跟踪调研钻井专题总报告.doc

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1、中国石化股份公司 密级：内部资料科研项目成果报告合同编号：P04069“石油勘探开发科技发展跟踪调研”项目2004-2006年总报告专题五 钻井工程技术进展中国石化石油勘探开发研究院2006年11月项目名称：石油勘探开发科技发展跟踪调研专题名称：钻井工程技术进展承担单位：中国石化石油勘探研究院德州钻井所专题负责人：刘建立报告编写人：刘建立 朱德武 马开华 闫循彪主要研究人员：刘建立 朱德武 闫循彪 李娟 柯星洁研究起止时间：2004年1月2006年12月221 / 226目 录前 言1第一章 概述2第一节 钻井技术需求分析2第二节 钻井技术发展趋势3第三节 中国石化推广应用类钻井新技术15第四

2、节 中国石化探索研究类钻井新技术21第二章 旋转导向钻井技术29第一节 旋转导向钻井技术分类及原理29第二节 国外主要旋转导向系统开发商41第三节 旋转导向技术最新进展情况44第四节 旋转导向钻井技术分析及建议60第三章 电磁随钻测量技术64第一节 电磁随钻测量技术概述64第二节 电磁通道井底遥测技术现状及发展趋势80第四章 实体膨胀管技术85第一节 膨胀管技术概述85第二节 膨胀管技术现状及动态103第五章 国外尾管悬挂系统关键技术111第一节 革命性卡瓦设计增大了悬挂能力111第二节 液压丢手保证了复杂井尾管下入112第三节 封隔装置解决了重叠段密封问题112第四节 旋转尾管提高了环空封固

3、质量114第五节 卡瓦内藏防止了意外碰损和坐挂114第六节 多功能系统提高了综合性能115第七节 多胶塞系统防止了水泥浆污染115第八节 认识与结论116第六章 气体钻井关键技术118第一节 气体钻井技术概述118第二节 气体钻井技术特点与地质适用性119第三节 中国石化气体钻井适用性分析127第四节 中国石化主要探区资源量130第五节 空气钻井经济分析132第六节 结论与建议145第七章 套管钻井技术148第一节 套管钻井技术概述148第二节 套管钻井装备150第三节 套管钻井工艺156第四节 Tesco底部钻具可回收式套管钻井系统161第五节 套管定向钻井在海上应用166第六节 认识与建议

4、175第八章 深井完井技术177第一节 完井井口装置177第二节 完井井下工具179第三节 射孔及完井测试180第四节 油、套管材及防腐183第五节 智能井完井技术187第六节 最深的多分支气井完井188第七节 特种钢在深井、高压井完井中的应用205第七节 特种钢在深井、高压井完井中的应用206第八节 使用膨胀尾管完井210第九节 认识与建议218 前 言“石油勘探开发科技发展跟踪调研”项目专题五“钻井工程技术进展”是在项目研究过程中追加的专题研究内容。根据项目组的计划安排，该专题从2004年9月开始调研工作，其主要研究内容、预期目标是：重点开展国外及国内钻井、钻井液、固井技术现状、新技术调研

5、。 掌握国内外技术发展动态，针对中石化钻井特点，提出引进或研发有关新工艺和新技术的建议。 编写年度调研报告，完成专题调研成果报告作。 开展并完成的工作有：共检索钻井技术文献摘要616篇，收集钻井技术SPE论文67篇，OTC论文58篇。对重点部分进行分析翻译。跟踪SPE、IADC会议。钻井工程方面35个，掌握会议的主题内容。调研斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯、休斯克里斯坦森公司, Hunting能源公司，德士古公司和威德福公司的钻井技术，与这些公司技术人员交流，了解这些公司的新技术。综合分析研究，编写年度份报告，调研总报告。2004年度完成的专题技术调研：l 国外旋转导向钻井技术2005年度完成的

6、专题技术调研：l 电磁随钻测量技术l 国外膨胀管技术l 国外尾管悬挂系统关键技术l 气体钻井关键技术2006年度完成的专题技术调研：l 套管钻井技术l 深井完井技术l 未来钻井技术展望第一章 概述第一节 钻井技术需求分析钻井工程是石油工业上游的三大支柱性专业，和勘探、开发同等重要。没有强有力的钻井技术作为支撑，则无法打开油气通道，勘探则达不到目的，开发则拿不到产量。随着我国油气勘探开发进程的深入，勘探难度不断加大，这样就对钻井技术提出了更高的要求。因此，勘探开发对钻井技术就有了很多新的需求，而发展钻井技术又对相应应用基础理论研究提出了要求。勘探开发“低、深、难”的特点也决定了钻井技术的特点。概

7、要分析有以下重点：（1）用钻井提高采收率据资料介绍，国外提高采收率和降低油气总成本的主要技术途径是用钻井方法，被称为“绿色技术”。如水平井、分支井、侧钻井、储层内钻井技术、欠平衡钻井等。而这些新的钻井配套技术则要求从各个环节（控制、装备、泥浆、工具、仪器、完井）上进行单项技术开发并使之配套，这就是要求围绕诸多单项技术去开展应用基础方面的理论研究。（2）提高井下控制水平钻井及井下作业普遍存在控制问题，可归结为“安全控制、质量控制及成本控制”三大类，细分有十小类二十余种。如欠平衡钻井实质上是压力控制，直井防斜实质上是轨道控制，储层内钻井实际上轨道控制中的地质导向，泥浆优劣实质上是钻井液体系与性能控

8、制。因此，研究井下控制技术的机理和方法，从而开发控制工具和仪器十分重要。（3）提高机械钻速机械钻速是影响钻井成本的关键因素，也直接关系完井周期和能否如期完成勘探开发目的。影响机械钻速的因素甚多，技术途径有多种，从理论上深入分析这些影响因素，完善各种技术途径和方法，以期提高机械钻速，降低直接成本。（4）提高钻井液质量，减少井下复杂情况实践表明，不少的井下复杂情况与钻井液体系与性能有关。因此，加强对钻井液体系与性能的控制，是减少井下复杂情况，提高钻井成功率与时效的重要途径。开展必要的应用基础理论研究，是提高钻井液质量的必需。（5）减少钻井辅助作业时间，提高钻井效率除上述有关途径外，提高钻井装备水平

9、（如配顶部驱动系统），研制钻井新装备也是必要的。（6）加强油气储层保护。（7）提高完井、固井质量。以上诸条均是应大力发展的钻井技术，也是应用基础理论研究的重要内容。钻井科技的发展状态受到两方面的影响：（1）勘探开发对钻井的需求。这种需求既是钻井科技发展的动力，又是制约。因为勘探开发对钻井的需求在不同时期是有变化的，为了满足一定时期的需求，就会推动某些钻井技术的加速发展，同时，也会存在一种不良倾向，即科技的短期功利价值有时会影响其长期应用，导致忽视应用基础理论的研究和超前技术的开发。（2）新理论和新技术引入钻井。当一种新的理论引入钻井后，就可能产生某项相应的钻井应用基础理论，取得钻井科学的突破。

10、当一种新技术引入钻井后，就可能开发出相应的钻井新装备新仪器新工具，并形成新工艺，在钻井技术上取得突破；这种新技术反过来也会推动钻井应用基础理论的发展。这种引入或结合的快慢，常常受到人们对新事物敏感性的影响。第二节 钻井技术发展趋势 一方面，随着油气勘探与开发事业的发展，必然对钻井的类型和技术内容提出新的要求并有更高的期望，从而促进钻井技术内容的不断创新；另一方面，由于钻井费用在石油工业勘探开发费用中占有50%80%的份额，所以不断提高钻井技术水平和工程效率就成为石油公司降低勘探开发成本的主要着力点。概括起来讲，油气钻井技术发展的主要目标一是满足油气勘探开发的目标需求及提高勘探开发整体效益；二是

11、提高钻井工程效率，降低钻井工程直接成本。高压高温井、深井超深井、特殊工艺井(包括定向井、水平井、大位移井、复杂结构井、丛式井、欠平衡钻井及套管钻井等)、小井眼及随钻测量(包括几何、地质及力学的测量)等，都是适应不同的油气勘探开发需求而提出来的，这既是对传统钻井工艺的挑战，也是促使钻井技术不断发展的机遇和动力。1旋转钻井仍将是油气工业最主要的钻井方法从现状和发展趋势来看，今后510年，旋转钻井仍将是油气工业最主要的钻井方法。旋转钻井又分为转盘旋转钻井、井下动力钻井及二者兼备的复合旋转钻井等不同的方式。转盘旋转钻井是整个钻柱处于旋转运动状态，同时带动钻头旋转钻进；井下动力钻井是井下动力钻具的转子带

12、动钻头旋转钻进，转盘及整个钻柱可以不旋转；复合旋转钻井则是在使用井下动力钻具的同时又开动转盘旋转钻进。研究和实践证明，每一种旋转钻井方式都具有各自不同的钻井特性和优缺点。其中，复合旋转钻井方式在一定程度上兼备转盘钻和井下动力钻的优点，既可连续控制井眼轨迹和减少起下钻次数，同时还能提高机械钻速，是一种比较高效的可控钻井方式，今后应对这种钻井方式的系统动力学特性进行深入研究与试验。2导向钻井系统在定向井和水平井中得到广泛应用在20世纪80年代，随着定向井和水平井钻井技术的发展，导向钻井系统应运而生，具有弯外壳或偏心稳定器的井下动力马达(称之为“导向马达”)替代了直杆动力马达和弯接头。将导向马达与无

13、线随钻测斜系统相结合，成功地实现了定向井和水平井钻井的几何导向。在此基础上，1989年开发成功第一代无线随钻测井系统，使定向钻井技术由几何导向发展到地质导向。为了有效地控制水平井的“切线段”和“水平段”或实现井眼轨迹的连续定向控制，在应用导向钻井系统实施井下动力滑动钻进的基础上，提出了复合旋转钻井方式。具有反向双弯 (DTU)或单弯双稳定器的螺杆钻具组合，以及带偏心稳定器的涡轮钻具组合等，均在复合旋转钻井中获得成功应用。3. 智能化及自动化钻井技术的研究与开发不断加强无论是钻何种类型的油气井，还是采用何种旋转钻井方式，都存在着钻井效率问题，这也是钻井技术研究与发展的本质所在。影响钻井效率的主要

14、问题可归结为钻进时的“间断”。目前造成“间断”的主要原因包括：接单根、更换钻头和底部钻具组合等，钻具失效，井眼失稳(漏、塌、喷、卡、阻)，纠斜作业，非随钻测量，达不到最优决策，以及多层次井身结构等。为了减少钻进“间断”，必须不断研究和提高钻井整体技术和装备水平，尤其是信息化、智能化及自动化钻井技术的研究与开发需要不断加强。在旋转钻井领域一直处于领先地位的美国为了保持其技术优势，1995年启动了一项重大的长期研究和开发计划，称为“国家先进的钻井与掘进技术”(The National Advanced Drilling & Excavation Technologies，简称NADET)。前期的基

15、础研究主要由政府率先资助，后期大规模的技术和产品研究与开发(R&D)则主要靠工矿企业投入巨额资金。通过该项研究与开发，预期在岩石破碎(高效破岩)、井眼净化(洗井)及井眼稳定等方面将有所革新(evolutionary)，在钻头、岩石和井眼的测量与评价以及定向控制等方面有所革命(revolutionary)。该项计划的核心任务是要长期致力于一种智能钻井系统(The Smart Drilling Systems)的研究与开发。智能钻井系统包括地面和井下两个组成部分。井下智能钻井系统一般由井下执行机构、测量系统及控制系统组成。在钻进过程中，井下执行机构的动作应根据控制系统的指令来完成，而控制系统所发出

16、的指令则应根据设计井的要求及实钻测量反馈信号来确定。井下智能钻井系统的未来发展必将以井下执行机构(底部钻具组合)的不断更新、测量系统的不断完善及自动化控制程度的不断提高为基本特征。井下智能钻井系统的最终发展目标是“地下钻掘机器人”，井下执行机构好比是机器人的手，控制系统好比是机器人的大脑，而测量系统则好比是机器人的眼睛和其他的感觉器官。这种地下钻掘机器人不同于一般的工业机器人，它必须能够在地下极其复杂的地质环境及非常恶劣的工况下进行有效的工作，必须能够精确探测前方和周围的地质环境及本身的状态，进而作出正确的分析和决策，并且能够自动适应所处的工作环境，沿着预定的路线或要求到达地下终极目标，胜利完

17、成人类赋予它实地探察地下资源并加以开采的神圣任务。这种地下钻掘机器人，是自动化钻井的核心，将是多种高新技术和产品的进一步研发及其微型化集成的结果，代表着未来钻井与掘进技术的发展趋势，可望在21世纪前半叶实现。4. 固井作业信息化是固井技术的重要发展方向固井技术信息化是近年来国外固井行业发展的一大特点。从最初单纯的计算机辅助模拟、优化设计，发展到计算机和多种传感器、工具结合的复杂仪器系统，固井作业信息化技术已经实现的功能包括固井作业参数实时采集、水泥石硬化过程中的膨胀性能监测、胶结测井数据处理以及库存散装水泥存储温度监测等。这些新的软、硬件系统不仅保证了固井技术的有效实施，增强了作业者对固井质量

18、和安全的控制能力，同时又有效降低了综合建井成本和风险，大大提高了油公司和服务公司的利润空间。（1）环空压力/温度实时监测系统通过实时监测注水泥后环空压力的变化，有助于建立完善可靠的防气窜预测和评价技术以及辅助评价水泥胶结质量。由于防气窜工作对固井质量的影响非常之大，故该研究潜在的技术经济效益非常明显。系统的基本工作原理如下1：固井前先在环空内不同位置安装好传感器系统，当注水泥开始后，就可以利用这些传感器监测候凝期间环空内的压力和温度变化，用于辅助判断水泥环能否提供地层和套管之间的有效封隔。早期的电子压力计主要是硅宝石传感器，目前则采用光纤位移传感器以实现信号的高效实时传递。光纤位移传感器在理论

19、上没有适用范围限制，主要取决于对传感器元件的封装制造工艺。新型的电子共振膜传感器(ERD)也为永久性的井下环空温度监测提供了可能2，其共振频率是温度的函数，可以在480(248.9)温度下连续工作。温度和压力数据通过环空内的永久电缆或光纤传到地面并经有限差分程序处理后，用于固井水泥浆性能化验和施工设计及质量评估。（2）水泥硬化和膨胀性能动态监测系统对水泥石养护釜的养护模具进行改造使其能够测量位移，就可以实现对水泥硬化和膨胀性能的动态监测，其实际实现方法类似于稠化仪的电位计。该系统主要用于实验室研究3-4。由于现有的防气窜理论和水力胶结模型均强调环空压力的影响，所以通过详细了解水泥石硬化过程中的

20、膨胀性能变化也可以较为准确的掌握实际环空压力的变化，进而预测井下发生气窜的可能性以及改进水泥浆配方设计技术和辅助评价地层封隔状况。当养护釜内温度、压力达到井下温度和压力后，对线性位移转换器(LDT)进行调零测试并假定此后LDT数据的上下漂移均为水泥石的收缩或膨胀引起，则通过对实时采集的数据进行处理即可获得水泥石膨胀和收缩信息。目前可以测量到的水泥石体积膨胀率为最大为9%14%。（3）水泥存储状况和入井状态参数动态监测水泥浆的初始温度是水泥浆性能的一个重要影响因素，该研究最初的目的是用于库存水泥状况监测，后期的改进是加装到水泥车混拌装置上用于完善固井参数实时监测系统，补充现有注水泥系统对水泥浆物

21、理性能监测的空白。影响水泥浆初始温度的因素主要有散装水泥温度、混配水温度、外加剂温度以及空气温度5-6。以往对现场施工参数的实时采集，除了压力、流量及其随时间的变化等工艺参数外，有关水泥浆的参数主要依靠施工前的试验数据测试，缺乏施工过程检测。当需要评价施工质量是否达到设计要求时，这一缺陷有时就显得很突出了。将该系统装备到水泥车混拌装置上以后，可以完善原有的固井参数实时监测系统，有利于正确评价作业质量。5. 防气窜技术是固井技术的重要研究热点防气窜技术一直是固井技术研究的热点课题。除了许多实践中发展起来的实用技术外，较成熟的防气窜理论主要有Sutton等人基于气体渗透假设建立的气窜潜能系数法和R

22、ea等人基于气体侵入假设建立的综合气窜因子法。由于环空压力在这些方法和技术中具有决定性的影响，各种基础理论、材料和工艺的研究主要针对压力变化而开展。近年来不仅在传统的气窜机理研究和材料科学领域继续保持了深化研究的良好势头，而且开展了通过固井工艺、工具和应用信息化技术解决气窜问题的研究。（1）振动固井技术振动固井技术是一种重要的防气窜实用技术，该技术最初的目的是考察由于环空流体脉动引起的水泥浆体密实性增加和强化静水压力传递对提高固井质量的影响。实验室研究已经证实振动现象可以通过水泥浆传递，在德克萨斯的Texaco 油田大量4700ft（1432.56m）的浅井中现场试验后，也证实使用振动技术的井

23、的固井质量要优于没有使用振动技术的井的固井质量7。发生振动脉冲水泥振动设备，包括空气压缩机、空气包、水箱以及连接到井口环空的管线，脉冲能量通过空气压缩机以水为介质传到环空。振动频率一般设置为60Hz，振动压力从550850KPa不等。现场试验表明振动水泥浆可以维持井下静水压力，振动能量的有效传递深度可以超过2650m。试验也表明环空压力衰减的速度小于恢复的速度：水泥浆的胶凝结构在停止脉冲振动后23min即可形成，造成环空静水压力降低，当重新提供23个脉冲振动后，环空压力即可迅速恢复。（2）水泥浆防气窜能力室内测试技术对气窜的研究虽然仍处于不断摸索和定性研究阶段，仍有许多研究者进行着气窜模拟的室

24、内研究尝试，主要是测试水泥凝固前的气体侵入水泥柱的过程、水泥浆静态胶凝强度、水泥石膨胀性能及其相互关系8。模拟装置的工作压力为2000psi(14MPa)、工作温度为350(176.7)。实现的功能包括：试验数据计算机实时采集和处理、水泥石总渗透率测定、水泥石局部渗透率测定、水泥柱体积变化测定、气体流量以及水泥浆滤液重量测量。研究依据的主要理论基础仍然是Sutton等人提出的基于气体渗透假设，即当水泥浆的胶凝强度达到500blf/100ft2(240Pa)就足以阻止环空气窜了，同时假定可以用气体流量的增加量来标志试验条件下水泥浆的防气窜能力。通过试验发现当水泥浆没有进入胶凝状态时(刚刚完成混拌

25、)，测到的是光滑、清晰的胶凝强度发展曲线；当水泥浆进入胶凝状态后，胶凝强度发展曲线开始变得越来越曲折；而当水泥凝固成水泥石后，胶凝强度发展曲线又变得光滑、清晰。对于试验所用的水泥浆，随时间延长，剪切胶结强度似乎随水泥膨胀率的增加而增加，但未发现水力胶结强度存在这种对应关系。6. 防漏失技术是实施低成本战略的重要实现手段油气井建井过程中，由于井漏以后往往诱发井喷，所以在某种意义上井漏的风险远大于井喷的风险，防漏失技术对于控制建井风险非常重要，在我国海外油气勘探开发快速发展时期，防漏失固井技术的重要现实意义更为突出。（1）硅基合成纤维水泥浆传统的纤维水泥浆体系是在水泥浆中掺入纤维类物质(例如尼龙纤

26、维和聚丙烯纤维)以增加水泥石的韧性和安定性。由于存在混拌和分散问题，容易堵塞泵送和浮力设备，因此限制了这种水泥浆的应用条件和范围，大部分情况下仅作为裸眼中打水泥塞的外掺料。新型水泥浆的硅基合成纤维9、10AFCS解决了混拌和分散问题，用它配制的防漏水泥浆的防漏效率比传统水泥浆提高约10倍。用于现场作业的纤维呈圆柱形，平均长度12.7mm，直径20m。不同于常规纤维，AFCS在水泥浆中易于分散，易于和水泥浆混合。其防漏机理是在漏失带形成坚固的纤维网，水泥浆中的固体颗粒被这些纤维网固定并建立桥塞而阻止漏失。AFCS的漏失室内实验装置是一个改进了的高温高压失水仪。水泥釜上部加装了一个活塞板以保证加压

27、气体压力全部作用在被测水泥浆试样上，水泥釜底部的滤网模拟不同的漏失类型改为各种直径规格的筛板或不同缝宽的矩形槽板(图1-1、1-2)。试验压差一般为2MPa，根据30分钟的滤液量评价水泥浆的防漏效率。图1-1 裂缝性漏失测试的矩形槽(缝长46mm，缝宽12mm)图1-2 渗透性漏失测试筛板（孔径分别为1、2、3和4mm）（2）反循环固井反循环固井技术早已有之，在俄罗斯的固井作业中经常应用，我国的长庆油田为了封固洛河水层也曾大规模应用。目前的应用井深达到了4850m11，对于我国的海外油田的高渗透、易漏失地层固井施工具有借鉴意义，这在一定程度上也表明了低成本对于油公司和服务公司的重要性。图1-3

28、 带插入短节的浮力设备实施反循环固井需要解决以下问题：对固井设计软件进行相应的改进，并改造现有的浮力设备使之适用于反循环工艺；设计特殊的封闭井口环空的设备用于泵送水泥浆；由于水泥塞技术在反循环固井时失效，需要考虑如何判断水泥浆到达预定位置以中止施工作业；充分考虑与反循环固井对钻井液性能和洗井循环的要求与正循环的区别。现在已经开发出大量的监测水泥浆进入套管的工艺，大部分都是在井底附近设置常规测井仪和示踪装置。把示踪剂加入隔离液或前置液中，一旦测井仪探到来自示踪剂的物理信号，即可结束固井作业。另一种可行的判断水泥浆是否达到井底的方法如下：将钻杆或油管下入井底并插入常规浮力设备中形成循环通道(图1-

29、3）。这种工艺对泡沫注水泥尤其有效。使水泥浆通过环空并经过井底进入钻杆或油管，当在井口观察到返出的泡沫水泥时，停止顶替并提起钻杆或油管关闭循环通道，再把钻杆或油管内的水泥浆循环出来即可完成作业。7. 固井工具、附件和外加剂技术可以解决固井疑难问题，降低作业风险图1-4 用于大斜度井平井的扶正器固井工具、附件和外加剂技术作为固井技术的重要组成部分，可以通过合理的设计和使用，极大地降低固井作业风险，提高固井质量。这方面的资料主要以专利和产品的形式出现在各服务公司提供的资料中。除了对原有产品设计的改进外，从工艺角度出现的新进展主要体现在各种工具的组合应用、特种水泥浆体系和各种工艺细节相关的工具。（1

30、）固井工具、附件由于基本固井工具经大量现场应用证明可靠性较高，为了适应复杂地质条件下的作业要求，可以很容易的将管外封隔工具与其他大型固井工具组合，实现新的功能。在封固异常高压层、漏失层以及热采井的尾管固井中，这些组合工具的适应性非常好。用于组合的管外封隔工具主要是封隔接箍，需要延长封隔段长度时也可以使用管外封隔器。坐封形式继续沿用了以往的设计，有提放式、旋转式、投球式等，根据需要，也可以设计生产各种腐蚀环境下应用的工具。固井附件设计的原则是提高复杂条件下的工程应用的适应性：按照使用条件下可能出现的最复杂情况考虑附件结构和技术指标；考虑钻井工艺和钻井液技术水平带来的使用条件差异。图1-5 紧密堆

31、积设计使水泥浆密度降至0.9g/cm3一种适用于大斜度井、水平井和尾管固井的整体式弹性螺旋扶正器设计(图1-4)，特别考虑了以下工程因素：采用优质钢材提高扶正器结构的稳定性，经过台架试验后确定采用的材质比其他合金材料具有更高的韧性；支撑翼的形状设计充分考虑了减小下入阻力的需要；翼片端部的光滑设计可以使扶正器很容易向不同方向旋转；优化流道面积，减少流动压降并诱导紊流；预制的翼片可以承载粘附卡钻时的侧向载荷；右螺旋防止粘卡(需要特别注意套管螺纹旋合可靠)。（2）水泥外加剂Schlumberger综合利用紧密堆积原理和纤维防漏理论，已经成功研制出密度0.9g/cm3的固相充填超低密度水泥浆10，在K

32、uwait使用这种水泥浆前，90%的井水泥浆漏失量为注入量的25%100%，使用这种超低密度水泥浆后，超过75%井水泥浆一次返至地面。与一般的低密度水泥固井相比，由于可实现的密度更低，将分级固井简化为一次固井，因此减少了作业时间并大大降低了作业费用。同时，有别于充气水泥对设备的特殊需求，该技术的适用性大大提高。另外，为了适应深水和冻土环境的固井作业，各大服务公司均有适用于低温的水泥浆外加剂，适用温度430。8. 深井、水平井、深水固井技术是固井综合水平的重要衡量指标由于面临的作业环境更加恶劣，深井、水平井固井水平一直是固井综合技术水平的重要衡量标志，是核心竞争力的重要构成。而由于海上油田的开发

33、，深水固井技术的特殊技术要求也使其成为固井技术水平的标志之一。这些油气井的固井水平是作业设备、工具、材料、设计等多方面技术能力的综合体现。（1）深井固井设计优化图1-6 水泥石中沿石英砂界面产生的裂缝(150倍)深井固井的安全密度窗口往往都非常小，为此必须使用计算机辅助固井设计15。与以往的优化过程有所不同，新的优化设计更强调符合现场实际工况，重点考虑的因素包括：按照现场实际情况输入钻井和钻井液数据，模拟计算实际工况下的钻井液循环当量密度，并作为固井时防止井漏的基本依据；根据以上计算结果、测井数据和设计管柱数据，进一步模拟水泥浆在偏心环空内层流时提高顶替效率的最优流速；详细计算井口压力的变化过

34、程，对比固井前循环的井口压力监测判断井下异常(例如环空堵塞、浮力设备和悬挂器故障等)；结合模拟计算结果和固井前循环的井口监测数据确定最终顶替参数及允许变化范围。（2）深井固井水泥石微观结构研究深井固井水泥中，为了防止高温强度衰退，必须加入石英砂等外掺料。含有粗石英砂(70200目)的水泥石微观结构具有明显的三相16：水泥基质、聚集体（石英砂）以及水泥基质和聚集体之间的界面过渡带(ITZ)。ITZ的范围是石英砂颗粒周围约50微米，这里的孔隙度远比大于水泥基质的孔隙度大，Ca(OH)2含量也远高于水泥基质，但CSH（水化硅酸钙）的含量却很低。含细石英砂(200235目)的水泥石微观结构与含有粗石英

35、砂的水泥石微观结构类似。高温高压环境下水泥石结构的薄弱点就在于ITZ的存在(图1-6)。高温高压和后期作业以及构造运动等产生的应力在这些薄弱点集中引起深井水泥石破坏。按照混凝土行业的普遍做法，可以通过减小或者消除ITZ而达到减少水泥石薄弱结构，提高水泥石抗压强度的目的。通过机理分析得出的研究结论是：由于细石英砂体积小，比粗石英砂形成的ITZ小，同时由于水化快，可以补充ITZ内的CSH并相对减少Ca(OH)2含量，所以在深井固井水泥浆中加入均匀分散的细石英砂可以增加ITZ的均质性，使得微观结构中的薄弱部份大大减少，从而使水泥石基质获得更高的强度。如果细石英砂在高温下水化充分，则ITZ可能完全消除

36、。在这种情况下，原来诱导产生裂缝的石英砂颗粒将转变为阻止微裂缝延伸。（3）水平井固井顶替技术虽然已经开展过了很多有关水平井段顶替效率的研究，但由于对其确切的顶替机理仍然缺乏细致了解。目前对水平井固井的研究仍集中在水平环空的顶替效率方面13。Halliburton公司在试验基础上对水平井顶替效率进行了有限元数值分析。研究假定影响水平井顶替效率的主要因素为：静态情况下钻井液的胶凝结构；压差条件下形成的钻井液滤饼；不同套管居中度时井下流体的流动特征。采用的试验装置由总长8.5ft、外径3in的内管和内径5in的外管组成。内管的居中度可以在0100%范围内调节。外管装有恒温套，用于模拟井下温度条件。为

37、了模拟地层条件，在外管上还设计了1ft长的渗透性管壁，当模拟井下条件循环钻井液时可以形成滤饼。图1-7 水平环空内钻井液清除过程通过流体流动和三维多相流数学模型模拟分析，发现水平环空顶替存在一个重要现象：环空内钻井液的清除是从套管表面(非渗透介质表面)开始，随流量增加逐步向外扩展(图1-7)。利用该三维模型还模拟了高溶解性、两相非牛顿流体在不同套管居中度和不同尺寸水平环空内的顶替情况，模拟结果与实验结果非常吻合，与以往的研究结论定性一致。图1-8 疏松砂层(底部)和浅水侵(上部)导致的固井失败（4）防水侵水泥浆应用研究深水固井面对的是一些特殊的难题，除了常见的浅层井漏和低温问题(泥线17，井底

38、10)外，较为突出的还有疏松砂岩胶结不良引起的漏失和管柱失效、浅层地下水流动引起的井眼垮塌和水侵。墨西哥湾深水固井时，60%的固井作业面临这样的问题(图1-8)：在泥线以下1800m存在异常压力水岩，压力测试表明该砂岩地层当量孔隙压力梯度达到1.081.15g/cm3，水流量达到150015000m3/d，造成井眼下部管柱挤毁和井漏以及上部井眼严重垮塌。通过对用于墨西哥湾深水固井水泥浆体系的研究19，提出水泥浆设计应在满足后勤、成本和环保前提下保证实施井控和避免井下漏失。除了一些常规的水泥浆设计原则外，特别要强调适宜的流变性和稠化时间、良好的胶凝强度发展以及提高水泥石力学性能。在墨西哥湾深水固

39、井使用了泡沫水泥和专门设计开发的颗粒粒度级配优化(PSD)系统，实现了防漏、防塌、提高顶替效率的目标，达到了防水窜和改善长期地层封隔的目的。9. 水基成膜钻井液技术能有效保护储层这种技术在理论上认为，在水基钻井液中，通过加入一到几种成膜剂，可以使钻井液体系在泥页岩等类地层井壁表面形成较高质量的膜，这样可阻止钻井液滤液进入地层，从而在保护油气层和稳定井壁方面发挥类似油基钻井液的作用。国外MI钻井液公司对页岩的膜效率进行过比较系统的研究，并取得了一些成果，比如他们研究认为，在水基钻井液中可以形成三种类型的膜：型膜（水基钻井液成膜）、型膜（封堵材料成膜）和型膜（合成基和逆乳化钻井液成膜），其中型膜的

40、膜效率最高，并认为，各种类型膜的渗透机理是完全不同的。就能形成膜的钻井液种类来讲有：合成基钻井液、硅酸盐钻井液、逆乳化钻钻井液和聚合醇类钻井液等。据报道，目前，国外CSIRO和Baroid公司已联合开发研制了具有高膜效率的新型水基钻井液，在现场使用获得较好的效果。国内中国石油勘探开发研究院等研究单位已研制出BTM-1水基钻井液成膜剂，具有良好的半透膜效能，抑制泥页岩水化膨胀、分散能力较硅酸盐、聚合物钻井液强。在吉林大情字等油田应用，取得了较好效果。10. 正电性钻井液技术抗污染抑制粘土水化分散目前常用的钻井液处理剂大多数为负电性，少数由天然的或有机高分子改性的处理剂为中性，仅有极少数处理剂为正

41、电性处理剂，所以以上处理剂配制的、我国现有的各种钻井液体系，基本上都属于阴离子体系，钻井液体系的电位小于零。如果使钻井液体系的电位大于零，这不仅有利于抑制地层粘土的水化膨胀和分散，提高钻井液的抗盐、抗污染能力，而且正电性钻井液体系的形成能解决“钻井稳定性”与“地层稳定性”及保护油气层之间的矛盾，对油气层的保护，提高原油产量具有重要意义。正电性钻井液完井液是一种水基钻井液，它主要是靠正电性的钻井液处理剂配制而成，最后使体系的电位大于零。其主要成分与普通钻井液有本质的差别，它是含有一种高分子量的阳离子聚合物和其它可以使整个体系呈正电性的阳离子化合物（如正电胶等）组成。阳离子聚合物由于其带高正电荷，

42、中和能力强，聚合物链长，架桥作用好，能以较快的速度和较强的静电作用力中和粘土矿物的负电荷，以单分子层形式单躺在粘土上，使粘土的比表面和负电荷大大下降，从而使粘土的水敏性基本丧失而起到稳定粘土的作用。而分子量小的有机阳离子化合物又能进入到粘土片的晶层间形成永久的吸附，有着更好的抑制泥页岩水化、膨胀、分散和运移的能力。正电性钻井液具有下列特点：研究和优选出了正电性的处理剂，处理剂可组成完全呈正电性的钻井液体系。正电性钻井液具有良好的流变性，具有很好的抗温、抗盐、抗土污染的能力；具有较强的页岩抑制性，页岩回收率大于90%，能有效的防止井壁坍塌、掉块等井壁失稳现象的发生；其动切力YP值较稳定，表明其携

43、岩携砂能力强，能有效的防止岩屑下沉、卡钻而影响井下作业；具有强的渗透率恢复值和页岩回收率，油气层保护效果好。11. 纳米处理剂基础上的钻井液技术应用前景广阔 通常将纳米尺寸范围定义为1100nm,处于团簇（尺寸小于1nm的原子聚集体）和亚微米级体系之间，其中纳米微粒是该体系的典型代表。由于纳米微粒尺寸小、比表面积大，表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增大，表现出四大效应：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点，从而使纳米粒子出现了许多不同于常规粒子的新奇特性，展示了广阔的应用前景。在以往国内外同行对钻井液技术的研究中，均着眼于如何改变钻井液体系中组份的物理化学性质

44、来达到目的，有目的地从纳米技术的角度来对钻井液技术进行研究，国内外这方面的工作做的还很少。第三节 中国石化推广应用类钻井新技术面向21世纪，老油田提高采收率及低压低渗和稠油储层的高效开发，特别需要研究和开发先进适用的特殊工艺钻井技术；高压高温油气藏，特别是高压高温天然气藏的钻探与开发，急需突破高压高温钻井的技术障碍；深部油气资源的钻探与开发，需要进一步研究和发展深井、超深井钻井技术，特别是在深探井的钻井效率上应加大科研与开发力度。1. 高压高温钻井技术 按国际通用概念，地温超过150称高温，地层压力当量密度超过1.8g/m3或须用超过70MPa的井口装置时称高压，两者同时具备的井称作高压高温(

45、HPHT)井。井底温度超过220，井底压力超过105MPa，称作超高压高温井。天然气层的温度较油层的高，地温梯度一般在35/100m，5000m的井地温就可能达到150250 ，故天然气井，特别是深层天然气井大都是高压高温井。高压高温井，特别是高压高温深探井，是钻井工程中难度最大、风险最高、工程费用也最高的一种苛刻井。例如北海中央地堑的一口5000m探井，钻井费用近2000万美元，开发井也不低于1200万美元；南海崖城211构造的3口探井，前两口井未钻达设计目的层，经济损失较大。高压高温钻井技术是勘探开发高压高温油气藏的关键技术，也是代表21世纪钻井技术发展水平的重要标志之一。2. 深井、超深

46、井钻井技术 目前，世界上有30多个国家具备打超深井钻井的能力，其中以美国的技术系统最为全面、先进，以俄罗斯和德国深井钻井技术系统最为复杂、适用。近年来，我国在西部塔里木等地区进行了多口深井超深井的钻探尝试，如科钻1井、库1井、中4井等，其中塔深1井井深8408m，是目前我国最深井，取得了较好的经济与科技效益，但距世界12869m的最深井还有不小的距离。因此，无论是从国家的战略安全方面，还是从我国的能源接替和钻探技术的发展方面，加快深井超深井的发展步伐，都已迫在眉睫。从具体的超深井钻井实践看，深井超深井要深入地层深处，将承受地壳内部的各种环境。主要是在钻探过程中经常遇到超高温度（如胜科1井预计地

47、温高达240260）、超高地层压力（南方海相地层压力系数高达2.7）、压力系统复杂、井眼失稳、储层伤害等复杂问题；沉积盆地经过多次板块构造碰撞、大型多旋回迭加、多期构造运动改造的复合型盆地形成的巨厚泥页岩、巨厚盐膏层易发生蠕动变形等，都严重威胁钻井作业安全；钻遇高压低渗地层和海相碳酸盐岩裂缝性地层，采用常规理论和方法很难精确预测地层压力；深部地层（如灰岩、白云岩等）的可钻性差，机械破岩效率低；在山前构造带遭遇高地应力和高陡构造等复杂地层，易造成井眼偏斜和井壁失稳；经常要面临长裸眼复杂压力系统钻井固井技术等难题，使井下复杂情况与事故频繁，建井周期长，工程费用高。在论及我国面临的超深井钻井技术难题时，中国石化石油勘探开发研究院教授级高级工程师曾义金指出，不管是宏观还是微观方面，我们现在最主要的问题是，一没有完全掌握深部地层的环境，二没有能够承受地下深层高温高压的精密测量仪器，三是没有能够承受地下深层高温高压环境的钻井工具设备及钻井液。只要这几个问题解决了，那么超深井钻井技术就会迅速得到发展。超深井钻井技术的发展目标是“提高钻速，缩短