国内外钻井新技术发展与现状

第３６卷第４期２００８年７月　　　　　　　　　石　　油　　钻　　探　　技　　术ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ　ＤＲＩＬＬＩＮＧ　ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．４　　　Ｊｕｌ．，２００８　　　　　收稿日期：２００７１２２７；改回日期：２００８０４０２作者简介：郑锋辉（１９６６—），男，１９８８年毕业于西南石油学院钻井工程专业，工程处处长，高级工程师，主要从事石油工程技术管理工作。联系电话：[phone]钻井与完井国内外新兴钻井技术发展现状郑锋辉１　韩来聚２　杨　利２　孙明光２　彭军生２（１．中国石化华北分公司，河南郑州　４５００００；２．胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营　２５７０１７）摘　要：为满足勘探开发的要求，提高钻井工程效率、降低钻井成本，达到提高勘探开发整体效益的目的，国内外新兴起来了旋转导向钻井、垂直钻井、套管钻井、实体膨胀管、控压钻井和随钻测井等钻井新技术。详细介绍了国内外各种新兴钻井技术的发展状况、现场试验及应用情况，分析了各种新兴钻井新技术的技术优势及国内外的差距。最后建议我国应加快新兴钻井技术的研究和研制开发具有自主知识产权的钻井新工具，以缩小与国外先进钻井技术的差距，推动我国石油勘探开发的快速发展。关键词：导向钻井；垂直钻井；套管钻井；膨胀管；控压钻井；随钻测井中图分类号：ＴＥ２４２　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：１００１０８９０（２００８）０４０００５０７　　近年来，为了提高钻井速度及钻井综合效益，国内外不断地进行科研攻关，推出了一系列钻井新技术，例如旋转导向钻井、垂直钻井、套管钻井、实体膨胀管技术等，使钻井技术水平不断提高。笔者综述了６种钻井新技术国内外发展现状，指出了我国与国外先进钻井技术存在的差距，给出了我国钻井技术的发展方向。１　旋转导向钻井技术旋转导向是相对于滑动导向而言的，即可以在旋转钻井方式下实现井斜角和方位角的调整，从而克服了滑动导向的缺点；同时，与先进的随钻测量技术和井下控制技术配合，通过双向通讯方式，在实时反馈井下测量信息的同时，可以自动调整井下工具的造斜能力，从而实现井眼轨迹的连续、自动控制，使复杂井眼轨迹的实现能力得到极大的提高，并能大大提高钻井效率和开发效率［１７］。１１　国外现状［８９］近年来，旋转导向钻井系统的研究与应用取得了突破性进展。目前国外最成熟且应用广泛的旋转导向钻井系统主要有贝克休斯ＩＮＴＥＱ公司的ＡｕｔｏＴｒａｋ、斯伦贝谢公司的ＰｏｗｅｒＤｒｉｖｅ和哈里伯顿公司的ＧｅｏＰｉｌｏｔ。旋转导向钻井系统的核心是旋转导向钻井井下工具系统。旋转导向钻井井下工具系统按工作方式分为静态偏置推靠钻头式、动态偏置推靠钻头式和静态偏置指向钻头式。３种不同工作方式旋转导向工具系统性能的对比见表１。ＡｕｔｏＴｒａｋＲＣＬＳ是目前技术最成熟、应用最广泛的旋转导向钻井系统，是贝克休斯ＩＮＴＥＱ公司与Ａｇｉｐ公司在早期的垂直钻井系统（ＶＤＳ）和直井钻井装置（ＳＤＤ）基础上研制的旋转闭环钻井系统。１２　国内现状胜利油田承担国家“８６３”计划“旋转导向钻井系统关键技术研究”后，与西安石油大学联合开发了３套旋转导向钻井井下工具系统样机，进行了２０多次的地面试验，２００６年８月在营１２斜２２５井上进行了包括旋转导向钻井井下工具、ＭＷＤ随钻测量系统、信息上传系统和地面监控系统在内的整个旋转导向钻井系统的联合现场试验，获得了成功。这表明我国自主研发的旋转导向系统经过攻关，完成了关键技术研究及样机开发阶段，下一步将进入技术完善阶段，为商业化应用奠定了基础。２　垂直钻井技术随着勘探开发领域的不断拓展与深入，高陡构造、大倾角地层的勘探开发工作量越来越大，井斜问表１　　３种不同工作方式旋转导向工具系统对比工作方式代表系统旋转导向程度造斜能力／（°）·（３０ｍ）－１钻井安全性位移延伸能力螺旋井眼适应井眼尺寸／ｍｍ静态偏置推靠钻头式ＡｕｔｏＴｒａｃｋＲＣＬＳ外筒不旋转６．５中低存在２１５．９～３１１．１动态偏置推靠钻头式ＰｏｗｅｒＤｒｉｖｅＳＲＤ全旋转８．５高高存在１５２．４～４６３．６静态偏置指向钻头式ＧｅｏＰｉｌｏｔ外筒不旋转５．５中中消除２１５．９～３１１．１题在一定程度上成了制约这些区域勘探开发工作的质量、效益乃至成败的关键。为了更好地解决直井防斜问题，国内外一直致力于新型防斜钻具与技术的研究与开发［１０１２］。２１　犞犲狉狋犻犜狉犪犽闭环直井钻进系统［１３］ＶｅｒｔｉＴｒａｋ闭环直井钻进系统是贝克休斯ＩＮＴＥＱ公司推出的一种先进的垂直钻井工具，可在常规钻井需要多次纠斜的地区或地质条件下使用，包括大倾角地层或断层，以及墨西哥湾或北海的盐层，因为在这些地区，很难控制ＰＤＣ钻头的定向特性。另外，由于该系统不旋转，适于在井壁稳定性差的井段应用。２．１．１　ＶｅｒｔｉＴｒａｋ的结构ＶｅｒｔｉＴｒａｋ主要由导向装置、ＭＷＤ传感器、高性能马达等组成。其导向装置主要靠３个可伸缩的导向翼肋工作，每个导向翼肋可传递高达３０ｋＮ的推力。ＶｅｒｔｉＴｒａｋ的动力段采用了纳维钻具（ＮａｖｉＤｒｉｌｌ）技术，从而使其输出功率、扭矩比常规钻井马达高６０％。由于采用了贝克休斯ＩＮＴＥＱ公司专有的定子加工工艺使马达中的橡胶成分减少了９０％，提高了效率，降低了摩擦，减少了变形，从而提高了马达的可靠性，延长了下井使用时间。ＶｅｒｔｉＴｒａｋ的ＭＷＤ控制模块可提供精确的井斜角测量结果（０．１°），并能与地面进行双向通讯。涡轮驱动的发电机和液压泵可向每个导向翼肋提供导向压力，以便通过连续的井下纠斜保持井眼垂直。此外，ＶｅｒｔｉＴｒａｋ的传感器还可提供温度测量数据、工具状态读数（导向、旋转）、交流发电机电压输出等。２．１．２　应用实例在加拿大阿尔伯塔省西部的Ｆｏｏｔｈｉｌｌｓ地区应用ＶｅｒｔｉＴｒａｋ钻了一口井，最大井斜角０．６０°，全井井斜角平均只有０．１１°，最大全角变化率仅为１．６５°／３０ｍ，平均０．２４°／３０ｍ。而邻井使用常规定向马达组合钻进，定向纠斜前井斜角却高达４．００°，局部全角变化率高达８．５°／３０ｍ。２２　犘狅狑犲狉犞旋转导向自动垂直钻井系统斯伦贝谢公司研制的ＰｏｗｅｒＶ是一套全自动化旋转导向垂直钻井系统，利用可靠的旋转导向技术实现旋转钻进时对井斜角的连续控制，能在确保井眼垂直的前提下最大程度地提高机械钻速。２．２．１　ＰｏｗｅｒＶ的结构和工作原理［１２，１４１５］ＰｏｗｅｒＶ主要由电子控制（识别）系统（ＣＵ）和机械纠斜装置（ＢＵ）两大部分组成，两者之间还配有一个加长短节。电子控制系统是ＰｏｗｅｒＶ的指挥中枢，内装钻井液驱动的发电机、陀螺和各种传感器，不受钻铤的制约。机械纠斜装置是一个纯机械执行机构，下接钻头，上接电子控制系统，主要由一个钻井液导流阀和３个伸缩块（或叫推力块）组成。伸缩块的伸缩动力由钻井液提供，并由导流阀分配，即控制伸缩块的伸缩。２．２．２　应用实例ＡｎａｄａｒｋｏＣ５井位于美国德州的Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ县，ＰｏｗｅｒＶ垂直钻井系统下井前，井斜角已达８．５°，该系统下井后在１２２ｍ的进尺内自动将井斜角降至１°之内，并钻完剩余的井段。ＰｏｗｅｒＶ垂直钻井系统的总进尺４３９ｍ，平均机械钻速１７．２ｍ／ｈ（比采用常规钻井技术的邻井快６．１ｍ／ｈ），总钻进时间２５．５ｈ，节省了２ｄ的钻机时间。２３　机械式自动垂直钻井工具为了有效提高直井钻井的速度和井眼质量，胜利石油管理局研制了机械式自动垂直钻井工具。其原理是适时感应井斜的重力信号，由重力驱动机构，建立钻柱内外高低压流体间的通道，利用二者间的压差，在钻柱旋转的情况下，驱动侧向推靠机构靠在井壁高边，井壁的反作用力将钻头推向低边，而在井眼的其他位置，侧向推靠机构不工作，实现在钻进过程中井斜的自动感应和修正。机械式自动垂直钻井工具具有结构简单、可靠等特点，能在实现主动、适时防斜的同时，有效解放钻压，提高钻速和井眼质·６·石　　油　　钻　　探　　技　　术　　　　　　　　　　　　　　２００８年７月量，降低施工风险。２００７年在四川盆地川东北的雷北１井进行了机械式自动垂直钻井工具现场试验，试验井段（１０３４．５６～１１３７．５６ｍ）为须家河组地层，地层倾角３０°～５０°，岩性为灰黑色泥岩夹灰色细砂岩，质地坚硬，岩石可钻性差，易井斜。试验时钻压加至１８～２００ｋＮ，井斜角控制在２．５°～３．０°，与可比井段（须家河组３段）相比机械钻速提高了９７．３４％。起钻观察，机械式自动垂直钻井工具的外观、推靠巴掌及密封等部件均正常。试验结果表明：机械式自动垂直钻井工具的工作原理正确，结构可靠，经电子单点测斜验证，井斜角控制精度在３．０°以内。３　套管钻井技术套管钻井是指：在钻进过程中，直接用油井套管取代传统的钻杆向井下传递机械能量和水力能量，边钻进边下套管，完钻后作钻柱用的套管留在井内用来完井。套管钻井技术把钻进和下套管合并成一个作业过程，钻头和底部钻具组合的起下用钢丝绳在套管内完成，不再需要常规的起下钻作业［１６２６］。３１　犜犲狊犮狅公司的可更换钻头套管钻井系统加拿大Ｔｅｓｃｏ公司的套管钻井技术目前在世界上处于领先地位，已基本形成了一套颇具特色的套管钻井配套设备和工艺技术，并进入工业应用阶段，取得了良好的应用效果。３．１．１　地面装备为了适应钢丝绳起下钻作业，套管钻井专用钻机配置了中开分体式天车、游动滑车，以及钢丝绳防喷器和密封装置。在钻进中套管用来传递扭矩，但如果直接由套管传递有可能造成套管丝扣的损坏。因此，在顶驱输出轴与套管柱上端之间设置了套管驱动头。套管直接与驱动头连接，由内卡瓦夹紧，钻机的扭矩由顶驱主轴传到套管驱动头上，再由驱动头传到套管上，套管丝扣不参与扭矩的传递。套管驱动头起下钻、传递扭矩和密封循环钻井液的作用。３．１．２　井下钻具系统适用于套管钻井的井下钻具系统主要由下井／回收工具、底部钻具组合、连接在套管柱末端的坐底套管３部分组成。Ｔｅｓｃｏ公司已开发出３３９．７，２２４．５，１９３．７，１７７．８，１３９．７和１１４．３ｍｍ等６种尺寸的井下钻具系统。Ｔｅｓｃｏ公司套管钻井用的下井／回收工具包括锁定捞矛、震击器、测量桶、加重杆、对中扶正器、上部张力缓冲器、旋转短节、紧急释放短节和电缆插头等。用钢丝绳起下的底部钻具组合一般由锁定和密封总成、分隔箍、钻井浮箍、扩眼器和领眼钻头等组成。坐底套管位于套管柱末端，由扶正器、轴向锁定短节（套管锁定短节）、扭矩锁定短节（套管扭矩短节）以及定位台肩、定位止动器、定位槽等组成。钻进时，底部钻具组合锁定在坐底套管的锁定短节上。３２　威德福公司的套管钻井系统［２６２７］美国威德福公司开发出一种与Ｔｅｓｃｏ公司完全不同的套管钻井系统。该系统采用一种专门设计的钻头，直接连接在套管柱的底部，由连接在顶驱上的转换接头传递扭矩，通过旋转套管以常规方式进行钻井作业。专用钻头可以被常规钻头完全钻掉，且由于有一个浮箍作为套管柱的一部分一同下井，钻至设计井深后可以立即进行注水泥作业，可以实现一趟钻完成钻井、固井等作业，对节省钻井时间和降低作业成本有重要作用。在全球范围内２００多次的现场应用中，该套管钻井系统的成功率达９９％，钻进井段施工顺利，套管尺寸从最大的５０８．０ｍｍ到最小的１１４．３ｍｍ。３３　国内套管钻井技术中国石油勘探开发研究院从１９９８年开始进行套管钻井技术的前期研究工作，完成了先期技术调研，开发了适合套管钻井方式的套管驱动器和钻头丢手，提出了简易测井方法，对套管承扭承压能力进行了试验研究，为国内开展套管钻井提供了技术储备。吉林油田开展了不更换钻头套管钻井技术的研究，建立了适应转盘钻井驱动方式的浅开发井套管钻井工具配套系统，解决了国内陆上油田在现有钻井装备条件下实施套管钻井的难题［１９，２１］。截至２００７年累计完成９口井，其中吉林油田８口，河南油田１口，最大井深超过１０００ｍ。胜利石油管理局开展了“套管钻井技术先导性试验研究”，在消化吸收国内外先进经验的基础上，研制了满足套管钻井现场应用要求的偏梯形特殊螺纹套管、可钻式钻鞋、井口套管快速连接器等一系