钻井工程技术现状及发展趋势

2018-03-05叶海超

石油科技论坛 2018年6期

叶海超

中国石化石油工程技术研究院

降低成本、提高效益是所有油气企业的追求。随着油气勘探开发程度的不断深入，低渗低产低品位、深层特深层、深海极地、非常规等油气资源对钻井工程提出了更高要求，提升钻井技术装备水平是实现各类油气资源高效经济勘探开发的重要手段。近年来钻井工程快速发展，特别是水平井钻井及分段压裂、旋转导向、深水钻井等技术取得重大突破，拓宽了油气勘探开发领域，实现了深水、深层、致密油气和页岩油气等资源的经济有效开发。全面了解国内外钻井工程应用与研究现状，把握技术发展趋势，对调整和优化我国钻井工程研发方向、加快技术发展具有重要意义。

1 钻完井技术研究现状

近几年钻完井技术的研发重点主要集中在钻井提速、安全钻井、自动化钻井、储层改造和新型钻井流体等方面。

1.1 钻井提速技术

1.1.1 石油钻机

为了满足不同地层与地表状况施工需要、提高作业效率、降低成本，国外公司研制了快速移动钻机和连续运动钻机。美国Veristic公司研发的步进式液压快速移动钻机（图1）具有整体搬迁和8方向“米”字移动功能，移动速度达到0.2m/min，在Fayetteville页岩气区应用，34d完成5井组井工厂钻井作业。挪威油井系统技术集团研发的连续运动钻机由2套起升系统组成，钻杆下入速度达3600m/h，钻井周期可节约30%～40%。中国石油天然气集团有限公司（简称中国石油）研制的四单根立柱9000m超深井钻机，现场应用表明，与常规钻机相比，钻井生产运行费用降低37%，起下钻作业时间可降低20%以上[1]。

图1 步进式液压快速移动钻机

1.1.2 高效破岩钻头

当前，新材料、个性设计、3D打印等技术被广泛应用于钻头的研发与制造[2-7]。斯伦贝谢公司研制的LWD、高造斜率旋转导向系统一体化PDC钻头，实现“造斜段+水平段”一趟钻进，提高了斜井段和水平段的机械钻速；深层脱钴PDC钻头在印度Barmer盆地硬地层应用，平均机械钻速为10.7m/h，较普通钻头钻速提高47%；旋转切削齿PDC钻头（图2a）实现了切削齿旋转切削和均匀磨损，钻速提高26%，寿命延长6倍以上；锥形切削齿PDC钻头（图2b）可有效减少钻头的扭矩波动，在美国Williston盆地的垂直段和水平段使用，平均机械钻速增幅超过46%，最高达77%。贝克休斯公司研制的大尺寸6刀翼PDC钻头，采用钻头与井下钻具组合（BHA）一体化设计，大幅度提高导向工具的造斜性能和钻头的耐磨性，延长了钻头使用寿命。

图2 高效破岩钻头

1.1.3 动力钻具及辅助破岩工具

近几年动力钻具及辅助破岩工具研发取得了较大进展。加拿大DRECO公司研发的低速大扭矩螺杆，转速为100～110r/min，制动扭矩为15000N·m，提速达31%。俄罗斯VNIIBT（VNIIBT-Drilling tools Ltd）公司研制的NGT中高速涡轮钻具，转速为400～600r/min，制动扭矩为3940N·m，寿命达1200h。Smith公司研制的耐高温长寿命涡轮钻具，耐温300℃，一次钻进时间达到358h。国民油井公司（NOV）研发的水力冲击锤在硬地层应用，钻井进尺和平均机械钻速与同类井下动力钻具相比均提高180%以上[8]。阿特拉能源技术有限公司（Korla Energy Technologies Co., Ltd.）研制的扭力冲击器（TorkBuster），冲击频率为750～1500次/min，机械钻速提高150%以上，钻头寿命延长50%。中国石油集团工程技术研究院有限公司（简称中石油工程院）研制的可调频率脉冲提速工具使用寿命超200h，提速30%以上。中国石化石油工程技术研究院（简称中石化工程院）研制的射流式冲击器在硬地层机械钻速可提高30%～80%。

1.2 安全钻井技术

为了保障钻井安全，精细控压钻井、无风险钻井和地层深层探测等技术得到快速发展，实现了钻井复杂故障的提前预测、实时判断和及时控制。

1.2.1 地层深层探测技术

为了预防钻井风险、优化钻井方案、减少钻井复杂故障，斯伦贝谢、贝克休斯等公司开展了地层深层探测技术研究[9-10]。斯伦贝谢公司研发的PeriScope随钻电磁波电阻率测井技术，具有360°连续测量和深度成像功能，可探测井眼周围及钻头前方33m地层情况，提高钻井井眼轨迹控制精度。贝克休斯公司研发的SeismicTrak随钻地震技术（图3），能够探测钻头前方数百米甚至上千米的地层压力变化和储层特性，为及时调整井眼轨迹、钻井密度、避免井下复杂情况提供预见性指导。

图3 φ178mm SeismicTrak工具

1.2.2 无风险钻井

无风险钻井技术（No Drilling Surprise，简称NDS）可预判、评估、避免钻井风险，提高钻井施工效率。斯伦贝谢公司研发的NDS系统由随钻测量、地质力学模型、风险管理、孔隙压力预测和可视化等技术组成，实现了待钻地层、储层的预测和作业方案优化。挪威e-Drilling Solutions公司研发的eDrilling自动化钻井系统，集钻井仿真模拟、实时3D可视化和远程专家决策于一体，可进行待钻井数字化预演、复杂故障预判和储层钻进描述。贝克休斯公司开发的Copilot随钻诊断系统，配套多种传感器，可实时测量钻头钻压、钻具扭矩和转速、动力钻具转速和弯曲力矩、环空压力、井眼压力等参数，有效识别井下情况与风险。中石化工程院开展了地球物理指导钻井技术(Geophysical-Guided Drilling，GGD )研究，开发的碳酸盐岩地层压力预测技术误差控制在10%之内。

1.2.3 精细控压钻井技术

精细控压钻井技术能够有效控制井底压力和环空流量，预防井喷、井漏和井壁垮塌等复杂故障的发生，有利于保护油气层，为窄密度窗口地层安全钻井提供了有效的技术手段。主要公司、技术特点和性能指标见表1。

表1 常见的精细控压技术特点及指标

1.3 自动化钻井技术

1.3.1 自动化钻井装备

自动化钻机、自动化测量系统、自动化控制系统的研发与应用，加速推进了自动化钻井技术的发展。意大利Drillmec公司研制的AHEAD自动化钻机具备液压和电动双驱动，配套有全自动离线处理、连续循环与流量监测等系统，具有智能钻杆、连续循环、流量监控和自动送钻等功能，钻井效率提高50%以上。国民油井公司研发的自动化闭环钻井系统，可实时获取钻压、井下振动、井底压力等参数，能自动优化地面、井下设备和工具参数，在美国Eagle Ford页岩区成功应用，实现机械钻速最大化，试验井平均日进尺提高17%。巴西国家石油公司开发的在线钻井液测试系统，能自动监测钻井液流变性、电导率、滤失量、密度、硫化氢含量、pH值、固相含量和粒径分布等参数，可预测分析钻井液性能变化趋势并给出调整建议。挪威机器人钻井系统公司（Robotic Drilling System）开发的全自动钻台机器人（图4），可以实现钻杆自动化处理，现已进入推广应用阶段。

图4 全自动钻台机器人

1.3.2 井下自动控制技术

井下自动控制技术进展主要体现在井下信号随钻传输技术和井下自动钻井系统。随钻测量信号传输方面，提升钻井液脉冲信号传输性能的同时，开发了电磁传输、声波传输和有线钻杆等多种技术。斯伦贝谢公司研发的新一代MWD钻井液脉冲数据传输平台DigiScope和XACT公司研发的钻柱声波传输系统，有效解决了传输数据量低、传输速率慢、脉冲噪声影响、调速限制、空气钻井信号和泡沫钻井信号传输难等难题。国民油井公司开发的Intelliserv智能钻杆，传输速率为2Mb/s，被誉为近25年来钻井技术最为重要的进步之一[11]。

井下自动控制系统的发展主要表现在自动垂直钻井系统和旋转导向系统的研发与性能提升，在实现地层多参数精细评价和井眼轨迹高精度控制的同时，测控性能大幅提高。自动垂直钻井系统和旋转导向系统主要研发厂家及系统性能详见表2[12-18]。

表2 常见的自动垂直钻井系统和旋转导向系统

1.4 钻井液及水泥浆固井技术

1.4.1 钻井液技术

钻井液研发重点集中在耐高温、强抑制、强封堵、环保性和防漏堵漏等性能提高方面。目前，水基钻井液的最高使用温度为243℃，最高密度为2.87g/cm3；油基钻井液最高使用温度、密度分别为265℃、2.39g/cm3，斯伦贝谢公司开发的超高温高压油基钻井液密度为2.39g/cm3，在260℃条件下性能稳定，高温高密度水基钻井液耐温为232℃，密度为2.3g/cm3。哈里伯顿、贝克休斯等公司新研发的页岩气水基钻井液能够阻止孔隙压力传递、封堵微裂缝，具有强抑制、高润滑、降摩阻、低滤失、防止泥包和环境友好等特点，在页岩气钻井中广泛应用。得克萨斯大学开发的纳米颗粒页岩抑制剂，可减少页岩井壁失稳问题，为使用水基钻井液钻穿页岩地层提供了安全保障。挪威Wellcem公司和沙特阿美公司研发的热活性树脂堵漏材料可在地层温度下快速固化，固结温度为20～150℃，密度为0.75～2.5g/cm3，可用于窄密度窗口的安全钻井[19]。哈里伯顿公司研制的氟基抗高温钻井液，采用全氟聚醚、氟乳化剂和氯化钙盐水配制而成，具有热稳定性高、抗氧化性强等特点，抗温达343℃以上。中国石油研制的高温高密度水基钻井液，耐温为232℃，密度为2.3g/cm3。中石化工程院研制的超高密度钻井液最高密度达到2.87g/cm3。

1.4.2 水泥浆固井技术

近年来，水泥浆固井技术研发重点主要包括多功能、耐腐蚀、耐冲击、耐大温差、保证施工安全、提高固井质量等。斯伦贝谢、哈里伯顿等公司相继开发了防气窜、自愈合、高密度和非常规水泥浆固井技术。斯伦贝谢开发的FlexSTONE水泥浆体系具有膨胀、弹韧性、高强度、防气窜、耐冲击、保持水泥环完整性等特点，耐温260℃，密度为1.5～2.50g/cm3。哈里伯顿研发的树脂水泥固井技术解决了传统水泥浆脆性、收缩问题，具有井筒长期密封和层间封隔性，已成功进行了现场应用。美国Oceanit公司研发的纳米智能水泥，可对压力、温度等条件的改变做出响应，当固井水泥出现早期裂纹时，能够自感应修复。斯伦贝谢研发的纳米硅促凝剂，与CaCl2促凝剂相比，48h和7d的水泥石抗压强度分别提高30%和136%[20]。中石化工程院研制的超高密度水泥浆体系在官深1井获得应用，最高密度达到2.82g/cm3。

1.5 随钻地层测试技术

近几年，国外随钻地层测试技术发展迅速，实现了地层取样测试分析和地层压力测量。哈里伯顿研发的RezConnect智能测试系统，能够适时测量井下数据、分析储层动态、反馈井下信息，实现了钻井方案的及时优化和快速决策。该系统由无线传输系统、智能测试阀和单相取样器组成，耐温204℃，耐压140MPa。其无线传输系统具有双向传输的特点，既能将井底压力数据传输至地面，实时监控测试状态，也能将地面指令传达至工具。智能测试阀集选择测试阀、OMNI循环阀、油管试压阀和压力计托筒于一身，能够进行井下开关、循环等作业，并及时反馈操作结果。单相取样器带有 9 只取样腔，具有全过程全封闭、多次取样、压力补偿、防止样品污染、精确记录取样地层温度和压力的能力。

斯伦贝谢开发的三维径向探测仪（Saturn 3D radial probe）（图5），具有径向探测延伸功能，可进行地层动态流体取样和压力测量。该系统安装4个间隔90°的自封吸附式探测器，探测流体径向范围达到0.05m2，较常规地层测试仪增加了1200%，能够在0.01mD/（mPa·s）的低流动性和低渗透性地层中进行压力测试，在墨西哥成功地在抗压强度为300psi（2068.8kPa）的欠胶结地层中进行了流体取样。

图5 三维径向探测仪

中海油田服务股份有限公司研制的随钻地层压力测试仪（IFPT）可以定点实时测量地层压力和流度，最大工作温度和压力是150℃、138MPa，地层最大测量压力为110MPa。中石油工程院研制的井底环空压力随钻测量系统，能够精确测量井底环空及柱内压力和温度，可单独使用也可与MWD对接使用，最高使用温度和压力为150℃、170MPa。塔尔萨大学开发的微芯片测量仪（图6）可以通过钻井液循环测定井底温度、环空压力数据等信息，操作简单、成本低廉[21-22]。

图6 智能微芯片测井仪

1.6 压裂改造技术

近几年，压裂工具、压裂材料和配套技术进步推动了压裂改造技术的快速发展。

1.6.1 压裂工具及材料

压裂工具分为裸眼压裂工具和套管压裂工具系列，裸眼封隔器+滑套压裂工具技术指标为耐压70MPa、耐温302℃、64级、一球20段；固井滑套分段压裂工具技术指标为耐压70MPa、耐温160℃、44级；可开关滑套压裂工具技术指标为耐压70MPa、耐温170℃、92级；泵送桥塞压裂工具技术指标为耐压103.4MPa、耐温232℃、42级。

在流体方面，贝克休斯公司开发的高密度海水基压裂液密度为1.32～2.3g/cm3，具有易配置、强携砂、高弹性、易降解和成本低的优点；纤维素衍生物聚合物清洁压裂液耐温为135℃，具有残留少、返排效率高的特性。哈里伯顿公司开发的超低浓度瓜尔胶压裂液，在165℃下瓜尔胶质量分数可达0.53%，在65℃下瓜尔胶质量分数为0.18%，接近临界交联质量分数（0.12%～0.15%）。印度矿业学院开发的Fe3O4磁性纳米粒子，可增强电磁场，吸附在原油表面与原油形成磁流体，能提高原油产量并监测压裂裂缝[23]（图7）。在支撑剂方面，新开发的柱状支撑剂、自悬浮支撑剂、表面改良支撑剂和超高强度高导流性支撑剂等应用效果良好[24-25]。自悬浮支撑剂相对密度为1.08～1.25g/cm3，高强度高导流性支撑剂抗压为137.9MPa，耐温达260℃。沙特阿美石油公司研发的原位成形支撑剂（图8）由压裂液在地层条件下转化为离散的固体颗粒，降低了传统压裂液和化学品对储层的伤害程度[26]。

图7 磁性粒子吸附采出喉道剩余油

图8 原位成形支撑剂

1.6.2 压裂改造工艺

近年来，压裂改造工艺的主要进展包括高速通道压裂、宽带压裂、LPG压裂和CO2干法加砂压裂等，这些技术大幅度提高了储层改造效果[27-28]。斯伦贝谢公司研发的高速通道压裂技术通过应用可降解纤维材料、支撑剂和特殊伴注工艺，形成宽裂缝和大通道，与常规压裂相比，导流能力提高1.5～2.5个数量级，产量提高20%～60%，支撑剂用量降低40%，压裂液用量降低60%。宽带压裂技术通过应用颗粒级配（图9）和可降解颗粒使压裂液转向到较高应力区域，形成新的裂缝和通道，压后通过降解解除裂缝封堵提高裂缝导流能力，该技术二次改造效果明显，产量可提高6倍以上。LPG压裂技术具有环保、循环利用率高、保护储层、有效裂缝长、压后无滞留等特点，现已作业1400井次。

图9 宽带压裂技术颗粒级配

2 钻井工程技术发展趋势

2.1 提速提效技术装备仍是研发重点

不论是石油公司、油服公司或石油装备产商均致力于提速提效装备与工具的研发。美国Veristic公司、挪威油井系统技术集团等大力研制高性能的钻机设备；斯伦贝谢、贝克休斯、DRECODRECO、Smith、国民油井、阿特拉等公司注重提速工具、钻头的研发；挪威国家石油公司将提速降本建井技术作为重点支持项目，目标是到2020年将建井周期缩短30%，建井成本降低15%。

2.2 提升技术装备在复杂地层和环境的适应能力

美国研制的特深井钻机钻深达22860m，国民油井公司开发的钻井泵最高泵压达到79.1MPa，卡麦隆公司研发的防喷器承压等级达到175MPa。哈里伯顿公司研制的高温高压MWD/LWD工具耐温230℃、耐压207MPa，高温牙轮钻头耐温高达270℃。Parker Drilling公司研制的冷海钻井全封闭钻机，在萨哈林钻成了测深12345m的大位移井。KCA Deutag公司研发的极地钻机及低温发电机能适应温度-45℃的环境。BP公司“深水20K计划”提出准备研发钻探水平位移达20000m的钻完井技术和设备。

2.3 深海技术装备研发热度不减

尽管受油价暴跌及持续低迷的影响，深水石油工程技术装备研发丝毫没有放慢迹象。深水钻井、深水井控、深水油气井干预、远程作业中心、水下生产系统等新技术被广泛应用，海底地震、海底钻机和海底工厂等技术研发试验仍在持续进行。中集来福士海洋公司相继投运了第七代深水双钻塔半潜式钻井平台“蓝鲸1号”和“蓝鲸2号”，最大作业水深为3658m，最大钻井深度达15240m。Frigstad Engineering公司投运的Frigstad D90超深水半潜式钻井平台，最大钻井深度18288m。意大利SAIPEM公司设计、韩国三星重工建造的钻井船Mylos，作业水深为500～3500m，排水量为96000t，可变载荷为20×104kN。美国Gregg Marine公司开发的海底取样钻机已经投入现场应用，最大作业水深为3000m，取心深度为150m。挪威国家石油公司“海底工厂”进展迅速，预计于2020年实现。

2.4 精细压裂增产技术装备备受关注

美国Weir Oil & Gas公司与加拿大Canyon Services Group公司合作研发了SPM QEM 3000压裂泵，连杆载荷达到1223.75kN；美国Solaris Oilfield Infrastructure公司研发了2300t的移动压裂砂罐系统；Energy Recovery公司研发的VorTeq压裂系统可实现连续压裂作业。投球滑套、全通径滑套、智能开关滑套、可钻桥塞、溶解桥塞等分段压裂工具层出不穷，广泛应用于现场生产。宽带压裂、高通道压裂、精准定位压裂、重复压裂、转向压裂、水力压裂裂缝电磁监测等工艺技术被多家油气服务公司攻克，成为致密油气、页岩油气增产降本的利器。

2.5 地质工程一体化技术装备加速推进

随钻测绘、随钻成像、随钻测试等技术的快速发展，加速推进了油藏、地质、工程等一体化技术的进程。斯伦贝谢公司研制的GeoSphere储层随钻测绘系统，可以实时测量解释深部地层电阻率，优化地质构造模型，描述储藏特征，实现油藏描述的精细化、可视化。斯伦贝谢开发的Quanta Geo高清储层地质仿真技术，采用微型电阻率成像技术，可在油基钻井液环境下生成高清的地层图像，解释识别地层地质特征，3D精确预测储层变化趋势。斯伦贝谢的MicroScope HD随钻高分辨电阻率成像技术，能够提供实时、高质量的地层成像，分辨率达到1cm。哈里伯顿公司的RezConnectTM试井系统具有全声波控制中途测试功能，能够对油气井和储层进行实时测量和分析。随钻地震、随钻测井等技术与钻井技术的结合，实现了油藏地质、油藏评价和油气井生产的一体化，为最大程度提高单井产量提供了技术保障。

2.6 自动化、智能化技术装备研发持续升温

物联网、大数据、云计算等信息技术的发展与应用，推进了石油工程技术装备的自动化、智能化发展。钻井装备自动化步伐进一步加快，自动化井口设备、一体化司钻控制室、自动排管系统、井口机器人等自动化设备得到广泛应用。随钻地层分析、地层压力监测、旋转导向、定向转速控制等实时化、智能化系统的快速发展，基本实现了油气藏识别和井眼轨迹的智能跟踪和调控，地质导向与旋转导向技术的结合促进了钻完井技术的可视化和数字化发展。智能完井技术的发展完善，为油气藏动态描述、精细控制和生产优化提供了条件。远程决策系统能够实现大数据的优化、传输和控制，成为石油工程自动化、智能化的远程控制中心[29]。