钻井新技术及发展趋势研究

2024-01-31余桥

西部探矿工程 2023年12期

余桥

（大庆钻探工程公司钻井二公司，黑龙江大庆 163413）

1 概述

伴随着技术进步和环境保护需求的提高，世界对传统能源的需求和向新能源技术转型的需求正在大幅度加速。钻井作业是石油和天然气行业最重要的环节之一。由于石油天然气资源是一种非常稳定的能源，所以吸引着世界各国的石油企业大范围地进行钻井作业。而与钻井活动相关的工艺、技术和创新都会对钻井作业效率、安全性和经济性产生重大影响。

地下资源需要在保障安全的前提下以最具成本效益的方式进行开采。自从埃德温·德雷克（Edwin Drake）在泰特斯维尔发现第一口油井以来，旋转钻井已成为钻井施工的主要技术。近年来，为了获得安全、环保和具有成本效益的地下资源，用于勘探油气资源的钻探活动取得了非常明显的技术进步。这些技术包括水平井钻井技术、多分支井钻井技术、大位移井钻井技术、复杂路径井钻井技术、套管钻井技术、自动化钻井和数据分析技术、容积式电机钻井技术和激光钻井技术[1-2]。

当前钻井领域的主要挑战是在符合健康、安全和环境准则的情况下，通过不断提高运营效率来最大限度地降低成本，尽快到达更深的目的靶区。这些因素使钻探活动对先进钻井技术一直保持期望态度。技术、材料、设备、先进工艺技术的改进对推进经济可靠的开采的地下资源和减少对环境的影响方面发挥了重要作用[3-5]。

过去的十多年中钻井技术的发展主要集中在地面设备、钻井工艺和井下工具等几个领域。本文介绍了近年来钻井技术取得的进步和创新，这些技术和创新是勘探开发石油天然气和地热资源的技术支撑。

2 钻井新技术发展情况

随着钻井行业相关技术的发展，钻井技术开始从传统技术向非常规技术转变，这种转变使得通过硬件和软件方案来解决钻井问题成为可能。先进的钻井系统集成了物联网技术、大数据分析和人工智能（AI）等关键技术。

2.1 钻井承包商的研发情况

自动化和工业4.0技术（如人工智能、物联网、3D打印、大数据和云技术等）的广泛应用可以有效提高生产运营效率。许多石油和天然气公司已经开发并应用了其中的一些技术，开发了相应的硬件和软件工具，用以高效地对运营活动进行决策。

钻井设备的自动化对高效开发石油天然气资源具有重要的影响。斯伦贝谢、贝克休斯等钻井承包商已经开始为其钻井设备（如石油钻井平台）配备自主钻井控制系统，用以提高钻井效率。据美联社报道，钻机自动化有助于提高安全标准、减少钻井现场的人为失误、降低劳动力成本，同时还可以提高油气开采的运营效率，适用于海上和陆上平台。一个典型的例子是欧洲石油和天然气公司推出了第一个完全自主的海上平台，能够在很少或没有操作人员的情况下执行钻井作业。另一个例子是集成钻井系统，具有代表性的是Amphio和Cyber Base钻井系统，它们通过提供钻台和设备的交互控制系统，增加了对钻井设备的控制，提高了安全性和效率，并减少了钻机的冗余。海上钻井平台运营中的物联网技术已得到大多数运营商的重视。目前，自动化技术已开始从海上钻井平台应用转移到陆上平台，主要用于页岩和煤层气的钻井施工。Endsley 在2000 年阐述了自动化的概念，随后Macpherson 等人将Endsley提出的概念应用于钻井领域，并划分为10个自动化级别，最新的研究目标是无需人工干预即可钻井的自主钻机系统（自动化级别从1 到10，其中L10 将代表自主钻井系统）。

Creegan和Jeffrey将智能钻井优化应用程加入到自适应钻机中。这项新技术使用人工智能（AI）算法来增强底层钻井功能。该系统具有持续学习能力，使其能够主动的解决钻井过程中存在的操作问题，同时最大限度地提高钻速（ROP）。该系统的优点是它在钻井过程中减少了人为的干预，降低了钻井过程中发生事故的风险。在现场应用过程中，平均机械钻速提高了61%。

定向钻井技术发明于100多年前，是一种非常具有应用价值的钻井技术，可以显著增加油井的可开采储量。迄今为止，该技术仍然在持续创新中，通过不断的完善来减少钻井时间和钻井成本。在利用3D 可视化工具的情况下，自动化钻头扩展了井下工具的功能，提高了钻头的性能，并减少了钻井振动。旋转导向系统（RSS）的最新进展之一是钻头导向旋转工具（SABER），该工具可提供真正的“钻头”地质导向。该设备可以最大限度地减少等停时间，同时最大限度地提高井下工具的可靠性和钻井速度。哈利伯顿最新的井下工具iCruise是一种智能推送式RSS，可以提高井下工具的可操纵性和定向能力。该工具可实现更为精确的定向，并通过更可靠的性能和可预测的井下数据帮助司钻和工程人员缩短钻井施工周期。为了在钻井作业期间实现决策自动化，Motive Drilling Technologies 公司开发了一种定向钻头引导系统，该系统可在钻井平台上做出主动决策。该系统可以在不影响井筒质量的情况下减少钻进时间，提高生产率。钻头引导系统由计算方法构建，并具有自动决策算法。此外，Baker Hughes 的i-Trak 钻井自动化系统也具有故障诊断能力，可帮助定向工程师做出更有效的钻井决策。

为了在深井段摩擦阻力大和有效钻压低的情况下完成钻井作业（TD），NOV 开发了SelectShift 井下可调电机，该系统可以实现更高的转速，改善井眼条件提高井眼清洁效率，最大限度地提高机械钻速。斯伦贝谢的OptiDrill 实时钻井智能工具也是一种创新性的钻具组合优化工具，该工具能够收集地表和井下数据，并使用先进的算法，实现故障检测并编写报告。该系统的开发能有效够降低施工风险，减少井下工具失效概率，提高井下钻井效率。

井控安全也是钻井施工领域的一个关键环节。墨西哥湾的井喷事件进一步印证了采取严格安全措施的必要性。英福思亚洲公司开发的井控自动化系统可以为钻井施工人员提供技术支持，最大程度地减少人为因素导致的风险。该系统能够检测井筒中是否存在流体涌入，并根据标准做出关井决策。与传统的人工关井相比，该技术能够大幅度减少地层流体进入井筒的规模。

2.2 科研机构的研发情况

科研机构的学术研究同样为钻井技术的进步做出了重大贡献，对提高钻井效率和降低运营成本产生了巨大影响。下面重点介绍有关钻头技术、钻井优化、仪器仪表自动化、油井设计、固井以及大数据的研究进展。

Sharma等人研发了一种用来检测和预测井下振动情况的测试台（粘滑模拟器）。Sharma 等人的报道称“该装置能够安全的重现井下发生的钻井振动”。他们的实验测试台基于机电一体化概念进行钻柱振动分析，该实验台由复杂的实时软件完成机械和电气组件控制。他们的研究结果表明，测量的振动模式是各种参数的函数，如转速、扭矩、钻头粘附时间和频率等。他们的研究结果发现，低于10Hz的采样率无法正确识别振动的严重程度。此外，该研究表明，硬件和软件的集成可以获得可靠结果，传感器的质量及其采样率是实验装置设计中最关键的因素。

Koc 和Taleghani 提出了一种可以估算岩石样品可钻性的新方法，其中包括“测量凹槽的粗糙度，用以确定划痕测试后每个岩石样品的破坏情况”。该方法通过的实验室测试与数据解析共同完成的。Koc 和Taleghani 认为“表面粗糙度（Rt）与划痕表面粗糙度（ΔR）的平均变化可用于识别岩石破坏模式并确定切割过程的过渡点”。他们的模型首次提出并测量了“临界切割深度”。

Thakur和Samuel建立了一种预测井下钻井数据的新方法，该方法通过对地面实时数据的深度学习来预防井斜，并通过提高纯钻时间和减少设备故障来提高钻井效率。该模型可以在模拟井上进行模拟演练，在没有模拟井的情况下，通过地面获得的钻井数据也可以对井下工况井斜估算。这项新研究尚未在现场进行推广应用，然而，其通过模型推算出的数据误差低于3%，可以实时准确预测井下数据，预测精度和具体井型及钻井深度有关。该模型可以准确地预测70～100m的待钻井段的钻井参数。

Sliwa 等人进行了一项新的研究，该研究通过对钻头直径和钻压之间的关系来预测机械钻速。研究结果认为“对于每种情况，施加最大的钻井压力时，都会达到最高的钻井速度，在最低的钻井压力下可以记录最低机械钻速。钻杆中气压的增加会导致能量消耗增加，从而提高施工成本。该研究结果还给出了岩性对钻速的影响规律。

Fang等人通过研究窄密度窗口问题解决了在复杂地质环境中有效控制井下压力的问题。研究团队使用“可压缩气—流体两相流”模型开发了井筒瞬时流动力学模型。建立的模型能够准确描述井筒中瞬时多相流的特性。为了验证所建立的模型，还设计了一个包括井筒模拟器、液体循环系统和空气供应系统的实验装置。较高的井口回压意味着较低的井下压力。作者指出，“当井筒内的气液两相流达到平衡状态时，井下压力会随着钻井液位移的增加而降低，气体到达井口的时间会更早”。

钻井施工不仅是钻孔作业，油井建设的关键要素还有套管水泥系统。随着油气生产以及地热等可再生能源的进步，油井的寿命有望超过25年。因此提高套管水泥性能成为新的研究重点。

Kremieniewski 等研究了氧化石墨烯对水泥浆流变特性的显著影响。研究结果表明“水泥浆中的氧化石墨烯混合物导致其流变参数增加”。作者得出的结论认为0.01%～0.03%的氧化石墨烯是最优加量，它在将流变性保持在所需水平的同时，可以改善浆料的机械参数。

Arbad等人研究了套管和水泥之间的粘合情况，并将这些性能与其他水泥浆机性能（如剪切强度和抗压强度）进行了比较。