水平井、定向井、钻井装备及器具技术工艺发展分析

第一节 水平井、定向井、钻井装备及器具基本生产技术、工艺或流程

目前国外水平井、定向井钻井钻具配置、钻头、井下动力钻具方面通过研究都有了很大提高。

1、钻机形成系列，基本满足国内市场需要

根据GB1806—86《钻机型式与基本参数》形成的钻机系列包括了钻深从1500m至6000m的钻机,基本满足了国内钻井需要。但这种钻机系列存在基本参数与国外钻机不相符合的问题。国外钻机的钻深是按照φ73～127mm（～5英寸）钻杆尺寸给出的，国标则是统一按φ127mm钻杆标称钻深。这种基本参数规定常使国产钻机在竞标时不能明确表明钻深能力。现在各厂家已经仿照国外规定标明钻深,国标也将作出相应修改。

2、主要部件基本适应国际市场需要

国产钻机部件，特别是按照引进技术生产的钻机部件，如天车、游车大钩、水龙头、转盘、钻井泵、绞车、井架以及部分传动件等，已能基本适应国际市场的要求。这些部件在结构形式、材料和热处理规范方面，已基本达到国外同类产品水平，可能或者已经向国际市场销售。

第二节 水平井、定向井、钻井装备及器具新技术研发、应用情况

2010年8月，国产第二代斜井钻机——ZJ20DBX 钻机在宝石机械公司研制成功，目前国内尚没有其他厂家生产此类钻机。有关专家评价说，国产第二代斜井钻机设计新颖，技术性能先进，首次应用国产井口自动化工具，机械化、自动化程度高，对直井钻机的发展也将起到推动作用。

ZJ20DBX 斜井钻机是利用井架倾斜一定角度后，由地面开始钻斜井，可完成斜直井、斜定向井、斜丛式井的钻探。该钻机主要用于斜深 2000米以内的海洋、海滩、陆地上浅层油气井钻井，或用于建筑物下面、沼泽地带、下陷地区等地形复杂区域的钻井，具有常规钻机无法比拟的优势。

据介绍，宝石机械公司于 1994年成功研制了国内第一代 ZJ15X斜井钻机， 2000米斜井钻机是宝石机械公司开发的第二代斜井钻机。该钻机整体采用橇装模块化设计，搬运十分方便；绞车、顶驱、泥浆泵都采用交流变频电驱动，机械化程度比较高；与常规钻机相比，还可减少井场占地面积和钻机的移运时间。

第三节 水平井、定向井、钻井装备及器具国外技术发展现状

近年来，国外水平井钻井技术不断发展，突出的表现在地质导向技术、旋转导向技术、自动化（闭环）钻井技术以及配套工具的研制及使用。

（1）地质导向技术

在20世纪80年代,随着定向井和水平井钻井技术的发展,导向钻井系统应运而生,具有弯外壳或偏心稳定器的井下动力马达(称之为“导向马达”)替代了直动力马达和弯接头。将导向马达与无线随钻测斜系统相结合,成功地实现了定向井和水平井钻井的几何导向。在此基础上,1989年开发成功第一代无线随钻测井系统,使定向钻井技术由几何导向发展到地质导向。

地质导向技术就是根据地质导向工具提供的实时地质信息和定向数据，辨明所钻遇的地质环境，并对待钻地层的情况进行预测，引导钻头进入油层并将井眼保持在产层中。地质导向钻井系统包括近钻头测量地质导向工具和功能完备的地面信息处理系统两大部分。当地质情况复杂或在薄产层中进行导向钻井时，测量点(即传感器)与钻头之间的距离和前导模拟软件的作用就显得极为突出。地质导向钻井要时刻注意钻头位置、当前井身轨迹、未来井身轨迹及必要的井身轨迹校正。但仅仅依靠近钻头的电阻率、井斜及自然伽玛等参数对已钻井眼进行评价有时会存在明显的不足，还需要利用前导模拟软件对未钻地层的相应参数进行预测，以便更有效地指导水平井施工。

地质导向技术能够把所有可以获得的信息综合到总体钻井计划和钻井过程中，允许在钻井作业期间的任何时候调整钻井计划，其优点包括：及早识别地质条件的显著变化，指示井眼是否正进入意料之外的岩性地层，提高井眼在油层中延伸的能力，并有助于进一步明确地质构造的变化。

Anadrill公司于1992年底研制出地质导向钻具，1993年5月在美国休斯敦海上技术会议上展示了其名为IDEAL综合钻井评价和测井系统的地质导向工具，这是第一个在导向泥浆马达和近钻头稳定器上安装测量仪器的工具。IDEAL地质导向工具的关键是方向传感器和测井传感器接近钻头，这些钻头传感器可测得离钻头1～2m范围内的方位、地层电阻率、伽马射线、转速和井斜等，并把这些钻头附近的数据传到MWD系统，以便更好地引导钻头穿过薄层和复杂地层。用地质导向工具可以精确地控制井眼的垂深，避免水锥和气锥，准确地穿越地层，并带来巨大的经济效益。此后Halliburton、Baker Hughes INTEQ和挪威国家石油公司(Statoil)等公司也相继研制出了他们各自的地质向导工具。

目前四参数组合随钻测井仪已成为标准随钻测井仪器，可以随钻测量原状地层的真电阻率、体积密度、中子孔隙度和自然伽吗。正在出现的六参数组合随钻测井仪，是在四参数的基础上增加了声波速度和光电指数，提供更加丰富的地层评价信息。可测量的参数包括井斜、方位、工具面、井下钻压、井下扭矩、井下震动、自然伽马、地层电阻率、密度、中子孔隙度和环空温度。与早期的随钻测井相比，现在的随钻测井仪器可靠性高，稳定性强，可更好地评价油、气、水层。随钻测井为用户实时提供决策信息，有助于避免井下复杂情况的发生，引导井眼沿着最佳轨迹穿过油层。目前从井下往地面传输随钻测量数据的技术主要是泥浆脉冲传输技术，近年来电磁波传输技术应用已有很大进展。

（2）旋转导向钻井系统

采用导向马达钻定向井或水平井时，改变井眼方位或井斜角的过程大多是在滑动钻进的方式下完成的，常会带来一些低效作业因素，比如难以保证预期的工具面（在磨阻教大的情况下）、井眼清洁效果差（特别是在大斜度井中）、难以施加钻压（钻柱不旋转时的摩擦阻力要大于其旋转时的摩擦阻力）、不能和最合适的钻头（针对地层）匹配使用、以及泥浆马达本身出现故障并可能造成MWD工具出现故障等等，从而降低钻井效率。推出旋转钻井系统的目的就是减少或完全消除这些缺陷。CAMCO、APPLETEN和AMOCO等公司最早研制旋转导向系统，此外还有剑桥钻井自动化系统以及被称为DDD稳定器的系统等。

目前,世界上较成熟的旋转导向钻井系统有BAKERHUGHSE INTEQ公司的AutoTrack SCLS系统、Schlumberger Anadrill公司的Power Driver SRD系统,以及SperrySun公司的Geopilot系统。

（3）自动化钻井技术

无论是钻何种类型的油气井,还是采用何种旋转钻井方式,都存在着钻井效率问题,这也是钻井技术研究与发展的本质所在。影响钻井效率的主要问题可归结为钻进时的“间断”。目前造成“间断”的主要原因包括:接单根,更换钻头和底部钻具组合等,钻具失效、井眼失稳(漏、塌、喷、卡、阻)、纠斜作业、非随钻测量、达不到最优决策,以及多层次井身结构等。为了减少钻进“间断”,必须不断研究和提高钻井整体技术和装备水平,尤其是信息化、智能化及自动化钻井技术的研究与开发需要不断加强。

要实现自动化钻井，就必须首先实现闭环钻井，也就是全部钻井过程依靠传感器测量各种参数，依靠计算机获取数据并进行解释和发出指令，最后由执行机构完成动作，使整个钻井系统成为一种无人操作的自动控制系统。这种闭环钻井系统的主要优点是节约时间，提高精度，减少人为误差，减少体力劳动，既可以严格按预定轨迹钻进，也可以完全根据地下情况钻进。闭环钻井系统一般由井下执行机构、测量系统及控制系统组成。在钻进过程中,井下执行机构的动作应根据控制系统的指令来完成,而控制系统所发出的指令则应根据设计井的要求和实钻测量反馈信号来确定。井下闭环钻井系统的未来发展必将以井下执行机构(底部钻具组合)的不断更新、测量系统的不断完善及自动化控制程度的不断提高为基本特征。井下闭环钻井系统能够在地下极其复杂的地质环境及非常恶劣的工况下进行有效的工作,能够精确探测前方和周围的地质环境及本身的状态,进而做出正确的分析和决策,并且能够自动适应所处的工作环境,沿着预定的路线或要求到达地下终极目标。井下闭环钻井系统是自动化钻井的核心,是多种高新技术和产品的进一步研发及其微型化集成的结果,代表着未来钻井与掘进技术的发展趋势,可望在21世纪前半叶实现。

国外在自动化研究方面取得的实际成果目前主要有：德国的VDS自动垂直钻井系统、英国的AGS自动定向钻井系统和挪威的KOLIBOMAC连续软管钻井系统。其中，德国的ADD自动垂直钻井系统应用得最为成功。

第四节 水平井、定向井、钻井装备及器具技术开发热点、难点分析

随着钻井工艺的不断完善，特别是随着定向井、水平井钻井工艺的不断成熟，钻井深度不断加大，或有一些大斜度井、水平井，虽然垂直深度并不大，但水平位移大。这就要求钻机的起升能力不断加大。更由于海洋深水钻井作业的需要，使钻机的起升能力达到空前的高度。如今，钻井深度为7000m的钻机已很普遍，9000m～15000m钻机也已出现，15000m以至更大钻机的出现也是指日可待的。随着钻机起升能力的加大，也伴随着如顶驱、钻井泵等装置的不断加大，从而引起钻机设计、制造上的不断突破。

第五节 水平井、定向井、钻井装备及器具未来技术发展趋势

水平井、定向井钻机设计、制造的趋势如下：

1、全面规划、合理布局 制订标准，使绞车按功率合理分级，钻机按钻井深度合理分级，常规钻机严格按标准设计、制造，使用户更方便的选择，更灵活、经济的使用钻机。

2、部件标准化设计制造 钻机大部件，如：绞车、大钩、游车、水龙头、钻井泵等，按标准分级成标准化的部件，钻机设计时像搭积木式的选用即可。

3、钻进驱动方式多样化 现有转盘驱动、底部驱动、顶部驱动和复合驱动等驱动方式，可供用户根据需要选择。

4、测量控制系统进一步加强 测控系统从井口控制到井底测量多点测控，安全监控，信息自动测控传递，直到智能化钻机、数字化钻机。

5、辅助设备机械化程度进一步提高 如配备钻柱自动排放和上下台装置、钻井液处理设备、防喷器吊装装置等。

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