激光钻井技术发展研究

激光钻井技术发展研究（共6篇）

激光钻井技术发展研究 篇1

1 引言

激光技术是20世纪60年代在量子物理学、光子光谱学及无线电电子技术基础上兴起的一门多学科结合的科学技术。这种基于受激辐射而获得的特殊光具有一些重要的特性, 如亮度高、单色性方向性好等[1,2]。基于以上特点, 为了发展快速钻井技术, 人们积极推进激光钻井技术的研究。

激光钻井破岩思想的提出, 源于1994年美国国会通过的“星球大战”计划中军用大功率激光器向工业转化的议案。上世纪70年代末和80年代初, 以苏美两国为代表的东西方阵营的军事冷战进人“白热化”阶段, 美国加紧了“星球大战”所用的各类激光器的研制, 促进了激光技术取得迅速发展。随着1991年苏联的政治解体和东西方对抗的结束, 美国政府向工业界提出了授权转化冷战军事技术的计划, 于是, 激光钻井破岩技术被纳入美国能源部石油天然气勘探开发中重大战略新技术的议事日程[3]。

激光钻井技术为钻井技术带来的最根本变化是改进了钻速, 是深井中破碎较硬岩石更有效、更清洁的方式。

2 激光技术

激光设备就是将一种形式的能量转换成具有电磁辐射的光子。在激光、岩石和钻井液之间相互作用的实验和理论研究的进步使激光钻井技术成为石油工业的一个明智的选择。从石油工业角度来看, 有实用价值的激光技术主要有七种[3]:

◇ 氟化氢和氟化氘激光器:波长范围2.6～4.2 μm。油藏岩石测试使用中红外高级化学激光器。

◇ 化学氧碘激光器:波长范围1.315 μm, 是大范围高精度的破坏投射器, 能成功处理井下大量的问题。

◇ 二氧化碳激光器:波长范围10.6 μm, 平均功率1 MW。能够产生连续波和斩波脉冲, 但由于波长大, 在穿过纤维装置时易衰减。

◇ 一氧化碳激光器:波长范围5～6 μm, 能够产生连续波和斩波脉冲, 平均功率2 MW。

◇ 自由电子激光器:连续波可以转变成任何波长的波, 是将来能量最高的激光。它的波长可以根据反射和黑体辐射进行调整。

◇ 钕钇铝石榴石激光器:波长1.06 μm, 平均功率4 MW。

◇ 氟化克激光器:波长0.248 μm, 平均功率10 kW, 产生斩波脉冲。在这种激光器中, 氟化克中的氟原子和克原子处于激发状态。

激光器按激光参数如波的类型、波长、工作方式、功率密度和光速剖面等进行分类。因此, 为了保证最高效的钻井, 应对激光器的类型进行选择。

3 激光破岩的基础科学研究与未来的发展方向

美国、俄罗斯、日本和加拿大等国在激光钻井破岩基础理论的研究方面各有侧重点, 但对基本科学问题的认识却趋于一致。概括起来, 它主要包括以下五大基础科学研究[4]:

◇ 激光/岩石/流体相互作用原理 (即微观物理过程和岩石热破坏理论) ;

◇ 岩石快速相变的热力学与传热学;

◇ 强激光的传输变换与微型化原理;

◇ 激光破岩岩屑运移的多相流动理论;

◇ 激光钻井的安全与环境保护科学。

对于这五大基础科学问题, 前三种研究较多, 发展较快。在激光/岩石/流体相互作用原理方面, 美国科罗拉多矿业学院以GravesR.M.教授为代表的研究组已完成了6种典型的激光器, 发现岩石主要是以熔融、气化和碎裂等形式破坏, 但随着激光工作参数的不同, 其破坏形式呈现多样性;岩石表面出现致密的釉化层, 亦会有微裂纹产生;岩石对CO2、CO和MIRAL三种波长较长的光束吸收率大。随着岩石硬度的增加, 比能量降低。同时还发现, 激光采用脉冲波形的破岩方式, 其破岩速度明显高于连续波形激光的破岩速度。

在岩石快速相变的热力学与传热学方面, 美国科罗拉多矿业学院BatarsehS.等人试验研究发现, 受激光辐射后, 岩石的孔隙度增加, 渗透率普遍提高4～5倍, 但岩石的强度极限降低, 弹性模量约减少15%～50%。在激光钻井破岩中, 温度是引起岩石微观物性、宏观性质发生变化的最重要的因素。Dalhousie大学的BjorndalenN.等人采用移动界面模型分析激光破岩的温度场, 长江大学易先中等人是应用等焓模型。这2个模型都近似认为岩石的导热系数、比热等物性参数与工作温度无关, 不考虑岩屑在井眼周壁的沉积和重凝现象, 其模型的精度有待试验修正。

在后两种基础科学研究上, 目前尚未见到有关文献, 有待深入研究。纵观以上研究发展状况, 下一步研究方向应该考虑以下几个方面:

(1) 在激光/岩石/流体相互作用原理上, 主要应集中在以下几点:

◇ 岩石的能量吸收效率和能量转换规律;

◇ 激光破岩中温度场的精确分析和研究;

◇ 岩石热破坏模型和准则;

◇ 岩石在熔融、气化和碎裂等过程中的晶粒微观组织变化和特征;

◇ 辅助冷却气流的速度、方向和环绕形式对岩石破坏过程和微观晶格的影响;

◇ 脉冲波形的能量密度、前峰后沿特征对岩石破岩速度、晶格相变过程、微观力学性能和物理特性等的影响。

(2) 在岩石相变的热力学与传热学上, 激光钻井破岩的热应力场、热应变场、井眼变形和残余应力场等有待深入研究, 物理场与岩石物性参数的基本关系有待建立。

(3) 在强激光的传输变换与微型化方面, 直二极管激光器体积小, 能满足石油工业井眼中工作的要求, 是一种发展前景良好的井下激光器, 目前正在改进其可靠性和对环境的适应性。日本和美国正在研究新的高能中空光纤和大功率光纤激光器。复杂恶劣环境下强激光的传输变换与微型化, 可望近期取得突破性进展。

(4) 其他方面还有大量工作有待深入探索, 比如车载激光钻井样机的研制, 激光束与高压水射束的比较, 关于岩石在气化、熔化状态中气体的生成量、蒸汽压力大小、高温岩屑飞溅物的体积分数、岩屑混合气流与辅助排屑气流的相互作用等。

(5) 安全也是一个不容忽视的问题。岩石骨架、矿物颗粒和胶结物质在气化和熔化状态下对环境和人类具有危害性。当激光钻井遭遇硫化氢、高压水层或强碱地层等复杂环境因素时的安全性问题, 亟待解决。

4 激光钻井技术展望

4.1 影响激光钻井效率的因素[5]

(1) 激光类型

激光钻井过程中, 激光类型的选定尤为重要, 激光发射类型可分为连续型和脉冲型。早期实验结果表明:使用脉冲型激光比连续型激光更能有效地移除岩石。

(2) 激光作用方式

为了钻得预期大小的井眼, 激光作用于岩石的模式应尽可能地增大波及范围, 减小重叠面积。进一步的研究表明, 由于岩心存在各向异性, 激光水平入射岩心比垂直入射节省能量。

(3) 激光能量的损失

激光的能量除了被岩石吸收, 消耗于破碎、熔化、气化岩石外, 很大部分能量以反射、散射, 以及岩石矿物状态变化、熔化、气化、分解引起的热效应、热膨胀形成裂缝等形式损失掉。

4.2 激光钻井技术的优势

激光钻进系统较传统钻井方法有大量优点。激光钻井无须同轴套管, 使用或不使用套管的情况下可以钻单一井径的井眼, 钻机的功率减少, 套管成本也减少。因为光子沿直线传播, 所以井眼轨迹偏离预定轨道的情况减少。激光钻井能减少钻头的使用或者不使用钻头, 因此能减少起下钻时间。更重要的是, 机械钻速比传统的机械钻速高得多, 减少了钻井成本。

激光钻进对渗透率的影响:对岩石使用激光之后岩石的孔隙度和渗透率均有增加, 增加的程度取决于岩石的热导率。如果岩石的热导率大, 渗透率增加就明显;岩石的热导率小, 渗透率的增加就不明显。这是由于渗透率高的岩石比渗透率低的岩石传热快, 导致泥土中的矿物质遇水膨胀, 水蒸发后压力下降导致岩石产生裂缝[6]。

激光射孔:激光射孔的完成不需要任何的激光器, 同时能防止传统的射孔方法对地层造成的伤害。使用射孔枪产生的岩屑可能堵塞井眼, 甚至需要修井。传统的射孔方式产生的裂缝会将射孔区域和其他区域连通, 套管也会破裂。激光射孔可克服以上问题并提供一套更有效、更经济的方法。激光新技术能使套管开窗并使其他井场工作成为可能。

打捞:由于激光钻进系统使用小部件来代替传统庞大的钻井立柱, 因此打捞作业更容易。激光可以将落鱼融化或剪碎, 即使在井中有工具丢失或落鱼的情况下, 也可将侧钻的几率降低。

传统的旋转钻进的成本很高, 激光钻井技术能给目前石油工业带来革命性的变革。标准陆地井的钻井成本大约是40万美元。激光钻井的机械钻速比传统的高10～100倍。即使高10倍的情况下, 激光钻井可以将钻井时间降低十分之一, 从而使钻井成本显著降低。激光钻井同样可以钻水平井并且清除井眼里的碎屑。

4.3 激光钻井技术的未来发展

激光钻井技术由概念设计到实际应用还要面临以下几个方面的挑战:

◇ 在激光钻井过程中, 井筒中的气体影响机械钻速, 可能导致事故。

◇ 考虑到温度和压力的双重影响, 岩石应力增加了比能, 高的热导率导致了温度的扩散, 温度的扩散引起孔隙度和渗透率的变化, 从而导致了岩石强度的下降[7]。

◇ 在激光的作用下, 所有岩石的杨氏模量、剪切模量、体积模量和联合模量减小。

◇ 对斩波脉冲和连续波脉冲的选择, 结合岩石的破碎机理设计气体泄压系统和激光束传递系统, 研究激光、钻井液之间的相互关系。

对于未来的激光技术, 首要的研究目标是研制一种地面激光器, 它传输光束到井下, 光束应具有足够的功率从地面穿过岩石钻6 096 m (20 000 ft) 的深井或更深的井, 且测量方法精密。另一方面研究是否以脉冲方式传送激光束, 这种方式可能优于连续的光束, 它将进一步增大穿透岩石的速率。第三方面的研究是确定激光器是否能使用现有的钻井液。在多数井中, 目前都要使用钻井液, 将它循环到井下, 以冷却钻头和携带、清洗井眼岩屑, 防止地下的其他流体渗人到井中。该研究还将确定在钻井过程中是否有太多的激光能量在汽化泥浆或清除流体时被消耗。

综合起来, 作为一种新型的钻井技术要得到实际的应用, 仍有下列问题尚需要进一步研究[3,5]。

(1) 复杂的地层条件

激光作用于浸泡在流体中的岩心时, 比能值均大于作用于干燥岩心, 即流体在激光作用岩石的过程中起到了阻碍作用, 使得激光移除单位体积的岩石需要耗费更多的能量。激光作用于浸泡在流体中的岩石时会产生气体, 该气体的量及组成也有待研究。虽然地层应力对比能值的大小几乎没有影响, 但在地层条件下的应力、热量、流体浸泡三者共同作用下, 比能值如何变化, 还需进一步研究。由此可见, 复杂的地层环境将对激光钻井技术的应用提出严峻的挑战。

(2) 井眼的清洗和异常压力的控制

由于二次作用的存在, 为了提高激光能量的利用率, 应及时清理堆积在井底的岩屑, 如何在不影响钻进速度的条件下清洗岩屑, 仍是目前较难解决的技术问题。

虽然激光钻井是否钻达油气层可由比能值的变化分辨出, 但当钻达油气层或异常高压地层时, 地层流体大量涌入井内很有可能造成井喷。因此, 激光钻井必须建立完善的井控系统。

5 结束语

激光钻井是一项新技术, 它的发展应用必将给以后的钻井行业带来又一次惊人的革命, 对我国来说, 这既是挑战, 又是机遇。尽管我国在这方面的研究较少, 但国外也只是处于探索阶段, 我们应在积极吸收国外研究成果的基础上, 尽早开展自主研究, 力争在新的钻井技术发展中走在世界前列。

参考文献

[1]科学出版社名词室合编.物理学辞典[M].北京:科学出版社, 1988.

[2]周敦忠.光学[M].兰州:兰州大学出版社, 1988.

[3]Graves R M, O'Brien D G.Star-Wars Laser technolo-gy applied to drilling and completing gas wells[R]:SPE49259.New Orleans, 1998.

[4]马卫国, 杨增辉, 易先中, 等.国内外激光钻井破岩技术研究与发展[J].石油矿场机械, 2008, 37 (11) :11-17.

[5]甘云雁, 陈利.新型钻井技术——激光钻井的研究进展[J].科技导报, 2005, 23 (3) :37-40.

[6]Ramona M Graves, Richard A Parker, Brian C Gaha-n.Temperatures induced by high power lasers:effects on reservoir rock strength and mechanical properties[R]:SPE78154.Irving, 2002.

[7]Ramona M Graves, Anibal, Araya, et al.Comparison of specific energy between drilling with high power la-sers and other drilling methods[R]:SPE77627.San Antonio, 2002.

激光钻井技术发展研究 篇2

【摘要】随着油田的深入开发，钻井技术有了质的发展，钻井工艺技术研究、破岩机理研究、固控技术研究、钻井仪表技术研究、保护油气层钻井完井液技术研究以及三次采油钻井技术等都取得了科研成果，施工技术逐渐多样化，目前已在水平井、径向水平井、小井眼钻井、套管开窗侧钻井、欠平衡压力钻井等方面获得了突破。一些先进的钻井技术走出国门，走向世界，如：计算机控制下套管技术、套管试压技术、随钻测斜技术、密闭取心技术、固控装备、钻井仪表、钻井液监测技术、MTC固井技术及化学堵漏技术等，本文就国内钻井技术的现状及发展趋势进行分析。

【关键词】钻井技术；发展趋势；油田开发

引言

通过钻井技术及管理人员的不懈努力，钻井硬件设施已经比较完善，很多钻井公司配备了先进的钻井工艺实验室、固控设备实验室、钻井仪表实验室、油田化学实验室、高分子材料试验车间、全尺寸科学实验井等，这些硬件设施满足了各种钻井工程技术开发与应用的需要。钻井技术也有了长足发展，具备了世界先进水平，钻井技术的进步为油田科技事业的发展做出了积极的贡献，并取得了良好的经济效益和社会效益，如TZC系列钻井参数仪作为技术产品曾多次参与国内重点探井及涉外钻井工程技术服务，并受到外方的认可。多年来，由于不断进行技术攻关研究与新技术的推广应用，水平井钻井技术迅速提高。水平钻进技术是在定向井技术基础上发展起来的一项钻进新技术，其特点是能扩大油气层裸露面积、显著提高油气采收率及单井油气产量。对于薄油层高压低渗油藏以及井间剩余油等特殊油气藏，水平井技术更具有明显的优势。

1、钻井技术发展现状

从世界能源消耗趋势看，还是以油气为主，在未来能源消耗趋势中，天然气的消耗增加较快，但是在我国仍然以石油、煤炭作为主要能源。尽管如此，我国的油气缺口仍然很大，供需矛盾很突出，60%石油需要进口，从钻井的历史看，我国古代钻井创造了辉煌历史，近代钻井由领先沦为落后，现代钻井奋起直追，逐步缩小差距，21世纪钻井技术有希望第二次走向辉煌。随着钻进区域的不断扩大及钻井难度的不断增加，各种新的钻井技术不断出现，目前，水平井钻井技术逐渐成为提高油气勘探开发最有效的手段之一。各种先进的钻井技术在油田开发中显示出了其优越性，新技术、新工艺日益得到重视和推广应用。例如：旋转钻井技术，是目前世界上主要的钻井技术，旋转钻井方式有以下几种：转盘（或顶驱）驱动旋转钻井方式、井下动力与钻柱复合驱动旋转钻井方式（双驱）、井下动力钻具旋转钻井方式、特殊工艺旋转钻井方式：欠平衡钻井、套管钻井、连续管钻井、膨胀管钻井等、冲旋钻井方式（空气锤钻井等）。其中，冲击旋转钻井就是在普通旋转钻井钻头上部接一个冲击器。冲击器（有液动冲击器，气动锤等）是一种井底动力机械，依靠高压钻井流体，推动其活塞冲锤上下运动，撞击铁砧，并通过滑接套传递给钻头，钻头在冲击动载和静压回转的联合作用下破碎岩石。冲击力不同于静压力，它是一种加载速度极大的动载荷，作用时间极短，岩石中的接触应力瞬时可达最大值并引起应力集中，岩石不易产生塑性变形，表现为脆性增加，岩石易形成大体积破碎，提高钻井速度。从破岩机理来看，空气锤钻井主要依靠空气锤活塞对钻头的高频冲击作用破岩，而不需要采用大钻压迫使钻头吃入地层破岩。因此，钻井作业中，空气锤钻井技术是采用低转速（20～30rpm）、小钻压（5～10kN）及高频震击破岩方式的钻进技术，既能有效满足井斜控制要求，又能大幅度提高机械钻速，是一种比较理想的防斜打快钻井技术。

2、与钻井技术相关难题分析

（1）针对我国复杂深井和超深井钻井工程中面临的严重井斜和低效率等技术难题，应积极组织优势力量，从客观（地层各向异性）和主观（垂钻系统）两个方面进行技术攻关研究，以期尽快获得具有自主知识产权的先进控制工具、科学计算软件及智能钻井系统等。随着材料、信息、测量与控制等相关学科领域的发展，钻井与油气井工程技术不断朝着信息化、智能化及自动化的方向发展，如旋转导向钻井系统、智能完井等。应积极发展膨胀管技术，以便彻底革新井身结构，推动油气井工程的技术革命。这不仅能够大幅度提高石油工程效率和效益，而且能够为不断创造人类“入地、下海”的新纪录提供高技术支持。

（2）复杂结构井、深井超深井、高危气井及特殊工艺钻井等技术系列，在20世纪90年代已得到迅速发展与应用。进入21世纪后，这些技术系列仍是油气资源勘探与开发所需要的关键技术系列，并将得到进一步发展与提高。与国外先进水平相比，我国在这些技术方面整体上仍存在较大的差距。国外先进的自动垂钻系统，虽然可以在昂贵的复杂深井和超深井垂直钻井工程中发挥有效作用，但目前的技术水平仍在使用条件上具有一定的局限性，在实际工作中应注意对其进行科学评估与合理选用。

（3）钻井逐渐与录井、测井及地震等信息技术融为一体，以有效地解决钻井过程中的不确定性问题，从而可提高油气钻探与开发的效果和效益，如LWD和SWD等技术即为典型例证。

3、油气钻井技术发展趋势

油气井包括普通结构井和复杂结构井。复杂结构井包括多分支井、大位移井、水平井、复杂地条件下的深井超深井、高危气井、高温高压气井等。地下环境的复杂性及其不确定性（地应力、地层压力、各向异性、可钻性、理化特性、不稳定性等地层特性十分复杂和异常）给油气钻探造成极大困难：钻井事故多、速度慢、质量差、效益低（成本高），严重制约了油气勘探开发的步伐。目前，钻井复杂深井油气钻探难度很大，钻井技术正在根据实际需求，不断攻克难关，未来钻井技术的发展趋势：大位移井技术在我国逐步应用，采用大位移井技术已经开发了南海西江24-1油田和流花11-1油田；欠平衡钻井技术正在各大油田推广应用；国外已经成熟的CTD（连续管钻井）技术，我国也逐渐开始常识应用；膨胀管钻井技术和套管钻井技术也有了实质性发展；旋转导向钻井技术正在研制中；钻井向地球的更深处钻探、井身结构有重大革新、挑战大位移井延伸极限、钻井的信息化与智能化发展、井下测量与可视化计算。

结束语

经过历代钻井人员的努力，国内各油田钻井队伍不断壮大，钻井装备水平逐渐提高，生产管理水平实现现代化，众多先进钻井技术已经达到世界先进水平。但是，随着油田开发的不断深入，油田开采难度逐渐加大，勘探开发有了更高的要求，这给钻井技术带来了新的挑战，钻井难度不断加大。相信在钻井人员在苦难面前一定能够正确面对，一定能够不断的进行技术创新和技术进步，一定能够不断解决世界性难题，为油田勘探开发打下良好的基础作用。

参考文献

[1]沈忠厚，黄洪春，高德利.世界钻井技术新进展及发展趋势分析[J].中国石油大学学报（自然科学版），2009年04期

三大钻井技术的迅猛发展 篇3

摘要:今后需求最突出的钻井技术仍然以水平井、欠平衡井、超深井三大技术为主,重点是要求保护发现油气藏。三种技术相互渗透,相互交融,不断互补,优化发展,并朝着纵深方向快速发展。

关键词:石油勘探 水平井 欠平衡井 超深井

中图分类号:TE24文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)03-0105-01

钻井工程技术水平直接关系到石油勘探开发的成败,决定着石油上游业务的发展潜力和竞争能力。目前,钻井工程已开始成为寻找油气藏、高效开发油气田最有效的手段,特别是欠平衡、水平井等技术已成为现代油气勘探开发的重要手段,对增储上产和提高采收率十分重要。

1我国钻井行业在国际上的技术地位

长期以来,我国的石油钻井科研工作一直处于跟随状态,学习和追赶国外先进技术并努力实现先进技术的国产化。总体来看,我国石油钻井技术水平与国外先进水平有5年-10年的差距。 近几年,我国钻井工程技术得到快速发展,钻井工程的规模实力和钻井工程的整体水平得到显著提高。但在自动垂直钻井、可膨胀管钻井、深海钻井、陆上深井超深井钻井等高端钻井技术领域,以及综合钻井实力方面,与世界先进水平相比还有一定的差距。国内旋转导向技术几乎还处于空白状态,无论是今后钻大位移井、分支井,还是煤层气鱼骨井,都非常需要这项技术。

目前,我国的钻井工作量已位居世界第三,仅次于美国、加拿大,并且已经掌握了常规的定向井、水平井、老井侧钻、丛式井及深井钻井等系列技术,基本上能满足国内油气勘探开发的一般需求,并缩小了与国际先进水平的差距。国内钻井行业在围绕持续提速,提高探井发现率,保护、发现油气藏等领域展开研究。

2我国钻井行业发展难点

由于钻井面对的难度越来越大,因而石油钻机朝着不断满足石油工程需要的方向发展,高性能的机、电、液一体化技术促进石油钻机的功能进一步完善。大量增加自动化工具,减小操作者劳动强度,为提高劳动生产率创造条件。在这方面发达国家一口井只需几个人,而欠发达国家,一口井需几十人。

长期以来,全球钻井行业的投资占勘探开发投资的50%以上,钻井水平的高低对于油气勘探开发效益具有十分重大的影响。合理的钻井工艺、适用的钻井技术和完井方法是提高油气勘探成功率、提高产量、降低成本、实现油气田勘探开发经济目标的重要保证。

从国际钻井服务市场的构成来看,目前钻井市场主要是由两部分构成的。一部分是提供钻机服务的钻井承包商,中国石油现在到国外去服务的钻井、修井机早已超过100台,分布在几十个国家,而且这个需求还在增长。另一部分是占钻井服务市场六七成的专业技术服务市场。我国在国外市场做的主要还是低端服务,也就是打井的工程承包,而高端的、高附加值的配合打井的专业技术服务,我们基本没有参与进去。所以,我国钻井技术的提升和突破,已经成为关系中国石油工业在“十一五”发展和今后可持续发展的关键所在。

3三大钻井技术的应用和成果

最近几年,三大钻井技术得到了广泛应用。目前,这三项主要钻井技术的规模化应用,促进了钻井科技的深层次发展,在钻机动用、钻井总数、钻井队年进尺、钻井总进尺以及机械钻速,特别是深井提速上,都创造了历史新纪录。

三项技术的应用取得了显著的成果,带动了一批产业的兴起,带动了思想观念的更新。一是带来整体观念上的更新,突出表现在勘探、开发和经济增长方式方面。目前,我国由原来两三年打一口超深井,发展到现在,由于气体钻井技术的应用,一年就可以打两口超深井,产生了巨大经济效益。二是带来设备的全面更新。目前,从钻机到钻机的所有配件,以及井下工具,都进行了全面更新,真正朝着科学化钻井方向发展。三是带来钻井工艺的全面更新。比如气体钻井、控压钻井、深井超深井技术,尤其是特殊工艺钻井技术非常引人注意,比如定向井、水平井、大位移井、复杂结构井及欠平衡钻井等。

4三大钻井技术的发展

从世界近年来钻井技术发展趋势看,每一项钻井技术的重大进展都对应着某项高技术的引入。钻井主导技术的发展实质上是把钻井、录井、测井与信息技术四者集成于一体,最大限度地提高油气层的发现率、提高单井产量、缩短钻井周期、降低“吨油成本”。一个高效的钻井系统将在油气勘探开发中扮演越来越重要的角色。

水平井、多分支井、水平多分支井技术,由于进一步提高了油藏暴露面积,有利于提高采收率、降低吨油开采成本而得到推广应用。国外在多分支井和鱼骨井基础上还提出了最大储层有效进尺的概念,即利用钻井手段提高储层段的进尺,大幅度提高单井产量。石油技术大发展,是国家强盛的需要,是世界经济发展的需要,是继往开来的时代的需要,也是广大石油科技工作者大展宏图的黄金时期。

5钻井是石油工业的龙头

钻井工程作为油气勘探开发的一个重要环节,一种主要手段,具有资金、技术密集,高投资、高风险的特点。我国石油钻井50多年的实践证明,走技术引进与自立开发相结合的道路是技术落后国家走向先进的一条必由之路、正确之道。走完全自主创新的路适应不了形势发展的要求,必须要充分吸收发达国家的先进技术为我所用。但是完全靠技术引进也走不通,因为先进的生产作业线及其产品,发达国家在未充分占领市场前是不会出卖的,引进二流三流产品的作业线,在国际市场上是没有竞争力的,其结果只能是绑在别人的战车上跟着跑,走上“引进——落后——再引进”的恶性循环。今后需求最突出的钻井技术仍然以水平井、欠平衡井、超深井三大技术为主,重点是要求保护发现油气藏。三种技术相互渗透,相互交融,不断互补,优化发展,并朝着纵深方向快速发展。

参考文献:

[1] T.Hemphill,于军泉,郭健康.深水钻井机械钻速的优化:钻速限度的确定[J].国外油田工程,2003.

[2] 艳红.一项用于墨西哥湾深水钻井开发的创新方法[J].国外油田工程.2003.

[3]Mike Sumrow,Drilling Editor,赵炜.促进深水海域钻井工业技术进步的相关工艺技术[J].国外油田工程,2002.

[4] 郭永峰.海上深水钻井的新概念-"水中井口"装置[J].石油机械,2005.

激光钻井技术及其应用前景分析 篇4

1 激光钻井技术概况分析

(1) 激光破岩机理分析从本质上讲, 激光钻井就是利用强激光作用在岩石上, 使得岩石在高压、高温下发生复杂的物理化学变化从而产生破坏。岩石表面在激光照射下会产生吸收、散射、反射等现象, 强大的热冲击使得岩石蒸发、熔融形成气体, 进而在高压的作用下压出地面。与此同时, 性质不同的岩石在激光作用下会产生不同的物理化学变化, 导致周围岩石的物性参数也会产生一定的变化。为了使得激光钻井取得更加良好的效果, 可以向钻探部位喷射可膨胀的高强度液体射流, 使钻材料易于粉碎和融化, 使得井壁光滑以便于碎屑返回地面。

(2) 激光钻井技术的优势分析和传统的钻井方式相比, 激光钻井具有一些独特的优势, 主要表现为以下几个方面。

(1) 成本低。激光钻井技术是钻井领域的一场革命, 激光钻井成本在陆地大约为40万美元, 而钻进速度是常规旋转钻进方式的几十倍, 由此可见, 激光钻井技术大大节约了钻井时间和钻井成本。它还能够很好地清除井眼里的碎屑。 (2) 提高钻井效率。激光钻井不用像传统钻井那样频繁的起下钻更换钻头, 节约时间。 (3) 改善岩石孔渗特性。经过激光作用的岩石渗透率和孔隙度都会变大, 当热导率较大时, 这种增加更加明显。 (4) 打捞作业更加方便。激光钻进系统的使用工具体积很小, 不需要采用庞大的钻井立柱, 更加方便打捞作业的开展, 有些时候激光能够直接融化落鱼, 避免意外事故的发生。 (5) 对地层伤害小。激光钻井方法避免了常规射孔枪可能造成的井眼堵塞、套管破裂等伤害, 能够很好地保护钻进施工。 (6) 钻速高。激光钻井方法钻进速度是传统钻井方法的几十倍, 极大地提高了钻井效率。 (7) 激光钻井技术对周围环境的破坏和污染都比较小。

2 激光钻井应用亟需解决的问题

(1) 复杂的地层条件。由于目前在实验室条件下, 对于地层水、原油、天然气、盐水的具体组合情况无法精确模拟, 因此得出的结论只具有参考价值, 无法依据实验数据进行实际施工, 如何解决复杂地层条件对激光钻井技术的影响是当前激光技术应用的难点。 (2) 异常压力的控制状况。是否钻达油气层可以利用比能值的变化情况进行确定, 但是当钻遇高压层时, 很容易形成井喷, 因此, 激光钻井技术要求必须具有完好的井控系统, 避免各种事故的发生。 (3) 现场应用和实验室条件的差异性。目前在实验室内对激光钻井技术进行了大量的研究, 也取得了一系列成果, 但是由于岩石的体积规模和地层条件相差甚远, 能否利用放大比例的方法进行类比还有待考证, 因此必须研制出激光钻井机并在实际中不断校正和改进才能更好地研制出指导实际的激光钻井工艺。

3 激光钻井技术的发展趋势

激光钻井技术不断取得研究进展, 主要来说今后激光钻井技术将朝着以下几个方向发展。

(1) 激光深井破岩中高温岩屑运移的多相流动理论。当前对于激光破岩后, 岩屑以及气化岩石在返出地面过程中的流动理论问题的研究还基本没有, 特别是对于辅助排屑气流、岩屑混合气流、飞溅物的体积分数、蒸汽压力大小、气体的生成量等具体量的研究还严重缺乏。

(2) 岩石相变的传热学与热力学。在激光钻井技术方面还有一些问题有待解决, 比如钻井成本的经济性、激光束在井下的传输性能、激光钻进的储层保护、井漏防治和井喷控制、大功率激光器微型化研制等, 这些问题要求对岩石相变的传热学和热力学等基础理论有比较深入的研究, 因此, 这也是发展的趋势。

(3) 流体、岩石、激光交互作用机理。美国针对流体、岩石、激光交互作用机理进行了一些研究, 通过实验对不同激光器与不同岩石和流体介质之间的作用情况进行了分析, 指出激光采用脉冲波形的破岩方式, 其破岩速度明显高于连续波形激光的破岩速度。但是在脉冲波形能量密度对晶格相变过程和破岩速度的影响情况、岩石能量转换规律和吸收效率、岩石热破坏模型和准则等方面还有待研究。

4 结语

石油钻探领域应用激光是一项新技术, 本文主要分析了激光钻井技术的应用优势, 包括:成本低、效率高、对地层伤害小、打捞作业方便等。还对急需解决的复杂地层条件、异常高压情况等问题进行了说明, 最后指出了激光钻井技术发展的方向。

摘要：随着科技水平和材料研制水平的不断提高, 钻井效率和安全性也得到了极大地提高, 其中激光钻井技术以其独特的优势被市场看好, 为了更好地认识激光钻井技术, 文章首先对激光钻井技术的破岩机理以及应用优势进行了分析, 进而指出了激光钻井技术应用需要解决的问题以及发展前景, 为激光钻井技术的推广应用提供指导和参考。

关键词：钻井技术,激光,破岩,融化岩石

参考文献

[1]施斌全, 薛启龙, 唐文全, 等.激光钻井技术研究展望[J].国外油田工程, 2010, 26 (9) :42-44.

大庆油田钻井技术现状及发展方向 篇5

云海涛1 , 郭光奇

2（1．大庆油田有限责任公司采油工程研究院 ； 2．大庆石油管理局钻井二公司）

摘要大庆油田经过四十多年的勘探开发，钻井技术得到了长足的发展，特别是进入90年代后，围绕“两提高、两降低、一保护”的指导思想，从钻井工具、钻井设备、钻井工艺到设计软件等都有了较大的进步，基本形成了大庆油田的钻井核心技术。国际大石油公司为了提高整体经济效益，也在大力发展水平井、大位移井、欠平衡钻井等高、精、尖钻井技术。随着大庆油田日趋复杂的地质环境和勘探开发的进一步深入，钻井技术仍然存在某些不适应之处。本文根据油田勘探开发的要求提出了大庆油田钻井技术发展方向。

主题词钻井技术 ；现状 ；发展方向

1大庆油田钻井技术现状

“九五”期间，钻井系统广大科技人员，坚持以提高经济效益为目标，以科技进步和人才培养为先导，加大改革力度，瞄准国内外先进技术，开拓国内外市场，进一步完善和发展了钻井技术，基本形成了以八项配套技术为核心的“九五”钻井核心技术，即:

（1）以开发剩余油为目的的中曲率半径5／2″套管内侧钻水平井钻井完井配套校术；

（2）以提高固井质量为主的调整井钻井完井配套技术；

（3）以降低成本为主的开发葡萄花油层小井眼钻井完井配套技术；

（4）以外围油气层保护技术为主的低渗油气田钻井完井配套技术；

（5）以提高钻井速度和勘探效益为主的深井钻井完井配套技术；

（6）初步形成了以开发裂缝泥岩油藏为主的裂缝性泥岩水平井钻井完井配套技术；

（7）初步形成了以保护深部气层为主的探井欠平衡钻井完井配套技术；

（8）初步形成了地热井钻井完井配套技术；

与“八五”末相比，钻井系统的技术实力和市场竞争能力都有了很大程度的提高，钻井整体技术达到国内先进，接近90年代中期国际先进水平，部分技术已达到90年代末国际先进水平。12国外钻井技术主要发展现状

研究和发展先进适用的钻井技术是国外大石油公司降低勘探开发成本的重要切入点，其钻井技术发展的目标有两个：一是降低钻井的直接成本；二是提高勘探开发的整体效益。

2.1水平井技术

水平井钻井技术从80年代初开始研究与发展，90年代开始大规模应用，目前已作为常规钻井技术应用于几乎所有类型的油藏。水平井钻井成本已降至为直井的1.2～1.5倍。水平井产量是直井的4～8倍。多分支井效率比（产量增加指数与成本增加指数之比）更高。

2.2大位移井技术

20年代美国开始发展大位移井，90年代该技术得到迅速发展。大位移井技术主要用于以较少的平台开

作者简介： 云海涛（1968-），男，工程师，现从事钻井工程设计及研究工作。

发海上油气田和从陆上开发近海油气田，目前主要用在北海、英国Watchfarm油田和美国加州近海。1997年6月在中国南海东部钻成的西江24一3—A14井水平位移是8 060.7 m。

2.3小井眼钻井技术

80年代中期，国外许多公司迫于成本压力又开始研究和发展小井眼钻井技术，研究和开发了适用于小井眼钻井的钻机、取心工具、钻头、钻井液及固控、井涌监测与控制、测井和完井等技术。小井眼钻井技术已比较成熟，工具设备配套齐全，目前已有可用于76.2 mm井眼的钻井工具，以及多种连续取心钻机和混合型钻机。

2.4欠平衡钻井技术

近些年来，随着钻井新装备的不断涌现，已应用近四十年的欠平衡钻井技术再次受到人们的高度重视，而且正逐步走向成熟。连续油管欠平衡钻井技术是欠平衡钻井发展的一个重要方向。目前普遍采用的欠平衡钻井还不能说成是完全欠平衡钻井，因为在起下钻和完井等作业中都需要有短时间的压井过程，未来的发展方向必须是不压井起下钻和完井施工，美国和加拿大已用连续油管钻机实现了不压井起下钻和裸眼完井。

2.5自动化（闭环）钻井技术

自动化（闭环）钻井技术是指在全部钻井过程中，依靠传感器测量参数，依靠计算机采集数据，并进行解释和发出指令，最后由自动设备去执行，变成一种无人操作的自动控制系统。这种技术的主要优点是能节约时间、减少体力劳动，既可严格按预定轨道钻进，也可完全根据地下情况调整钻井方案。

2.6套管钻井工艺技术

套管钻井工艺的基本特点是取消了常规钻杆，以套管代替钻杆。套管由顶部驱动装置带动旋转，由套管传递扭矩，带动安装在套管端部工具组上的钻头旋转并钻进。该技术已应用20多口井，降低成本20％～ 30％，套管钻井技术已显示出强大的发展势头。

2.7钻井工具和测量技术

国外钻头设计和制造技术已很成熟，有适合于各类井下条件和地层的钻头，包括PDC钻头、热稳定PDC钻头、超硬激光镀层牙轮钻头、聚晶金刚石轴承牙轮钻头等。而且钻头的适应性强，应用范围广泛，能根据具体的作业（如水平井、小井眼）和地层进行灵活的设计。

随钻测量／随钻测井（MWD／LWD）技术发展迅速，已成为地质导向钻井的核心。已研制了适用于各种井眼尺寸的MWD／LWD工具。其测量参数已逐步增加到近20种钻井和地层参数，传感器从原来离钻头12～20m的距离移到离钻头只l～2 m的距离。1992年底，Anadrill和Schlumberger公司推出了IDEAL综合钻井评价和测井系统，其它各大石油技术服务公司也纷纷推出了新的随钻测井系统用于地质导向钻井。3大庆油田钻井技术的薄弱环节

尽管近年来在钻井技术发展上取得很大的成绩和进步，但面对油田日趋复杂的地质环境和满足勘探开发的要求，钻井技术仍然存在某些薄弱环节和不适应之处。主要表现在以下几个方面：

3.1在固井质量方面

（1）调整井高压层（压力系数1.70以上）特别是层间矛盾较大的井筒固井质量难以保证，真正影响二次声变检测胶结质量差的原因和对策还不明确，致使二声界检测的胶结质量始终不高。

（2）探井特别是外围探井（如海拉尔油田）的固井质量还不高，仍有不合格井存在，而深井固井质量在配套水平上和针对性强化技术措施上尚需加强。

3.2在提高钻井速度方面

由于深部地层硬，温度高，机械钻速慢，因工具的不适应造成钻井井下事故较多，调整井和开发井在PDC或刮刀PDC钻头的研制与应用方面仍需加强。

3.3在特殊工艺井方面

虽然已经开展了水平井、侧钻水平井、欠平衡钻井技术研究，各项技术指标达到了国内先进水平，形成了配套技术，但这些指标和配套技术都是在研究阶段形成的，还没有形成规模。有些特殊井如老井重钻、小井眼探井、分支井尚未开展。

3.4在深层储层保护方面

只开展了砂岩储层的研究与试验，其它类型的储层损害机理尚未研究，保护钻井液体系有待于进一步完善。

4“十五”后三年应开展的钻井技术研究

4.1钻井技术发展的原则

（1）紧密结合油田实际，解决不适应油田勘探开发要求的钻井技术薄弱环节。

（2）坚持以效益为中心，研究和发展有利于提高钻井系统国内外市场竞争能力的核心技术。

（3）了解国外钻井技术的发展趋势，针对性地跟踪或研究起主导作用的核心技术，为钻井系统的可持续发展提供技术储备。

4.2应开展的高新钻井技术研究

（1）地质导向钻井技术

地质导向钻井与井眼轨迹控制是钻井技术发展的前沿课题，国内外已经研究并产业化，它包括用特殊的仪器和设备对直井和特殊工艺井的井眼轨迹进行监测和控制，根据随钻测得的地层参数调整钻具特性使井眼轨迹按设计的方向延伸。

（2）连续管钻井技术

连续管钻井作业具有节约成本简单省时安全可靠等优点，目前已广泛应用于油田修井、钻井、完井作业等。钻井作业主要用于小井眼钻井、老井侧钻、老井加深。可节省费用50～70％。

（3）套管钻井技术

套管钻井系统可节约钻井成本15～30％。

（4）针对俄罗斯油田开发特点的钻井技术研究

4.3为满足油田勘探开发需要应攻关与完善的钻井技术

（1）分支井水平井钻井完井技术

研究形成具有2～4个分支井筒的钻井技术，包括：井眼轨迹整体设计；完井系统研制和施工工艺技术；强携屑能力钻井液研究；固井完井技术。

（2）欠平衡钻井技术研究

欠平衡钻井技术将是今后一个时期钻井技术发展的重点，2000年实施的宋深101井已见到初步效果，但欠平衡钻井技术不是适应于所有地层，必须针对不同的地层进行研究，而且欠平衡钻井技术的本身也处于发展完善阶段。

（3）老井加深钻井完井技术

主要在老井眼基础上用小井眼钻井加深钻井，降低勘探成本。现在大庆油田存在很多已探明的扶杨油田，而未钻穿侏罗系的探井，有的已转为开发井。在这些井上加深，进一步探明深部储层情况将降低勘探开发成本。

4.4应进一步推广和完善已形成的钻井完井核心技术

（1）水平井、侧钻水平井钻井完井配套技术

主要内容：井眼轨迹预测和控制技术；小环隙固井技术；钻具防卡技术；钻井液技术。

（2）调整井固井完井配套技术

主要内容：降压泄压技术；地层压力预测技术；配套技术措施（DSK、封隔器等）；固井施工技术。

（3）深井钻井完井配套技术

主要内容：钻头选型；水泥浆外加剂系列；固井施工技术；优选参数钻井技术；钻井液技术。

随着油田勘探开发工作的深入，对钻井技术提出了更高的要求，钻井技术的发展应以提高整体经济效益为目标，努力满足勘探开发需要，解决油田勘探开发中急需解决的技术难题，加快技术创新，为油田可持续发展提供技术支持。

激光钻井技术发展研究 篇6

关键词：石油生产；钻井技术；石油资源；石油产业；石油开采 文献标识码：A

中图分类号：TE951 文章编号：1009-2374（2015）22-0152-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.075

1 现代石油钻井技术50年进展分析

1.1 井下测量与评价技术

第一次在钻定向井中使用MWD是在20世纪80年代，将MWD与近钻头测斜器配合使用，能够有效地得出钻井的方位角与井的斜度，并求出井眼的实时偏差矢量，实现几何向导的功能。在20世纪80年代末期，随钻测井仪（LWD）的问世，又进一步促进了石油钻井工艺的发展。随钻测井仪除了能够将井下的信息实时传输到地面并进行详细记录以外，还能够实时检测异常高温层，及时调整钻井液的性能，形成保护油气层和近平衡钻井，另外，随钻测井仪还具有不占用钻机时间的特点，因此该项技术能够有效降低油气层浸泡的时间以及完井的时间，同时也大大减少了油气层对环境所造成的污染。

随着MWD与LWD发展的逐渐成熟，在20世纪90年代，这两项技术便进行了有机的结合，形成了新的随钻地层评价测试技术（FEMWD）。同时产生的还有集成钻井信息系统，该系统不仅具有实时测试的功能，同时还能够对钻井液密度、应力状况、扭矩波动以及流动压力与井斜等数据进行传输，另外该系统还能对钻底层的电阻率以及岩石的密度等进行详细的测量，因此该系统能够分别所钻岩石的层位边界，从而能够有效避免误入其他层位现象的发生。

1.2 井下钻井数据的实时采集与应用技术

在进行旋转钻井时，钻柱在钻井时会存在扭转、转向以及横向的振动，在振动式钻头便很可能出现短暂离开井底，出现钻头空转的现象，这便会加大钻头的磨损程度，甚至会造成扭转振动、钻具脱落以及滑扣等事故的发生。传统的检测方法都是在地面对钻柱的振动进行监测，没有根据钻柱的特性以及钻具的具体情况建立相应的监测模型，因此传统的监测方法不能准确地将钻柱的真实状况进行准确的反应，也不能进一步减少钻柱相应事故的发生。20世纪90年代以后，随着我国科技技术的迅猛发展，尤其是微电子技术与传感技术的发展，开发出了动态的传感元件以及高效的监测与应用系统，实现了钻井动态数据的采集与应映，并且该项技术能够将应用结果及时地反馈到地面，因此地面的工作人员便能够实现对地下钻井钻柱情况实时监测与控制。

1.3 大位移井与水平井

大位移井主要是指的是水平井，当井的水平位移与垂直深度的比值大于2时，则称该井为水平井或者是定向井，当比值大于3时，则称该井为特大位移井。根据相关研究显示，在全球水平位移超过7000m的井约有20口，而水平位移在10000m以上的全球仅有三口。大位移井的斜井段较长，一般来说大位移井的井段几乎在3000m以上，因此在大位移井中进行钻井应该特别注意井眼的清洁以及井下钻柱的摩擦阻力。水平钻井技术发展至今已经取得了一定的成就，现代的水平钻井技术与传统的水平钻井技术相比较，不仅钻井成本得到了显著的降低，同时钻井的效率也得到了成倍的提高。

1.4 多分支井与重入井钻井技术

在20世纪90年代后期，西方等一些发达国家开始大力发展多分支的钻井技术，并且当时该项技术被认定为21世纪石油工业的重要技术。多分支井技术是在一口主井眼的底部钻出两口或者是多口进入油气藏的分支井眼，主井眼既可以是直井，也可以是水平井，甚至可以是斜井，而分支井则多为水平井、波浪式水平井以及定向斜井。多分支井可以在同一个主井中实现多个油气层的开采，同时多分支井还可以从老井中钻分新的分支井，老井中钻分支井就是人们所说的重入钻井。重入钻井不仅能够充分利用已有的油田管道以及井场和设施，同时还能将老井作为新的主井，这样不仅能够极大地简化了石油的开采步奏，同时也在一定的程度上提高了石油开采的经济效益。

1.5 欠平衡井钻井技术

虽然欠平衡井钻井技术在20世纪初期便提出来了，但是该项技术一直到20世纪80年代才得到解决。欠平衡压力钻井又称为有控制的负压钻井，其具有以下的优良特征：（1）能够避免井内液体渗入地层，减少油气层渗漏对环境的污染程度；（2）能够及时发现新的油气层；（3）能够有效消除钻井时井内液柱压力对岩屑的“压持效应”，大幅度提高机械的钻速，提高石油开采的效率。总而言之，欠平衡井的钻井技术能够及早发现油气层，同时还能进一步提高石油的开采效率与油井的产能，因此在20世纪90年代该项技术便得到了广泛的推广与应用。

2 现代石油钻井技术的发展趋势

通过对近50年石油钻井发展进程的分析并结合国际石油工业发展的趋势，我们可以清楚地知道我国现代石油钻井技术的发展趋势主要有两方面：

2.1 向有利于新油气藏与高油田的采收率方向发展

进入20世纪以后，油田的发展开始步入产业的中后期，寻找新的石油资源越来越困难，并且随着石油的不断开采，石油的产量开始迅速下降，寻找新油气层和提高油田的采收率必然是石油钻井技术发展的必然。信息化技术的发展为钻井技术的进一步发展创造了良好的基础条件，同时现有的水平井钻井技术、欠平衡压力钻井技术以及多分支与重入钻井技术也为其在这方面的发展提供了相应的技术支持，因此我们可以说现代石油钻井技术向有

利于新油气藏与高油田的采收率方向的发展是大势所趋。

2.2 向信息化、智能化发展

随着科技的迅速发展，目前很多产业已经逐步向信息化、智能化进行转变，石油钻井技术未来也必将向信息化、智能化靠拢。在进行井下作业时，可以将钻井的参数以及导向工具的状态以及液体参数等进行实时的测量，然后以全数字的方式进行实时的反馈，这种全数字化的信息化发展，不仅能够有效地降低人们经验主义对石油开采所造成的不良影响，同时全数字的信息化产业模式还能有效地提高石油生产的效率。当前的很多测试工具、导向钻头都开始向智能化进行发展，特别是近年来随着钻地层评价测试系统与自动控制的导向钻井工具的成功研发与应用，更进一步地体现了现代石油钻井技术向智能化发展的必然性。

参考文献

[1] 杨春旭，韩来聚，步玉环，等.现代垂直钻井技术的新进展及发展方向[J].石油钻探技术，2007，35（1）.

[2] 胡书勇，张烈辉，寥清碧，等.现代钻井技术的发展与油气勘探开发的未来[J].天然气工业，2005，25（2）.

作者简介：王一鸣（1992-），男，黑龙江大庆人，供职于大庆油田采油五厂，研究方向：自动化。