石油钻井技术
2.3.1.1地质导向钻井技术
地质导向钻井技术是20世纪90年代发展起来的一项前沿钻井技术。其核心是利用随钻定向测量数据和随钻地层评价测井数据，通过人机对话控制井眼轨迹。不同于普通的定向钻井技术，它是根据地下的实际地质特征来确定和控制井眼轨迹，而不是按照预先设计好的井眼轨迹钻进。地质导向钻井技术可以使井眼轨迹避开地层界面和地层流体界面，始终停留在产层内，从而精确控制井下钻具击中最佳地质目标。实现地质导向钻井的几项关键技术是随钻测量、随钻测井、旋转导向闭环控制系统等。
MWD的两个基本任务是测量井斜和钻井方向。MWD的井下部分主要由探管、脉冲器、电源短节(或电池管)和井下WOB短节组成。探测管包含各种传感器，例如井斜、方位、温度和振动传感器。探头中的微处理器对来自各种传感器的信号进行放大处理，转换成十进制，再转换成二进制数，将所有数据按照预设的编码顺序排列。脉冲发生器用于发射脉冲信号和接收地面指令。它是实现地面与井下双向通信，将井下数据实时传输到地面的唯一通道。井下电源部分有两种:锂电池或涡轮发电机，用于向井下各种传感器和电子元件供电。WOB接头用于测量WOB和WOB扭矩。
随钻测井(LWD)是当代石油钻井的最新技术之一。斯伦贝谢公司生产的CDR和CDN两套测井系统代表了随钻测井系统的最高水平。CDR和CDN可以单独使用，也可以与MWD结合使用。LWD的CDR系统使用电磁波传输信息，整个系统安装在一个特殊的无磁钻铤或接头中。该系统主要包括电池管、伽马传感器、电导率测量组件和探针管。主要是实时测量和传输地层的伽马曲线和深浅电阻率曲线。通过分析这些曲线，我们可以立即判断地层的岩性，并在一定程度上判断地层流体的类型。LWD CDN系统用于测量地层密度曲线和中子孔隙度曲线。这两条曲线可用于进一步识别地层岩性，判断地层孔隙度、地层流体性质和地层渗透率。
可控旋转钻井系统或旋转闭环系统(RCLS)。常规定向钻井技术利用导向弯曲壳体马达控制钻井方向，建造定向井。钻孔时，导向电机以“滑动”和“旋转”两种模式运行。滑动模式用于改变井的方位和井斜，旋转模式用于沿固定方向钻井。其缺点是滑动方式钻井时，机械钻速仅为旋转方式的50%，不仅钻井效率低，而且钻头选择受限，井眼净化效果和井眼质量也较差。旋转导向闭环钻井系统完全避免了上述缺点。旋转导向钻井系统的研制成功，使定向井钻井轨迹的控制从人工改变钻具弯曲接头和起下钻时工具面的角度来改变方位角和顶角的阶段，转变为利用电、液或泥浆脉冲信号随时从地面改变方位角和顶角的阶段。由此，定向钻井进入了真正的定向钻井模式。在定向钻井技术的发展中，如果说井下钻具的出现和应用使定向钻井成为现实，那么导向井下钻具的出现和应用则大大提高了井眼的控制能力和自动化水平，减少了起下钻次数。旋转导向钻井系统的钻井轨迹控制机构和闭环系统如图2.5所示。
目前从事旋转导向钻井系统开发的公司有:Amoco、Camco、贝克休斯Inteq、剑桥钻井自动化和DDD稳定器。这些公司的旋转导向闭环钻井系统按定向方式可分为自动动态定向和手动定向。自动动态定向一般由确定钻具方向的测量仪器、调整钻具方向的动力源和执行机构组成。手动定向系统的定向类似于导向电机的定向方法，每次接钻杆都需要定向。两个定向系统的定向控制原理是通过对钻头施加直接或间接的侧向力使其倾斜来实现的(图2.6)。根据具体的引导方式，可分为推靠式和指点式两种。地质导向钻井技术使水平钻井、大位移钻井和分支井钻井得到广泛应用。大位移钻井技术和多分支钻井技术代表了水平钻井技术的最新成就水平。
图2.5旋转转向闭环系统
(1)水平井钻井技术
目前，国外水平钻井技术已经发展成为一项常规技术。美国水平井技术成功率已达90% ~ 95%。近年来，水平井钻井用井下动力钻具取得了很大进展。大功率系列电机和延伸电机、柔性转向铰接电机和地质导向钻井用仪表电机研制成功并投入使用。为了满足所有中曲率半径的导向钻具和造斜器钻具的要求，采用了可调角度的电机弯壳代替原来的固定弯壳。为了获得更好的定向测量，使用非磁性马达代替磁性马达。研制了一种新型耐磨抗冲击水平井钻头。
图2.6旋转导向钻井系统定向轨迹控制原理
(2)大位移井钻井技术
大位移井通常指水平位移与垂直深度之比(HD/TVD)≥2的井。当顶角≥86°时，大位移井称为大位移水平井。HD/TVD≥3的井称为大位移高水直比井。大位移井钻井技术是定向井、水平井、深井和超深井钻井技术的综合应用。现代高科技钻井技术的综合应用，随钻测井(LWD)、旋转导向钻井系统(SRD)、随钻环空压力测量(PWD)在大位移井钻井过程中的应用，代表了当今世界钻井技术的一个高峰。目前已钻成世界上水平位移最大的大位移井，水平位移达到10728m，斜深达到11287m。该记录由英国BP Amoco公司于1999年在英国Wytch Farm油田M-16井创造(如图2.7)。三维多目标大位移井也有成功的例子。例如，挪威Gullfalks油田的B29大位移井是在将油田西部和北部的油藏开发计划从两口井改为一口井后钻成的。为了钻好这口井，制定了一套既能达到所有目标，又能使摩阻和扭矩最小的钻井设计方案。根据该方案，一口长2630米的水平井段钻至7500米深，穿过6个目标区域，总方位角变化为65438±0.60。
图2.7 M-16井眼轨迹
从1996到12，南海东部油田进行了大位移井开发试验。截至2005年底，已成功钻探21口大位移井，其中包括5口高水直比大位移井。实施8口大位移井开发西江24-1含油构造，均井深8600米以上，水平位移7300米，垂比2.6，其中西江24-3-A4井水平位移达8063米，创下当时大位移井世界纪录(1997)。大位移井钻井涉及的关键技术很多，目前国内外研究的热点问题包括:钻井设备的适应性和综合应用能力，大斜度(大于80°)长裸眼钻井过程中井眼稳定性和水平延伸极限的理论分析与计算，大位移井钻具摩阻/扭矩的计算与减阻，完井过程中套管下入困难和套管磨损严重等。此外，测量和定向控制、最佳井身(结构)设计、钻柱设计、钻井液性能选择和井眼净化、泥浆固相控制、定向钻井优化、测量和钻柱振动等问题也在不断探索和研究中。
(3)分支井钻井技术
多分支井钻井技术产生于20世纪70年代，随着90年代中小曲率半径水平定向井钻井技术的发展而逐渐成熟。多分支钻井是水平井技术的综合发展。多分支井是指在一口主井(直井、定向井、水平井)内钻若干个分支井进入油(气)藏。其主要优点是可以进一步扩大井眼与油气层的接触面积，减少各向异性的影响，减少水锥和水串，降低钻井成本，并且可以分层开采。目前，世界上已钻成千上万口分支井，数量最多的是10口分支井。多分支井可以从一个井眼中获得最大总水平位移，并在相同或不同方向钻穿多个不同深度的油气层。多分支井井眼短，多为尾管和裸眼完井，一般为砂岩油藏。
多分支井从简单的套管段铣、侧钻和裸眼完井开始。由于其存在无法重新进入各分支井、无法解决井壁坍塌等问题，经过不断的研究和探索，1993以来推广应用了预开窗侧钻分支井与主井眼套管固井重接技术。该技术具有主井眼和分支井眼之间的机械连通性、水力完整性和选择性再入，能够满足钻井、固井、测井、试油、注水、储层改造、修井和分层生产的要求。目前国外常用的多分支系统主要有:不可再入多分支系统(NAMLS)、双管多分支系统(DSMLS)、分支再入系统(LRS)和分支回接系统(LTBS)。目前国外钻分支井主要有四种方式:①开窗侧钻；②预设窗口；③裸眼侧钻；④井下分流系统。
2.3.1.2连续油管钻井技术
连续油管钻井技术也称为柔性钻杆钻井技术。从20世纪60年代开始，法国、美国和匈牙利是第一批开发和尝试这种钻井技术的国家。法国早期连续油管钻井技术最先进，1966投入工业试验。20世纪70年代，开发了各种连续油管钻机，主要用于海上钻井。当时法国制造的连续管单根长度达到550m，美国和匈牙利制造的连续管种类与法国基本相同，单根长度只有20 ~ 30m。
早期开发的连续油管有两种形式。一种是针对井底电钻，由四层组成，最里层是橡胶或橡胶金属软管的芯管，井底的电机电源线埋在芯管内；芯管外是由两层钢丝和橡胶制成的防爆层；外层是钢丝骨架层，用来承受拉力和扭矩；最外层是保护胶层，防水，保护钢丝。另一种是井底涡轮钻具用的，由于不需要埋电源电缆，结构比第一种简单很多。第四届国际石油大会后，美国等西方国家重点发展小井眼井，限制了无杆电钻的发展。连续油管钻井技术的研究也慢了下来。20世纪70年代，中国进行了无杆电钻和连续油管钻井技术的研究。勘探院与青岛橡胶六厂合作研制的各种规格的柔性钻杆，经过单项性能试验后，最初用于1975的涡轮钻井。1978 12成功用于海上柔性钻杆井底电钻，建成了我国第一艘柔性钻杆钻井船。在1979 ~ 1984期间，由勘探院、清华大学电力工程系、青岛第六橡胶厂研究所和北京地质局修理厂共同研制了DRD-65柔性管钻机和柔性钻杆。DRD-65柔性管钻机主要由柔性钻杆、φ146mm DTH电钻、钻塔、柔性杆绞车和波浪补偿器、泥浆泵、电控系统和液压控制系统组成。研制的柔性钻杆主要由橡胶、橡胶布、钢丝绳和电源线组成。拉力由柔性杆中的钢丝骨架层承担。钢丝绳为0.7mm×7股，直径2.1mm，每根钢丝拉力不小于4350N，共134根钢丝。计算拉力为500kN，试验拉力为360kN。在钻井过程中，柔性钻杆的作用是:起下钻具，承受反扭矩，将冲洗液导入孔底，通过柔性钻杆管壁内的电缆将动力传递给井底电钻，带动井下电钻工作，并将井底钻井参数传到地面。
柔性钻杆的性能参数为:内径32mm；扭矩阻力不小于1030N·m；外径为85 ~ 90毫米；单位质量13kg/m；内压(工作压力)40kg/cm2，曲率半径不大于0.75m，外压不小于10kg/cm2；弯曲度:两次弯曲形成的夹角不大于120；额定拉力1000 kn；；三组每组15mm2的电源线和两根信号线埋在柔性杆中；柔性杆的单根长度为40米和80米。
φ146mm柔性杆钻机由φ127mm电机、减速器、液压平衡器和减震器组成。动力是潜孔电钻，直接带动钻头潜入孔底钻孔。φ146mm孔底电钻为外置过水式，过水间隙5mm宽，过水截面积2055mm2。
与常规钻井技术相比，连续油管钻井具有以下优点:欠平衡钻井比常规钻井更安全；由于省略了起下钻作业程序，可以大大节省钻井辅助时间，缩短作业周期；连续管钻井技术为井底动力电钻的发展和井底钻井参数的测量提供了便利条件。在制作连续油管时，电缆和测井信号线都是预先埋设在连续油管的管壁中的，所以也可以说连续油管本身就是一根以钢丝为骨架的电缆，通过它可以方便地将电力传输到井底的动力钻具上，也可以方便地实现地面和井底之间的信息传输；由于不需要拧开钻杆，因此在钻进和起下钻过程中，可以始终保持冲洗液的循环，这对于保持井壁稳定和减少孔内事故具有重要意义；海上钻井时，可以补偿海浪对钻井船的漂移影响；避免了旋转钻柱的功率损失，提高了能量利用率，特别是在深孔钻井中。正是由于连续油管钻井技术的上述优势，结合油田勘探的需要和相关基础工业技术的发展，为其进一步发展提供了条件。经过一段时间的沉寂，连续油管钻井技术在20世纪80年代末和90年代初呈现出快速发展的趋势。其油田勘探工作量年增长率达到20%。连续油管钻井技术的研究和应用进展简述如下。
1)数据和动力传输用热塑性复合连续管研制成功。这种连续油管是壳牌国际勘探公司和航空发展公司在1999热塑性复合材料连续油管的基础上研制的。它由一个热塑性内衬和包裹在内衬周围的碳或玻璃热塑性复合层组成。中间层包含由玻璃复合层隔开的三根铜线。碳复合层的功能是提供强度、刚性和电屏蔽。玻璃复合层的作用是保证强度和电绝缘。最外层是保护层。这种连续管可负载1.5kV电压，输出功率20kW，传输距离可达7km，耐温150℃。每根连续的管子都由一个特殊的接头连接起来。该接头由钢制内金属件和管道末端的金属环组成。这种连续油管主要用于DTH电钻钻孔。新研制的用于数据和电力传输的连续管，改变了过去用潜孔电钻钻孔时，电缆在连续管内孔中导电，影响洗涤液循环的缺点。
2)井下钻具和钻具组合取得新进展。XL技术公司成功开发了连续油管钻井用电动井下组件。钻具组合主要由电动机、压力传感器、温度传感器和振动传感器组成。适用于3.75英寸井眼的电动井下马达已经交货。下一步是将这种新的电动机应用到一种新的闭环钻井系统中。这种电动井下钻具组合有很多优点:不使用钻井液作为动力介质，对钻井液性能没有特殊要求，是欠平衡钻井和海上钻井的理想工具；能在高温下工作，振动小，电机寿命长；在闭环钻井中，借助安装在连续管中的电缆，可以将测量数据实时传输到井口控制台，便于对井底电机进行灵活控制，从而优化钻井效率。Sperry sun钻井服务公司开发了一种用于连续油管钻井的新型导向装置。该钻具组合由一个专门设计的下部外螺纹泥浆马达和一个长规格PDC钻头组成。长规格钻头起着钻头稳定器的作用，可以大大减小振动，提高井眼质量和机械钻速。泥浆马达有一个特殊的轴承组和轴，当它与长轨距钻头匹配时，可以在不影响定向性能的情况下减小马达的弯曲角度。大口径(> 6 in)井眼现场试验证明，该导向钻井组合具有机械钻速高、井眼质量好、井下振动小、钻头寿命长、设备可靠性高等优点。此外，成功研制了用于连续软管欠平衡钻井的绳索式井底钻具组合。外径为in的钻具组合上部配有外径为2in或in的连续管，下部连接有钻铤和in钻头。钻具组合由电缆遥控器、稳定MWD仪、有效电子导向器和其他参数测量及传输装置组成。电缆通过连续管内孔下入井底，可监测和处理工具面角、钻井顶角、方位角、自然伽马、温度、径向振动频率、套管接箍定位、程序状态指令、管环压差等参数。实时地。该钻具的电子方位装置能够在钻井过程中，在导向泥浆马达连续转动的情况下，测量并提供井斜和方位两个参数。
其他新进展包括:连续油管钻井技术已成功用于超高压地层的侧钻；成功开发了一种增加连续油管钻井排量的新工具；连续油管钻井与欠平衡钻井技术相结合，在水平井钻井中取得了良好的效果；成功开发了适用于连续油管钻井的混合钻机；连续油管钻井理论取得新突破。
2.3.1.3石油勘探小井眼钻井技术
石油部门通常将直径小于177.8mm的井称为小井眼井。与传统石油钻井相比，小井眼需要的钻井设备少、钻井耗材少、井场面积小，可以节省大量的勘探开发成本。实践证明，成本可节约30%左右，部分偏远地区探井可节约50% ~ 75%。因此，小井眼井的应用领域和应用越来越大。目前小井眼井主要用于:①以获取地质资料为主要目的的新勘探区或环境恶劣的边缘勘探区的探井；②600 ~ 1000m浅层油气藏开发；③开发低压、低渗、低产油气藏；④老油气田挖潜改造等。
2.3.1.4套管钻井技术
套管钻井是一种用套管柱代替钻杆柱进行钻井作业的钻井技术。不言而喻，套管钻井的本质是换钻头换钻具的钻井技术。套管钻井的想法是受早期的启发(18世纪中期用钢丝绳冲击钻井法进行石油勘探，19世纪后期开始出现转盘钻井法并用于石油钻井)。钢丝绳冲击钻(钻孔时代)起下钻速度快，转盘钻孔干净，钻速快。1950年，受这一思想的启发，人们在陆地上钻钻石油井时，开始用套管钻头钻透油层至设计井深，然后将管子固定在井内完成钻井，钻头没有回收。后来，根据这一钻井原理，斯佩里-孙钻井服务公司和Tesco公司分别开发了套管钻井技术，并制定了各自的套管钻井技术发展战略。2000年，Tesco向市场推出4.5 ~ 13.375英寸套管钻井技术，服务于全球油田勘探。真正的套管钻井技术投放市场还不到10年。
套管钻井技术的特点和优势可以总结如下。
1)在钻进过程中，不需要起下钻，只用绞车系统起下钻头和钻孔钻具组合，节省了钻进时间和钻进成本。钻井的完成相当于下套管的完成，可以节省完井时间和费用。
2)可减少常规钻井技术中存在的井壁坍塌、井壁冲蚀、井壁键槽、台阶等隐患。
3)在整个钻井过程中和起下井底钻具时，可以保持持续的泥浆循环，有利于防止钻屑聚集，减少井涌。套管与井壁的环空间隙小，可以改善水力参数，提高泥浆返出速度，改善井眼净化效果。
套管钻井可分为三种类型:普通套管钻井技术、分级套管或尾管钻井技术和全套管钻井技术。普通套管钻井是指在钻机和钻具稍加改装的基础上，用套管作为与上部钻杆和钻头相连的钻柱进行钻井。这种方法主要用于钻小井眼。尾管钻井技术是指在钻遇破碎带或无法涌水井段时，在钻柱下端连接一段套管和专用工具，钻完这一段后拔出钻头，使套管留在井内，并固井的钻井技术。其目的是封堵破碎带和水层，保证孔内安全，维持正常钻进。套管钻井技术通常是指整个套管钻井技术。全套管钻井技术采用专用套管钻机、钻具和钻头，利用套管作为水利通道，利用绳索式钻井电机作业。目前这种钻井技术的研发主要由加拿大Tesco公司进行，已经在海上进行钻井，达到了降低成本的目的。但是，这种钻井技术还处于研究和改进阶段，还有许多问题需要研究和解决。这些问题主要包括:①常规电缆测井无法进行；②钻头泥包问题严重，至今没有可靠的解决方案；③带压钻井时，底部套管会产生横向振动，损坏套管和套管接头。到目前为止，还没有找到消除或减小套管横向振动的可靠方法。④由于套管钻井不使用钻铤，加压困难，因此机械钻速低于常规钻杆钻井；部分抵消套管钻井和起下钻节省的时间；⑤套管钻井主要用于钻破碎带和涌水地层，应用范围不大。
中国中石油系统的研究机构也在探索套管钻井技术，但到目前为止还没有看到公开报道的结果。目前套管钻井技术的研究内容，除了研制专用套管钻机和钻具外，主要集中在上述问题上。首先，研究钻头，解决钻头泥包问题；二是研究防止套管横向振动的措施；三是研究提高套管钻井机械机械钻速的有效方法；四是研究套管钻井固井方法。
套管钻井应用实例:2001年，美国雪佛龙生产公司利用加拿大Tesco公司的套管钻井技术，在墨西哥湾打了两口定向井(A-12井和A-13井)。两口井的完井深度分别为3222×30.48厘米和3728×30.48厘米。为了进行对比和分析，另一口井A-14采用常规方法钻探。结果表明，在同一深度，A-14井用时75.5小时，A-13井用时59.5小时。与地面井段的机械钻速相比，A-141ft/h、A-13+087ft/h和A-14+059ft/h的平均机械钻速..这说明套管钻井的机械钻速与常规方法基本相同。然而，在硬地层钻井后，WOB增加到6.75t，导致扩孔器的切割齿损坏，机械钻速下降很多。BP公司使用套管钻井技术在怀俄明州钻了五口井。井深8200 ~ 9500英尺，全部从井口钻至储层段。在钻井过程中，会遇到钻头泥包和套管的振动问题。
此外，膨胀套管技术也是近年来发展起来的新技术，主要用于隔离漏失、涌水、遇水膨胀收缩等地层，以及石油开采过程中油管的修复。勘探研究所与中国地质大学合作，设立了一个项目，开展这一领域的研究工作。
2.3.1.5石油钻机的新发展
20世纪60年代末，国外研制成功AC-SCR-DC电驱动钻机，并首次应用于海上钻井。由于电驱动钻机在传动、控制、安装和运输方面明显优于机械驱动钻机，因此发展迅速，已广泛应用于各种类型的钻机。20世纪90年代以来，由于电子器件的快速发展，DC驱动钻机的可控硅整流系统从模拟控制发展到全数字控制，进一步提高了工作可靠性。同时，随着交流变频技术的发展，交流变频在90年代初首次成功应用于顶驱装置，90年代中期又应用于深井石油钻机。目前，交流变频电驱动已被公认为电驱动钻机的发展方向。
我国对电动钻机的研究起步较晚。兰州石化机械厂于80年代先后研制生产了ZJ60D和ZJ45D DC驱动钻机，并于1995成功研制了ZJ60DS沙漠钻机，应用后取得了良好的评价。自20世纪90年代末以来，中国石油系统加大了钻机的更新改造力度，电动钻机发展迅速。宝鸡石油机械厂、兰州石化机械厂先后研制出ZJ20D、ZJ50D、ZJ70D DC驱动钻机和ZJ20DB、ZJ40DB交流变频电动钻机，四川油田也研制出ZJ40DB交流变频电动钻机，明显提高了我国钻机的设计和制造水平。21世纪，辽河油田勘探设备工程公司自主研发了ZJ70D DC驱动钻机，钻井深度7000米。该钻机具有自动化钻井系统，代表了目前国内直流驱动石油钻机的最高水平，其整体配置是目前国内同类钻机中最好的。2007年5月出口到阿塞拜疆，另外两台4000米钻机出口到巴基斯坦和美国。ZJ70/4500DB 7000m型交流变频电驱动钻机是宝鸡石油机械有限责任公司于2003年研制成功并投放市场的集机、电、数于一体的现代化钻机，采用交流变频单齿轮绞车及主轴自动钻井技术和“一对一”控制的交流-DC-交流全数字变频技术。这种钻机代表了中国石油钻机的最新水平。凭借其优异的性价比，从2003年开始投放市场，订单已达83套。其中，美国、阿曼、委内瑞拉等国的石油勘探公司订购了42套。在国内，近2 ~ 3年占据了同级别电动钻机50%的市场份额。ZJ70/4500DB钻机主要性能参数:公称钻井深度7000m，最大钩载4500kN，绞车额定功率1470kW，绞车和转盘齿数为I+IR交流变频驱动，无级调速，泥浆泵型号和台数为F-1600，井架型号和有效高度为45.5m，底座为45.5m