全球钻完井技术发展趋势研究(上)

全球钻完井技术发展趋势研究（上）

2014-1-23 17:41:58 标签：钻机钻头钻井技术旋转导向钻井液连续管海洋钻井极地钻井

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文|汪海阁等

中石油勘探开发研究院钻井所副所长，研究生导师

当前，世界油气工业正逐步走出金融危机的束缚，步入复苏的时期；新兴市场不断涌现，页岩气、致密油、致密气等非常规油气，可燃冰、地热等新能源，深水油气、极地钻探等成为当今的焦点和热点。加拿大的油砂、巴西的盐下石油和美国的“致密油气、页岩油气”正改变着世界的能源版图。

全球钻井活动伴随着勘探开发的进程掀起了以水平井为核心的新一轮高潮，钻井工程技术在各大综合性工程技术服务公司的引领和众多具有专业特长的小公司的推动下正发生着深刻的变化。

新材料、新装备、信息化技术为极端环境下的资源钻探提供了越来越多的可能，随钻技术、远程控制和自动化操作成为解决复杂地质条件难题、涉猎极端环境区域和满足越来越高要求的HSE 标准的金钥匙。

1、国外钻井技术新进展

近年来，国外在高效起下钻机和自动化钻机、高效PDC 钻头和辅助破岩工具、高造斜率旋转导向工具、井下信息高速上传、连续管技术、套管与尾管钻井技术、深水钻井和极地钻井、页岩气钻井、钻井实时优化与远程监控技术、新型钻井液及堵漏材料等方面发展迅速。

近两年，世界钻机及其配套设备呈现出能耗越来越低、机械化与自动化程度越来越高的发展趋势。陆地和海上钻机承包商一直致力于通过自动化提升移动性、提高装备的灵巧性和专业化、满足必要时适应苛刻的环境条件。装备制造商和钻井承包商在装备研发设计和改进上秉承着最大限度减少非生产时间、同时使之更安全、更环保的目的进行着不懈地努力。

RT Energy Services公司的Versa-Rig 300模块化钻机专为在Bakken 地区应对北达科他州平原严寒冬季而设计，可抵受120mile/h的强风。特意设计的卡瓦窗可以防止钻机液压系统受冻；可收缩的隔离墙包裹的温控室，保护员工不受严寒，沟通、操作更容易高效；下套管时钻机能承受300000lb拉力和150000lb压力；钻机操作人员只需6 人；钻机从一个井眼移动到另一个井眼只需1h，钻机拆解和安装只需12h，12h内可复合压裂23 级；最大钻深8230m，可打大位移井。

Patterson-UTI 新一代高效可移动钻机APEX 具有可视化电子钻井系统，良好的安全性贯穿EDS 整个系统，包括Wichita DM 236 电力制动、先进的天车和钻台防护；钻机的专业移动系统搭配管扣实现钻机向前、横向或旋转移动，完成灵活的井口布置和定位；电子悬挂系统、多功能出油管线和钻井液循环系统实现了钻机本身按井眼设计移动超过150ft 而不需移动其他配套设施；采用Ross Hill 1400 SCR驱动系统，操作简单、可靠、性能优异、易于维护；Wrangler 3500型液压平台替代了手工操作，其远程控制功能让作业者在起落管件时远离危险的钻台。

正在研发中可能引领未来钻机方向的是挪威West公司的连续运动钻机，它以750t 钻机为基础，对连续运动钻机（CMR）概念进行工业有形化可行性研究。采用双井架和专门的自动接卸扣设备，使钻柱在起升或下放的运动过程中，完成钻杆立柱的上卸扣和排放，改变传统起下作业过程中每起下一个立柱长度必须停下在转盘上进行上接卸和立柱排放的做法，提高了起下钻作业效率。三单根、二单根和单根下入速度分别达3 6 0 0 m / h、2700m/h和1800m/h。钻机的提升系统需要设计紧凑的双井架、两个井架机器人、两套自动管子操作设备、两套提升系统、配备顶驱和自动上卸扣装置。该钻机允许带接头的钻杆以连续的方式下入和起出装备。钻井时间节约15%～25%，有望节省30%～40%。连续运动钻机实现了钻井作业过程的全自动，可减少或避免压差卡钻。预计连续运动钻机2015 年能达到工业化应用水平。

NOV公司的Varco新一代顶驱TDX-1250增强了部件的可靠性和模块化，是目前世界上最先进的顶驱；Deep Casing 工具公司突破常规钻井工艺研发的新型下套管工具Turbocaser Express为业界首个可钻穿式下套管工具，能够实现深层钻、扩、固一体化套管坐放作业。Statoil、ExxonMobil、Schlumberger、NOV、Baker Hughes和巴西国家石油公司等都在进行钻井自动化方面的技术研发。Shell 公司在这方面的发展最快，并已联合中国石油集团为澳大利亚煤层气开发建造新一代自动化钻机。H&P 公司、Nabors

的Canrig公司都是提供自动钻井程序的公司，H&P 设计和建造的自动化钻机在美国占据40% 以上的份额，是目前使用最多的钻机之一。

1.2 钻井高效破岩钻头及辅助破岩工具

提速是钻井永恒的主题，特别是解决复杂深井钻井中高研磨性地层、巨厚砾石层、高温高压、井漏、窄密度窗口等制约钻井效率的瓶颈问题始终是新技术研发的焦点。目前钻井提速正朝着更安全、低成本、高效破岩等方向发展。

1.2.1 钻头技术

国外一直致力于钻井高效破岩新技术研发，不断推出新型高效钻头、复合钻头和仿生钻头。近两年钻头技术的进展主要体现在减少起下钻、改进刀具、改进牙轮结构以应对冲蚀和冲击阻力的不利影响，提高钻头在性质多变的夹层层段及坚硬地层中钻进时的耐久度和机械钻速等方面。

Baker Hughes 公司开发出集牙轮和PDC 钻头优点于一体的新一代Kymera 复合钻头，在巴西首次使用中以钻速快于邻井90% 及进尺超过邻井20% 的优势取代了牙轮钻头。塔里木油田迪北101井和迪北104井在苏维依组分别使用了7 只和5 只PDC 钻头，机械钻速低于1m/h。迪北103井171/2in（φ444.5mm）井眼应用Kymera复合型钻头，一趟钻钻穿吉迪克组底部、苏维依组、库姆格列木群组，总进尺342.4m。钻速提高154%，降低周期16d，代替5 只PDC 钻头；节约费用约450 万元。

Smith公司推出适应页岩钻进的钢体式聚晶PDC钻头——Spear钻头，专为页岩地层设计，能快速、有效地钻进弯曲段和长水平段，已成功用于Bakken、Barnett、MarcellusHaynesville和Eager Ford等页岩气田。采用高刀翼和薄刀翼组合方式，扩大了岩屑的过流面积。Spear 钻头采用IDEAS 钻头设计和模拟软件，与常规PDC钻头相比，Spear 钻头在外形、结构、布齿、装配上有所改进，可在高机械钻速条件下有效循环出钻屑，增加了定向控制能力和钻速，提升了稳定性和造斜能力。

Halliburdon公司的SteelForce钢胎体固定齿钻头改进了钻头材料、加工工艺、防泥包涂层等辅助材料，扩展喷嘴类型，兼顾性能提高与寿命延长。

为解决PDC 钻头在硬质研磨性地层中遇到的困难，Smith公司分析了岩石与切削齿之间的摩擦热以及钻头在深井中长时间钻进时的热降解和微磨削作用，发现在不同地层环境下需使用不同性能的切削齿。研制的ONYX 切削齿具有很好的热稳定性、耐磨性和抗冲击性，耐磨性和疲劳寿命明显优于其他PDC 钻头。对比测试中，ONYX 切削齿进尺提高85%。