国内外在对应用基础理论和新技术进行深入研究的基础上,研制成功了聚合醇、多元醇、甲酸盐、稀硅酸盐、合成基等水基防塌钻井液体系,以及适应于复杂地质条件、环保性能优良的第二代合成基钻井液体系,这代表了钻井液技术的发展方向。我国在超高温钻井液处理剂开发,油基钻井液、环保型的合成基钻井液的研究应用,超高温高压条件下储层损害机理和保护研究等方面与国外还存在着较大差距。3.5深水超深井固水泥浆体系目前国外油井水泥外加剂已有14大类数百个品种,新型聚合物外加剂的耐温性和抗盐性有了很大提高。国内油井水泥外加剂也形成了11大类100多个品种,但抗高温外加剂品种少,且抗盐能力和稳定性较差。Schlumberger公司的CemCRETE理论和德州石油钻井研究所的颗粒级配理论的提出及发展,为高强低密度水泥浆与高密度水泥浆的研究应用奠定了基础。近年来,国内外深井超深井固井水泥浆体系主要有高密度水泥浆体系、新型泡沫水泥浆及超低密度水泥浆体系、防窜水泥浆体系、塑性水泥、MTC体系等。国内已研制开发了多套防窜水泥浆体系,而且低密度、高密度防气窜固井技术达到了国际先进水平。在固井工具开发方面,国内德州大陆架公司生产的尾管悬挂器等固井工具的质量和可靠性已达到了国外同类产品水平。3.6钻井钻井信息系统20世纪80年代,国外开始钻井信息系统的建设,到90年代,应用数学模型结合人工智能先进技术,研究与建立了集钻井数据采集、传输、钻井数据库、钻井工程设计、钻井施工监测和钻井生产指挥于一体的钻井信息系统,如美国兰德马克钻井数据管理平台、意大利阿吉普公司的钻井信息系统等,实现了钻井数据资料的实时采集、处理,并通过卫星通讯实现了数据的远程传输和处理。20世纪90年代,国内各油田、高校等单位相继开发了钻井工程计算机应用软件及钻井工程数据库系统、钻井信息管理系统。1998年,胜利油田等单位完成了钻井信息卫星通讯的试验,目前已建成了较为完善的钻井工程信息综合管理系统。我国钻井信息技术与国外的差距主要表现在理论模型的科学性及软件系统功能的综合性与完善性等方面。3.7深水钻井关键技术攻关进展迅速,整体提高设计与制造技术目前国外已研究开发了7～8种自动化钻井系统,深井钻机正向满足HSE及TQC综合性能要求的方向发展。深井钻机配套设备如顶驱、单轴齿传绞车、智能多盘式刹车、自动送钻系统及柴油机尾气负压钻井系统得到发展与完善,井下工具及井下动力钻具(螺杆、涡轮、电动钻具)的技术水平不断提高,钻头设计与制造技术趋于成熟,随钻测量/随钻测井(MWD/LWD)、自动导向、地质导向技术发展迅速。我国深井钻井技术装备与国外先进国家相比差距很大。近年来我国石油钻机研发速度明显加快,相继开发了交流变频电驱动、直流电驱动、轮式半拖挂整体移运、整体链条箱并车传动等深井钻机和4种顶部驱动装置,目前正在研制大功率交流变频电驱动、全液压驱动、车装或撬装复合驱动型深井钻机。但总体看我国深井钻机装备性能水平(包括可靠性、适用性、经济性、先进性)还比较落后,而且配套性差、国产化程度低,主要井下工具性能也受设计与制造因素制约。虽然我国某些深井钻井技术装备和井下工具已具有自主知识产权,但总体上自主创新能力还较弱,国产钻机在适应领域、钻深能力及关键或重大技术上还存在某些空白,机械化、智能化进程滞后,在满足HSE要求方面还有待加强。4深水超深井钻井技术我国深井超深井钻井起步晚,但近年来发展迅速,已形成一条以自主研发为主与有选择地吸收国外先进技术相结合的道路,在国内外的市场竞争力逐步提高。我国开展了大量深井钻井理论研究,如以优质、快速、安全钻井为目标的岩石破碎力学、岩石工程力学、钻井流体力学与物理化学、钻井管柱力学与井下控制工程学、优质钻井液等,推动我国深井超深井钻井技术向优质高速、经济有效和安全环保方向发展。目前我国深井超深井钻井技术与国外先进水平的差距约5～10a,但井下工具及测量仪器方面与国外先进水平的差距在10～15a。我国陆上深井超深井钻井技术水平与美国相比,井下复杂情况和事故时效多、钻井周期长、费用高,主要表现在地层工程特性参数预测精度低,复杂层段井眼失稳严重,高陡构造井斜严重,钻具事故较多,难钻地层的机械钻速低,先进的钻井、测井工具依赖于进口,防斜打直未配备先进的垂直钻井系统,钻井液体系与处理剂配套应用效果差,井口机械化与自动化整体水平低等。5挖掘技术的发展趋势5.1地层浅化钻井技术深井超深井钻井技术的发展以现代钻井技术的发展为基础,重点解决高温高压、多压力系统、山前构造、难钻地层等深井钻井难点。现代钻井技术发展以现代科学技术为基础,以提高勘探开发综合效益为目标,其主导发展趋势为:以信息论、系统论和控制论为理论基础,把以计算机技术为核心的遥测、遥传、遥控技术融入钻井工程技术,用钻井高新技术改造传统的钻井技术,向智能化、自动化钻井方向发展,创造最大化的勘探开发经济效益和社会效益。目前,深井超深井钻井技术发展趋势主要为:1)向集成化、信息化、智能化、自动化方向发展。深化复杂地质条件下深井超深井钻井技术,开发具有更深钻探能力、更高自动化程度、更符合HSE要求的深井超深井钻机、井下工具、实时测量工具,向信息化、集成化、自动化闭环钻井技术发展。我国已经对此进行科研攻关。2)向有利于提高油气采收率方向发展。加强已成熟特殊工艺井技术,包括定向井、水平井、丛式井、大位移井、复杂结构井、欠平衡钻井、气体钻井技术等在深井超深井钻井中的应用和发展,实现对油气资源的高效勘探与开发。3)向高效破岩技术方向发展。目前旋转钻井仍是油气勘探开发广泛采用的钻井方式,超高压水射流、空化射流、旋冲钻井、导向钻井、垂直钻井、气体钻井等新技术的应用,提高了破岩效率,而激光钻井、熔融钻井等钻井技术的研究则为石