国外前沿钻井技术综述

在德国 GDF 井的现场试验中使用了 覫215.9mm “自进式” 钻头。 试验在修井机上进行， 共钻进 150m。 切 削 结 构 在 井 底 造 型 后 ， 自 进 现 象 开 始 ， 机械钻速迅速增加。 试验中经常测到负钻压， 平均 钻 压 在-5～10kN。 即 使 “自 进 ” 现 象 不 能 被 稳 定 下来， 在相当长的一段时间内， 机械钻速和钻头扭 矩也会增加， 而钻压始终保持在 10kN 左右。 室内 实验和现场试验结果表明 ， BB 新技术对控制 PDC 钻头的可钻性规律具有重要潜力。 科研人员可根据 BB 切削结构装在钻头上的数量 ， 实现从单纯减少 钻压到完全达到 “自进” 功能， 现场试验也证明了 “自进式” 钻头钻中半径井眼轨迹的能力。 但无钻 压钻井需要地面控制机械钻速， 还要改进底部钻具 组合轴向特性。
图 1 钢粒冲击钻井系统钻头
该技术由美国 Particle 钻井技术 公司开发， 通 常用于钻进高硬度和高研磨性地层。 与常规钻井相 比， 该技术预计节省 35%～50%的钻井成本。 该技 术的关键设备有： ①钢粒注入系统， 位于钻井泵与 立管之间； ②PID 钻头， 钻进井眼并以很高的速度 将钢粒传送至井底； ③钢粒处理和储存装置， 将钢 粒从钻井液固相和上返钻井液中分离出来， 重新注 入以前储存的钢粒。
第 1 口井最初于 2004 年用一台车装钻机开钻， 采 用 反 循 环 钻 井 方 法 ， 但 没 有 完 钻 ， LM700 钻 机 投 入 运 转 后 ， 于 2005 年 9 月 再 钻 该 井 ， 钻 至 2377.4m， 玄武岩以下的沉积 岩层段由 常规钻机钻 至 约 4419.4m； 第 2 口 井 于 2006 年 8 月 开 钻 ， 由 LM700 钻机钻至约 3353m， 然后由常规钻机钻至完 钻井深约 4267m。 现场应用表明， 反循环钻井技术 对地层没有伤害， 而且商业天然气产量比用常规旋 转方式钻的井要高。
反循环钻井技术最早是由加拿大 PressSol 有限 公司借鉴岩土挖掘工程中的反循环思路， 结合油气 田钻探实践而开发的。 常规旋转钻井是将钻井液或 气体从钻杆内泵送至井下， 从钻头喷嘴返出， 再由
钻杆与井眼之间的环空携带钻屑返回地面。 而反循 环钻井使用的钻杆是双壁钻杆 （RC 钻杆）， 内管柱 悬挂在外管柱内， 钻杆可与旋转钻头或空气冲击钻 头配合使用。 按常规方式接单根， 当外管柱连接到 一起时， 内管柱就被密封。 钻井液从钻杆的内、 外 管壁间的环空泵送至井下后， 再注入压缩空气， 形 成一个双梯度流体体系。 内管壁上的射孔允许增压 空气从环空中逃逸， 并沿内管向上运动， 产生真空 以举升钻屑， 而钻井液则仍留在 RC 钻杆内， 不会 进入地层。 采用 RC 钻杆的优点是当钻头进入储层 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 RC 钻杆的内层管柱的中心上返至 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。
5.2.1 洛斯阿拉莫斯国家实验室微井眼连续管钻机 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出了微井眼连
续管钻机的早期模型， 由控制台、 注入头、 卷筒、 连续管、 液压供给系统、 井控设备组成。 该钻机模 型是小型化的常规连续管钻机， 简化了复杂部件并 降低了对人力的要求， 较容易实现自动钻井。 5.2.2 先进钻井技术公司微井眼连续管钻机
美国 EnCana 公司在华盛顿州 Grant 县和 Yaki鄄 ma 县 ， 使 用 LM700 钻 机 分 别 在 3 口 深 度 大 于 4000m 的井上利用反循环方法钻穿玄武岩层段。 使 用的钻柱是 覫168.3mm 外加厚外管和 覫114.3mm 内 管， 内管由一系列星形接头支撑在外管内。
微井眼钻井技术是由美国能源部设在洛斯阿拉 莫斯的国家实验室开发的， 该技术的基础是小型化 了的连续软管钻井技术。 与普通井眼相比， 微井眼 井径很小， 可用于浅层开发井、 油藏数据监测井、 深探井和浅井重入钻井。 其优点是： ①钻井产生的 岩屑和所需的钻井液量都大大减少； ②微井眼钻井 使用小型连续管钻机， 钻井设备也实现了小型化， 机械钻速快， 对动力的需求较常规钻机大大减小； ③大大降低勘探开发风险， 预期可降低勘探钻井成 本 30％以 上 ， 降 低 开 发 钻 井 成 本 50％以 上 。 但 微 井眼连续管钻井技术也存在一些不足： ①钻深受卷 筒尺寸和连续管总重量的限制， 提升能力受注入头 载荷的限制； ②滑动钻井 （连续管不能旋转） 降低 了井眼清洗效率， 增加了井眼与连续管柱之间的摩 擦， 限制了由地面施加的钻压； ③即使有井下传送 工具， 连续管在井内水平延伸也有一定限度， 若管 内的钻井液流速过高， 水力能量损失较大； ④易卡 钻， 底部钻具难以打捞。
钢粒冲击 激光 微井眼 反循环钻井 等离子
近年来， 国外钢粒冲击钻井、 “无钻压”钻井、 反循环钻井、 激光钻井、 微井眼钻井等一系列超前 钻井技术的研发获得了令人瞩目的成功， 其中一些 技术代表了未来钻井技术的发展方向。 系统地了解 这些技术现状对我国钻井业具有重要的现实意义。
钢粒冲击钻井是指在钻井液中加入高硬度钢粒 （洛氏硬度 50～55， 加量不超过总流量的 5%）， 钢 粒从钻井泵的下游注入钻井液中 （不影响钻井泵正 常工作）， 再从钻杆内下行， 加速通过专门设计的 固 定切削齿 （PID） 钻 头喷嘴 （图 1）， 以 400×104 次/min 频率、 约 150m/s 速度冲击 、 破 碎 地 层 。 当 钢粒冲击井底时， 它所传递的力在很小的接触面积 上产生很大的应力 （其量级大于破碎岩石需要的 力）。 钢粒和钻屑由钻井液一起携带至地面， 流经 振 动 筛 之 前 要 先 通 过 一 台 分 离 装 置 — — — 三 筛 网 钢 粒 处理箱。 该处理箱是根据 SWECO 圆顶式分离器设 计的， 第三层筛网要经过一块旋转磁铁， 由磁铁将 钢粒吸住、 捕获， 并准备重新注入钻井液中。
整体钻头设计是 “自进式” 切削机构与常规
收稿日期：2008-10-06 改回日期：2008-11-14 作者简介：杨利（1972—），男，1992 年毕业于石油大学科技英语专业 ，高级工程师，现主要从事钻井科技情报服务和研究工作 。联系电话：（0546） 8555885, E-mail:ylzjy@slof.com, 通讯地址：山东省东营市北一路 827 号钻井工艺研究院情报档案培训中心 。
第 6 卷第 4 期
杨利等： 国外前沿钻井技术综述
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碳激光 （CO）、 钕∶钇铝石榴石激光 （Nd∶YAG）。 与旋转钻井相比， 激光钻井具有以下优点： ①
更易穿透岩石， 大大增加钻进速度； ②可从地表连 续钻进至目的层， 节省起下钻柱、 更换钻头、 打捞 卡钻钻具、 注水泥的施工用时， 并且钻进过程中， 在井壁形成坚固的陶质层， 从而省去了下金属套管 的时间， 形成的陶质层井壁不仅防止井内流体渗入 地层污染周围环境或水源， 还阻碍了地层流体流入 井内， 防止井喷； ③无需钻头、 套管等旋转钻井必 不可少的构件和器材， 减少了钻井成本； ④地表到 井底是通过光缆连接， 可运用井下电视或其他传感 器将井底信息传至地面； ⑤因激光是直线传播的， 所以能有效地控制井眼轨迹。
2007 年 1 月， 美国 Particle 钻井技术公司利用 钢粒冲击钻井技术 完成了一口 井的施工， 在 8h 纯 钻 时 内 钻 进 36.58m， 是 当 时 完 成 的 最 长 的 进 尺 。 试验过程中粒子储存腔驱动管线损坏一次， 更换配 件后修复。 后因标准止回阀破损导致钻头水眼堵 塞， 起钻后决定中止试验， 本次试验达到了预期效 果。
先进钻井技术公司建造的微井眼连续管钻机可 使用 4 部拖车搬运， 主要包括： 套管拖车、 钻机拖 车、 钻井液拖车、 作业拖车。 在搬运过程中， 钻机 拖车装载钻机和卷筒。 其中， 钻机包括了钻井作业 所需的所有装备及钻井液零排放系统。 钻机可以操 作 覫193.7mm 套管， 也可以支持转盘和顶驱。 连续 管 缠 绕 在 钻 机 的 卷 筒 上 ， 钻 机 可 操 纵 覫25.4 ～ 覫66.7mm 的 连 续 管 ， 钻 达 深 度 1524m。 钻 井 液 通 过安装在卷筒上的水龙头进入连续管。
1998 年是激光钻 井 项 目 开 展 后 的 第 一 年 ， 美 国菲利普斯石油公司在面积 77cm2、 厚度 76mm 的 干燥 Berea 砂岩上进行了激光实验。 该实验是模拟 使用激光进行水平钻井或射孔作业。 实验时， 先使 用 一 个 凹 面 镜 反 射 并 使 激 光 聚 焦 为 功 率 550kW， 直径 51mm 的 光束 ， 激光照 射 2 s 后 产 生 覫152mm 钻孔 ， 相 当 于 钻 速 137m/h。 经 测 量 发 现 ， 井 眼 周 围的渗透率未下降， 激光处理过的表面形成光滑的 陶瓷化外壳。
第 6 卷第 4 期 2008 年 12 月
石油工程技术 PETROLEUM%ENGINEERING%&%TECHNOLOGY
Vol.6, No.4 Dec. 2008
杨 利 彭军生 孙明光
（胜利石油管理局钻井工艺研究院， 山东东营， 257017）
在对国内外资料进行广泛调研的基础上， 详细介绍了国外钢粒冲击钻井、 “无钻压” 钻井、 反循环钻 井、 激光钻井、 微井眼钻井、 等离子孔道钻井等技术的发展现状， 并对发展我国前沿钻井技术提出建议。
“无钻压” 钻井是指具有特殊切削结构的钻头 在切削齿的作用下产生 “自进” 效应， 以降低对钻 压的要求。 这种特殊的切削结构被称作钻头增压器 （Bit Booster）， 简称 BB 切削 结 构 。 其 工 作 原 理 是 当切削齿靠近被另外一个切削齿预先切出的槽钻进 时， 与切削方向垂直的力产生一个朝向已有切槽的 分力（图 2）， 垂直正交力的分力产生钻压。 为了实 现 切 削 结 构 的 增 压 特 性 ， 分力必须朝下 （图 3）， 同 时 还 可 通 过 改 变 BB 切 削 结 构 几 何 形 状 和切削顺序， 对其进行优化， 使自进效应最大化。
自 2005 年 5 月至今， 在美国科罗 拉多州东 部 和 堪 萨 斯 州 西 北 部 的 浅 层 奈 厄 布 拉 勒 （Niobrara） 白 垩 岩 地 层 ， Rosewood 资 源 公 司 使 用 连 续 管 钻 机 共钻了 25 口微井眼气井。 试验表明， 使用微井眼 连续管 钻 机 1d 之 内 可 钻 一 口 914m 的 井 （表 层 套 管段由另一台钻机提前钻完后下入）， 与普通的钻 井作业相比， 成本明显下降。
从本质上讲， 钻井用激光器就是把其他形式的 能量转换成光子， 光子经过聚焦成为强光束， 把岩 石融溶、 熔化、 粉碎、 蒸发。 具体地说来， 就是把 激光束聚焦在一个要钻入地层的环形区域内 （该区 域是要钻的井眼直径范围内很小的一部分）， 激光 束聚焦后形成很高的温度， 使要钻入的地层熔化蒸 发， 强大的热冲击也可将要钻入的地层岩石击成细 粒， 而且其压力足以使击碎的岩屑上升至地面。 调 研发现以下几种高能激光具有用于天然气钻井完井 的 潜 力 ： 氟 化 氘/氟 化 氢 激 光 、 自 由 电 子 激 光 （FEL）、 化学氧—碘激光 （COIL）、 氟 化 氪 （激 励 态 ） 激 光 （KrF）、 二 氧 化 碳 激 光 （CO2）、 一 氧 化
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石油工程技术
2008年 12 月
钻头体 Fn
Fl 岩石
钻进方向
图 2 经典的交互作用几何学
钻头体
轴向反 作用力
Fr
钻进方向
岩石
图 3 BB 切削齿的作用原理
PDC 钻头的结合 ， 即钻头喷嘴 处装有常规 PDC 切 削齿， 由 BB 切 削结构代替 典型的横 向 切 削 结 构 。 该技术的特点是： ①增加大位移井的延伸长度； ② 延长连ห้องสมุดไป่ตู้管所钻井井段长度； ③减少直井的钻柱屈 曲问题 ； ④提 高滑动钻进 的性能 ； ⑤扩 大 PDC 的 使用范围。