钻井前沿技术课件.ppt

1 ,CNPC Drilling Research Institute,2012年8月,钻井技术发展趋势与前沿技术,2 ,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,一、概述,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8%。,世界石油产量构成，IEA(国际能源机构)预测,依靠新技术,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,一、概述,随着世界经济复苏，油气钻井数量、动用钻机数量逐年增加据美国预测，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,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,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,致密气致密油,页岩气,重油、油砂,极地,页岩油,可燃冰计划,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）,钻井作业模式向批量化、工厂化发展,三、钻井前沿技术新进展,钻机装备钻井新方法高效破岩新技术导向钻井技术井下信息测量与控制技术智能新材料新型钻杆、套管非常规油气钻完井技术,1、钻机装备,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,2、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：,连续管钻井径向水平井等井径钻井（膨胀管钻井）“U”型井钻井同心双管反循环钻井远程遥控全自动钻井无钻机（獾式）钻井深井冷却泥浆钻井激光钻井,13 ,连续管老井侧钻提高采收率,（1）连续管钻井,连续管钻井完井侧钻老井加深（重入）欠平衡钻井径向水平钻井完井微井眼钻井,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,14 ,（1）连续管钻井,SEMJet系统（Maple Group）Single Entry Multi-Lateral Jetting,集成-高效-低成本，有一定意义系统集成：1/4连续管；电测装置GR、CCL、CBL；三种泵；井口装置、供液罐功能集成：测井、定向磨铣套管多分支钻进注酸注剂、井下照相,无油管系统（RadJet）Tubingless Radial System不使用油管 ：过油管套管内作业连续管多次丢手作业,国外最新技术,15 ,（2）径向水平井,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。,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,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,技术优势,用途直井改造，增产23倍或以上目标参数：径向穿透深度2050m或以上2-4层每层34孔,应用范围,煤层气增产稠油油藏开发：常规油藏增产与剩余油开发低渗透油藏经济开发,浅层稠油冷采蒸汽吞吐重力泄油,（3）等井径钻井（膨胀管钻井）,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。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。,应对复杂井超深井切削量少固井水泥少钻井液少,提高安全可靠性,节约钻井成本,（3）等井径钻井（膨胀管钻井）,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,RDM 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,反循环钻井的基本思路：采用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。,RDM 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,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,拓展气体钻井、控压钻井（MPD）和极大延伸钻井（ERD）,（5）远程遥控自动钻井,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。,2004年11月19日，斯伦贝谢剑桥研究中心的科学家从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。,（5）远程遥控自动钻井,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。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,（6）无钻机（獾式）钻井,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“井下钻井机器人”。于2002年取得挪威专利，2003年成立了獾式钻探器公司；得到挪威研究委员会、挪威国家石油公司、壳牌和埃克森美孚公司的资助，于2005年5月1日正式启动“獾式钻探器”原理样机研制计划。,无钻机钻井,在海底直接钻井,（6）无钻机（獾式）钻井,其核心技术是：采用高电压脉冲能量的等离子体通道钻井技术，就是用电法雾化岩石，即利用高电压脉冲在“钻头”前方的岩石中形成高能等离子体，等离子体在不到一微秒的时间内在岩石中极迅速地膨胀，导致局部岩石破裂和破碎“钻头”用钢丝绳或连续管下入井内；通过电缆给“钻头”供电，“钻头”功率小，不到1 kW，能够产生高达3500 伏的电压；不用机械力破岩，“钻头”无活动部件；随钻测量信号通过电缆传输到地面，传输速率极高；在硬地层中破岩效率高；井筒光滑；井眼小，只有13 英寸。,（7）深井冷却泥浆钻井,深井高温井钻井时井下工具仪器的橡胶、电子元器件等抗高温稳定性差、寿命短。当井下温度超过135，采用地面泥浆冷却钻井新技术（Surface Mud Coolers）,（7）冷却泥浆钻井,在地面冷却泥浆（Cools the mud at surface）作用：帮助冷却井下MWD/LWD工具仪器（Helps cool the downhole MWD/LWD tools）适合在高温井中应用（Should be implemented in High Temperature）有助于延长工具井下时间及寿命（ wells Contribute to making longer high temperature runs）,（8）激光钻井,与常规钻井相比，激光钻井具有如下显著的优势：激光钻机重量轻（用一辆拖车就可运到井场）；激光钻井的井场很小（只有普通井场的十分之一甚至更小）；激光能够穿透各种类型的岩石，而且速度很快（用常规钻井方法需要100 天才能钻成的井，用激光钻井也许只需10 天时间），从而大幅度降低成本；激光钻井不需要常规钻头和常规钻柱，可以节省大量的起下钻时间；激光钻井钻成的井眼小，激光将岩石熔化，在井壁形成一种陶瓷样的保护层，无需下套管和固井，因此可大幅度降低钻井成本；激光钻井是一种清洁钻井，激光击碎、熔化和蒸发岩石，钻井中无钻屑上返到地面，对环境的影响甚微；钻井过程具有可导向性，易于控制井眼轨迹。,（8）激光钻井,研发进展：激光钻井经过十年的研究，已经取得了许多研究成果，但是现在仍然处在通过实验进行技术可行性研究阶段。预计2020年投入商业化应用。激光射孔也许将先于激光钻井投入现场试验。如激光钻井和激光射孔最终得以工业应用，必将给钻井和完井带来一场深刻的革命，彻底改变钻井完井的作业方式，大幅度提高钻井和完井的作业效率和经济效益。发展方向：开发一些全新的产品，例如：井下激光钻机，用于常规钻井和连续油管钻井的激光辅助钻头、激光射孔器以及侧钻和定向激光钻井装置。,2、高效破岩新技术,工欲善其事，必先利其器。国外十分重视破岩技术攻关和持续改进，近两年已出现和正在研发的高效破岩技术主要有：新型钻头（PDC与牙轮复合钻头、新型尖齿PDC等）、旋冲钻井、粒子冲击钻井、超临界CO2钻井、井底降压钻井、仿生钻头设计技术（穿山甲、达乌尔鼠）等,破岩技术发展历程与趋势,（1） PDC与牙轮复合钻头,国外成功研制出新型PDC+牙轮复合钻头，优点包括：突破传统牙轮钻头机械钻速的限制解决了大尺寸PDC和牙轮钻头在扭矩和钻压上的限制解决夹层钻进中的扭矩波动造成钻具的过早失效和限制作业扭矩的问题提升马达定向作业的钻速、造斜率和工具面控制能力目前已研制出两种设计的复合钻头：小尺寸两刀翼、双牙轮钻头为稍大尺寸的三刀翼、三牙轮钻头,牙轮-PDC复合钻头,（1） PDC与牙轮复合钻头,新型复合钻头已在加拿大、沙特阿拉伯、美国德克萨斯的试验井进行了现场试验，均取得很好的效果：,在页岩或其他塑性地层中钻进，钻速比常规牙轮钻头提高24倍，钻头进攻性及破岩效率大大增强，在液压马达驱动下可获得更高的钻速。与普通PDC钻头相比，扭转振荡减少50%，减少了低转速下粘滑现象的发生，和高转速下井眼出现螺旋的情况。因此，复合钻头具有更大的适用范围，在定向井和水平井中具有良好的工具面控制能力。,试验用的牙轮-PDC复合钻头,新型PDC钻头（Stinger Bit）创新点：超厚金刚石圆锥形齿优点：对硬地层的冲击强度是常规PDC钻头的10倍抗磨损/寿命是传统PDC钻头的11倍，减少起下钻切削多功能性，可适应各种地层切削效率高，岩屑颗粒大,（2）新型锥形齿PDC钻头（Stinger Bit）,优点：不局限于地层，在井眼中心部位冲击引起岩石破裂坚硬地层机械钻速显著提高经优化的冲击频率和相对小的锤击重量，对下部钻具组合影响小,研究进展及现状2009年四季度完成高压测试，用水泥模拟岩石试验，提高机械钻速30%2010年一季度完成第四代样机,（3）新型液动旋冲钻井（JackHammer Drilling）,粒子冲击钻井钻头,粒子分离和储备装置,粒子注入装置,（4）粒子冲击钻井（Particle Impact Drilling）,2002年，美国的Curlett H B、Sharp D P和GregoryM A等人提出了粒子冲击钻井( Particle Impact Drilling，简称PID ) 技术的新概念。粒子冲击钻井破岩是以高速球形硬质钢粒子冲击破岩为主，以高速水力破岩和机械破岩为辅的一种新的钻井破岩方法。,研究进展：2006年完成样机，地面试验2007年现场试验2009年累计应用64口井，钻速提高5倍，但钻头寿命短的问题仍然没有很好解决。前景展望：粒子冲击钻井技术将会成为一种经济、高效的深井硬地层钻井的新方法。粒子冲击钻井大大提高了能量的利用率,其钻井速度是常规钻井的34倍,具有广阔的应用前景和开发价值。,（4）粒子冲击钻井（Particle Impact Drilling）,（5）超临界CO2钻井,CO2的温度和压力同时大于临界点温度和压力时达到超临界状态1998年美国能源部小型商业创新基金资助，2000年完成了超临界CO2破岩室内实验；同年进行了超临界CO2喷射辅助钻井现场实验，成功对4400m井深枯竭油气藏进行侧钻，证明了超临界CO2作为欠平衡钻井的可行性；2005年在密西西比的Darbun 油田完成第一口超临界CO2连续油管钻井；目前，技术日趋成熟。,超临界CO2钻井优势：易于破碎坚硬及难钻岩层，可较大幅度提高钻井速度在低渗及特低渗油气层开发中，可有效保护油气层可有效提高油气井单井产量和油田采收率,4、导向钻井技术,旋转闭环导向钻井系统，准确高效地控制井眼轨迹,井眼轨迹控制技术发展历程,地质导向技术的发展包括钻井技术、随钻测井技术、软件计算机网络技术的发展近年来，旋转导向钻井技术的发展，近钻头距离传感器的更新、随钻测井技术在各种储层和水平井中的应用，三维地质建模技术、远程数据传输技术和作业技术中心的发展。总的看来，随着油、气藏储层的愈加复杂，挑战也越来越大，而地质导向技术也相应的向综合性、多参数、三维可视化、决策迅速的方向发展。,4、导向钻井技术,新发展：低成本随钻测量技术，随钻前探，随钻地震，智能钻杆，声波信息传输，随钻天然裂缝识别技术（致密气、页岩气）等,5、井下信息测量与控制技术,不断提高井下数据测量容量和传输速率，实现双向高速通讯，图形化,钻井井下信号实时测量与传输技术发展历程,5、井下信息测量与控制技术,随钻技术快速发展，成为高科技的代表和衡量一个国家或公司钻井水平的象征之一井下随钻仪器种类近10年急剧增加井下数据量越来越大，需要高速率、大容量上传井下信息实时传输成为随钻技术发展的瓶颈无线传输方式的传输速率均在100 bits/s以下泥浆压力脉冲：12bits/s无线电磁波： 通常10bits/s，有100bits/s报道声波传输：不成熟，最高50100bits/s从技术现状看，高速信息钻杆、智能钻杆等“有线”方式是实现高速大容量传输的重要途径,（1）随钻地震技术,AGIP公司的SEISBIT系统、斯伦贝谢的 SeismicMWD和法国IFP石油公司TRAFOR系统等都取得了很好的应用效果，随钻地震系统通过构建井眼附近地层地震剖面，预测钻头前方地层压力等参数，有效降低钻井风险，被称为安装在钻头上的“探照灯”。斯伦贝谢公司语言，未来20年的钻井将是随钻地震的时代。,采用随钻地震技术解决复杂盐岩层钻井难题,钻井过程中采用VSP前探技术（Look-Ahead VSP）及时搞清盐岩层厚度、盐底界，预测压力异常，保障安全。VSP前探技术：AVA（BP和斯伦贝谢开发 ）和 Vp/Vs 登记法（BP专有）用于推导盐下弹性参数；应用经验方法把其转化成压力数据；利用模拟井数据标定孔隙压力和破裂压力转化的合理参数。,（2）随钻前探技术,斯伦贝谢公司2005年推出的深探测定向随钻电磁波电阻率测井仪器PeriScope 15，可使井眼在储层中精准定位，从而提高钻遇率和油气产量。该仪器能探测未钻地层距工具15英尺处流体界面和地层的变化，从而使轨迹处在最佳油层部分，并具有360度测量和成像能力，可开发以前被认为不经济的边际油气层。未来发展：深前探，前探地层裂缝识别技术等,（3）斯伦贝谢井下随钻信息数据压缩传输技术,35.3 GAPI,IntelliServ公司已生产出能够以2Mbit/s速度进行随钻信息传输的智能钻柱网络系统，数据传输速率是泥浆脉冲的近20万倍。该技术在2006年初实现了商业化应用，被誉为近25年来钻井技术最重大的进步之一。,（4）智能钻杆,6、智能新材料,随着井下作业环境的日趋恶劣，智能材料在油田应用，或许能够取得意想不到的好处，促成新技术的实施、井的寿命延长、产量提高、复杂仪器零部件的小型化并提升作业的可靠性等。位于美国马萨诸塞州Cambridge的斯伦贝谢道尔研究中心的最新研究方向之一就是油田智能材料的研究，这项工作包括为在各类油田应用中推广执行技术制定和实施路线图。目前研究钻井方面的智能新材料，包括：自愈合水泥，随钻固壁剂、自降解钻井液、智能堵漏、堵水剂。,6、智能新材料,智能自愈合材料已开始在油田中得到应用。例如，斯伦贝谢公司最近推出了一项名为FUTUR 的自愈合水泥技术，该水泥能够自动愈合水泥环中微小裂缝。FUTUR水泥体系的泵入和充填方式与普通水泥一样。该体系中的一些成分在接触到油气（如那些从水泥环微裂缝中渗入的油气）之前一直处于休眠状态。与油气接触会激活FUTUR的水泥环。该水泥环在数小时内不经人工干预便会自动愈合，保证了套管和地层井筒之间整体密封。,裂缝,自愈合,7、新型钻杆：超强碳纤维钻杆,随着深井、水平井、大位移井、短曲率半径井和深水井等高难度井在钻井中所占的比重越来越大，钢钻杆固有的不足就更加凸显出来，比如：钢钻杆重量大，限制了钻机的钻深能力；在定向井和水平井中，钢钻杆的扭矩和摩阻大，限制了井的水平位移；钢钻杆的韧性差，在短曲率半径和超短曲率半径水平井中应用有一定难度。钻杆发展呈现轻型化的趋势。目前已投入商业化应用的轻型钻杆有铝合金钻杆和钛合金钻杆，但它们的成本太高（铝合金钻杆的成本是钢钻杆的2倍 ，钛合金钻杆的成本是钢钻杆的710倍 ）近几年，美国能源部在资助非金属类轻型钻杆碳纤维钻杆的研制，Noble钻井公司已应用。,重量很轻的碳纤维钻杆,6 英寸碳纤维钻杆,8、非常规油气钻完井技术,（1）页岩气钻完井技术,页岩气规模开发依靠水平井钻井和压裂改造两项先进技术的突破,Low-kReservoirs,ProductionOptimization,低渗透储藏,产能优化,20倍直井 270倍直井 1013倍直井 13.5倍水平井 50倍水平井,直井 水平井 直井压裂 水平井压裂,水平井钻井技术实现储层接触最大化，增加可动用储量，增加单井产量尤其是水平井多段压裂技术的突破，推动水平井技术再上新台阶,页岩气钻完井技术,利用一个钻井平台钻多个水平井，节省井口占地面积，设备利用最大化，钻井液重复利用，实现压裂施工工厂化，降低成本，节约时间。,控制面积7平方公里水平井28口地质储量112亿立方米可采储量42亿立方米日产气226283万立方米,美国XX地区页钻井平台部署水平井28口，控制含气面积7平方公里、可采储量42亿立方米、日产气226283万立方米 采用丛式井组方式，一个钻井平台部署井数不同，每个气井节约10万-20万美元,丛式水平井，工厂化作业,页岩气钻完井技术,四、启示与建议,国际大石油公司十分注重钻井新技术、新方法、前沿技术研发。壳牌公司认为，一项钻井高新技术从发展到成熟需数十年时间，技术研发规划紧紧围绕集团发展战略需求进行设计，技术发展方向非常明确，并按“远、中、近”三个层次划分，对前瞻性项目超前10年以上开始组织，长期持续攻关。斯伦贝谢公司技术研发分10-15年，5-10年，3-5年，1-3年和推广应用项目不同层次进行，研发一批、推广一批、储备一批。要加强我国钻井基础理论研究和前沿技术、储备技术的研发，做好战略储备，是一项必须常抓不懈、孜孜以求的工作，对满足当前勘探、开发的需求和为我国石油工业可持续发展提供强有力的支撑，显得尤为重要。,数据传输速率更快、测量参数更多、耐高温高压能力更强的MWD、LWD和地质导向仪旋转闭环导向钻井系统具有超高速数据传输功能的有缆钻杆精细控压钻井配套设备连续管全程钻井、径向钻井系列自动垂直钻井系统可膨胀管和可膨胀筛管新型气体钻井技术及成套装备全自动液压钻机、无钻机钻井装备页岩气（油）/致密油（气）钻完井技术深水钻井技术及装备,新型破岩技术 新型建井技术，包括微井眼、单直径井、MRC井 新一代深井钻井技术 具有前视功能的MWD/LWD地质导向仪未来一趟钻技术 智能钻井系统,重点攻关,前沿技术储备,四、启示与建议,