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油气之光——石油钻井新技术

2017-3-31 16:43:06 来源:中国矿业报 作者:张守松

新中国成立之初,我国没有石油钻井装备与工具的制造能力,钻井主要设备是使用苏联、罗马尼亚的钻机,一直到20世纪70年代,开始生产国产钻机。2006年,我国成功研制出9000米钻机,2007年成功研制出12000米钻机,并出口到许多国家。

钻井是石油工业的重要组成部分,是建造地下油气层通向地面通道的工程技术,被称为石油勘探开发的临门一脚。近年来,一批大型装备和高端仪器进入工业化应用,技术集成配套与现场试验提速提效显著,一批钻井新技术新工艺试验取得显著进步,技术储备得到增强,钻井技术实现了跨越式发展。

一、深井钻探设备与万米钻机

2007年,我国研制成功了12000米钻机,突破了大型钻机井架整体起升、耐低温材料焊接、高承载提升和传动系统加工等难题。9000米钻机经莫深1井验证,性能稳定;12000米钻机经四川龙岗川科1井(7566.50米)服役验证,使用性能良好,达到国外同类产品领先水平,获9项专利。

二、顶部驱动钻井技术

传统的旋转钻井的转盘装置是位于钻台上,通过方钻杆驱动井下钻柱旋转钻进。而顶部驱动钻井装置简称顶驱,是和钻柱顶部相连接,直接驱动钻柱进行旋转钻进、循环钻井液、上卸扣,具有多项钻井功能。

顶驱钻井装置取代钻井平台上的传统转盘、方钻杆、方补心钻井模式,其技术关键是利用天车-转盘之间的空间,将驱动主体与提升系统连接在一起,实现空间的充分利用,以立根为单元取代单根进行钻井作业,提高了钻井速度,改善了井眼质量。顶驱钻井的突出优越性是:当起下钻柱过程遇阻遇卡时,可迅速与以立根为单元的钻具相连接,及时进行旋转钻具、循环钻井液,化解井下的卡阻危险。

目前,顶驱已经成为探井、深井、复杂井以及海外钻井作业中的必备设备之一,是21世纪初在世界钻井工程界的重大关键技术之一,代表了当今石油钻机重大装置方面的最新水平。

我国目前已成为继美国、挪威、加拿大、法国之后,世界上第五个具备顶驱设计制造能力的国家。

三、定向井和丛式井

定向井和丛式井都可以称为斜井,它与普通直井(垂直地面)的井筒形状不一样,明显特点是从井口到井底有一个预定方向的大斜度,最大可达到100°以上(水平井)。当然一般的直井也并非人们想象得那么垂直,实际上都有大小不等、方向不一的斜度,但这个斜度都不很大,是要求加以控制的,这也与井深有关系。

在石油勘探开发过程中,由于经常遇到各种客观条件的限制,或处于经济方面的考虑,钻直井达不到预期目的,而钻斜井则能扬长避短。因而,人们在钻直井的基础上,成功实践了钻斜井的方法。沿着选定的方向钻达预定的目的层位,成为定向井;在一个井场或者钻井平台上,钻出不同方位和斜度的多口井,成为丛式井。常规定向井的井斜角一般为15°~45°,大斜度定向井则可达45°以上。

四、连续管钻井

连续管钻井是将特殊材料研制的钻杆像钢丝那样缠绕在巨大的缆车上,实现不换钻杆的连续钻井作业。

连续管钻井的主要装备是一部连续管钻机,在钻机上方有动力系统和缠绕在滚筒上的连续管,连续管的端部连接有马达和钻头。连续管采用高强度、高韧性的管材。钻井液通过连续管来驱动井下的马达,并带动马达下面的钻头旋转进行钻进。全部设备安装在一台可牵引的拖车上,钻机搬迁时可有标准拖车牵引。

连续管钻井与常规钻井相比最大的优越性是:省去了沿用多年的井架,钻井的地面设备少,占地面积小,设备搬迁安装方便、快捷、灵活,特别适合条件受限制的地面或者海上平台作业,可降低井场的占地和搬迁费用;在钻井过程中不需要连接钻杆,可实现钻井液的连续循环,提高了钻井起下钻的速度和安全性,并大大缩短了钻井周期;由于使用的钻井液少,可减少对环境的污染;连续油管是一体式钻杆,没有接头,有利于欠平衡钻井的进行。

五、地质导向钻井技术

地质导向钻井可在钻井作业的同时,实时测量地层参数和井眼轨迹,并能绘制各种测井曲线,是国际钻井的前沿技术。其原理是,由随钻的测井仪测出油气层的渗透率或电阻率后,将信息发至地面,根据油气实际地层走向调整井眼轨迹,实现最大限度钻遇油气层。这一操作原理,又称为地质导向。这种钻井对增加井眼与油气层解除面积,提高钻井成功率,提高单井产量具有显著的效果。

六、气体钻井提速提效技术

气体钻井技术1953年源于美国,以气体、气液混合流体作为循环介质代替钻井液。它的特点是极大地降低了对产层的伤害,提高了勘探开发效益,消除井漏对钻井作业的影响,可提高钻进速度,降低钻井作业的总成本,使工作环境和条件更为环保清洁。但气体钻井局限于井壁的稳定层段,不稳定的地层容易卡钻,井控风险更大。

气体钻井技术在国内起步较晚,四川省20世纪50年代~70年代开始零星尝试,2000年以后有了较快发展,2005年以后,四川盆地气体钻井迅速发展,气体钻井装备基本实现了国产化,气体钻井技术在我国实现了规模应用。

七、欠平衡钻井技术

欠平衡钻井是指在钻井过程中钻井液的压力略小于钻遇地层的压力,避免和大大减少了钻井液进入地层,使油气层不被伤害或压死,又不会发生井喷,是一套优质安全的钻井技术。欠平衡钻井系列又分为:气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井液钻井、充气钻井液钻井、清水或卤水钻井液钻井、油包水或者水包油钻井液钻井等。欠平衡钻井已经在中石化和中海油进行了推广应用,目前已形成具备年钻300口井的能力。

八、水平井钻井技术

水平井钻井技术是利用特殊的井下动力钻具与随钻测量仪器,钻成井斜角大于86°,并保持这一角度钻进一定长度井段的定向钻井技术。在油田开发中,水平井可以增加裸露出油面积,数倍提高单井油气产量。

水平井钻井技术包括随钻测量技术、井眼轨迹控制技术、井壁稳定技术、钻井完井液技术等。从垂直井段转变为水平井段的曲率半径越小,施工难度越大。

水平井按曲率半径分,可分为长半径水平井、中半径水平井、短半径水平井、超短半径水平井;按照井的类型分,可分为常规水平井、套管侧钻水平井、分支水平井;按照用途分,可分为生产水平井、注入水平井、横向水平井。

水平井钻井技术起源于20世纪30年代,发展于80 年代。全球每年各种水平井在2万口以上。在国内,胜利油田、辽河油田、长庆油田等为代表的一些油田,也都广泛应用水平井钻井技术,收到了较好的效果。□

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