科學(xué)化與自動(dòng)化鉆井技術(shù)

20世紀(jì)50年代初，石油鉆井技術(shù)由經(jīng)驗(yàn)鉆井步入科學(xué)化鉆井時(shí)期。20世紀(jì)50年代初～20世紀(jì)80年代初為科學(xué)化鉆井前期階段，發(fā)展了噴射鉆井技術(shù)、優(yōu)選參數(shù)鉆井技術(shù)、叢式井鉆井技術(shù)及高效鉆頭技術(shù)，這些技術(shù)多為單項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。20世紀(jì)80年代中至今為科學(xué)化鉆井后期階段，這一階段的主要特征是以鉆井信息化、智能化為特點(diǎn)向自動(dòng)化鉆井邁進(jìn)。發(fā)展了井下信息實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)，如隨鉆測(cè)量（MWD）、隨鉆測(cè)井（LWD）、隨鉆地震(SWD)、隨鉆地層評(píng)價(jià)(FEMWD)和鉆井動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量，使鉆井過程中井下地質(zhì)參數(shù)、鉆井參數(shù)和井眼參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量、傳輸、分析和控制。開發(fā)了井下導(dǎo)向和井下閉環(huán)鉆井系統(tǒng)。發(fā)展了有利于發(fā)現(xiàn)新油氣層和提高油田采收率新鉆井技術(shù)和方法，如欠平衡壓力鉆井、水平井鉆井、多分支井鉆井及連續(xù)油管鉆井等。

20世紀(jì)80年代中期，第1次在鉆定向井中使用可以隨鉆測(cè)井深、井斜、方位及輔助參數(shù)如溫度等的MWD。80年代末,三參數(shù)組合隨鉆測(cè)井儀(LWD)問世，可以測(cè)量除包括MWD的測(cè)量參數(shù)外，還有地質(zhì)參數(shù)（隨鉆電阻率、隨鉆伽馬、隨鉆密度、隨鉆孔隙度等),可以實(shí)時(shí)向地面?zhèn)鬏敽途聝x器芯片內(nèi)儲(chǔ)存。為鉆井?dāng)?shù)據(jù)自動(dòng)采集，實(shí)現(xiàn)信息化和智能化鉆井奠定了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)90年代形成了幾種先進(jìn)鉆井技術(shù)，隨鉆地震(SWD)是結(jié)合地面地震、井筒內(nèi)垂直地震和鉆井工程發(fā)展起來的一項(xiàng)學(xué)科交叉的新技術(shù),可以估算出鉆頭前方待鉆地層特性參數(shù)和井身參數(shù)值，為井眼軌跡實(shí)時(shí)控制提供地質(zhì)導(dǎo)向依據(jù)，并且可以盡早修正地震剖面。隨著MWD和LWD的發(fā)展日趨精益,形成了新的隨鉆地層評(píng)價(jià)測(cè)試技術(shù)(FEMWD)，不僅可以測(cè)量地層巖石特性，還可以測(cè)試地層流體特性。近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向的關(guān)鍵是隨儀器短節(jié)越來越短，并緊靠鉆頭，即時(shí)分辨所鉆巖石層位邊界,可以控制鉆頭在1～3 m的薄儲(chǔ)層里鉆進(jìn)。

90年代后期在MWD、LWD和SWD技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種前沿技術(shù)即地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)(GST)，是使用隨鉆定向測(cè)量數(shù)據(jù)和隨鉆地質(zhì)評(píng)價(jià)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)以人機(jī)對(duì)話方式來控制井眼軌跡的鉆井技術(shù)，可始終精確地控制井下鉆具位于產(chǎn)層。導(dǎo)向工具分滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)向工具2種。滑動(dòng)式導(dǎo)向工具的特點(diǎn)是作業(yè)時(shí)鉆柱不旋轉(zhuǎn)，鉆柱沿井壁軸向滑動(dòng)，可改變井眼的井斜角和方位角，能連續(xù)控制井眼軌跡的方向。這種導(dǎo)向方法目前仍占主導(dǎo)地位。其導(dǎo)向工具主要有彎殼體馬達(dá)(含單彎、同向雙彎、異向雙彎導(dǎo)向馬達(dá))或彎接頭與導(dǎo)向動(dòng)力鉆具組合。滑動(dòng)式導(dǎo)向方法存在的主要缺點(diǎn)有摩阻大、井眼清潔難題。旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)向工具導(dǎo)向時(shí)鉆柱連續(xù)旋轉(zhuǎn)，鉆柱軸向摩阻和井眼清潔問題得到改善，井眼軌跡更為光滑，控制軌跡的強(qiáng)度和精度都大為提高。開發(fā)出鉆井動(dòng)態(tài)檢測(cè)、高速數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及處理應(yīng)用系統(tǒng)(DDS)，實(shí)現(xiàn)了鉆井動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)在井下采集和診斷，有效地對(duì)井下鉆具的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制。這些技術(shù)為科學(xué)化閉環(huán)鉆井的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持。

閉環(huán)鉆井（自動(dòng)化鉆井）技術(shù)的發(fā)展分4個(gè)階段。井下開環(huán)鉆井階段，井下未使用MWD和LWD等隨鉆測(cè)量工具，只有一般的井下測(cè)量工具。井下半閉環(huán)鉆井階段，井下使用地面可控制的造斜工具(如可變徑穩(wěn)定器、可調(diào)彎接頭、可變彎角井下動(dòng)力鉆具、可伸縮偏心墊塊)，并采用較先進(jìn)的井下測(cè)量工具(如MWD、LWD等)。井下閉環(huán)鉆井階段：指井身軌跡控制完全離開人的干預(yù)，用先進(jìn)的隨鉆測(cè)量(MWD、LWD、SWD、GST等)和井下可調(diào)工具，用微電腦（中心電腦放在地面或井下兩種）進(jìn)行井下信息測(cè)量、傳輸、處理及控制，指令的產(chǎn)生和執(zhí)行完全自動(dòng)進(jìn)行。全閉環(huán)鉆井階段：這是鉆井技術(shù)發(fā)展的最高階段，即井下和地面的鉆井裝備全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。要實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)鉆井，還需要大量的創(chuàng)新實(shí)踐和市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。