国内外钻井新技术

国内外钻井新技术主讲人：杲传良二OO四年六月提纲第一节成熟钻井技术的新进展第二节国内外正在研究开发的钻井新技术第三节超前钻井的技术实验研究第三节超前钻井的技术实验研究一、激光钻井技术二、微钻井技术三、负压脉冲钻井技术四、连续管高压射流钻井技术五、SC-CO2射流辅助钻井六、等离子孔道钻井技术一、激光钻井技术激光钻井技术是美国天然气研究院提出的一个为期两年的基础研究项目，其原理是把激光束聚焦在一个只占要钻井眼很小一部分的环形区域内，激光束聚焦后形成很高的温度，使要钻地层熔化蒸发，并产生强大的热冲击波，把要钻地层的岩石击成细粒，由熔化蒸发产生的强大压力将其升腾到地面。（b）把流体吹向被钻区域的一种喷嘴结构(c)A-A线的截面图（a）1-井架2-激光器3-激光器与激光控制器连线4-改变激光方向的反射镜5-曲面光学放大镜和聚焦镜（使激光束到达地面时形成环形）6-激光通道7-流体吹除机构上的导向器8-控制连接线9-流体注入器10-压力流体贮罐11-控制阀，控制按时向被钻地层注入膨胀流体12-控制连接线13-电子控制器14-激光器控制器15-注入器控制器16-导向器上的控制器17-电子控制器上的处理器18-光学检测装置19-位于激光束通道6中心线上的接收镜B-由光学系统5出来的环带相干光束C-从已钻井眼出来的岩心激光钻井的原理示意图激光钻井技术在钻井界属于一个全新的领域，具有使石油钻井发生彻底变革的潜在的可能性。激光钻井的优势在于能够克服传统钻井存在的难以克服的困难，例如，许多钻井事故发生在下套管和固井之前，此时井眼还没有得到套管的保护，地层流体进入井内造成井涌；钻井液进入地层，导致循环漏失、压差卡钻、井眼膨胀、破裂和坍塌；人们一直希望在钻头钻过地层后，可以立即保护井壁，即使是短暂的保护也行。激光钻井可在井壁形成一层陶瓷化外壳，从而可能不需要同心套管柱。可以使用同一井眼尺寸打深井，可大大减小钻机尺寸、套管数量和钻井成本。传统的旋转钻井钻速取决于钻压、泥浆循环速度、转盘转速、水马力、钻头设计和井眼尺寸；激光钻井钻速仅取决于井眼尺寸和激光功率。另外，激光钻井可以精确控制井眼，解决侧钻、定向钻井的问题，减少钻头磨损和起下钻时间，这一切都可以起到降低成本的作用。激光钻井由于不用钻井液，可以防止储层伤害，降低污染。钻进前后岩石的渗透率没有变化，避免了产层污染。目前已经开展了包括大功率激光破岩实验在内的激光钻井可行性实验研究，实验结果表明，激光钻井速度非常快，其钻速可达50.8m/h，相当于100小时可钻成一口直径为300mm、井深5000m的深井。COIL激光钻孔实验二、微钻井技术美国能源部下属的拉斯阿拉莫斯国家实验室正在进行微钻井技术的研究，旨在寻找一种能够大幅度降低油气勘探开发成本地有效方法。钻井技术最近的进展、更可靠的、更微小的电子传感器的研究开发以及微井眼在勘探和开发中潜在应用的不断扩大，为开发微钻井技术奠定了基础。目前研制的微钻井技术设备全部安装在一台双排轮的拖车上，由一台标准的货运汽车牵引，其主要设备有动力装置、连续管、遥测装置等，其钻具由马达、导向钻具组成（见图），适于钻Ø44.5m的井眼。研究小组正在开发一种更小的马达和钻头系统，可以钻3000多米深的微井眼，这足以勘探世界范围内的大多数的远景油气区。从概念上讲，微钻井系统的部件是传统钻井和连续管装置的缩微版。微钻井技术具有与常规钻井一样的特点和局限性，但是由于尺寸的减小成本会明显降低。以Ø34.9mm微井眼和常规的Ø222.3mm生产井为例进行比较，微井眼钻井液的体积和钻井装置的重量分别是常规生产井的1/42和1/77，而对于小井眼这两个比值分别是1/2和1/5。微井眼与普通井眼套管程序对比从套管程序的对比来看，微井眼的套管重量减少了88%，套管成本仅是传统井的14%；其它成本如动员、运输、井场准备、钻具、泥浆系统费用等也都可以下降。另外，由于井眼小，油气层的污染和对环境的影响都显著降低。根据非常保守的估计，钻微井眼与常规的生产井相比可节省成本70%。三、负压脉冲钻井技术由美国能源部立项和资助、Tempress技术公司负责研制开发的负压脉冲钻井系统可以在井底产生强烈的、周期性的负压脉冲。该系统结构紧凑，使用时可以安装在常规钻柱上，用钻井液水力能量驱动，并可与井下马达配合使用。该负压脉冲钻井系统能够提高常规牙轮钻头、PDC钻头或金刚石钻头的钻进速度；在水平井钻进中使用，负压脉冲所产生的水力推进力还能将钻头拉向岩石，克服常规钻井中水平钻进难以向钻头施加较大机械推进力的困难，提高水平段的机械钻速，并为使用连续管进行大位移水平钻进提供条件。负压脉冲钻井的技术途径是，钻井液从高速流道射出时具有很大的动能，只要通过一个特制的阀（见图）将射流瞬时中断，就可将这种动能转换成负压脉冲。负压脉冲系统采用的是瞬时止流阀，该阀在射流中断的上游产生的是正压力脉冲，而在下游产生的则是负压力脉冲。由于水基钻井液的可压缩性很小，负压脉冲的能量是很大的。负压脉冲钻井就是通过冲击钻压和降低了的围压的同时结合而实现的。用瞬时止流阀产生负压脉冲阀开启阀关闭瞬间止流阀负压脉冲系统采用的是瞬时止流阀高速液流PDC或三牙轮钻头排出口负压脉冲液推力提高岩石破碎能力地震脉冲为了进一步证实负压脉冲钻井理论，Tempress技术公司在Mancos页岩、Colton砂岩和Sierra花岗岩上进行了一系列小型钻井试验，在试验取得成果的基础上进行了全尺寸水力脉冲系统的初步设计，于2002年2月在贝克休斯公司的实验区对负压脉冲钻井系统的样机进行了现场试验，试验表明，该系统在硬岩石钻进可提高钻速50%。目前Tempress技术公司仍继续在其实验设施上对负压脉冲钻井系统进行试验。四、连续管高压射流钻井技术连续管高压射流钻井技术是由美国能源部（DOE）联邦能源技术中心发起和资助、由Maurer工程公司（Noble钻井总公司的下属）和BJ服务公司（提供连续管设备）联手承担的一个新技术开发项目。本项目的目的是开发一种能提高机械钻速、降低油气井钻井成本的高压（68.95MPa）射流辅助连续管钻井系统，其钻井深度定为3048m-4572m。目前已开发出68.95MPa的高压连续管马达、破裂强度为136.52Mpa的Ø50.8mm厚壁连续管（壁厚5.16mm）和用于高压连续管钻井系统的高压（103.43MPa）水龙头。该系统于2002年1月在Catoosa钻井设施上进行了现场试验。目前，该项目的现场试验工作仍在进行。五、SC-CO2射流辅助钻井近年来，美国Tempress技术公司正在致力于采用超临界状态的二氧化碳（SC-CO2）作为钻井液进行射流辅助钻井的研究。研究表明，在井深超过700m，静水压力大于7.4MPa的临界压力，井眼温度在31°C以上的条件下，二氧化碳能以一种超临界状态流体的形式而存在，其密度与水的密度接近，粘度极低，但具有气体的扩散性能。这些特性有助于提高射流对岩石的冲蚀能力，提高破岩效果。目前Tempress技术公司已经开展了SC-CO2射流冲蚀实验，设计了用于二氧化碳射流辅助钻井的小直径连续管系统（如图所示）SC-CO2射流辅助钻井连续管系统二氧化碳供井车三缸泵连续管钻机短半径分支井马达节流管汇射流辅助钻头该系统通过一个节流器来控制井眼压力，允许进行欠平衡钻井，在需要控制地层压力的情况下，能够快速从欠平衡转换成过平衡。由于二氧化碳是不水化的，并对重油来说能起到一种溶剂的作用，不但不会破坏油层的渗透率，而实际上还能提高井眼周围的传导能力，证明是钻进短半径分支泄油井眼、增加油气产量的具有吸引力的一种技术途径。六、等离子孔道钻井技术目前英国Strathclyde大学（国际上公认的脉冲能量技术研究中心）电子与电气工程系正在研究等离子孔道钻井技术。该项技术是利用高电压脉冲微放电作用，在钻头前的待钻岩石内形成等离子孔道，这种等离子孔道在不到一微秒的时间内以极快的速度扩张，使周围的岩石碎裂，产生直径2.5cm至5cm的孔眼。这一现象类似于树木遭雷击，但雷击闪电的长度一般要在3000m以上，而高压电脉冲微放电技术能使放电长度缩小到1-2cm，且在一秒钟内连续放电（形成等离子）20-30次，从而通过这些重复动作来冲蚀岩石，形成高效的、控制状态下的钻井过程。用等离子孔道钻井系统所钻的典型井眼井眼直径50mm，因岩样尺寸所限，最大深度500-600mm左右等离子孔道钻井技术的室内研究已经进行了一年多的时间，实验使用的典型的岩样尺寸为0.09-0.14m3，所获得的钻进速度在6cm/min和15cm/min之间，与常规旋转钻井相比效果还是相当好的。英国石油工业特别工作组预测，等离子孔道钻井技术的成功开发对英国油气工业将产生重要影响。目前等离子孔道钻井技术的研究工作已经达到现场试验阶段。谢谢