石油鉆井工程技術(shù)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)探析

王吉龍 吳強(qiáng) 牛意

1. 中海石油有限公司天津分公司 天津 300459；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300459

引言

新時(shí)期，國(guó)內(nèi)油氣勘探的大背景之下，油氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目呈現(xiàn)出較為明顯的變化。各國(guó)油氣資源開(kāi)發(fā)利用比例逐漸加深，油氣開(kāi)采已經(jīng)從傳統(tǒng)運(yùn)作模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦腕w系。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平的攀升，石油資源的消耗越來(lái)越明顯，對(duì)相應(yīng)需求量也日漸提高。合理進(jìn)行石油鉆井技術(shù)的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)下主要研究要素[1]。為了提高國(guó)內(nèi)油氣資源的生產(chǎn)效果，政府機(jī)構(gòu)提高了對(duì)石油鉆井工程項(xiàng)目的支持程度。但是國(guó)內(nèi)鉆機(jī)技術(shù)與先進(jìn)國(guó)家仍存在較大差距，不利于鉆井行業(yè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。為了帶動(dòng)石油開(kāi)采水平的提升，必須提高勘探成功率，并確保開(kāi)采安全性，即努力提高石油鉆進(jìn)技術(shù)，從而為石油開(kāi)采作業(yè)提供更加有效的方法。本文對(duì)石油鉆井工程技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，提出了鉆進(jìn)工程項(xiàng)目中的主要問(wèn)題，分析了新時(shí)期該項(xiàng)工程項(xiàng)目的發(fā)展趨勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)石油鉆井技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

結(jié)合國(guó)內(nèi)石油鉆井技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，從20世紀(jì)50年代起，國(guó)內(nèi)大部分石油企業(yè)都會(huì)采用高效鉆頭技術(shù)、噴射式鉆井技術(shù)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研發(fā)、技術(shù)引進(jìn)，國(guó)內(nèi)石油鉆井技術(shù)已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，帶動(dòng)了整個(gè)石油鉆井工程的進(jìn)步，對(duì)應(yīng)的石油開(kāi)采質(zhì)量、開(kāi)采規(guī)模也逐漸擴(kuò)大。新時(shí)期，國(guó)內(nèi)石油開(kāi)采期間，可結(jié)合地質(zhì)條件差異進(jìn)行差別化處理，設(shè)計(jì)不同的開(kāi)采方案。工程實(shí)踐表明，科學(xué)有效的開(kāi)采方案不但可提高開(kāi)采效率，還可降低石油資源的成本消耗，從而達(dá)到提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。一般情況下，石油鉆井開(kāi)采作業(yè)中，開(kāi)采效益和開(kāi)采成本息息相關(guān)。國(guó)內(nèi)石油鉆井開(kāi)采行業(yè)，正朝著機(jī)械化、國(guó)產(chǎn)化的方向發(fā)展，但是這個(gè)過(guò)程中使用到的設(shè)備規(guī)模大、成本高，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)資金高，對(duì)企業(yè)盈利效果產(chǎn)生了不利作用。因此，合理降低開(kāi)采成本，是保證石油鉆井開(kāi)采利益最大化的重要過(guò)程，也是當(dāng)下主要研究問(wèn)題。未來(lái)石油開(kāi)采設(shè)備，不僅要考慮實(shí)用性，更要降低成本。再者，隨著石油開(kāi)采規(guī)模的擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)石油儲(chǔ)量明顯下降，相應(yīng)的開(kāi)采資源越來(lái)越稀少，諸多苛刻的開(kāi)采區(qū)域提高了開(kāi)采設(shè)備的要求，這就要求國(guó)內(nèi)石油鉆井企業(yè)必須積極進(jìn)行研發(fā)，得到高位高壓的新型鉆井設(shè)備，確保石油資源的順利開(kāi)采。最后，石油勘探和開(kāi)采作業(yè)中，必須充分考慮數(shù)據(jù)測(cè)量的精度，這是保證石油順利開(kāi)采的關(guān)鍵要素，因此，石油企業(yè)管理層要加強(qiáng)信息掌握程度的分析，加強(qiáng)鉆井測(cè)量技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、控制技術(shù)的分析。努力做好相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量，力求提高操作人員的人身安全。

2 石油鉆井工程技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的應(yīng)用

該技術(shù)應(yīng)用中，其主要組成為導(dǎo)向工具、地質(zhì)導(dǎo)向儀器等。鉆井作業(yè)期間，地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)必然需要和油藏技術(shù)結(jié)合，從而滿足地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的要求[2]。換言之，可以在工程鉆井期間，實(shí)現(xiàn)隨鉆控制的目標(biāo)。由于地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用中，必須考慮儲(chǔ)層要求、地層結(jié)構(gòu)等要素，同時(shí)還要考慮鉆頭的軌跡，達(dá)到精確進(jìn)行鉆頭控制的目標(biāo)，提高鉆井采收效果。此外，還可達(dá)到降低鉆進(jìn)施工成本、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。

2.2 大位移井鉆井技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)階段，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用主要是通過(guò)水平井、定位井延伸得到?？紤]到大位移井鉆井技術(shù)存在的難點(diǎn)較多，限制了大位移井的應(yīng)用和發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提升，大位移井技術(shù)逐漸進(jìn)步，國(guó)內(nèi)學(xué)者在研究過(guò)程中逐漸找到了相應(yīng)規(guī)律，已經(jīng)初步解決了實(shí)際鉆井過(guò)程中的問(wèn)題。

2.3 水平井鉆井技術(shù)的應(yīng)用

該技術(shù)屬于一項(xiàng)定向鉆井技術(shù)，應(yīng)用期間需要借助隨鉆測(cè)量?jī)x、井底動(dòng)力工具進(jìn)行處理。一般情況下，水平井鉆井技術(shù)應(yīng)用期間，其傾斜角需要維持在86°以上。考慮到國(guó)內(nèi)石油鉆井工程起步早，近年來(lái)的發(fā)展中已經(jīng)逐步解決了潛在問(wèn)題。與其他鉆井技術(shù)相比，該技術(shù)具有鉆具平穩(wěn)、上下調(diào)整的特點(diǎn)，明顯提升了石油鉆井技術(shù)的進(jìn)步。

3 石油鉆井工程技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)下，油氣勘探作業(yè)中，存在資源條件劣質(zhì)化、油氣項(xiàng)目復(fù)雜化、安全環(huán)保嚴(yán)格化的新要求。該行業(yè)正逐漸從陸地向海洋方面發(fā)展，同時(shí)從淺層朝著深層區(qū)域發(fā)展。合理進(jìn)行未來(lái)形勢(shì)的分析，工程技術(shù)方面必須進(jìn)行全面研究。對(duì)比分析后，國(guó)內(nèi)石油鉆井技術(shù)與國(guó)外存在較大差距，包括自動(dòng)化鉆機(jī)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向體系、抗高溫螺桿等。井下作業(yè)、儲(chǔ)層改造水平與國(guó)外先進(jìn)水平存在較大差距，尤其是高壓氣井帶壓設(shè)備、高效壓裂工具等[3]。業(yè)內(nèi)正不斷引入國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，力求保證國(guó)內(nèi)技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的逐步統(tǒng)一。其核心部分是充分考慮進(jìn)口要求，保證服務(wù)水平、競(jìng)爭(zhēng)水平等滿足預(yù)期要求。尤其是對(duì)于海洋、深層地質(zhì)區(qū)域等，更要充分考慮工具、裝備、液體方面的影響，盡量保證工程技術(shù)發(fā)展水平滿足預(yù)期要求。

深井、超深井在鉆井處理中，主要挑戰(zhàn)為：深度過(guò)大，考慮鉆機(jī)效率問(wèn)題；高溫高壓條件下，管柱、儀器設(shè)備的受損程度；高壓地層條件下，合理考慮井控安全的要求；深層井壁區(qū)域，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，超深層巖石條件下，需要遵循的規(guī)律與常規(guī)情況不同，深層井壁區(qū)域無(wú)法采用常規(guī)理論。

海洋鉆井作業(yè)中，主要挑戰(zhàn)為：水深加大，挑戰(zhàn)難度增加；淺層水、氣流作用下的影響；風(fēng)浪流帶來(lái)的影響；海底低溫因素的影響；深水區(qū)域，井控難度增加；鉆井船、機(jī)器人、導(dǎo)管等設(shè)備在井下技術(shù)儲(chǔ)備能力不足；海水基鉆井液、固井液不成熟；部分區(qū)域存在浮冰、超低溫等情況。

非常高油氣鉆井作業(yè)中，主要挑戰(zhàn)為：工廠的配套設(shè)備不足；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向體系不完善，導(dǎo)致長(zhǎng)水平段鉆井無(wú)法滿足預(yù)期要求；破巖效率偏低、鉆井作業(yè)周期長(zhǎng)；大功率設(shè)備、高效壓裂技術(shù)等不成熟；井筒完善性有待提升；流體回收技術(shù)和設(shè)備處理技術(shù)不達(dá)標(biāo)等。

4 石油鉆井工程技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與工作建議

4.1 石油鉆井工程技術(shù)發(fā)展方向和趨勢(shì)

4.1.1 石油鉆井工程技術(shù)發(fā)展方向。當(dāng)下，國(guó)內(nèi)油氣技術(shù)正朝著集成化、信息化、智能化、綠色化的方向發(fā)展，油氣鉆井技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)更需要保證清潔性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等。鉆井技術(shù)應(yīng)用期間，不僅要考慮油氣通道的建設(shè)和構(gòu)建，更要考慮油氣井產(chǎn)量、采收率等要素，同時(shí)要考慮新方法的引入和應(yīng)用[4]?，F(xiàn)階段，較為有代表性的油氣公司存在一定的相似性，如鉆井自動(dòng)化、高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、壓力控制鉆井技術(shù)、深水鉆井技術(shù)等。在進(jìn)行井筒完整性的處理時(shí)，要合理進(jìn)行井下振動(dòng)監(jiān)測(cè)、井下控制處理方面的分析，工廠化鉆井、井下作業(yè)一體化等已經(jīng)逐步引起了業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的關(guān)注，對(duì)此，必須投入較大比例的研發(fā)力度。

針對(duì)國(guó)內(nèi)外的油氣公司、服務(wù)公司，其工程技術(shù)的研發(fā)結(jié)果表明，國(guó)外技術(shù)已經(jīng)逐步進(jìn)入高投入、廣儲(chǔ)備的時(shí)代。工程技術(shù)發(fā)展方面，長(zhǎng)期堅(jiān)持高效勘探處理，需合理優(yōu)化鉆井技術(shù)來(lái)提升采收率、提高開(kāi)采量，降低噸油成本；提高整體技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)水平，掌握核心技術(shù)，有效降低服務(wù)成本。從而逐步達(dá)到科學(xué)化、自動(dòng)化、智能化的要求?？紤]中石油發(fā)展業(yè)務(wù)中，包括深井、超深井、非常規(guī)鉆井技術(shù)中經(jīng)常會(huì)遇到的各類(lèi)問(wèn)題，相關(guān)人員必須及時(shí)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)分析，力求逐步提高工程技術(shù)的服務(wù)保障能力、核心競(jìng)爭(zhēng)力，具體分析如下。

第一，深層技術(shù)發(fā)展中，在進(jìn)行鉆機(jī)使用期間，要保證高效性，合理考慮垂直鉆井工具、新型鉆桿要求、膨脹管堵漏技術(shù)等。第二，海洋工程技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，要加強(qiáng)深水區(qū)域、裝備自動(dòng)化方面的分析，還包括關(guān)鍵設(shè)備的水下運(yùn)行處理，對(duì)應(yīng)工具設(shè)備等都要滿足環(huán)保性、安全性等基本原則。具體發(fā)展方向方面：鉆井平臺(tái)、采油平臺(tái)、海洋鉆井船；低溫深水固井處理、海洋控壓鉆井系統(tǒng)等。第三，非常規(guī)油氣工程方面，技術(shù)需求包括：自動(dòng)化鉆機(jī)、長(zhǎng)水平段鉆井技術(shù)、整體破碎壓裂等。具體發(fā)展方向方面：要考慮工廠化作業(yè)裝備技術(shù)、配套儀器要求；長(zhǎng)水平段鉆井完井技術(shù)中要考慮油基鉆井液、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等；整體破碎壓裂技術(shù)、回收流體和水處理技術(shù)等。

4.1.2 石油鉆井工程技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[5]。鉆完井技術(shù)發(fā)展中，其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)方面分析如下。第一，該工程應(yīng)用到的設(shè)備朝著規(guī)?；?、大型化、模塊化的方向發(fā)展，對(duì)應(yīng)液壓鉆機(jī)、專(zhuān)用鉆機(jī)等也應(yīng)滿足上述要求。整體海洋鉆井設(shè)備更要考慮安全性、高效性、可靠性等要求，提高配套設(shè)備的合理應(yīng)用。第二，鉆進(jìn)高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，包括自動(dòng)化、智能化、信息化等方面。整個(gè)體系需朝著更快、更精確的方向發(fā)展，特殊條件下還要擁有遠(yuǎn)程專(zhuān)家的技術(shù)支持和幫扶。第三，鉆井新技術(shù)的應(yīng)用中，力求逐步提高油氣井的產(chǎn)量，加強(qiáng)剩余油品的開(kāi)采、提高整體經(jīng)濟(jì)效益，從而為鉆井技術(shù)的未來(lái)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。第四，不斷加強(qiáng)鉆井高新技術(shù)的研發(fā)。當(dāng)下，新型破巖技術(shù)越來(lái)越多，努力實(shí)現(xiàn)鉆井優(yōu)化，方可有效保護(hù)油氣層條件，并第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)油氣層，降低“噸油”鉆井成本，這已經(jīng)逐漸成為國(guó)外鉆井發(fā)展的主流趨勢(shì)。同時(shí)，還要充分考慮等離子、激光等非接觸形式鉆井新技術(shù)的研發(fā)。第五，相應(yīng)的工具和儀器，必須朝著大容量、高精度、耐高溫、耐高壓方向發(fā)展。第六，鉆井液固井液的發(fā)展中，需要考慮系列化要求，包括添加劑種類(lèi)、添加劑體系要求，以及添加劑的穩(wěn)定效果、抗溫和抗復(fù)雜要求等，還要充分考慮智能水泥、仿生鉆井液的應(yīng)用要求。第七，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井條件下，積極進(jìn)行縱向深度要求方面的分析，包括多分支井、最大儲(chǔ)層有效進(jìn)尺（MRC）、鉆向儲(chǔ)層（DTO）?極大儲(chǔ)層鉆進(jìn)（ERC）方向的發(fā)展等。魚(yú)骨井、大位移井水平位移方面，一般移向12km以上發(fā)展。第八，需考慮套管鉆井、膨脹管鉆井等方面的發(fā)展。配套設(shè)備設(shè)施等都要考慮其完善性、合理性要求，相關(guān)技術(shù)呈現(xiàn)出發(fā)展迅猛的特點(diǎn)，同時(shí)朝著單一井徑井方向發(fā)展。

4.2 石油鉆井工程技術(shù)的發(fā)展建議[6]

第一，在非常規(guī)油氣技術(shù)處理過(guò)程中，需充分考慮水平井的發(fā)展要求，加強(qiáng)大型自動(dòng)化鉆機(jī)設(shè)備、壓裂設(shè)備、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備、抗高溫條件的螺桿等方面的研發(fā)，同時(shí)還要充分考慮流體回收技術(shù)，保證盡快形成相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。第二，深層油氣勘探開(kāi)發(fā)作業(yè)中，加強(qiáng)鉆機(jī)鉆井效率的分析，合理應(yīng)用自動(dòng)化設(shè)備。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，加強(qiáng)高溫高壓試油設(shè)備的分析；加強(qiáng)高鋼級(jí)抗腐蝕套管的分析、研發(fā)油基鉆井液、壓裂液、井筒完整性的考慮。第三，海洋油氣勘測(cè)開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)中，要考慮技術(shù)儲(chǔ)備要求。增加修井機(jī)、采油平臺(tái)、采油裝置、防噴設(shè)備的處理；雙梯度鉆井、控壓鉆井和表層鉆井技術(shù)應(yīng)用的技術(shù)要求；加強(qiáng)超低溫條件下，水泥漿、鉆井液等方面的流體分析。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)下，國(guó)際領(lǐng)域方面，油氣工業(yè)正經(jīng)歷著巨大變遷，各國(guó)逐漸將油氣工業(yè)的發(fā)展希望寄托于技術(shù)領(lǐng)域方面。在進(jìn)行油氣勘探開(kāi)發(fā)處理過(guò)程中，必須加強(qiáng)深層區(qū)域、海洋領(lǐng)域、非常規(guī)區(qū)域的關(guān)鍵技術(shù)分析，尤其要考慮瓶頸問(wèn)題。力求借助工程技術(shù)的優(yōu)化來(lái)保證持續(xù)攻關(guān)和進(jìn)步，加強(qiáng)自主創(chuàng)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)、并及時(shí)引入國(guó)外領(lǐng)先技術(shù)、吸收先進(jìn)技術(shù)。逐步研制出適合國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的自主產(chǎn)權(quán)，包括高端裝備、工具、軟件等方面，力求更好的配合工程技術(shù)的全面發(fā)展，帶動(dòng)油氣資源使用效率的提升，保證為勘探開(kāi)發(fā)工作提供強(qiáng)有力的工程技術(shù)支撐。