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1、1 中国石油集团钻井工程技术研究院中国石油集团钻井工程技术研究院CNPC CNPC D Drilling rilling R Research esearch I Institutenstitute苏义脑苏义脑2012年8月钻井技术发展趋势与前沿技术中石油钻井院DRI2 一、概述二、钻井技术发展趋势与特点三、钻井前沿技术新进展四、启示与建议报告提纲中石油钻井院DRI一、概述l 尽管世界经济不容乐观，但油气供需整体呈上升趋势。预计到2030年 ，原油产量仍将快速增长。近50%的原油产量要靠老油田提高采收率 ，深海、极地等新领域和油砂等非常规原油生产。预计到2030年非常 规原油产量将占到总产量的
2、8%。已开发油田提高采收率深海、极地重油、致密油、油砂等非常规待发现储量开发已发现新储量开发世界石油产量构成，IEA(国际能源机构)预测依靠新技术中石油钻井院DRIl 全球天然气产量将保持持续增长态势。产量从2008年的3.05万亿立方米 逐渐增长到2030年的4.4万亿立方米l 2030年，非常规天然气将成为越来越重要的战略资源接替区，成为技术 创新的重点领域，届时非常规天然气产量将占天然气总产量的20%左右3.053.54.416.5%20%全球天然气产量预测，万亿方常规天然气非常规天然气3.8（IEA，2008）一、概述中石油钻井院DRIl 随着世界经济复苏，油气钻井数量、动用钻机数量逐
3、年增加 l 据美国预测，2011年世界钻井数量为93810口（不包括俄罗斯、中 国和中亚），持续两年增长，较2010年增加21.6%，其中陆上钻 井90599口，较2010年增加22.5%，海上钻井3211口，较2010年 增加2.2%一、概述数据来源 美国Spears & Associates 公司，2011中石油钻井院DRIl 科技进步推动了全球石油产量跨越式增长和世界石油 工业的持续发展；带来了钻井前沿技术研发和超前储 备技术研究十分活跃 一、概述世界油气发展历程中石油钻井院DRI钻井技术进步使油气勘探开发领域不断拓展煤 层 气深水 深层石油天然气 勘探开发钻井 领域不断扩展致密气 致密
4、油页 岩 气重油、油砂极地页 岩 油可燃冰计划中石油钻井院DRI世界钻井技术发展历程、前沿和趋势更深，更快，更便宜，更 清洁，更安全，更聪明（1）向高新技术发展（I3信息化， 集成化，智能化）（2）目标是降低“吨油”成本效益最 大化（3）全方位支持勘探开发（需要钻什么 样的井，就钻什么样的井，保证钻 成这样的井，并越来越深）中石油钻井院DRI钻井作业模式向批量化、工厂化发展中石油钻井院DRI三、钻井前沿技术新进展1. 钻机装备2. 钻井新方法3. 高效破岩新技术4. 导向钻井技术5. 井下信息测量与控制技术6. 智能新材料7. 新型钻杆、套管8. 非常规油气钻完井技术中石油钻井院DRI1、钻机
5、装备向自动化、智能 化、高移运性、 高可靠性、高HSE 方向发展向研发、制造和服 务一体化方向发展 ，且服务占的比重 越来越大 （NOV超过30%，中国石 油不足5%）向满足客户个性化需 求方向发展向适应特殊环境 方向发展，不断 挑战深海、极地 、山地、丛林等 恶劣环境极限四个 方向中石油钻井院DRI2、钻井新方法近年国外出现和正在研发的钻井新技术新方 法主要有：l 连续管钻井 l 径向水平井 l 等井径钻井（膨胀管钻井） l “U”型井钻井l 同心双管反循环钻井 l 远程遥控全自动钻井 l 无钻机（獾式）钻井 l 深井冷却泥浆钻井 l 激光钻井中石油钻井院DRI13 连续管老井侧钻提高采收率
6、（1）连续管钻井连续管钻井完井l侧钻l老井加深（重入）l欠平衡钻井l径向水平钻井l完井l微井眼钻井l 成本低。与常规新井相比，常规侧钻井的费用是新井的 73%，用连续管老井侧钻井成本只有常规新井的31%左右中石油钻井院DRI14 （1）连续管钻井lSEMJet系统（Maple Group）Single Entry Multi-Lateral Jetting 集成-高效-低成本，有一定意义义 系统统集成：1/4连续连续 管；电测电测 装置GR、CCL、CBL；三种泵泵；井口装置、供液罐 功能集成： 测测井、定向 磨铣铣套管 多分支钻进钻进 注酸注剂剂、井下照相l无油管系统（RadJet）Tubi
7、ngless Radial System不使用油管 ：过油管套管内作业连续管多次丢手作业l 国外最新技术中石油钻井院DRI15 （2）径向水平井l 可用连续管高压水射流，在井内钻径向水平孔，消除近井 地带污染，寻找剩余油，提高老井产量和老油田采收率。l 原理与基本工艺过程三个主要工序： 下入导向器 套管开孔： 连续管+螺杆马达旋转钻孔 水射流径向钻孔： 连续管+软管+自牵引喷嘴l 关键设备与工具: 地面：高压泵车、连续管装置、实时 监控系统 井下：导向器、钻套管工具串、水射 流钻进工具串l 技术优势 l 用途直井改造，增产23倍或以上l 目标参数：l 径向穿透深度2050m或以上l 2-4层每
8、层34孔 l 应用范围 l 煤层气增产l 稠油油藏开发：l 常规油藏增产与剩余油开发l 低渗透油藏经济开发l 浅层稠油冷采l 蒸汽吞吐l 重力泄油中石油钻井院DRI（3）等井径钻井（膨胀管钻井）l 膨胀管技术是一项不断发展和完善的钻井新技术，可以大量地应用于钻井、修井以及油田的二次开发等领域，被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一，特别是等直径钻井技术的发展将会带来钻井技术的一次新的历史性革命。l 等井径钻井技术是建立在膨胀管技术基础之上而发展起来的，是指在钻井过程中尽可能始终采用同一规格的钻头及钻具，在全井钻进过程中保持同一井眼尺寸的钻井方法。中石油钻井院DRI 应对复杂井 超深井 切削
9、量少 固井水泥少 钻井液少提高安全可靠性节约钻井成本等直径钻钻井技术术 特点（3）等井径钻井（膨胀管钻井）l技术进展情况： 膨胀管技术的持续发展和完善可靠的配套设备，为等直 径钻井技术进一步完善和给钻井方式带来革命性的变化 提供了前提条件。 在国外，等直径钻井技术也经历了充分论证、现场试验 和评估并逐步发展成为一项成熟技术 已经进入现场应用阶段中石油钻井院DRIRDM 反循环钻井新技术（双壁钻具钻井）钻井液注入、回收处理 系统上部环空 控制系统双壁钻柱双浮阀橡胶活塞底部钻具组合钻屑从 钻具中 心上返 至地面钻井液 从双壁 环空注 入井下钻井液 从双壁 环空注 入井下l反循环钻井的基本思路：采用
10、同轴双钻杆分别实现了钻井液的输入和返回。 外侧钻杆用来向井眼中送入钻井液，内侧钻杆用于返回钻井液。位于下部钻 柱上的滑动活塞将环空分割出上下两个压力梯度，更好地进行压力控制。中石油钻井院DRIRDM 反循环钻井新技术（双壁钻具钻井）优点常规技术钻水平井，存在 底边钻屑床，易粘卡RDM钻水平井，井筒没 有钻屑床，不易粘卡， 摩阻小，可钻得更长RDM钻井， 避免井漏显著优点降低能耗 减少钻井 液体积 降低钻井 液处理量 减少钻井 液处理系 统及泥浆 泵的磨损减少钻井液添加 剂、加重剂费用 降低钻井液损耗 和减少复杂、井 控事件 具有更好的井眼 清洁能力 提高机械钻速 改善井下信息数 据传输突破常规
11、大位移钻井限 制，可钻极端大位移井 复杂地层安全钻进 减少地层伤害 改善遥测系统 泥浆泵关闭时，仍可 实时LWD/MWD 插入套管实时钻 井 浮阀以下精细控压钻井目前，计划在加拿 大钻一口水平距离 20Km长的煤层气井可钻位移超过20公里长的井中石油钻井院DRI拓展气体钻井、控压钻井（MPD）和极大延伸钻井（ERD）MPD钻井面临的难题反循环钻井具有的优势环空流体可能漏失到衰竭储层。活塞防止环空漏失。主要优点在增压泥浆帽钻井。降低下部钻 井液密度。占地面积30-50m2，这对海上甲板受限制的情 况下是个问题。占地面积需求很小，不超过10m2。对海上甲板受限的地方特别有 吸引力。大量的钻井液缓慢
12、流入或漏失。循环量少，使得可以更精确控制井下压力，更容易发现和和控 制漏失。 操作依赖于一个节流阀以降低压力。节流阀 下环空压力依然很高。压力主要在沿程损失，地表环空压力可能是零。为安全起见改 进和停钻期间避免节流阀堵塞。调节钻 井液体系费时费 力。因其体积小，钻井液体系可迅速改变。当双浮球阀关闭时调 整 钻井液体系，在这过程中井眼不会暴露。在裸眼井段开泵循环，ECD增加可能压开地 层造成裂缝。循环是内部的。甚至可以忽略裸眼的ECD，从而防止地层损害。大量钻井液需要通过环空循环出钻屑。管中管系统需要少量的循环流体携带钻屑，更快更高效。根据设计，井底至井口循环需要20-100min 每1000m
13、。RDM从井底至井口循环只要6-7min每1000m。从井底至井口循环是 关闭双浮球阀隔离裸眼的。MWD/LWD的信号传输可能面临难题 。Reelwell Telemetry System(RTM)提供MWD/LWD工具的双向高速 传输，不需要使用放大器。中石油钻井院DRIERD方法钻钻井面临临的难题难题反循环钻井具有的优点由于水平段钻压钻压来源于管柱的重力，因而水 平度的长长度受到钻压钻压的限制通过钻头过钻头 后的液力加压压。推动钻头动钻头 向前，为钻头为钻头 提供 独立于重力的钻压钻压，使得在长长水平段钻钻井过过程中，依 然能维维持钻进钻进所需的钻压在大位移井和水平井中岩屑堆积会引起卡钻钻
14、头附近的岩屑被清理干净，在任何时候都能保持井 眼清洁由于钻柱屈曲和蠕动等原因水平段的长度受 到限制由于钻井过程中钻柱处于拉伸状态，可以预防钻柱的 变形和屈曲浅大位移井中受钻柱下入能力限制，井深受 到限制下钻深度取决于井下位置在窄密度窗口中可能存在水平段的底端发生 井喷，而顶端发生井漏的情况，因而裸眼段 长度受ECD限制，水平井段的井下压力是个常数，水平段的顶端和底端 的压力值相同，在窄密度窗口地层中也能钻较长 的水 平段开泵循环产生的激动压力可能压裂地层在BHA中内置DAF阀，当内外压力一致时打开DAF阀实现 循环，以此保持井下压力稳定携岩需要大量的钻井液只需要常规钻井50%的钻井液，可减少大
15、量的钻井液成 本岩屑上返1000m需要20-100分钟，循环时间过 长。岩屑上返1000m只需要6-7分钟MWD/LWD的信号传输可能面临难题Reelwell遥测系统提供双通道的高速信号传输工具， 且不需要信号放大器中石油钻井院DRI（5）远程遥控自动钻井l 自动化钻井系统能够 减少对井队人员的风 险，降低成本并提高 效率。而遥控操作这 些系统将是不断成熟 的油气钻井行业的下 一个进展，使钻井作 业公司能通过其经验 丰富的专家在任何地 方监测和控制钻井作 业。因此，自动化钻 井的下一步将是对钻 井过程进行遥控。剑桥研究中心德克萨斯州卫星l2004年11月19日，斯伦贝谢剑桥研究中心的科学 家从
16、英国剑桥发出改变泥浆泵排量的指令，通过 卫星跨过大西洋的遥控指令成功地被美国德克萨 斯州Cameron试验中心的钻机接收并执行，拉开 了遥控自动钻井研发的序幕，这一技术可能会改 变我们未来的钻井方式。中石油钻井院DRI（5）远程遥控自动钻井l 可行性：计算机与卫星通讯技术 的进展已经使监测和控制系统成 为石油开采中常见的设备（如“智 能采油完井系统”）。目前，现代 钻机上已有本地遥控作业，也叫 本地自动化，进行钻杆处理、顶 驱和自动综合钻台作业（铁钻工 ）等；且钻井远程数据通讯已广 泛用于监测；海洋钻井在平台上 遥控水下机器人作业已是常用技 术；将这些技术有机结合即可实 现遥控自动钻井。 l 目前，已有斯伦贝谢、壳牌等多 家公司在研究该项技术，可以预 见，遥控自动钻井会很快到来。铁钻工中石油钻井院DRI（6）无钻机（獾式）钻井l挪威Rogaland研究所在1999 年提出了獾式无钻机钻探概 念，是一种无钻机的井下自 动钻探器，类似于“有线导弹” 或“井下钻井机器
