面向21世紀,全球油氣資源的可持續利用問題將更加突出,使得鉆井科技工作者在技術、成本及環保等方面面臨許多新的挑戰和技術難題,需要認真規劃、研究并解決。旋轉鉆井在20世紀初就已經問世,迄今,它仍作為油氣工業一種最主要的鉆井方法而被廣泛采用。縱觀旋轉鉆井的發展歷程,在技術和裝備上的明顯進步,還是最近20多年的事情。20世紀70年代末期出現了PDC鉆頭,這是鉆井領域一個明顯的進步標志;進入80年代,相繼出現了隨鉆測量(MeasurementWhileDrilling,簡稱MWD)儀器、可控井下馬達以及水平井鉆井技術等;90年代,隨鉆測井(LoggingWhileDrilling,簡稱LWD)和隨鉆地震(SeismicWhileDrilling,簡稱SWD)等先進的測量技術不斷投入商用,大位移井和復雜結構井鉆井技術,以及連續柔管技術等得到迅速發展和應用。展望未來,由于石油工業上游成本差的驅動(亦即效益目標的驅動)以及人類對“健康、安全、環境”更高目標的追求,進入21世紀后,旋轉鉆井在技術上的積極發展勢頭仍將有增無減。
1 油氣鉆井的關鍵技術與理論基礎
在鉆井過程中,如何使鉆頭沿預置軌道鉆進并保持井眼的穩定,如何優選鉆頭和鉆井參數以提高機械鉆速,如何實現鉆井自動化與智能化以減少鉆進間斷、提高鉆井質量和效率,如何有效地保護儲層以提高勘探開發效益,等等,這些都是鉆井的關鍵技術或學術難題[1]。
1.1 關鍵技術
(1)井眼軌跡控制技術。它是采用合理措施(包
括井下工具及測控系統等),強制鉆頭沿預置軌道破碎地層而定向鉆進的技術。從實際需要出發,研究與開發先進的井下可控工具及測量和控制系統,是發展井眼軌跡控制技術的關鍵所在。
(2)井眼穩定技術。該技術以地層的理化特性和力學不穩定性評價為基礎,通過鉆井液體系的匹配、合理鉆井液密度的確定及井身結構和鉆井工藝的優化設計等綜合技術措施,使井眼保持穩定,以避免或減少漏、涌、塌、卡等井下復雜和事故。
(3)高效破巖與洗井技術。它是提高機械鉆速的關鍵技術,主要包括地層抗鉆特性評價,鉆頭的研制或合理選型技術,高壓射流破巖技術,水力與機械聯合破巖技術,鉆井參數優選技術,以及高效清洗與攜帶鉆屑技術等。
(4)油氣儲層保護技術。它是提高油氣資源勘探與開發效益的關鍵技術之一,未來發展的重點是儲層損害快速診斷技術,裂縫性儲層的鉆井液暫堵技術,探井儲層保護技術以及欠平衡鉆井技術等。1.2 理論基礎
(1)鉆井工程力學。用來研究和解決與鉆井有關的流體力學和固體力學(鉆柱力學、巖石力學)等問題。
(2)鉆井化學。用來研究和解決與鉆井液和完井液有關的化學問題。
(3)鉆井工程地質。用來研究和解決由復雜地質環境所決定的地層鉆井特性(如巖性、可鉆性、各向異性、理化特性、地應力、壓力特性及不穩定性等)的評估問題等。1.3 交叉研究
上述關鍵技術的最終實現,還必須借助于材料、動力、機械、測量、控制及通訊(信息傳輸)等多學科的支撐作用,須組織不同領域的科技人員協同攻關,進行廣泛的多學科交叉研究。
2 油氣鉆井技術發展趨勢
一方面,隨著油氣勘探與開發事業的發展,必然對鉆井的類型和技術內容提出新的要求并有更高的期望,從而促進鉆井技術內容的不斷創新;另一方面,由于鉆井費用在石油工業勘探開發費用中占有50%~80%的份額,所以不斷提高鉆井技術水平和工程效率就成為石油公司降低勘探開發成本的主要著力點。概括起來講,油氣鉆井技術發展的主要目標一是滿足油氣勘探開發的目標需求及提高勘探開發整體效益;二是提高鉆井工程效率,降低鉆井工程直接成本。
高壓高溫井、深井超深井、特殊工藝井(包括定向井、水平井、大位移井、復雜結構井、叢式井、欠平衡鉆井及套管鉆井等)、小井眼及隨鉆測量(包括幾何、地質及力學的測量)等,都是適應不同的油氣勘探開發需求而提出來的,這既是對傳統鉆井工藝的挑戰,也是促使鉆井技術不斷發展的機遇和動力。從現狀和發展趨勢來看,在進入21世紀后,旋轉鉆井仍將是油氣工業最主要的鉆井方法。旋轉鉆井又分為轉盤旋轉鉆井、井下動力鉆井及二者兼備的復合旋轉鉆井等不同的方式。轉盤旋轉鉆井是整個鉆柱處于旋轉運動狀態,同時帶動鉆頭旋轉鉆進;井下動力鉆井是井下動力鉆具的轉子帶動鉆頭旋轉鉆進,轉盤及整個鉆柱可以不旋轉;復合旋轉鉆井則是在使用井下動力鉆具的同時又開動轉盤旋轉鉆進。研究和實踐證明,每一種旋轉鉆井方式都具有各自不同的鉆井特性和優缺點。其中,復合旋轉鉆井方式在一定程度上兼備轉盤鉆和井下動力鉆的優點,既可連續控制井眼軌跡和減少起下鉆次數,同時還能提高機械鉆速,是一種比較高效的可控鉆井方式,今后應對這種鉆井方式的系統動力學特性進行
深入研究與試驗。
在20世紀80年代,隨著定向井和水平井鉆井技術的發展,導向鉆井系統應運而生,具有彎外殼或
偏心穩定器的井下動力馬達(稱之為“導向馬達”
)替代了直桿動力馬達和彎接頭。將導向馬達與無線隨鉆測斜系統相結合,成功地實現了定向井和水平井鉆井的幾何導向。在此基礎上,1989年開發成功第一代無線隨鉆測井系統,使定向鉆井技術由幾何導向發展到地質導向。為了有效地控制水平井的“切線段”和“水平段”或實現井眼軌跡的連續定向控制,在應用導向鉆井系統實施井下動力滑動鉆進的基礎上,提出了復合旋轉鉆井方式。具有反向雙彎(DTU)或單彎雙穩定器的螺桿鉆具組合,以及帶偏心穩定器的渦輪鉆具組合等,均在復合旋轉鉆井中獲得成功應用[2]。
無論是鉆何種類型的油氣井,還是采用何種旋轉鉆井方式,都存在著鉆井效率問題,這也是鉆井技術研究與發展的本質所在。影響鉆井效率的主要問題可歸結為鉆進時的“間斷”。目前造成“間斷”的主要原因包括:接單根,更換鉆頭和底部鉆具組合等,鉆具失效,井眼失穩(漏、塌、噴、卡、阻),糾斜作業,非隨鉆測量,達不到最優決策,以及多層次井身結構等。為了減少鉆進“間斷”,必須不斷研究和提高鉆井整體技術和裝備水平,尤其是信息化、智能化及自動化鉆井技術的研究與開發需要不斷加強。在旋轉鉆井領域一直處于領先地位的美國為了保持其技術優勢,1995年啟動了一項重大的長期研究和開發計劃[3],稱為“國家先進的鉆井與掘進技
術”
(TheNationalAdvancedDrilling&ExcavationTechnologies,簡稱NADET)。前期的基礎研究主要由政府率先資助,后期大規模的技術和產品研究與開發(R&D)則主要靠工礦企業投入巨額資金。通過該項研究與開發,預期在巖石破碎(高效破巖)、井眼凈化(洗井)及井眼穩定等方面將有所革新(evolu2tionary),在鉆頭、巖石和井眼的測量與評價以及定向控制等方面有所革命(revolutionary)。該項計劃的核心任務是要長期致力于一種智能鉆井系統(TheSmartDrillingSystems)的研究與開發。
智能鉆井系統包括地面和井下兩個組成部分。井下智能鉆井系統一般由井下執行機構、測量系統及控制系統組成。在鉆進過程中,井下執行機構的動作應根據控制系統的指令來完成,而控制系統所發出的指令則應根據設計井的要求及實鉆測量反饋信號來確定。井下智能鉆井系統的未來發展必將以井下執行機構(底部鉆具組合)的不斷更新、測量系統的不斷完善及自動化控制程度的不斷提高為基本特征。井下智能鉆井系統的最終發展目標是“地下鉆掘機器人”,井下執行機構好比是機器人的手,控制系統好比是機器人的大腦,而測量系統則好比是機器人的眼睛和其他的感覺器官。這種地下鉆掘機器人不同于一般的工業機器人,它必須能夠在地下極其復雜的地質環境及非常惡劣的工況下進行有效的工作,必須能夠精確探測前方和周圍的地質環境及本身的狀態,進而作出正確的分析和決策,并且能夠自動適應所處的工作環境,沿著預定的路線或要求到達地下終極目標,勝利完成人類賦予它實地探察地下資源并加以開采的神圣任務。這種地下鉆掘機器人,是自動化鉆井的核心,將是多種高新技術和產品的進一步研發及其微型化集成的結果,代表著未來鉆井與掘進技術的發展趨勢,可望在21世紀前半葉實現。
3 面向21世紀的重要鉆井技術
面向21世紀,老油田提高采收率及低壓低滲和稠油儲層的高效開發,特別需要研究和開發先進適用的特殊工藝鉆井技術;高壓高溫油氣藏,特別是高壓高溫天然氣藏的鉆探與開發,急需突破高壓高溫鉆井的技術障礙;深部油氣資源的鉆探與開發,需要進一步研究和發展深井、超深井鉆井技術,特別是在深探井的鉆井效率上應加大科研與開發力度。3.1 高壓高溫鉆井技術
按國際通用概念,地溫超過150℃稱高溫,地層壓力當量密度超過1.8g/cm3或須用超過70MPa的井口裝置時稱高壓,兩者同時具備的井稱作高壓高溫(HPHT)井。井底溫度超過220℃,井底壓力超過105MPa,稱作超高壓高溫井。天然氣層的溫度較油層的高,地溫梯度一般在(3~5)℃/(100m),5000m的井地溫就可能達到150~250℃,故天然氣井,特別是深層天然氣井大都是高壓高溫井。高壓高溫井,特別是高壓高溫深探井,是鉆井工程中難度最大、風險最高、工程費用也最高的一種苛刻井。例如,北海中央地塹的一口5000m探井,鉆井費用近2000萬美元,開發井也不低于1200萬美元;南海崖城2121構造的3口探井,前兩口井未鉆達設計目的層,經濟損失較大。
高壓高溫鉆井技術是勘探開發高壓高溫油氣藏的關鍵技術,也是代表21世紀鉆井技術發展水平的重要標志之一。
3.2 深井、超深井鉆井技術
深井是指完鉆井深為4500~6000m的井;超深井是指完鉆井深為6000m以上的井。深井、超深井鉆井技術是勘探和開發深部油氣等資源必不可少的關鍵技術。進入21世紀,我國西部及東部深層鉆探工作將進一步加強,需要完成的深井、超深井數將進一步增加。我國深井、超深井比較集中的地區有塔里木盆地、準噶爾盆地、四川盆地及柴達木盆地等。實踐證明,由于深井、超深井地質情況復雜(諸如山前構造、高陡構造、難鉆地層、多壓力系統及不穩定巖層等,有些地層也存在高壓高溫效應),我國在這些地區(或其他類似地區)的深井、超深井鉆井技術尚未過關,表現為井下復雜與事故頻繁,建井周期長,工程費用高,從而極大地阻礙了勘探開發的步伐,增加了勘探開發的直接成本。我國在深井、超深井(主要是深探井)鉆井方面的裝備和技術水平現狀與美國相比還存在較大的差距,平均建井周期與鉆頭使用量約為美國的兩倍[4]。3.3 特殊工藝鉆井技術
特殊工藝鉆井主要包括定向井、水平井、叢式井、大位移井、復雜結構井及欠平衡鉆井等,在世界范圍內這些特殊工藝鉆井技術的研究與應用已經比較成熟,并且仍在深入研究與試驗,以刷新技術指標。目前,我國已基本掌握了定向井、水平井及叢式井鉆井技術,但是,對復雜結構井、大位移井及欠平衡鉆井的研究仍比較薄弱。
大位移井是指水平位移與垂深之比等于或大于2的定向井。鉆大位移井的主要目的,就是通過大位移延伸實現對油氣資源的高效勘探與開發。因此,大位移井鉆井的關鍵技術指標是水平位移的長度。在海洋、灘海及特殊區域的油氣勘探與開發工程中,應用大位移井鉆井技術,可獲得明顯的經濟和社會效益[5,6]。
復雜結構井,主要是指多分枝井,可從一個主井筒內側鉆出若干個分枝井筒,并且各分枝井都能重入和投產。如果各分枝井都是水平井,則稱為多分枝水平井。多分枝井既可鉆新井,也可用于老井側鉆,但只適用于油氣開發目的。由于多分枝水平井克服了常規水平井“一井一層”的不足,可實現“一井多層”,并共用一個主井筒及地面采油設施,鉆井費用少,故單井產量高,提高采收率效果好。
所謂欠平衡鉆井就是人為地使井內流體的有效流動壓力低于地層孔隙壓力的鉆井方式。在鉆進過程中允許地層流體進入井內,循環出井,并在地面得到控制。欠平衡鉆井有利于發現低壓儲層,避免對儲層的損害,并且能夠提高機械鉆速,降低鉆井費用,還可減少儲層增產作業等。美國的調查結果表明,石油公司對欠平衡鉆井能夠有效地減輕或避免儲層傷害最感興趣,而技術服務公司則更關注欠平衡鉆井的高效率。欠平衡鉆井是一種高風險的鉆井作業,容易引發井壁失穩和井噴事故,必須具有相應的套管程序和增加一整套地面控制裝置,故所需費用一般較近平衡鉆井要高。在“九五”期間,我國己經鉆探了一批欠平衡井,但所用的主要裝備是進口的,并且對欠平衡鉆井的機理認識還不夠深入。3.4 三維可控與可視化鉆井技術實鉆井眼軌跡通常是在復雜的三維地層空間中變化,看不見、摸不著,尤其是在叢式定向井、水平井、大位移井及復雜結構井等特殊工藝鉆井中,如何有效地測量和控制實鉆井眼的軌跡變化與穩定,甚至達到“看著打、隨意打”的理想目標,是油氣鉆井向自動化和智能化方向發展的重要研究課題之一。經過不斷地研究,在20世紀90年代國內外就已經掌握了井下動力導向鉆井系統及可變徑穩定器等技術。同時,國外又進一步研制成功了旋轉導向鉆井系統,例如:貝克休斯(BakerHughes)的AutoTrackRCLS系統,斯侖貝謝(Shlumberger)的PowerDriveSRD系統,以及哈里伯頓(Halliburton)的Geo-Pilot系統,等等。這些旋轉導向鉆井系統,目前主要是為了滿足大位移井等特殊工藝鉆井的高技術需求而研制開發的。
為了使油藏沿井眼更好地裸露,須用復雜的“地質靶子”(如地層中不同巖層或流體的界面)代替簡單的“幾何靶子”,而這些“地質靶子”的精確位置往往是難以預測的。于是,國外發明了隨鉆地質導向技術,如隨鉆測井技術和隨鉆地震技術等,以便幫助識別“地質靶子”的位置,從而可將實鉆井眼軌跡保持在適當軌道內,更快更好地到達地質勘探和油藏開發的目標。
利用計算機可視化技術,可以更好地理解大量井下測量數據(包括井眼軌跡參數、地層特性參數及近鉆頭力學參數等)及叢式井設計數據等,實現三維鉆井的幾何形態、地質狀況及力學行為的“可視化”,為三維鉆井的優化控制提供信息可視化幫助。