鉆井新技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)研究

余 橋

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江大慶 163413）

1 概述

伴隨著技術(shù)進(jìn)步和環(huán)境保護(hù)需求的提高，世界對(duì)傳統(tǒng)能源的需求和向新能源技術(shù)轉(zhuǎn)型的需求正在大幅度加速。鉆井作業(yè)是石油和天然氣行業(yè)最重要的環(huán)節(jié)之一。由于石油天然氣資源是一種非常穩(wěn)定的能源，所以吸引著世界各國(guó)的石油企業(yè)大范圍地進(jìn)行鉆井作業(yè)。而與鉆井活動(dòng)相關(guān)的工藝、技術(shù)和創(chuàng)新都會(huì)對(duì)鉆井作業(yè)效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生重大影響。

地下資源需要在保障安全的前提下以最具成本效益的方式進(jìn)行開采。自從埃德溫·德雷克（Edwin Drake）在泰特斯維爾發(fā)現(xiàn)第一口油井以來(lái)，旋轉(zhuǎn)鉆井已成為鉆井施工的主要技術(shù)。近年來(lái)，為了獲得安全、環(huán)保和具有成本效益的地下資源，用于勘探油氣資源的鉆探活動(dòng)取得了非常明顯的技術(shù)進(jìn)步。這些技術(shù)包括水平井鉆井技術(shù)、多分支井鉆井技術(shù)、大位移井鉆井技術(shù)、復(fù)雜路徑井鉆井技術(shù)、套管鉆井技術(shù)、自動(dòng)化鉆井和數(shù)據(jù)分析技術(shù)、容積式電機(jī)鉆井技術(shù)和激光鉆井技術(shù)[1-2]。

當(dāng)前鉆井領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)是在符合健康、安全和環(huán)境準(zhǔn)則的情況下，通過不斷提高運(yùn)營(yíng)效率來(lái)最大限度地降低成本，盡快到達(dá)更深的目的靶區(qū)。這些因素使鉆探活動(dòng)對(duì)先進(jìn)鉆井技術(shù)一直保持期望態(tài)度。技術(shù)、材料、設(shè)備、先進(jìn)工藝技術(shù)的改進(jìn)對(duì)推進(jìn)經(jīng)濟(jì)可靠的開采的地下資源和減少對(duì)環(huán)境的影響方面發(fā)揮了重要作用[3-5]。

過去的十多年中鉆井技術(shù)的發(fā)展主要集中在地面設(shè)備、鉆井工藝和井下工具等幾個(gè)領(lǐng)域。本文介紹了近年來(lái)鉆井技術(shù)取得的進(jìn)步和創(chuàng)新，這些技術(shù)和創(chuàng)新是勘探開發(fā)石油天然氣和地?zé)豳Y源的技術(shù)支撐。

2 鉆井新技術(shù)發(fā)展情況

隨著鉆井行業(yè)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，鉆井技術(shù)開始從傳統(tǒng)技術(shù)向非常規(guī)技術(shù)轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變使得通過硬件和軟件方案來(lái)解決鉆井問題成為可能。先進(jìn)的鉆井系統(tǒng)集成了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析和人工智能（AI）等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 鉆井承包商的研發(fā)情況

自動(dòng)化和工業(yè)4.0技術(shù)（如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、3D打印、大數(shù)據(jù)和云技術(shù)等）的廣泛應(yīng)用可以有效提高生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率。許多石油和天然氣公司已經(jīng)開發(fā)并應(yīng)用了其中的一些技術(shù)，開發(fā)了相應(yīng)的硬件和軟件工具，用以高效地對(duì)運(yùn)營(yíng)活動(dòng)進(jìn)行決策。

鉆井設(shè)備的自動(dòng)化對(duì)高效開發(fā)石油天然氣資源具有重要的影響。斯倫貝謝、貝克休斯等鉆井承包商已經(jīng)開始為其鉆井設(shè)備（如石油鉆井平臺(tái)）配備自主鉆井控制系統(tǒng)，用以提高鉆井效率。據(jù)美聯(lián)社報(bào)道，鉆機(jī)自動(dòng)化有助于提高安全標(biāo)準(zhǔn)、減少鉆井現(xiàn)場(chǎng)的人為失誤、降低勞動(dòng)力成本，同時(shí)還可以提高油氣開采的運(yùn)營(yíng)效率，適用于海上和陸上平臺(tái)。一個(gè)典型的例子是歐洲石油和天然氣公司推出了第一個(gè)完全自主的海上平臺(tái)，能夠在很少或沒有操作人員的情況下執(zhí)行鉆井作業(yè)。另一個(gè)例子是集成鉆井系統(tǒng)，具有代表性的是Amphio和Cyber Base鉆井系統(tǒng)，它們通過提供鉆臺(tái)和設(shè)備的交互控制系統(tǒng)，增加了對(duì)鉆井設(shè)備的控制，提高了安全性和效率，并減少了鉆機(jī)的冗余。海上鉆井平臺(tái)運(yùn)營(yíng)中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已得到大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商的重視。目前，自動(dòng)化技術(shù)已開始從海上鉆井平臺(tái)應(yīng)用轉(zhuǎn)移到陸上平臺(tái)，主要用于頁(yè)巖和煤層氣的鉆井施工。Endsley 在2000 年闡述了自動(dòng)化的概念，隨后Macpherson 等人將Endsley提出的概念應(yīng)用于鉆井領(lǐng)域，并劃分為10個(gè)自動(dòng)化級(jí)別，最新的研究目標(biāo)是無(wú)需人工干預(yù)即可鉆井的自主鉆機(jī)系統(tǒng)（自動(dòng)化級(jí)別從1 到10，其中L10 將代表自主鉆井系統(tǒng)）。

Creegan和Jeffrey將智能鉆井優(yōu)化應(yīng)用程加入到自適應(yīng)鉆機(jī)中。這項(xiàng)新技術(shù)使用人工智能（AI）算法來(lái)增強(qiáng)底層鉆井功能。該系統(tǒng)具有持續(xù)學(xué)習(xí)能力，使其能夠主動(dòng)的解決鉆井過程中存在的操作問題，同時(shí)最大限度地提高鉆速（ROP）。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是它在鉆井過程中減少了人為的干預(yù)，降低了鉆井過程中發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中，平均機(jī)械鉆速提高了61%。

定向鉆井技術(shù)發(fā)明于100多年前，是一種非常具有應(yīng)用價(jià)值的鉆井技術(shù)，可以顯著增加油井的可開采儲(chǔ)量。迄今為止，該技術(shù)仍然在持續(xù)創(chuàng)新中，通過不斷的完善來(lái)減少鉆井時(shí)間和鉆井成本。在利用3D 可視化工具的情況下，自動(dòng)化鉆頭擴(kuò)展了井下工具的功能，提高了鉆頭的性能，并減少了鉆井振動(dòng)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)（RSS）的最新進(jìn)展之一是鉆頭導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)工具（SABER），該工具可提供真正的“鉆頭”地質(zhì)導(dǎo)向。該設(shè)備可以最大限度地減少等停時(shí)間，同時(shí)最大限度地提高井下工具的可靠性和鉆井速度。哈利伯頓最新的井下工具iCruise是一種智能推送式RSS，可以提高井下工具的可操縱性和定向能力。該工具可實(shí)現(xiàn)更為精確的定向，并通過更可靠的性能和可預(yù)測(cè)的井下數(shù)據(jù)幫助司鉆和工程人員縮短鉆井施工周期。為了在鉆井作業(yè)期間實(shí)現(xiàn)決策自動(dòng)化，Motive Drilling Technologies 公司開發(fā)了一種定向鉆頭引導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在鉆井平臺(tái)上做出主動(dòng)決策。該系統(tǒng)可以在不影響井筒質(zhì)量的情況下減少鉆進(jìn)時(shí)間，提高生產(chǎn)率。鉆頭引導(dǎo)系統(tǒng)由計(jì)算方法構(gòu)建，并具有自動(dòng)決策算法。此外，Baker Hughes 的i-Trak 鉆井自動(dòng)化系統(tǒng)也具有故障診斷能力，可幫助定向工程師做出更有效的鉆井決策。

為了在深井段摩擦阻力大和有效鉆壓低的情況下完成鉆井作業(yè)（TD），NOV 開發(fā)了SelectShift 井下可調(diào)電機(jī)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速，改善井眼條件提高井眼清潔效率，最大限度地提高機(jī)械鉆速。斯倫貝謝的OptiDrill 實(shí)時(shí)鉆井智能工具也是一種創(chuàng)新性的鉆具組合優(yōu)化工具，該工具能夠收集地表和井下數(shù)據(jù)，并使用先進(jìn)的算法，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)并編寫報(bào)告。該系統(tǒng)的開發(fā)能有效夠降低施工風(fēng)險(xiǎn)，減少井下工具失效概率，提高井下鉆井效率。

井控安全也是鉆井施工領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。墨西哥灣的井噴事件進(jìn)一步印證了采取嚴(yán)格安全措施的必要性。英福思亞洲公司開發(fā)的井控自動(dòng)化系統(tǒng)可以為鉆井施工人員提供技術(shù)支持，最大程度地減少人為因素導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)能夠檢測(cè)井筒中是否存在流體涌入，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)做出關(guān)井決策。與傳統(tǒng)的人工關(guān)井相比，該技術(shù)能夠大幅度減少地層流體進(jìn)入井筒的規(guī)模。

2.2 科研機(jī)構(gòu)的研發(fā)情況

科研機(jī)構(gòu)的學(xué)術(shù)研究同樣為鉆井技術(shù)的進(jìn)步做出了重大貢獻(xiàn)，對(duì)提高鉆井效率和降低運(yùn)營(yíng)成本產(chǎn)生了巨大影響。下面重點(diǎn)介紹有關(guān)鉆頭技術(shù)、鉆井優(yōu)化、儀器儀表自動(dòng)化、油井設(shè)計(jì)、固井以及大數(shù)據(jù)的研究進(jìn)展。

Sharma等人研發(fā)了一種用來(lái)檢測(cè)和預(yù)測(cè)井下振動(dòng)情況的測(cè)試臺(tái)（粘滑模擬器）。Sharma 等人的報(bào)道稱“該裝置能夠安全的重現(xiàn)井下發(fā)生的鉆井振動(dòng)”。他們的實(shí)驗(yàn)測(cè)試臺(tái)基于機(jī)電一體化概念進(jìn)行鉆柱振動(dòng)分析，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由復(fù)雜的實(shí)時(shí)軟件完成機(jī)械和電氣組件控制。他們的研究結(jié)果表明，測(cè)量的振動(dòng)模式是各種參數(shù)的函數(shù)，如轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆頭粘附時(shí)間和頻率等。他們的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低于10Hz的采樣率無(wú)法正確識(shí)別振動(dòng)的嚴(yán)重程度。此外，該研究表明，硬件和軟件的集成可以獲得可靠結(jié)果，傳感器的質(zhì)量及其采樣率是實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的因素。

Koc 和Taleghani 提出了一種可以估算巖石樣品可鉆性的新方法，其中包括“測(cè)量凹槽的粗糙度，用以確定劃痕測(cè)試后每個(gè)巖石樣品的破壞情況”。該方法通過的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與數(shù)據(jù)解析共同完成的。Koc 和Taleghani 認(rèn)為“表面粗糙度（Rt）與劃痕表面粗糙度（ΔR）的平均變化可用于識(shí)別巖石破壞模式并確定切割過程的過渡點(diǎn)”。他們的模型首次提出并測(cè)量了“臨界切割深度”。

Thakur和Samuel建立了一種預(yù)測(cè)井下鉆井?dāng)?shù)據(jù)的新方法，該方法通過對(duì)地面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)來(lái)預(yù)防井斜，并通過提高純鉆時(shí)間和減少設(shè)備故障來(lái)提高鉆井效率。該模型可以在模擬井上進(jìn)行模擬演練，在沒有模擬井的情況下，通過地面獲得的鉆井?dāng)?shù)據(jù)也可以對(duì)井下工況井斜估算。這項(xiàng)新研究尚未在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行推廣應(yīng)用，然而，其通過模型推算出的數(shù)據(jù)誤差低于3%，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)井下數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)精度和具體井型及鉆井深度有關(guān)。該模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)70～100m的待鉆井段的鉆井參數(shù)。

Sliwa 等人進(jìn)行了一項(xiàng)新的研究，該研究通過對(duì)鉆頭直徑和鉆壓之間的關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)機(jī)械鉆速。研究結(jié)果認(rèn)為“對(duì)于每種情況，施加最大的鉆井壓力時(shí)，都會(huì)達(dá)到最高的鉆井速度，在最低的鉆井壓力下可以記錄最低機(jī)械鉆速。鉆桿中氣壓的增加會(huì)導(dǎo)致能量消耗增加，從而提高施工成本。該研究結(jié)果還給出了巖性對(duì)鉆速的影響規(guī)律。

Fang等人通過研究窄密度窗口問題解決了在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中有效控制井下壓力的問題。研究團(tuán)隊(duì)使用“可壓縮氣—流體兩相流”模型開發(fā)了井筒瞬時(shí)流動(dòng)力學(xué)模型。建立的模型能夠準(zhǔn)確描述井筒中瞬時(shí)多相流的特性。為了驗(yàn)證所建立的模型，還設(shè)計(jì)了一個(gè)包括井筒模擬器、液體循環(huán)系統(tǒng)和空氣供應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置。較高的井口回壓意味著較低的井下壓力。作者指出，“當(dāng)井筒內(nèi)的氣液兩相流達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，井下壓力會(huì)隨著鉆井液位移的增加而降低，氣體到達(dá)井口的時(shí)間會(huì)更早”。

鉆井施工不僅是鉆孔作業(yè)，油井建設(shè)的關(guān)鍵要素還有套管水泥系統(tǒng)。隨著油氣生產(chǎn)以及地?zé)岬瓤稍偕茉吹倪M(jìn)步，油井的壽命有望超過25年。因此提高套管水泥性能成為新的研究重點(diǎn)。

Kremieniewski 等研究了氧化石墨烯對(duì)水泥漿流變特性的顯著影響。研究結(jié)果表明“水泥漿中的氧化石墨烯混合物導(dǎo)致其流變參數(shù)增加”。作者得出的結(jié)論認(rèn)為0.01%～0.03%的氧化石墨烯是最優(yōu)加量，它在將流變性保持在所需水平的同時(shí)，可以改善漿料的機(jī)械參數(shù)。

Arbad等人研究了套管和水泥之間的粘合情況，并將這些性能與其他水泥漿機(jī)性能（如剪切強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度）進(jìn)行了比較。

3 結(jié)論和建議

（1）鉆井作業(yè)是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)化的過程，但可以通過使用自動(dòng)化設(shè)備和人工智能控制來(lái)解決鉆井作業(yè)的復(fù)雜性。盡管從業(yè)者已經(jīng)付出了很多努力，但與其他行業(yè)相比，鉆井操作和管理系統(tǒng)的數(shù)字化仍處于早期階段。

（2）未來(lái)能源行業(yè)將全面進(jìn)入自動(dòng)化和數(shù)字化時(shí)代，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用將改變鉆井施工的現(xiàn)狀，先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)將能夠?qū)崿F(xiàn)鉆機(jī)的完全自主化操作。

（3）本文綜述了鉆井行業(yè)的一些新技術(shù)，這些技術(shù)可以降低油井建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)提高運(yùn)營(yíng)效率和保護(hù)環(huán)境安全。隨著石油天然氣領(lǐng)域與學(xué)術(shù)界之間合作關(guān)系的不斷加強(qiáng)，更先進(jìn)的工具和技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，從而幫助解決鉆井施工面臨的相關(guān)問題。