石油钻井工程技术发展与装备需求

石油钻井工程技术发展与装备需求分析汇报内容1前言2气体钻井与装备需求分析4超深钻井与装备需求分析5认识与建议3垂直钻井与装备需求分析前言石油工程是实现油气勘探开发目标的重要手段，是储量发现、油气上产、稳产的关键，石油工程技术的每一次进步，都极大地推动了勘探开发的发展，有效保障了勘探增储、开发增产、降本增效。随着油气勘探开发不断向深海、沙漠、极地、高山等自然地理环境恶劣的边远地区延伸，向深层、“三高”气藏、低压低渗透、稠油、非常规资源等难动用储量延伸，特殊工艺井数量不断增长，促使国内外钻井工程技术得到快速发展钻采工程技术装备是实现油气勘探开发的重要保障。钻采工程技术的不断创新和提高是有效降低勘探开发成本，增加油气产量的重要手段，也为石油装备制造业发展提出了更高的要求。集团公司发展战略对未来装备的发展提出了更高要求根据集团公司勘探开发和形势发展的需要，结合国际石油行业发展的趋势，量身打造石油工程技术和配套装备。分析与国内外先进石油工程装备存在的差距，为集团公司装备的发展提供依据。稳定东部，加快西部，发展南方，开拓海外东部硬稳定、西部快上产、天然气大发展上山下海进深层，低渗稠油进海相资源战略态势挑战下面重点就气体钻井、垂直钻井和超深钻井技术发展与装备需求进行介绍。气体钻井与装备需求分析气体钻井是指以气体为工作循环介质，把钻屑从井底带到地面的一种钻井方式，已被国内外钻井界公认为是提高钻井速度、缩短钻井周期的一项革命性技术。空气钻井氮气钻井天然气钻井尾气钻井雾化钻井泡沫钻井（气相可以是空气、氮气、天然气）分类：纯气体钻井1、气体钻井特点及现状优势：机械钻速高钻头寿命长利于控制井斜缩短钻井周期消除井漏无需泥浆，利于环保问题：不适用于含大量地层水的井段不适用于用于高含H2S的地层不适用于易坍塌井段钻具失效频率高不利于岩屑录井在美国和加拿大，气体钻井技术的应用比较成功，用空气、氮气、天然气等气基流体为循环介质，开发低渗、衰竭、易漏储层，提高钻速，其设备已趋于完善，技术趋于成熟。气体钻井技术在国内正处于快速发展时期。自川东北老君1井和普光气田P302-1（D-1）井首次应用空气钻井技术成功以来，集团公司在川东北地区集成引进、研究应用了气体钻井技术，大幅度提高了上部陆相地层钻井速度，缩短了钻井周期。国内外应用现状气体钻井的主要设备有空气压缩机、增压机、管汇系统、旋转防喷器、排屑管线以及与管汇系统和工艺相适应的阀门、仪表等，氮气钻井还有膜制氮机等。2、气体钻井装备现状（1）气体钻井的主要设备集团公司气体钻井设备配套情况胜利中原西南集团公司空压机24343088增压机116926膜制氮机56920雾化钻井泵2349集团公司气体钻井设备配套能满足一般气体钻井工艺的需要，符合国际油气井最新通用安全标准的要求。集团公司空压机总供气量能力达到2800m3/min，满足了不同条件下气体钻井的施工要求。（3）集团公司气体钻井装备现状（4）技术水平及设备对比分析对比项目国外中石油集团公司应用情况Weatherford每年在世界范围内气体钻井施工近1800多口。2007年完成39口；龙岗穿过须家河；2007年完成49口；川东北3口井穿须家河；空气锤长寿命空气锤，开发了空气锤空气锤正在研制EMWDEMWD测量能力4000mEMWD在原理研究阶段EMWD现场试验，3000m设备配套空压机技术成熟空压机采用进口产品空压机采用进口产品泡沫钻井循环泡沫钻井技术成熟正在进行循环泡沫钻井技术试验在气体钻井方面与国外先进水平相比主要差距是：空压机、测量技术和空气锤质量方面。3、气体钻井关键技术装备需求（1）加大国内空气钻井相关配套设备，特别是大排量空气压缩机组的国产化研究力度，缩小同国外同行的差距。（2）加大空气锤及其配套钻头的研制和应用，提高可靠性、耐用性，并实现系列化。目前中原油田钻井工程技术研究院正在攻关空气锤及配套钻头项目，前期现场试验已经取得阶段成果。设计试制的φ320钻头样机地面试验前照片（3）加强特殊气体钻井地面分离器的研制与应用，实现气体的循环利用。（4）加大泡沫钻井的消泡装置研究与攻关。目前中原油田钻井工程技术研究院正在开发泡沫钻井机械消泡装置，室内试验消泡率达到75%以上。（5）加强井下燃爆监测及防控软硬件系统的开发，目前中原油田钻井院正在研发空气钻井防燃爆井下短节及燃爆监测软硬件系统。防燃爆短节（6）加强气体钻井测量技术的设备配套和开发。集团公司已经完成国产电磁波随钻测量仪EMWD样机的研制，现场试验井深已经达到3000m。（7）加强研制、配套及应用气体钻井定向工艺井所必需的空气螺杆钻具（或称气体螺杆钻具）。（8）加强相关井下工具（气体减震器、气体井下套管阀、打捞工具等）的研制、配套及应用。（9）加强高压力级别的旋转防喷器的研制。（10）加强自动送钻系统在气体钻井中的应用，引进研发钻井软扭矩系统，改善井下钻具受力状况，延长井下工具使用寿命，降低钻具失效频率。（11）针对制约录井的地层出水、岩屑采集与分析等瓶颈问题，完善配套相应的综合录井硬件及软件系统。垂直钻井与装备需求分析防斜打快技术，一直是国内外专家致力研究的课题，目前有：利用下部不同钻具组合进行防斜纠斜；利用定向井技术进行防斜纠斜;利用自动垂直钻井技术提高纠斜稳斜效率和井眼轨迹控制精度。1、垂直钻井技术发展目前自动垂直钻井技术主要为国外贝克休斯和斯伦贝谢等公司的产品，国内集团公司胜利石油管理局已自主研制了机械式自动垂直钻井系统。国内得到商业推广应用的主要是VertiTrak垂直钻井系统和PowerV垂直钻井系统。SchlumbergerBakerHughesEastmanTe1eco德国智能钻井公司胜利石油管理局钻井工艺研究院PowerVVertiTrakVDSZBE5000MVDT静态推靠式VertiTrakVertiTrak垂直钻井系统，是一种闭环自动垂直钻井系统。钻进时当MWD重力传感器检测到有井斜趋势时，即可启动液压部件，并传送实时井斜数据到地面系统以方便控制和监测。VertiTrak井号进尺/m纯钻/h钻速/m/h井斜（°）秋南1井2459.47704.93.490.96°大湾3井742.12245.983.020.2铁北165.3643.31.51雷北1井647.90133.294.860.2分1井548.46318.91.720.202、自动垂直钻井系统（1）优越性和适用性适用于大倾角地层和多断层地区（典型的情况是山前和硬地层钻井）的钻井作业。系统对井斜的控制基本不受钻井参数和地层造斜趋势的影响。导向单元不旋转，工具寿命长。（2）局限性由于其滑动钻井方式，对于岩层可钻性差、钻压传递困难的深井，以及易发生粘吸卡钻的井眼，存在一定的不利因素。（3）设备要求VertiTrak工具工作时，由钻进工作模式（SteerMode）转换到非钻进工作模式（Ribs-offMode）时，对泥浆泵的排量调节精度要求较高，应尽量选用电动泥浆泵。由于施工泵压及排量较高，对泥浆泵提出了较高的要求。Power-V动态推靠式PowerDrive井号钻井方式进尺/m平均机械钻速/(m/h)钻速提高井斜普光7井复合钻进1.3635%井斜使用前的3.8°降为0.4～0.9°，后期由于工作不正常，3个点达到3.2-4.2°PowerV733.531.84黑池1井常规542.730.74147.3%井斜由原来的1°降为0.5°，并保持至井深1743m，后期个别点为1～1.6°PowerV1677.011.83使用POWER-V工具在地层倾角大、钻进速度低、钻压受限地区可提高钻井速度，节约钻井周期，具有井身质量好，可避免井下复杂情况的发生等特点。PowerV垂直导向钻井技术使用效果（1）优越性和适用性旋转导向系统特别适用于地层倾角大于40°、自然造斜力强的地层；广泛适用于使用泥浆马达进行滑动钻进时比较困难的深井以及易发生粘卡的复杂井。可在钻进中自动感应井斜，自动设定并调整仪器的侧向力，使井眼快速返回垂直状态，可控制井斜在0.5°以内。（3）设备要求钻井设备：要求循环系统的承压能力高，钻机设备性能要好，尤其是泥浆泵性能要好，最好配备三台泥浆泵。排量和压降：系统要求排量38～60l/s的排量要求。钻头压降达到4MPa以上，再加上MWD需要2MPa的压降。因此，比常规钻井增加6MPa压降。（2）局限性PowerV工具稳定性不高。在高硬度地层Pad磨损较快。VertiTrak垂直钻井系统和PowerV垂直钻井系统VertiTrakPowerV钻进方式滑动旋转钻头压降无要求600~800PSI钻井模式转换钻进-划眼不需转换适用井眼尺寸8～97/8和12～2851/2~22MVDTMVDT是胜利石油管理局钻井工艺研究院自主研制的机械式垂直钻井系统，采用机械结构控制，无电子装置和控制。机械式自动垂直钻井系统设计参数表井斜控制精度/°侧向推靠力/kN防斜\纠斜效率/(°/30m)巴掌行程/mm压力损耗/MPa工具长度/m适应转速/(r/min)≤3≥20≥1～21523≤120机械式自动垂直钻井工具（MVDT）在雷北1井进行了现场试验应用，试验井段1034.56～1137.56m，试验时钻压加大至18～20t，井斜控制在2.5°～3.0°。取得了明显效果，有待继续完善。3、关键技术装备需求国内的防斜、纠斜井下专用工具研究处于起步阶段。建议加大对该技术的研究和开发力度，早日形成具有我国自主知识产权，机、电、液一体化自动控制的垂直钻井装备；一是要围绕可靠性和钻井效率，加大井下机械扶正纠偏执行系统的开发研究；二是要进一步加大国内MWD与井下机械扶正纠偏执行系统一体化集成研究；三是要加大研究MWD与地面分析系统和井下机械扶正纠偏执行机构数据的互联互通，实现有效的闭环控制；四是重点研究垂直钻井动力钻具和高效钻头的优化配套。超深钻井与装备需求分析（1）超深井界定国外：完井垂深超过20000ft（6096m）的井；国内：完井垂深在6000~9000m为超深井（2）地质条件具有复杂性和不确定性地层压力系统多、地层压力异常、地应力集中，高温、高压、高矿化度、高H2S浓度，地层破碎、地层塑性流变等地层不确定因素。1、超深井钻井特点及现状（3）对钻井技术和装备提出了更高的要求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预防与处理技术；提高复杂层段小间隙固井质量技术；超深井段压裂技术，先进技术装备的应用与发展。世界上已钻成8000m以上的超深井12口，其中美国6口，中国只有1口。国内深井钻井技术近年发展迅速：1998年以来，国内完成超深井500余口，其中集团公司完成200余口。集团公司国内（也是亚洲）最深的井——塔深1井，完钻井深8408m；中石油完成的最深井——莫深1井，完钻井深7380m。集团公司目前正在钻一口超深井——川科1井，设计井深8875m。全球9000m以上的钻机共有100台左右，其中80余台在美国。美国超深井钻井水平较高。1999~2004年，美国台月钻井进尺是我国的2倍。最近几年，随着超深油气藏开发的需要，超深复杂结构井（如超深定向井、水平井等）在川东北等地区开始应用。（4）超深井钻井现状2、超深井钻井技术装备现状及发展瓶颈（1）超深井提速钻井技术（2）超深复杂结构井技术（3）超深小井眼技术（4）超深欠平衡钻井及控压钻井技术（5）超深井钻井液及固相控制技术现状国内外提速技术和装备的研究热点螺杆钻具+高效PDC钻头旋冲钻井技术旋转导向钻井技术空化射流技术涡轮钻具+金刚石钻头欠平衡钻井和气体钻井技术井底增压技术（1）超深井提速钻井技术装备现状及发展瓶颈由于螺杆耐温不足，在深部提速应用方面受到一定的限制；国外的涡轮钻具比较成熟，而国内还处在现场试验阶段；井底增压器国外应用较多，我国的井下增压泵输出压力为150MPa；但目前还不能进行大范围内的推广应用。提高机械钻速瓶颈现状国内技术和装