对我国钻井技术现状和发展趋势的探折

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  摘要:本文首先对我国国内钻井技术进行了回顾,然后分析了我国钻井技术面临的困难和挑战,并结合国内外石油钻井技术的发展现状,指出3G视频监控技术、深海石油钻井技术以及石油钻井智能化技术必将成为我国石油钻井的主流技术,最后明确钻井技术今后的发展趋势。
  关键词:钻井技术;困难和挑战;发展现状;趋势
  Abstract: This paper firstly reviews Chinese domestic drilling technology, and then analyzes current difficulties and challenges it is facing. Combining with the development of drilling technology at home and abroad, the paper points out that the 3G video monitoring technology, deep sea oil drilling technology and intelligent drilling technology will become the mainstreams of oil drilling technologies in China. Finally this paper clarifies the trend of the development of drilling technology in the future.
  Key Words: Drilling technology; Difficulties and challenges; Current development situation;Trend
  中图分类号:TE2 文献标识码:A 文章编号:
  我国国内钻井技术的回顾
  建国以来,我国石油工业的发展取得了举世瞩目的巨大成就。我国石油钻井年动用钻机由建国初期的8台上升到现在的700多台(最多时超过1000台),年钻井进尺由建国初期的不足万米上升到现在的1700万米,年钻井数由建国初期的几十口上升到现在的一万多口。1998年陆上钻井平均队年进尺达24335m,平均机械钻速达10.24m/h。我国在六十年代中期就钻成磨3水平井;七十年代就钻成了两口7000m以深的超深井;近年来在塔里木和胜利油田己用水平井开发整个油田;能够钻垂直井深达5000m的超深水平井和大斜度井;能够用欠平衡压力钻井技术钻各类油气井;能够在巨厚的盐层、煤层中钻井;能够在高陡构造和强地应力等因素致井眼失稳条件下钻井;能够在高压多油气系统和高压含硫气田安全地钻井和测试完井;通过不断引进大量先进技术装备和生产线,加强设备配套和改造,大大缩短了我国钻井装备和技术与先进国家的差距,见下表,我国钻井工作量已位居世界第三,仅次于美、俄两国。
  表一 国内外钻井装备和技术对比
  
  
  目前我国钻井技术与钻井队伍己走出国门,发展至今已经形成了调整井、定向井、水平井、深井、超深井、小井眼钻井、分支井、大位移井、欠平衡钻井、取心、钻井液、套管钻井等钻井完井技术,各种技术在实验和实践中不断完善。从各类钻井技术所脱胎的关键技术来看,旋转钻机技术的应用是石油钻井技术不断演化的基础,各种钻井技术主要是基于旋转钻机技术改进产生的。这种技术的改进主要在于旋转钻头、旋轉出泥的方式以及针对不同地质条件所采取的技术变化。应该肯定我国钻井技术的发展是高速度高水平的。但是,我国在智能钻井、智能完井、复杂结构井、多分支井、大位移井和挠管钻井完井等方面几乎还是空白或刚刚起步;钻井信息技术、随钻测量技术和深井技术(尤其是深初探井)方面差距较大;水平井的应用还未达产业化的程度。国际钻井界近10年在四个方面不断努力,即:第一要钻得快;第二要降低成本30%;第三要增加安全性;第四要进行钻井的动态实时监测、分析、管理、控制。我国钻井界也应在上述四方面加强努力。
  二、未来石油技术面临的主要挑战与难题
  从总体上看,随着石油开采程度的不断推进,老油田产量递减严重,发现新的储量更加困难,深井、高温高压和含硫气体等复杂地下条件、深水和边远地区等恶劣环境。这将加深石油钻井施工的难度,因此迫切需要进行钻井关键技术及其配套技术的创新以降低综合成本。国外一些著名人士提出石油技术的发展目标是努力提高勘探成功率(目前仅有1/6左右);使钻井成本下降30%,保证安全和环境;使平均采收率超过30%。
  我国陆上钻井技术遇到的挑战与难题主要有:
  1.随着油气资源紧张,在边远地区和复杂地质条件下钻井工作量增大,需努力提高探井成功率、降低储量发现成本和油气开采成本。
  2.复杂条件下深井和超深井钻井的传统性漏喷塌卡等难题依然存在。例如川东地区平均每年因处理井漏损失时间占钻井总时间的8.95%。不仅使建井周期延长而且造成钻井成本大幅度上升,甚至导致钻探失败。
  3.天然气的勘探开发日益增长,而深气井往往是高温高压井,有时还是多产层(纵向分布可达4~5个产层)多压力系统(压力系数可从小于1到大于2),有时还含有硫化氢等酸气,使钻井工程难度增大。
  4.在高陡构造(地层倾角达85)等易斜地区钻井,很难控制井身轨迹,探井地质靶区范围很窄,井斜控制成了突出问题,用常规防斜方法钻井既难又不经济或者不能达到地质钻探目的。
  5.低渗透、稠油、重油、瘦的边际油田等非常规油气藏开发对钻井、完井的方法。技术、工艺提出了新的要求。
  6.国际标准性“健康一安全一环境”(HSE)准则对钻井作业和工程质量有更高要求,对废钻井液、钻屑等处理有严格规定。
  7.钻井设备和工具陈旧。许多钻机已服役15~20年。电驱动钻机、顶驱设备等先进装备数量很少,钻具老化也十分严重,使喷射钻井和强化参数钻井难以实施,对付钻井复杂情况与井下事故的措施不能奏效。
  8.硬地层和深部地层的钻速,调整井、复杂井和深层固井质量,油层特别是气层保护等深层次问题仍难解决。
  三、未来石油钻井技术发展展望
  未来的钻井技术发展将继续以降低勘探开发总成本和钻井直接成本为主要目标,以实现自动化钻井为核心研究内容带动整个钻井技术的进步。钻井技术将更好地与地质、地震、测井和录井等专业技术紧密结合,形成一套高效的钻井系统,不断提高油气勘探成功率和单井产量,缩短钻井时间,降低“吨油成本”。
  1、21世纪初的重要钻井技术发展方向包括以下几个方面:
  (1)多分支井
  多分支井的钻井与完井技术将进一步得到完善和发展,并将广泛应用于老油田和海上油田,快速钻多个分支井的技术可以减少对压裂的需求,并可能替代常规射孔技术。
  (2)大位移井
  大位移井钻井技术将进一步围绕降低成本、减少风险和提高成功率的目标而发展,将更广泛地用于海上油田、滩海油田和其它地面条件受到限制的油田。
  (3)欠平衡钻井
  欠平衡钻井技术将进一步朝安全、简便和适用的方向发展。这项技术对于保护油层和提高钻井速度具有重要意义,将广泛用于低压低渗油田和老油田。
  (4)钻井信息技术
  包括随钻测量、随钻测井、随钻地震和实时三维井眼轨迹监测(与地质模型结合)等技术。各种井下传感器的位置将进一步朝钻头附近移动,能够探测钻头前方的地层信息,更好地实时监测地下情况,修改地质模型,实现地面与地下的双向通信,进行地质导向钻井。
  (5)连续管钻井技术
  连续管、连续管钻机和连续管钻井配套的工具(如小直径井下马达、钻头和测量工具等)将会得到进一步的发展。连续管钻井技术在分支井和小井眼钻井及欠平衡压力钻井方面都有着广泛的应用前景。
  (6)可膨胀套管技术
  常规钻井中是将固定尺寸的套管下入井中,从井口到油层的尺寸是逐渐缩小的。因此,有可能因为井眼尺寸而限制某一深度的井下作业,甚至不能达到目的层。壳牌研究中心最近开发了膨胀式割缝管和实体套管,其中膨胀式割缝管的直径可膨胀至原有的2倍。这项技术具有重要的意义,一是可以简便有效地解决复杂井段的井壁稳定问题,二是可以减少上部井眼的尺寸和套管层数,甚至在几年内实现从井口到井底以同一尺寸钻井,从而可以钻更深的直井和大位移井,三是可以修复老井被损坏的套管,四是可以大大降低钻井成本。
  (7)冲击旋转钻进技术
  将是石油钻井又一发展趋势,发展方向主要有:适合深井、超深井、定向井、大位移井、钻井液介质等恶劣条件下的液动冲击钻具的研制,液动冲击旋转钻进技术的破岩机理,适合冲击旋转钻井的钻头研制等。
  (8)自动化钻井
  继续开发研究井下钻井、地质信息采集与处理技术,可遥控井下工具及井下自动执行装置等。
  (9)深井超深井
  继续研制自动化钻机、超高压射孔辅助钻井系统、高温钻头、硬地层PDC钻头、井底马达、随钻监测系统(MWD、LWD)、自动垂直钻井系统等硬件;进一步进行地层压力的形成机理和预测监测研究、井壁稳定机理研究、钻井管柱动力学及井身质量控制技术研究、HTHP钻井液的流变学研究。
  (10)深水鉆井
  在过去的15年中,人类的石油钻井活动已经从1983年的300m水深扩展到了1998年的2300m水深左右。为有效地开发深水油气资源,深水钻井技术必将得到进一步的发展。
  2.未来主流石油钻井技术的展望
  (1)3G 视频监控技术广泛应用
  “3G”(3rd Generation)或“三代”是第三代移动通信系统的简称,国际电联也称 IMT- 20 (International Mobile Telecommunications in the year 2000),欧美的电信业巨头们则称其为UMTS(通用移动通信系统)。它是指能够将语音和多媒体通信相结合,并支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术,其显著特征是提供高速数据传输业务和对不具备架设有线基站的领域和行业,有着方便、快捷、高效和低成本的优势。通讯业发展实践表明,仅仅依靠有线网络信号传输对地域广、监控点分散、网络基础薄弱的地区实现动态监控是不可能的,不仅是因为基站搭建困难,而且运营和维护成本很高,只有充分利用移动运营商搭建的3G 移动网络,实现网络视频监控才能最大限度地节约工程建设和运营成本。也正是3G 视频监控技术具备这一特点,被试探性地应用到海洋石油钻井施工现场监控。
  (2)深海石油钻井技术获得重视
  从国家能源战略重点来看,现阶段我国正处于内陆石油产量开发后期,尚未形成或发现大储存量或超大储存量的油气能源接替区,由此导致石油生产必须向海洋发展。事实上,我国海洋专属经济区范围十分辽阔,并且已经探明的石油储存量也十分丰富,特别是今后五年内渤海可能建成为我国第二个大庆,此外在海南岛和珠江口也陆续探明新油田。在接下来的两个五年计划内,我国海洋油气开发战场将逐步向东海、南海等深海转移,这将进一步推动我国海洋石油装备和海洋石油工程建设的发展。目前,国内深海石油钻井的关键技术主要包括深水钻井设备、深水定位系统、大位移井和分支水平井钻井技术、深水双梯度钻井技术、喷射下导管技术、随钻环空压力监测、随钻测井技术、深水钻井液和固井工艺和深水钻井隔水管及防喷器系统等。从深海石油钻井技术的发展历程来看,深水石油钻井是一项资金投入量较大、科技含量较高、研发周期较短、产品应用周期较长的工作,各种关键技术的研发是工程顺利完成的保障,如随钻环空压力监测、喷射下导管技术、随钻测井技术、动态压井钻井技术等技术。此外,钻井船、隔水管和水下防喷器等配套设备的研发也在一定程度上决定整个工程施工的成败。
  (3)石油钻井技术智能化成为必然
  目前,国际石油钻井技术总体呈现信息化、智能化和自动化的发展趋势,特别是智能化将主导石油钻井技术的发展。智能化钻井技术能够降低人工操作的风险,大幅度降低钻井成本和提高施工速度,其在某些方面的优势不可比拟,如能及时处理故障和调整实施工艺,从而缩短钻井周期,还能促进其他配套的新型高效工具的研发,提高石油钻井的整体技术水平。石油钻井的智能化能够实时监测钻井进展,从而可有效地穿越油藏并提高油井质量。智能化技术的运用还能拓展钻井施工环境,提供复杂地质条件下钻井的效率。钻井技术智能化发展的关键技术主要包括地面计算机智能专家系统、井下智能工具、井下供电装置和提供高速双向数据传输的通讯网络系统。石油钻井智能化技术的大量应用,必将进一步提升石油开采的整体技术水平,具有广阔的发展前景。
  总之,石油钻井是一项复杂的系统工程,完善并改进现有钻井技术以适应不同环境作业需求是石油钻井技术发展的关键。一方面是要重视钻井技术的研发,提高能源二次开发的效益,重视深海石油资源的开采,扩展石油来源渠道,还要积极引进智能化技术,实现石油钻井的智能化施工,另一方面要注重新技术的推广,要通过新技术的运用降低整体运营成本,只有钻井技术得到了应用,才能最终实现石油钻井技术的新进展。
  
  
  参考文献:
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