1、国内外钻井新技术调研 汇 报 内 容一、课题情况简介 二、国内外钻井新技术概况 三、国外创新钻井技术四、前沿钻井技术开发与实验六、钻井成本分析及发展趋势五、成熟钻井技术新进展 近年来，在技术创新的有力推动下，自动化（闭环）钻井、套管钻井、连续管钻井、三维可视化钻井、地质导向钻井、可膨胀管等创新技术的研究都取得突破性进展，具有广阔的推广应用前景。水平井技术、大位移钻井技术、欠平衡压力钻井技术、多分支井钻井技术等也发展得越来越成熟，满足了提高勘探开发效益的需求。另外，国外超前钻井技术，如激光钻井、微钻井、负压脉冲钻井、“智能钻杆”、连续管超高压射流钻井、等离子孔道钻井等技术的开发与试验也取得了阶段
2、性成果，展示了良好的应用前景。二、国内外钻井新技术概况汇 报 内 容二、国内外钻井新技术概况 四、前沿钻井技术开发与实验六、钻井成本分析及发展趋势五、成熟钻井技术新进展 三、国外创新钻井技术 一、课题情况简介 三、国外创新钻井技术三、国外创新钻井技术（四）实体膨胀管技术（二）套管钻井技术（一）自动化（闭环）钻井技术（三）连续管钻井技术（六）反循环钻井技术（五）三维可视化钻井技术 自动化（闭环）钻井，即全部钻井过程依靠传感器测量多种参数，依靠计算机获取数据，并进行解释和发出指令，最后由自动设备来执行，使钻井过程变成一种无人操作的自动控制过程。自动化(闭环)钻井技术开环钻井井下半闭环钻井井下闭环钻
3、井全闭环钻井闭环钻井的发展阶段闭环钻井系统的组成 闭环钻井系统 井下系统 地面监控系统 地面分析模拟系统 信号接收/传输系统 高性能井下可控工具 先进的井下测量工具国外先进的旋转闭环系统产品 旋转导向就是在旋转钻井方式下实现井斜和方位的调整。这是20世纪90年代初期发展起来的一项钻井新技术，代表了当代钻井技术发展的最高水平。提高机械钻速增强井眼净化效果克服极限位移限制井下闭环自动导向，与地质导向结合，可大大提高轨迹控制精度旋转导向代替了传统的滑动导向旋导闭环系统可不起下钻自动调整钻具导向性能 提高钻井效率和轨迹控制的灵活性三、国外创新钻井技术三、国外创新钻井技术（四）实体膨胀管技术（二）套管钻
4、井技术（一）自动化（闭环）钻井技术（三）连续管钻井技术（六）反循环钻井技术（五）三维可视化钻井技术 套管钻井是指在钻进过程中直接采用套管取代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作完井用。套管钻井技术把钻井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进行，不再需要常规的起下钻作业。套管钻井的概念省去了钻杆、钻铤有关的费用；减少了起下钻时间；减少了钻井事故和复杂情况的发生；井眼内始终有套管，起下钻时不会造成抽汲作用，井控状况得到改善；起下钻时能保持钻井液连续循环，防止钻屑聚集，减少卡钻等井下事故；改善了水力参数、环空上返速度和井筒清
5、洗状况；可以减小钻机尺寸、简化钻机结构、降低钻机费用；据Tesco公司估算，套管钻井可节约钻井成本10%-30%。套管钻井技术的优势套管钻井为在一些复杂和特定条件下钻井提供了一种可选择的方案，但并不能完全取代常规钻井，套管钻井特别适用于下列情况：）易坍塌、不稳定及不确定地层；）低压易漏失地层；）高压地层；）边远、海上及交通不便地区钻井；）在陆地钻井时，适合3000米以内的软到中软地层；）利用套管钻井技术可实现“无隔水管法”下表层套管。套管钻井技术的适用情况套管钻井的装备包括地面装备和井下装备 套管钻井的装备 Tesco公司套管钻井地面装备钢丝绳防喷器分体式天车和分体式游车 Tesco公司套管钻
6、井地面装备钢丝绳绞车套管驱动头钻机就位及安装接套管为套管操作设备可从管架自动取管、自动对扣和自动上、卸扣，整个操作过程全自动完成，最大载荷100吨。1）下井/回收工具：包括锁定捞矛、振击器、测量桶、加重杆、对中扶正器、上张力缓冲器、旋转短节、紧急释放短节和电缆插头等。2）底部钻具组合：由锁定和密封总成、分隔箍、钻井浮箍、管下扩眼器和领眼钻头组成，根据需要还可以加装井下泥浆马达、随钻测量/测井工具（MWD/LWD）、1-2根钻铤，也可以接取心工具和取心钻头进行取心作业。3）坐底套管：位于套管柱末端，由扶正器、定位台肩、定位止动器定位槽、轴向锁定短节、扭矩锁定短节和套管鞋组成。Tesco公司套管钻
7、井井下钻具正常的套管钻进更换新套管继续钻进 套管钻井技术的其他进展三、国外创新钻井技术三、国外创新钻井技术（四）实体膨胀管技术（二）套管钻井技术（一）自动化（闭环）钻井技术（三）连续管钻井技术（六）反循环钻井技术（五）三维可视化钻井技术连续管钻井技术连续管钻井技术 改进型连续管注入头改进型连续管注入头 数据采集系统数据采集系统 工艺控制系统工艺控制系统 电缆安装系统电缆安装系统 特制设备特制设备连续管钻井技术连续管钻井技术连续管钻井技术电缆头电动松脱机构连续管接头钻压/压力/震动/测量短节遥测系统伽马射线与导向工具电定向器带弯接头的马达钻头连续管钻井技术连续管钻井技术连续管钻井技术连续管过油管
8、侧钻超小井眼水平井技术连续管欠平衡钻井技术连续管超高压射流钻井技术连续管钻井技术连续管超高压射流钻井技术 连续管超高压射流钻井技术由美国能源部资助，由Maurer工程公司和BJ服务公司联手承担，目的是开发出一种能够提高机械钻速，射流辅助的高压（68.95MPa）连续管钻井系统并投入商业应用。高压马达高压马达（68.95MPa）高强度连续管高强度连续管 壁厚壁厚:5.16mm5.16mm 外径外径:50.8mm50.8mm 破裂强度破裂强度:136.52MPa136.52MPa 高压钻头高压钻头 高压水龙头高压水龙头（103.43MPa)103.43MPa)三、国外创新钻井技术三、国外创新钻井技
9、术（四）实体膨胀管技术（二）套管钻井技术（一）自动化（闭环）钻井技术（三）连续管钻井技术（六）反循环钻井技术（五）三维可视化钻井技术实体膨胀管技术就是在井下对管材进行冷加工。连接在心轴上的膨胀锥在压力或拉力的驱动下使管材发生塑性变形，进而发生永久性的机械变形，从而达到扩大套管内径，保持井径的作用。（一）实体膨胀管技术*壳牌公司在1993年左右最先进行了实体膨胀管实验。钢管初始直径4”，膨胀率约22%。实体膨胀管膨胀实验*1998年7月，壳牌公司与Grant Prideco公司合作开发了可膨胀接头。膨胀后可以保持机械和水力的完整性。这是膨胀管技术的重大突破。133/8”套管接头膨胀实验 膨胀压力
10、：12.4MPaEnventur环球技术公司Enventure 环球技术公司是壳牌公司与哈里伯顿公司成立的合资公司，主要负责实体膨胀管的开发、销售并提供技术服务。1.可膨胀裸眼尾管系统2.可膨胀套管井衬管系统3.可膨胀尾管旋挂器4.全井同尺寸套管系统1.可膨胀裸眼尾管系统(OHL)可膨胀裸眼尾管系统作业演示2.套管井可膨胀衬管系统（CHL)该技术主要用于修补损坏的套管段或密封射孔段，尤其适合修补大段损坏的套管，并使套管内径的减小达到最小程度。2002年9月，Enventure公司在马来西亚的一口气井中安装并膨胀了1373m的衬管。3.可膨胀尾管悬挂器系统（ELH)该系统集传统的尾管悬挂器和尾管
11、上封隔器功能于一体。45%至60%传统的尾管悬挂系统的会产生漏失，而可膨胀悬挂器紧贴在上层套管内壁上，有效防止了漏失，节省了成本。4.全井同尺寸膨胀套管系统壳牌公司于2002年9月17日首次成功地在得克萨斯州一口气井的部分井段应用全井同尺寸膨胀套管系统。全井同尺寸套管程序与其他套管程序对比 现河采油厂通61-侧162井段铣井段：1870-1895米 窗口：1880米最大井斜：47.96o107.995mm120.83mm95.25mm 108.97mm 14.4%389.37m383.25m裸眼井径：140mm据2003年在美国油气杂志发表的3篇文献的报道，鞑靼石油研究设计院的实体膨胀管技术在
12、前苏联居领先地位。其膨胀管使用享有专利的合金制成，主要用于封隔漏失地层、产水地层；延长技术套管长度而不损失井径；用作尾管悬挂器。目前俄罗斯已经与中国、埃及、伊朗、意大利、越南等国签署了技术服务合同。三、国外创新钻井技术三、国外创新钻井技术（四）实体膨胀管技术（二）套管钻井技术（一）自动化（闭环）钻井技术（三）连续管钻井技术（六）反循环钻井技术（五）三维可视化钻井技术概念：在石油行业中，三维可视化技术是利用计算机以三维图像的方式显示数据，帮助人们了解地面与地下现象、描述其特征。优点：使人们可以观察和更容易理解大量的信息资料；极大地增强多学科工作组中不同专业人员之间以及现场人员与指挥中心人员之间的
13、联系与交流。利用计算机可视化技术，将钻井设计数利用计算机可视化技术，将钻井设计数据和测量数据据和测量数据(包括包括井眼轨迹参数、地层井眼轨迹参数、地层特性参数、近钻头力学参数特性参数、近钻头力学参数)实时显示在实时显示在三维可视化环境中，实现正钻井眼的几三维可视化环境中，实现正钻井眼的几何形状、地质状况及力学行为的可视化何形状、地质状况及力学行为的可视化和对钻井作业的准确判断与优化控制。和对钻井作业的准确判断与优化控制。兰德马克公司的三维实时钻井可视化软件兰德马克公司于2001年年底开发成功一种被称为“三维钻井视窗（3D Drill View）”的三维实时钻井可视化软件。该软件与地学模型相结合
14、，可以将油井设计与实际井眼状况进行直接对比，对来自油井的数据进行综合分析和处理，快速准确地确定钻井方案。嵌入式钻井设计者（IDP)由ARCO公司和BP公司2000年开发，目前由设在美国克罗拉多大学的BP可视化中心管理。a:选靶点 b:选井 c:选井深 d:确定是否可钻 为了解决老油田开发问题，BP可视化中心2002年推出了用于侧钻方案设计和优化的三维可视化工具。利用该软件，通过观察三维环境中的侧钻轨迹及成本，能够确定特定靶点并快速评价可供选择的侧钻方案三、国外创新钻井技术三、国外创新钻井技术（四）实体膨胀管技术（二）套管钻井技术（一）自动化（闭环）钻井技术（三）连续管钻井技术（六）反循环钻井技
15、术（五）三维可视化钻井技术 采用常规钻井技术开发低压或欠压油气藏产量极低为了最大程度地减少对这类储层的伤害，加拿大卡尔加里的K2能源公司最近开发出一种称为反循环钻井的新技术，并在现场进行了试验，取得良好的保护油气层效果。K2能源公司开发的反循环钻井系统全称“中心返流反循环钻井系统”（RCCD），已申请了美国专利。反循环钻井的独到之处在于采用了双壁钻杆（或双壁连续管），当钻头进入储层时，地层不会承受由钻井作业产生的压力，所有钻屑都随钻井液从双壁钻杆的内层管柱的中心上返到地面，从而把钻井作业和钻井液对已裸露储层的伤害降至最小。第一口井：原井Tesoro3-14井于1975年用钻井液钻出以测试位于1
16、005.8米深的Cutbank地层，无发现而弃井。2002年K2能源公司对该井重钻，并命名为Palmer Bow Island3-14井，空气钻进到731.5米完钻，表层套管以下为裸眼。在6.77kPa压力下抽吸3天，产量是4389m3/d。第二口井：Palmer 10-2井，套管下深548.6米，达到Bow Island地层顶部，以下的182.9米为裸眼。在6.77kPa压力下抽吸5天，产量是2474m3/d。汇 报 内 容一、课题情况简介 四、超前钻井技术开发与实验 二、国内外钻井新技术概况五、钻井成本分析及发展趋势三、国外创新钻井技术四、超前钻井技术开发与实验四、超前钻井技术开发与实验（
17、一）激光钻井技术（二）微钻井技术（三）负压脉冲钻井技术（四）等离子孔道钻井技术（五）“智能”钻杆 。确定激光技术中可获得的数据量评估激光钻井和完井的潜力与局限性弄清激光、岩石、钻井液之间的相互作用对激光钻井所能获得的益处进行量化评估确定需要解决的激光钻井研究领域 1998年，Phillips石油公司用美国陆军MIRACL激光进行了钻孔实验。第一次实验使用的是Berea砂岩。激光束直径152mm，平均输出功率900kW。激光照射4.5秒后在岩石上钻了64mm深的钻孔，相当于钻速52m/h。第二次实验使用激光进行水平钻井或射孔作业。使用凹面镜反射并使激光聚焦为功率550kW，直径51mm的光束。激
18、光照射两秒后产生了152mm钻孔，相当于钻速137m/h。激光处理过的表面光滑，形成一个陶瓷化外壳。四、超前钻井技术开发与实验四、超前钻井技术开发与实验（一）激光钻井技术（二）微钻井技术（三）负压脉冲钻井技术（四）等离子孔道钻井技术（五）“智能”钻杆 微钻井技术就是利用微型连续管、微型井下马达和微型钻头进行钻井作业，并采用微型井下测量和测井仪器进行测量。该技术由美国拉斯阿拉莫斯国家实验室研究开发。微钻井技术设备全部安装在一台拖车上。其主要设备包括动力装置、连续管、遥测装置、马达、钻头等。拉斯阿拉莫斯国家实验室于1998年9月钻60.3mm微井眼井下套管至259m。1999年9月，北美的盆岭峡谷
19、沉积区和凝灰岩地带用微钻井工艺钻了4口井，其井眼直径是常规井眼的1/2到1/4。实验室正在研制一种更小的马达和钻头系统，该系统的钻深能力为10000英尺，足以勘探世界大多数潜在的油气储层。微井眼套管成本是传统井的14%，套管重量减少了88%。类型类型 井眼尺寸井眼尺寸 钻杆外径钻杆外径 系统容量系统容量 容量比容量比 杆管重量杆管重量 重量比重量比 mm mm mm mm L/L/m m kg/mkg/m微井眼微井眼 35.1 35.1 19.1 CT19.1 CT 0.890.89 40 0.86 29 40 0.86 29 50.8 50.8 31.8 CT 31.8 CT 1.721.7
20、2 19 2.23 19 2.23 1111超小井眼超小井眼 50.8 50.8 41.3 DR 41.3 DR 1.351.35 26 5.64 26 5.64 4.4 4.4 95.3 95.3 60.3/67.6 DP 60.3/67.6 DP 12.0 12.0 5 5.7 7.227 7.22 3.4 3.4小井眼小井眼 101.6 101.6 73.0/81.8 73.0/81.8 6.3 6.3 5.25.2 10.19 10.19 2.4 2.4 149.2 149.2 88.9/97.0 DP 88.9/97.0 DP 15.2 15.2 2.42.4 19.79 19.79
21、 1.2 1.2常规井眼常规井眼 155.6 155.6 88.9/97.0 DP 88.9/97.0 DP 16.7 16.7 2.22.2 19.79 19.79 1.2 1.2 222.3 222.3 114.3/127 DP 114.3/127 DP 35.9 35.9 1 1 24.7 24.7 1 1注：注：CTCT 是连续管，是连续管，DPDP 是钻杆，是钻杆，DRDR 是采矿用钻杆是采矿用钻杆微井眼洗井成本低，每钻1000英尺仅需1桶钻井液，传统钻井每1000英尺约需40桶四、超前钻井技术开发与实验四、超前钻井技术开发与实验（一）激光钻井技术（二）微钻井技术（三）负压脉冲钻井技
22、术（四）等离子孔道钻井技术（五）“智能”钻杆 ，瞬间止流阀提动阀高速液流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 钻井液从高速流道射出时具有很大的动能，瞬时止流阀可以将射流瞬时中断，可将这种动能转换成负压脉冲。由于水基钻井液的可压缩性很小，负压脉冲的量可以很大。2002年2月在贝克休斯公司的试验区对负压脉冲钻井系统的样机进行了现场试验。试验表明在硬岩石钻进可提高钻速50%。脉冲还可以作为强震源，提供精度为15米的垂直地震剖面。HydroPulse 负压脉冲工具 开环试验四、超前钻井技术开发与实验四、超前钻井技术开发与实验（一）激光钻井技术（二）微钻井技术（三）负压脉冲钻井
23、技术（四）等离子孔道钻井技术（五）“智能”钻杆 等离子孔道钻井技术就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2.5到5厘米的孔眼。英国的斯特拉斯克莱德（Strathclyde）大学电子电气工程系负责研究该技术。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研究等离子孔道钻井技术的研究工作已经达到现场试验阶段，英工作已经达到现场试验阶段，英国石油工业特别工作组预测，等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离子孔道钻井技术的成功开发对英国油
24、气工业将产生重要影响。英国油气工业将产生重要影响。如果该技术能够应用到新油田的如果该技术能够应用到新油田的勘探和提高老油田的采收率，在勘探和提高老油田的采收率，在今后几年内，有可能从北海开发今后几年内，有可能从北海开发出近出近6.84亿亿m3的原油。的原油。四、超前钻井技术开发与实验四、超前钻井技术开发与实验（一）激光钻井技术（二）微钻井技术（三）负压脉冲钻井技术（四）等离子孔道钻井技术（五）“智能”钻杆 IntelliPipe(智能钻杆)具有双向通讯功能，数据传输速度高达1百万比特/秒，比目前使用的技术快10万倍。该项目由美国能源部立项和资助，由Grant Prideco公司和Novatek
25、工程公司组共同承担。“智能钻杆”的核心是隐置在eXtreme Reach(XR)钻杆接头内的、独特的环形非接触式耦合器。“智能钻杆”与高速数据电缆和专有的耦合器连接起来。高速数据电缆装在钻杆和工具接头内，公接头与母接头通过螺纹连接后，两个耦合器就会接合到一起，使传输线路得以畅通，另外每305米放置一个专利放大接头。“智能钻杆智能钻杆”能把采集到的高分辨率数据传到地面，使作业能把采集到的高分辨率数据传到地面，使作业人员迅速作出正确的决策，从而提高钻井速度，降低钻井人员迅速作出正确的决策，从而提高钻井速度，降低钻井成本。成本。“智能钻杆智能钻杆”为地质导向钻井提供了强有力的技术支持，能为地质导向钻
26、井提供了强有力的技术支持，能够帮助司钻把井眼钻到油藏的最佳位置，有助于提高采收够帮助司钻把井眼钻到油藏的最佳位置，有助于提高采收率。率。“智能钻杆智能钻杆”可提供地面与井下的高速双向通讯线路，从而可提供地面与井下的高速双向通讯线路，从而为其他新技术的开发铺平了道路。为其他新技术的开发铺平了道路。汇 报 内 容 五、成熟钻井技术新进展 二、国内外钻井新技术概况 三、国外创新钻井技术四、前沿钻井技术开发与实验六、钻井成本分析及发展趋势一、课题情况简介 五、成熟钻井技术新进展五、成熟钻井技术新进展（四）直井防斜打直新技术（二）多分支井钻井技术（一）水平井钻井技术（三）欠平衡钻井技术 美国Petrol
27、physics公司研制的Petro Jet径向水平井钻井系统采用了连接在连续管高压管柱末端的特制喷嘴和103.4MPa的高工作压力，使流体喷射速度达到210-300米/秒，极大地提高了钻速。五、成熟钻井技术新进展五、成熟钻井技术新进展（四）直井防斜打直新技术（二）多分支井钻井技术（一）水平井钻井技术（三）欠平衡钻井技术 6级多分支井完井系统和主井筒套管的连接处具有一个整体式压力密封。连接处是一个专门的套管短节，包括两个向下延伸的套管分支。(1)Marathon石油公司在美国俄克拉荷马州的Carter-Knox油田完成了一口6级三翼分支井，作业使用的是贝克石油工具公司的叠加分支系统（Stacka
28、ble Splitter)。(2)壳牌公司在尼日利亚完成了两口6级多分支井。使用的是贝克石油工具公司Deepset分支系统。(3)BP公司在北海首次将可膨胀管技术用于6级多分支井，作业采用的是贝克石油工具公司的Formation Junction分支系统。五、成熟钻井技术新进展五、成熟钻井技术新进展（四）直井防斜打直新技术（二）多分支井钻井技术（一）水平井钻井技术（三）欠平衡钻井技术 英国Duetag欠平衡钻井服务公司开发出一向新的井控技术：动态压力控制技术，在实施高压欠平衡钻井时可快速、准确地控制井底压力，不需要地面高压或改变钻井液密度。（1）35MPa旋转防喷器（2）先进的四相分离技术 为
29、了提高欠平衡钻井的安全性，美国威德福公司研制了一种新型井下调控阀，并首次由Pinacle作业公司在路易斯安那州地层压力大于23.5MPa的情况下欠平衡钻了四个分支井眼，取得良好效果。五、成熟钻井技术新进展五、成熟钻井技术新进展（四）直井防斜打直新技术（二）多分支井钻井技术（一）水平井钻井技术（三）欠平衡钻井技术 VertiTrak直井钻井系是贝克休斯INTEQ公司研制的新型防斜打直工具，是一种具有双向通讯功能的井下闭环钻进系统，特别适合大倾角地层。汇 报 内 容二、国内外钻井新技术概况 三、国外创新钻井技术四、前沿钻井技术开发与实验 五、钻井成本分析及发展趋势一、课题情况简介五、钻井成本分析及
30、发展趋势1、固定费用（fixed costs）2、与钻井时间有关的费用（time dependent costs）3、与深度有关的费用（depth dependent costs）4、工程管理费（support costs）5、不可预见费（contingency costs）钻机费用在钻井成本中占比重很大，决定钻机费用的因素除了钻井时间外，还有钻机费率的问题。在开放的市场经济国家，钻机费率是受市场经济规律来调节的，这就构成了影响钻井成本的社会经济因素。石油和天然气价格升高会间接地带动单位钻井成本的增加；从钻井工程将面临的自然环境来看，大面积的、容易被发现和开采的油气田越来越少，陆地边缘和海上深水区域的钻探和开发会逐渐增多，油气井的平均深度也会逐渐增加，这些都会使单位钻井成本增加；未来能降低钻井成本的因素是技术进步和优化工艺过程；从各国宏观统计数字来看，单位油气井成本和单位钻井成本会越来越高，而从微观的角度来看，普通陆地直井工程的成本可能会受益于技术进步而越来越低。
