未來鉆井技術(shù)發(fā)展趨勢

       油田鉆井的目的不止是構(gòu)建油氣通道，更重要的是發(fā)現(xiàn)更多的油氣資源和盡量提高油氣產(chǎn)量和采收率。石油鉆井工程面臨的問題始終是如何確?！皟?yōu)、快、省、HSE”。鉆井技術(shù)的創(chuàng)新一直是針對這些問題展開的。自上世紀(jì)90年代以來，鉆井技術(shù)發(fā)展很快，極大地推動了鉆井的實時化、信息化、數(shù)字化、可視化、集成化、自動化、智能化，使鉆井變得“更聰明”。從國內(nèi)外鉆井前沿技術(shù)和在研技術(shù)發(fā)展趨勢分析，當(dāng)前鉆井技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)主要體現(xiàn)在以下四個方面。

未來趨勢一：優(yōu)   
     “優(yōu)”指優(yōu)質(zhì)，也就是如何提高工程質(zhì)量，更好地保護油氣層，準(zhǔn)確地監(jiān)控井眼軌跡。  
       提高井下數(shù)據(jù)傳輸速率，完善雙向通訊 鉆井目標(biāo)復(fù)雜化對井眼軌跡的控制精度提出了越來越高的要求。隨鉆測量（MWD）、隨鉆測井（LWD）、地質(zhì)導(dǎo)向和旋轉(zhuǎn)閉環(huán)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是提高井眼軌跡控制精度的重要手段，得到了推廣應(yīng)用。目前所用的MWD和LWD的數(shù)據(jù)傳輸途徑是泥漿脈沖或電磁波，但它們的數(shù)據(jù)傳輸速率太慢，不能很好地滿足現(xiàn)代油氣勘探開發(fā)對鉆井井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)男乱蟆＝┠?，國外一直在探索新的?shù)據(jù)傳輸方式，包括聲波、光纖和有纜鉆桿。目前聲波信道和用于常規(guī)鉆桿的光纖信道尚在研究中。在有纜鉆桿領(lǐng)域，目前投入商業(yè)應(yīng)用的只有美國國際服務(wù)公司的“軟連接”有纜鉆桿，即所謂的智能鉆桿。    智能鉆桿實質(zhì)上是一種有纜鉆桿，電纜之間通過電磁感應(yīng)實現(xiàn)“軟連接”：把電纜嵌入鉆桿，鉆桿接頭兩端的電纜各有一個感應(yīng)環(huán)；鉆桿緊扣以后，兩感應(yīng)環(huán)并不直接接觸，而是通過電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)信號在鉆桿間的高速傳輸。其主要特點是：一是數(shù)據(jù)傳輸高速、大容量、實時：數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)5.76萬位/秒；二是真正實現(xiàn)雙向通訊；三是適用于包括欠平衡鉆井、氣體鉆井在內(nèi)的任何井況下的數(shù)據(jù)傳輸。     智能鉆桿已于2007年投入商業(yè)化應(yīng)用，是鉆井井下信號傳輸技術(shù)的一個重大突破和重要里程碑。它已獲得了哈里伯頓、貝克休斯、斯侖貝謝和威德福等國際一流的油田技術(shù)服務(wù)公司的認(rèn)可和支持，應(yīng)用前景樂觀。下一步是開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10萬位/秒的智能鉆桿。   
       發(fā)展隨鉆前視功能，完善地質(zhì)導(dǎo)向 地質(zhì)導(dǎo)向是MWD和LWD技術(shù)的重大突破，但目前的地質(zhì)導(dǎo)向儀離鉆頭的距離在0.91米以上，只能測量剛鉆井眼的工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)，并不能探測鉆頭前方的地質(zhì)情況。為此，需要發(fā)展隨鉆地震等具有隨鉆前視功能的技術(shù)，以便及時發(fā)現(xiàn)前方的“甜點”，更好地進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向和儲層導(dǎo)向。  旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)　如哈里伯頓公司旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、Baker Hughes公司的AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng),已經(jīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)取代滑動導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。

未來趨勢二：快  
      “快”指高效，也就是如何提高鉆井效率。“快”是油公司、鉆井承包商和技術(shù)服務(wù)公司一貫追求的重要目標(biāo)。近兩三年，鉆井日費暴漲，提高鉆速尤為重要，對深井鉆井和深水鉆井來說更是如此。  探索新的破巖方式，以期在破巖技術(shù)上取得突破 自高壓噴射鉆井于上世紀(jì)60年代開始推廣應(yīng)用以來，機械破巖+水力輔助破巖這種聯(lián)合破巖方式就占絕對統(tǒng)治地位。為了進(jìn)一步提高機械鉆速，人們一直在探索其他破巖方式，如化學(xué)溶解法鉆井、爆破法鉆井、電火花鉆井、微波鉆井、熱散裂鉆井、巖熔爐鉆井等。近幾年，國外還在探索中的破巖技術(shù)主要是激光鉆井、等離子體通道鉆井（Plasma Channel Drilling）。 
       激光鉆井的破巖機理是利用高能激光破碎、熔化和蒸發(fā)巖石。激光鉆井仍處于室內(nèi)試驗階段，預(yù)計2020年投入商業(yè)化應(yīng)用，并有望給鉆井帶來一場革命。 
       等離子體通道鉆井技術(shù)的開發(fā)者是挪威的獾式鉆探器（Badger Explorer） 勘探公司。該技術(shù)的核心是高電壓脈沖能量技術(shù)。等離子體的破巖機理就是用電法霧化巖石，即利用高電壓脈沖在“鉆頭”前方的巖石中形成高能等離子體，等離子體在不到一微秒的時間內(nèi)在巖石中極迅速地膨脹，導(dǎo)致局部巖石破裂和破碎。這項破巖技術(shù)目前尚處于原理驗證階段，其可行性還有待進(jìn)一步驗證。如果它最終能夠通過現(xiàn)場試驗，則有望成為一種新的簡單、高效、成本低、風(fēng)險小、環(huán)境友好的破巖方式，將主要用于修井和鉆小井眼。
       改進(jìn)高溫高壓深井鉆井技術(shù)，進(jìn)一步提高鉆井速度，降低鉆井成本 為了使深井鉆得更深、更快、更經(jīng)濟、更環(huán)保，美國能源部于2001年3月設(shè)立了一個深井鉆井計劃——Deep Trek計劃，旨在組織開發(fā)一些新技術(shù)和新工具來提高深井鉆井完井效率，降低深井鉆井完井成本。  
       Deep Trek計劃側(cè)重于4個關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)，即智能鉆井系統(tǒng)、高科技材料、先進(jìn)的深井鉆井完井方法和新的鉆頭技術(shù)。該計劃是一系列技術(shù)創(chuàng)新的集成，是當(dāng)今鉆井技術(shù)前沿的集中體現(xiàn)，代表新一代深井鉆井技術(shù)，反映深井鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。其中的多數(shù)單項技術(shù)還處于實驗室研究或現(xiàn)場試驗階段，個別單項技術(shù)已投入商業(yè)化應(yīng)用，其總體技術(shù)將于今年投入商業(yè)應(yīng)用。Deep Trek計劃將實現(xiàn)“更深”和“更智能”的鉆井目標(biāo)，進(jìn)一步促進(jìn)鉆井技術(shù)的進(jìn)步。  
       鉆機多樣化、數(shù)字化、自動化、智能化，運移方便 上世紀(jì)90年代中期推出的交流變頻鉆機是鉆機發(fā)展史上的一個非常重要的里程碑。鉆機的多樣性主要表現(xiàn)在出現(xiàn)了適應(yīng)不同地面條件、井深和作業(yè)需要的大、中、小型鉆機，包括各種陸地鉆機、海洋鉆機、車載鉆機和連續(xù)管鉆機等，正在研制微井眼鉆機。  國外在鉆機自動化設(shè)備的基礎(chǔ)上于90年代中后期推出了自動化鉆機。 
      自動化鉆機分為交流變頻電驅(qū)動和液壓驅(qū)動兩大類，主要特點是：一是實現(xiàn)包括傳送、上卸扣、送鉆、排放、堆放在內(nèi)的所有管子操作的自動化；二是大幅度減少鉆井作業(yè)人員，鉆臺和二層臺上不再有鉆工；三是明顯減輕司鉆的勞動強度和減少人為失誤；四是運移性好，安裝、拆卸方便；五是陸地自動化鉆機占地面積??；六是顯著提高作業(yè)效率和安全性。自動化鉆機代表當(dāng)今石油鉆機的最高水平，是石油鉆機的重要發(fā)展方向，正在陸地和海上得到推廣應(yīng)用。  開發(fā)有利于提高鉆井完井效率和降低鉆井完井成本的新材料 新材料一直是國外超前研究的熱點，適用于鉆井完井的新材料不斷涌現(xiàn)，極大地推動了鉆井完井技術(shù)的進(jìn)步和提速降本。連續(xù)管鉆井可大幅度提高起下鉆效率，減小井場占地面積。鋁合金鉆桿、鈦合金鉆桿和碳纖維鉆桿可大大減輕鉆桿重量，提高鉆桿韌性。納米外加劑可提高鉆井液性能。利用可膨脹管和自膨脹管可解決很多井下問題，建成單直徑井。路易斯安那州M&D工業(yè)公司研制的超級水泥已投放市場。
      自膨脹管是為美國能源部的微井眼計劃研制的。它通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)彈性膨脹，操作簡便，徑向膨脹率大，最大膨脹率可達(dá)200%以上。膨脹后能夠?qū)崿F(xiàn)自密封，額定耐壓能力高達(dá)10000psi。同時還研制成功了自膨脹篩管，其膨脹率為125%～150%。自膨脹管是膨脹管技術(shù)的新發(fā)展，它既可用于常規(guī)井，也可用于微井眼；既可用于旋轉(zhuǎn)鉆井，也可用于連續(xù)管鉆井。自膨脹管還處于現(xiàn)場試驗階段，有望在不久的將來投入商業(yè)應(yīng)用。      超級水泥實質(zhì)上是一種樹脂密封劑，是為美國能源部的“深井鉆井計劃”開發(fā)的。其基本成份是液態(tài)的樹脂和硬化劑，可按需要添加其它外加劑。它是一種非水泥類固井材料，可替代水泥，是固井和擠水泥技術(shù)的一大突破。它能夠在高溫高壓深井中可靠地封隔環(huán)空和長期維持井的完整性，但是目前其成本太高，使其商業(yè)性應(yīng)用僅限于海上的擠水泥作業(yè)。通過不斷改進(jìn)，其成本有望降下來，應(yīng)用前景樂觀。
       直井防斜打快技術(shù) 傳統(tǒng)的防斜技術(shù)多采用“輕壓吊打”，以犧牲鉆速為代價，近年來發(fā)展起來的偏心鉆具、偏軸鉆具、柔性鉆具等鉆具組合，雖然有了一定的改進(jìn)，但是對高陡構(gòu)造以及造斜能力強的地層，其井斜控制效果仍不理想?，F(xiàn)代防斜技術(shù)的核心是解決提高井身質(zhì)量和鉆速之間的矛盾，必須突破傳統(tǒng)觀念的束縛，積極探索新的防斜技術(shù)，勝利鉆井院研發(fā)的具有完全自主產(chǎn)權(quán)的捷聯(lián)式自動垂直鉆井系統(tǒng)在鄂爾多斯麻黃山區(qū)塊寧深1＃再次成功應(yīng)用，經(jīng)受住了現(xiàn)場的考驗，真正成為鉆井防斜打直的護航艦。該技術(shù)主要是由垂鉆系統(tǒng)井下閉環(huán)控制技術(shù)、防斜執(zhí)行機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)密封和壓力平衡系統(tǒng)技術(shù)等組成。

未來趨勢三：省
    “省”指經(jīng)濟，也就是如何節(jié)省鉆井完井成本，降低噸油成本，實現(xiàn)效益的最大化。“省”也一直是各方共同努力的重要目標(biāo)。鉆井成本占勘探開發(fā)總支出的50%左右，節(jié)省鉆井成本對降低勘探開發(fā)總支出具有十分重要的意義，尤其是開發(fā)低滲、特低滲油氣藏和邊際油氣田。深井鉆井和深水鉆井也對節(jié)省成本提出了更高的要求。
      盡量增加井筒與儲層的可控接觸面積，以便增儲上產(chǎn)和提高采收率 建井技術(shù)從水平井、大位移井、分支井發(fā)展到了多分支井、魚骨井、樹根井、最大儲層接觸面積井（MRC井）。顯然，建井技術(shù)的一個大的發(fā)展趨勢就是盡量增加井筒與儲層的可控接觸面積，以增加單井的控制面積，減少井?dāng)?shù)，增儲上產(chǎn)和提高采收率，降低噸油成本。
       鉆超大位移井，實現(xiàn)海油陸采 大位移井是指井底水平位移與垂深之比等于或大于2的井，大于3的井為特大位移井。迄今為止，全球已鉆了很多大位移井，其中多數(shù)是為開發(fā)近海油田而鉆的，有不少大位移井鉆在岸上，進(jìn)行海油陸采。2003年7月～2008年3月，美國Parker鉆井公司在俄羅斯遠(yuǎn)東的薩哈林島岸上鉆成了17口大位移井，以開發(fā)近海油田。這些井屢創(chuàng)當(dāng)時的大位移井世界紀(jì)錄，其中最大的測深是11680米，僅次于最新的大位移井測深世界紀(jì)錄12289.5米，其水平位移達(dá)到10902.7米，由美國Transocean公司2008年5月在卡塔爾的近海油田鉆成，鉆井僅用了36天時間。
      簡化井身結(jié)構(gòu)，建單直徑井，少用套管，甚至不用套管 常規(guī)井的井身結(jié)構(gòu)呈錐形，也就是為對付井下復(fù)雜地層，需要下多層套管或尾管并固井，這勢必會大量消耗泥漿、套管和水泥，延長建井周期，增加建井費用。為此，國外在可膨脹管技術(shù)的基礎(chǔ)上于上世紀(jì)90年代后期提出了單直徑井（monobore）概念。單直徑井技術(shù)于2007年開始商業(yè)應(yīng)用。
       單直徑井的核心技術(shù)是可膨脹管，因此目前擁有單直徑井技術(shù)的公司也就是能夠生產(chǎn)可膨脹管的公司，即Enventure全球技術(shù)公司、威德福、貝克休斯、斯倫貝謝和哈里伯頓等。
       單直徑井的主要特點：一是減小上部井眼和套管的直徑，簡化井身結(jié)構(gòu)；二是減少泥漿、套管和水泥用量及固井作業(yè)工作量；三是縮短建井周期；四是降低建井成本；五是減少鉆井廢棄物，有利于 保護環(huán)境；六是增大完井井筒直徑，提高單井產(chǎn)量。目前單直徑井技術(shù)還處于商業(yè)應(yīng)用的初期，仍在發(fā)展中。 研究微井眼技術(shù)，以便經(jīng)濟有效地開發(fā)淺層剩余油資源 美國有2180億桶已發(fā)現(xiàn)的剩余油儲量埋深不足1500米。為經(jīng)濟有效地開發(fā)這部分儲量，美國能源部從2004年起大力資助微井眼技術(shù)的研究。
       微井眼就是直徑不超過31/2英寸的井眼，當(dāng)前研究和試驗的微井眼技術(shù)適合的最大井深約1500米。微井眼技術(shù)是一項系統(tǒng)工程，涵蓋鉆井、測井、生產(chǎn)等領(lǐng)域。在鉆井領(lǐng)域著重研究全新的小型化地面設(shè)備——小型化混合型連續(xù)管鉆機及相應(yīng)的小型化泥漿循環(huán)處理系統(tǒng)等以及超小尺寸的井下鉆具和儀器——井下動力鉆具（包括導(dǎo)向泥漿馬達(dá)）、地質(zhì)導(dǎo)向儀、MWD和LWD等。 微井眼鉆井的主要特點是可以大幅度提高鉆機搬遷效率，減少井場占地面積，減少泥漿、套管和水 泥的消耗以及動力消耗，減少鉆井作業(yè)人員，提高鉆井效率，降低鉆井完井成本、綜合開發(fā)成本和勘探開發(fā)風(fēng)險，減少鉆井對環(huán)境的影響。
      鉆桿輕型化鉆桿的發(fā)展歷程表明，鉆桿存在輕型化的趨勢。目前已投入商業(yè)化應(yīng)用的輕型鉆桿有鋁合金鉆桿和鈦合金鉆桿，但它們的成本太高。近幾年，美國能源部在資助非金屬類輕型鉆桿——碳纖維鉆桿的研制。      碳纖維鉆桿就是由碳纖維-環(huán)氧樹脂制成，兩端有鋼接頭的鉆桿。由于碳纖維不如鋼耐磨，因此需要對碳纖維管的表面進(jìn)行打磨，并涂上極耐磨的涂層。碳纖維鉆桿最大的技術(shù)難點是如何實現(xiàn)碳纖維鉆桿本體和鋼接頭的可靠粘結(jié)。  碳纖維材料無磁性，不導(dǎo)電，容易制成有纜碳纖維鉆桿。碳纖維鉆桿和有纜碳纖維鉆桿目前還處于現(xiàn)場試驗階段，經(jīng)過不斷的試驗與改進(jìn)，有望在5年后投入商業(yè)應(yīng)用。一旦投入商業(yè)應(yīng)用，必將給鉆井帶來一系列的變革。碳纖維鉆桿和有纜碳纖維鉆桿由于具有重量輕、韌性好、耐腐蝕等優(yōu)點，特別適合鉆短曲率半徑和超短曲率半徑水平井、重鉆井，并有望在大位移井、深井鉆井以及深水鉆井中得到應(yīng)用。
       鉆井自動化和遠(yuǎn)程控制是21世紀(jì)鉆井技術(shù)非常重要的發(fā)展方向 鉆井自動化由井下自動化和地面自動化組成，井下自動化由旋轉(zhuǎn)閉環(huán)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)或自動垂直鉆井系統(tǒng)實現(xiàn)，地面自動化由地面自動化鉆機實現(xiàn)。鉆井自動化向著將地面和井下作為一個整體的大閉環(huán)控制方向發(fā)展。借助計算機技術(shù)和衛(wèi)星通訊，目前鉆井已實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視。
       改進(jìn)深水和超深水鉆井技術(shù)，進(jìn)一步提高鉆井速度，降低鉆井成本，保護海洋環(huán)境 高油價為大力勘探開發(fā)深水油氣資源帶來了極好的契機，深水和超深水油氣勘探開發(fā)已成為新的熱點，并不斷取得重大油氣發(fā)現(xiàn)。由于深水和超深水鉆機日費暴漲，如何降低深水和超深水的鉆井成本，提高鉆井效率和作業(yè)安全性以及更好地保護海洋環(huán)境，在深水和超深水鉆井中日益重要。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在國外，深水鉆井及裝備技術(shù)總體上已經(jīng)成熟，但仍在發(fā)展中，比如發(fā)展無隔水管鉆井技術(shù)、雙梯度鉆井技術(shù)、高溫高壓井鉆井完井技術(shù)等。      無鉆機鉆井——不用鉆機也能打探井 長期以來，勘探鉆井需要使用陸地鉆機或海上鉆井平臺，還要使用鉆桿、泥漿、套管和水泥，勢必造成勘探鉆井費用居高不下，勘探風(fēng)險很大。要想從根本上降低勘探鉆井費用和勘探風(fēng)險，就必須摒棄現(xiàn)行的鉆井方式，另辟蹊徑，開發(fā)一種完全不同的鉆井方式。挪威的獾式鉆探器公司正在研制的獾式鉆探器正是這種嶄新的鉆井方式。  獾式鉆探器的研發(fā)得到了挪威研究委員會、StatoilHydro、殼牌和埃克森美孚的資助。它是一種無鉆機的井下自動鉆探器，長約25米，設(shè)計鉆深能力超過3000米。
      獾式鉆探器的主要特點：一是不用陸地鉆機或海上鉆井平臺，可大幅度減少作業(yè)人員和后勤保障工作，還能避開海洋環(huán)境對鉆井作業(yè)的干擾；二是通過電纜給井下電動鉆具供電，電動鉆具驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)；三是不用鉆桿，靠自身重量給鉆頭施加鉆壓；四是不用泥漿，鉆屑不是返至地面，而是用于充填井筒或被擠入地層裂縫及孔洞，因而無廢棄物排放，對環(huán)境無污染，也無井噴的風(fēng)險，也不用擔(dān)心井漏；五是不用泥漿，井筒內(nèi)無外來流體，在巖屑充填井筒之前，地層不會受到傷害，可以及時測得真實的地質(zhì)信息；六是不用套管和水泥固井，井筒由壓實的巖屑充填和封固，不用擔(dān)心井壁失穩(wěn)；七是通過電纜實現(xiàn)雙向通訊，數(shù)據(jù)傳輸量大、質(zhì)量高、速率快，更有利于及時發(fā)現(xiàn)油氣，提高探井成功率；八是顯著降低勘探鉆井費用和勘探風(fēng)險；九是鉆達(dá)目標(biāo)后，留在井底，繼續(xù)監(jiān)測地層；十是實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動化鉆井。
      它與常規(guī)勘探鉆井相比，獾式鉆探器存在如下不足：鉆速慢，鉆一口3000米的探井大約需要2～6個月時間；由于所鉆的井筒被巖屑充填，只能作為勘探手段，不能轉(zhuǎn)為開發(fā)井，也不能用于鉆開發(fā)井；無法進(jìn)行泥漿錄井和取心，勘探目的只能通過有線隨鉆測井系統(tǒng)來實現(xiàn)。
      海底鉆井——不用海上鉆機而用海底鉆機進(jìn)行海洋石油鉆井 由于深水海洋環(huán)境十分惡劣，深水鉆井需要現(xiàn)代化的大型浮式鉆井平臺或鉆井船。但它們的造價極高，在高油價下鉆機日費最高漲至65萬美元。暴漲的鉆機日費大幅度推高了深水鉆井成本。假如不用海上鉆井平臺或鉆井船就能鉆井，必將節(jié)省大量的鉆井成本，還能避開海洋環(huán)境對鉆井作業(yè)的干擾。為此，國外有人提出了海底鉆井的設(shè)想，并有多家公司參與研究，提出了多種方案。
       海底鉆井方案具有海底鉆機是一種無人值守、有壓力補償?shù)拿荛]裝置，能實現(xiàn)全自動化鉆井、完井和修井，司鉆只需在小型浮式輔助船上進(jìn)行遙控，浮式輔助船還用于運送海底鉆機模塊、鉆桿和套管，提供電力，配制和補充泥漿，以及注水泥；不用海上鉆井平臺或鉆井船，也不用隔水管，容許浮式輔助船有很大的漂移范圍；海底鉆機的運轉(zhuǎn)不受海況、水深和天氣的限制，但在極端惡劣的海況和風(fēng)速下，需要撤走浮式輔助船，中斷鉆井作業(yè)；海底鉆機的建造費用明顯低于海上鉆井平臺和鉆井船等特點。

未來趨勢四：HSE
      HSE指健康、安全和環(huán)保。當(dāng)今，HSE越來越受重視，貫穿于鉆完井全過程。小井眼鉆井、連續(xù)管鉆井、單直徑井鉆井、微井眼鉆井可減少井場占地面積，減少鉆井廢棄物，有利于環(huán)保。通過大位移井和超大位移井可實現(xiàn)海油陸采，減少對海洋環(huán)境的影響。用獾式鉆探器進(jìn)行無鉆機鉆井，不需要井場，沒有廢棄物排放，無環(huán)境污染。自動化鉆機有利于鉆井人員的健康與安全，有效減輕石油工人的勞動強度。