中國石油鉆井科技攻關三十年回顧與展望(六)

郭 清, 包莉軍， 孫海芳

(1中國石油大學·北京 2中國石油川慶鉆探工程有限公司安全環保質量監督檢測研究院 3中國石油川慶鉆探公司鉆采工程技術研究院)

一、“十一五”期間(2006-2010年)

“十五”末期，我國已經成為超過日本僅次于美國的世界第二大石油消費國。保障石油供給與保證石油安全已經成為我國社會和國民經濟可持續發展的重大戰略問題，這為中國石油天然氣集團公司(以下簡稱中石油)快速發展提供了歷史機遇。國家科技部和發改委等政府部門在“十一五”期間專門設立國家層面上與油氣相關的科研計劃課題，支持相關領域和技術的研究開發工作，加大了對油氣科技進步的支持力度。國家的支持和高度重視，為“十一五”期間加快科技創新提供了十分有利的條件和難得的機遇[1]。

“十一五” 期間，鉆井專業緊密圍繞提升對勘探開發主營業務的支撐保障能力和核心競爭力兩大目標，以國家科技重大專項為龍頭，實行國家項目、公司項目一體化組織，依托勘探開發重大工程，開展國家重大專項(863、973項目)、中石油重大現場試驗、研發設計制造產業一體化、重點技術攻關、超強儲備技術、集成配套推廣、科技合作與交流七大類17個項目45個課題攻關研究，突破了地質導向、垂直鉆井等核心技術，研制成功9 000/12 000 m鉆機、連續管作業機等10項重大裝備，形成了氣體/欠平衡鉆井等30項配套技術，有力地支撐了公司水平井、欠平衡/氣體鉆井；提速、提效、提素等三大工程的實施以及油氣“增儲上產”目標的實現。

與歷屆科技發展規劃的制定不同，“十一五”總體科研計劃分兩個階段進行：“十一五”后三年科研計劃嚴格按照“十一五”科技發展規劃進行編制修改，通過梳理前兩年經驗和不足，針對后三年國內外鉆井技術發展趨勢，統籌考慮項目的延續性和資源整合，又編制了中國石油 “十一五”后三年的科研滾動計劃。

“十一五”期間，中石油工程技術服務業務板塊貫徹落實“突出重點、攻克關鍵、創新與再創新并重，務求突破和有所作為”的科技工作方針，在堅持自主創新為主的科技理念，著力突破制約鉆井業務發展的重大核心技術、關鍵技術和裝備，加大鉆井基礎理論研究，加快組織實施好鉆井重大科技專項和重大現場試驗項目的同時,積極探索“專業化、集約化、一體化”發展道路，加大專業化重組整合力度，不斷優化資源配置，突出發展特色技術，技術水平和服務能力大幅度提高，為勘探開發提供了有力保障。

2008年，中石油對工程技術服務系統進行了大規模的重組整合，形成了五家鉆探工程公司、海洋工程有限公司和集團公司直屬鉆井工程技術研究院等三家專業化服務公司的專業化管理體系。專業化重組后，初步形成了適應國際工程技術服務業務競爭的產業鏈結構，主營業務更加突出，資源得到了優化配置。

“十一五”期間，中石油原海洋公司、七建公司和工程院三家單位重組整合為中國石油集團海洋工程有限公司。新的海洋工程有限公司具備在水深1 000～2 000 m深海作業和提供國際化工程技術服務的能力擁有各類移動式鉆井作業平臺25艘。

依據 “十一五”科技規劃目標，“十一五”期間，重點進行鉆井科技創新體系建設，積極推動直屬院所、科技園區建設，優化資源配置加快科技基礎條件平臺建設，顯著提升科技創新能力。制定并落實10項科技自主創新配套政策，營造激勵自主創新的環境。加強科技管理制度建設，規范工作程序，改進科技管理模式，提升管理效率和水平。

“十一五”期間中石油科技資源實現有效整合，完成了“一個整體、兩個層次”科技創新體系的構建：在總部層面，主要從事應用基礎、超前、共性和重大關鍵技術的研究，為形成自主知識產權和提高競爭力提供理論和技術儲備。企業層面，以推廣應用新技術、解決生產技術難題為主，依靠特色和優勢，為企業生產經營提供技術支撐。整合之后中國石油擁有13家鉆井科研機構，其中總部層面3家，企業層面10家，共205個科室/中心。擁有8家主要鉆井裝備企業，其中直屬企業4家，油田企業4家，中石油12家鉆井院所員工總計3 915人，其中科研人員2 739人，工程院院士2人，集團公司高級技術專家20人。博士占6%，碩士占17%，高級工程師及以上人員占11.3%。形成了一整套鉆井技術研發服務體系和完備的科技支撐體系。

“十一五”期間中石油科技發展既面臨機遇，又面對諸多的新挑戰，主要表現在：技術創新難度越來越大，要攻克的技術中有大量的世界級難題，如復雜目標體勘探技術，特高含水油藏、特低滲透油藏、致密氣藏資源開發技術等；隨著經濟全球化和集團公司拓展海外市場，與國內外其他大型石油公司和工程技術服務公司在技術上的競爭日趨激烈；以信息技術為代表的高新技術不斷向石油領域滲透；中石油在上游領域總體處于國際先進水平，但在某些關鍵技術以及高端技術領域尚有一定差距。在隨鉆測量、復雜結構井鉆井等方面核心技術比較薄弱；高端技術與裝備大多還是依靠引進；科技資源分散、重復，煉化、鉆井科技創新能力薄弱；自主創新能力不足，關鍵技術自給率低，用于研發核心技術和自主創新的投入偏低，高層次人才缺乏；有效激勵動力不足，現有的科技創新體系有待進一步完善。

對比國內外科技發展現狀、趨勢與優劣勢分析，“十五”末期，國際能源供求形勢十分嚴峻，國際石油價格劇烈變化，世界能源市場的博弈日趨劇烈。隨著我國國民經濟持續高速發展，我國對石油和天然氣資源的需求仍在增保障我國石油供應，實現能源與環境的和諧發展，是中石油構建現代化企業和具有國際競爭力的跨國企業集團必須承擔的歷史重任。面向國際、國內兩種資源、兩個市場，最大限度地提高勘探開發成功率，大幅度提高油氣采收率，實現油氣資源高效潔凈轉化，保障石油產品和化工原材料供應，實現可持續發展，必須依靠科技進步，提升企業的核心競爭能力。準確把握世界石油科技進步的脈搏，洞察未來石油科技的發展趨勢，深人分析集團公司科技優勢與劣勢，則是揚長避短、確定優先發展領域、增強核心競爭力的關鍵。

根據中石油“十一五”計劃編制指導意見和部署安排，中石油科技管理部門組織20多家主要單位、500多名專家參加了科技發展計劃的編制工作，先后召開了50余次科技戰略研討會，歷經一年時間完成了科技發展計劃的初稿，經過多次審查和集中修改，形成了中石油“十一五”科技發展計劃[2]。

“十一五科技發展計劃”執行期間，對項目攻關目標、研究內容、技術路線、計劃進度、人員組織、經費預算等諸多因素，根據生產需求和技術發展趨勢，進行精心組織，周密部署，優化配置，統籌考慮。按照新方法研究、技術攻關、集成應用進行一體化設計，在進行新技術、新方法、新工藝、新裝備新材料創新探索的同時，依托重大工程加大現場試驗力度，成果顯著。“十一五”期間，無論從完成的鉆井工作量、經濟技術指標、鉆井技術和裝備達到的水平均超過以往任何一個時期，不少鉆井技術趕上和接近國際先進水平。

“十一五”科技計劃成果的最大特點是將欠平衡技術與提速技術和水平井技術集成配套，使得各單項技術特色在單一井上同時顯現，達到提速(鉆速、鉆井周期、完井周期)、提效(保護和及時發現儲層，防止井下復雜，提高單井產量和綜合采收率)和降低綜合成本的目的。水平井年鉆井數量迅速提升，從“十一五”初期的200口，到十一五末期突破千口(2006年完成水平井522口，2007年完成水平井806口，2008完成水平井1004口)，并實現欠平衡水平井、氣體水平井、天然氣水平井等多項指標零的突破[3]。

12 000 m特深井石油鉆機、CGDS-1近鉆頭地質導向鉆井系統是具有我國有自主知識產權的重大鉆井裝備；連續管技術與裝備研制成功撬裝式連續管排水采氣作業裝置、車載式連續油管機、連續管，實現連續管技術與裝備國產化零的突破。12 000 m鉆機、近鉆頭地質導向鉆井系統、連續油管作業機、頂驅等一批高精尖鉆井裝備的研發成功帶動了我國鉆井裝備制造水平，使我國成為世界最大的陸上鉆機、防噴器、螺桿鉆具制造承包商。“十一五”期間在四川龍崗地區全面推廣氣體鉆井，氣體鉆井總進尺3.26×104m，占該區總進尺的52.8%，平均機械鉆速達到14.82 m/h，用五分之一時間，完成了二分之一的進尺，提速效果顯著，并創造了一系列氣體鉆井國內最好紀錄。塔里木滿東2井成功完成國內最深氣體(氮氣)鉆并試驗。長慶杏平1井成功鉆成了國內陸上油田第一口7分支水平并，7個分支并眼累計水平段總進尺3 503 m，形成了一套經濟有效的水平多分支井技術與施工作業規范；準噶爾莫深1井應用9 000 m鉆機順利鉆達7 500 m完井[4]。

“十一五”期間，世界石油大會中國國家委員會、國家科技部社會發展司和中國石油學會聯合主辦，中石油科技管理部承辦了“2009中國油氣論壇-石油鉆井工程專題研討會”，并同期舉辦“石油鉆井專用裝備、工具與儀器展覽會”(2009年10月30日到31日在北京召開)。這次會議是一次高層次、高水平的論壇，殼牌公司、哈里伯頓公司等國外著名公司的知名專家，國家科技部、中國石油學會、中國石油集團公司、中國石化集團公司、中國海洋石油總公司、中國中化集團公司、中國石油大學以及有關院校和研究單位多名著名專家、學者在本次論壇上作學術報告[5]。

中石油第七次科技大會于2006年4月25日在北京舉行，總經理陳賡出席并講話，會議通過了中國石油天然氣集團公司“十一五”科技發展計劃[6]。

二、“十一五”期間石油鉆井科技規劃關鍵技術

(1)“十五”末期，勘探面臨的形勢是開發難度越來越高，關鍵技術需求：超深井鉆井技術；山前高陡構造防斜打快技術；窄密度窗口安全鉆進技術；嚴重漏失性地層堵漏技術；高研磨性地層提高鉆速。

(2)成本面臨的形勢是效益壓力越來越大，其關鍵技術需求是：水平井高效開發技術；優化井眼軌跡提高油藏鉆遇率技術；隨鉆測量技術。

(3)新領域也面臨諸多技術挑戰，關鍵技術需求是：高溫高壓深層天然氣井固井技術；端島、灘海高效開發技術；難動用儲量開采低成本鉆井技術。

(4)對自主裝備的依賴性越來越強，其關鍵技術需求是：連續管作業裝備與工具；欠平衡/氣體鉆井配套裝備地質導向；垂直鉆井系統超深、極地、液壓鉆機等先進裝備。

(6)關鍵技術項目的篩選與管理。堅持主營業務戰略驅動的科技理念，圍繞中石油發展目標，堅持繼承與發展，在“十一五”計劃下，根據勘探生產需求和技術發展趨勢，突出科技資源優化配置，統籌考慮直屬院所、企業院所和石油院校的研究方向、技術優勢和人才資源。堅持科研與生產、工程與技術的結合。突出新技術的集成與應用，按照新方法研究、技術攻關、集成應用一體化整體設計，加強對研究院所、重點實驗室前兩年研究成果的集成與轉化。

(7)依托工程。根據中石油對鉆井工程提出的要求和勘探年會的部署，重點圍繞水平井技術、欠平衡技術、鉆井整體提速三個重點工作，依托南堡、歧口、龍崗、蘇里格、三塘湖、西部復雜深井、慶深氣田、灘海稠油、海外勘探開發九大重點工程，進行系統攻關，在氣體鉆井技術、地質導向鉆井系統、大型特深井鉆機、水平井、多分支井技術、連續管技術與裝備5個方面的關鍵技術取得了重大的突破[6]。

三、“十一五”期間石油鉆井技術難點分析

1. “十一五”初期國內外同期鉆井技術發展趨勢和研究重點

1.1 國外同期鉆井技術發展趨勢

1.1.1 能源需求增長帶動鉆井工作量持續增加

“十一五”初期，隨著能源需求的增長，全球油氣勘探開發投資持續增加，全球鉆井投資增長了63.76%，到“十一五”末預計將達到3 000億美元以上。全球鉆井數量近三年年均增長3.56%，全球動用鉆機3 000臺以上(不包括中國、俄羅斯、伊拉克)，年均增長8.%，其中美國2006年動用鉆機1 648臺[7]。

1.1.2 工作量的持續增長促進了油公司與技術服務公司合作研發模式

油公司與技術服務公司合作研發模式是未來國際鉆井技術的發展的趨勢，即由傳統的建立油氣通道發展到利用鉆井手段，向利用特殊工藝鉆井技術來實現勘探開發地質目的，提高單井產量和最終采收率發展。國外利用氣體及欠平衡鉆井配套技術提高了低壓、復雜巖性、水敏性、裂縫性等儲層的油氣發現和保護水平，拓寬了勘探領域。欠平衡鉆井技術已經從液相欠平衡鉆井發展到包括氣體、霧化、泡沫、充氣等氣相、氣液兩相欠平衡鉆井。

Statistical characteristics of summer extreme rainfall over eastern China and its relation with El Nio

1.1.3 新工藝、新技術、新裝備發展迅速

國外鉆井技術主要向快、準、省、健康、安全和環保(HSE) 、保護油氣層、實時化、信息化和可視化自動化、集成化、智能化、超深水鉆井方向發展，新工藝、新 技術、新裝備發展迅速。氣體鉆井、欠平衡鉆井、套管鉆井、連續管鉆井已得到推廣應用。威德福公司的氣體鉆井、欠平衡鉆井、套管鉆井技術居世界領先地位。在連續管鉆井技術領域，斯倫貝謝公司、BJ服務公司居世界領先水平。

前沿技術包括：單直徑井鉆井完井技術、智能完井技術、微孔井鉆井完井技術、超深水鉆井完井技術、天然氣水合物鉆井完井技術。

應用技術包括：套管鉆井發展迅速，有不能更換鉆頭和可以更換鉆頭的兩種套管鉆井技術，現已成熟商業化。在開發上，氣體及欠平衡鉆井技術通過有效地保護儲層，提高了單井產量，降低了開發綜合成本。在工程方面，氣體及欠平衡鉆井解決了低壓地層漏失問題，提高了機械鉆速，減少了壓差卡鉆，縮短了鉆井周期。氣體及欠平衡鉆井技術的種種優勢使其得到快速發展；在水平井和特殊工藝井技術方面，水平井技術已成為國外常規鉆井技術，被廣泛應用于各類油氣藏，作為提高單井產量，提高采收率的重要技術手段。多分支井已發展為進一步提高油田采收率和降低噸油成本的主要技術手段。井下導向控制技術。井眼軌道導向控制技術經歷了從滑動導向向旋轉導向、從幾何導向到地質導向的發展過程。國外已推廣應用旋轉導向鉆井系統，自動垂直鉆井系統、旋轉導向與地質導向系統、井下鉆井環空隨鉆監測低風險鉆井系統已商業化。

單直徑井技術：已開始商業應用，其核心是可膨脹管，主要掌握在威德福、貝克休斯、斯倫貝謝和哈里伯頓公司手中。

井下信息隨鉆測量技術：在國外，MWD和LWD已得到推廣應用，數據傳輸方式主要是泥漿脈沖和電磁波，但數據傳輸速率一般不超過20位/s。為進一步提高井下數據傳輸速率，美國Intelliserv公司研制出了一種有纜鉆桿，即智能鉆桿，兩接頭之間的電纜通過電磁感應實現軟連接，數據傳輸速率高達5.76萬位/s。智能鉆桿已投入商業化應用。

鉆井井下風險控制技術：對于直井防斜問題，國外實現自動垂直鉆井系統的工業化應用，比較有代表性的是貝克休斯公司VertiTrak?直井鉆井系統、斯倫貝謝公司的Power-V?直井鉆井系統和德國SmartDrilling公司的ZBE5000自動垂直鉆井系統。

鉆機裝備及管材：近年來國外石油鉆機能力不斷增加，自動化配套進一步完善，井口操作大量增加自動化工具，二層臺排放機械化配套得到增強。為提高鉆機移運性降低搬家安裝費用，特斯科公司研制出了5 000 m全車裝鉆機。鋁合金鉆桿和鈦合金鉆桿這兩種輕型鉆桿因成本太高，應用有限。

概括來說，世界鉆井技術總體發展趨勢是利用鉆井手段和方法提高油氣采收率，將會在21世紀成為世界各石油公司的共識而得到普遍關注和重視。

鉆井技術發展總的趨勢是朝著實時化、信息可視化、自動化、智能化、集成化和低成本發展。

1.2 國內同期鉆井技術發展趨勢[8]

國內在鉆井能力總體效率方面，大位移井水平位移與垂深比小于2，陸上水平位移最大為3 168 m；海上水平位移與垂深比2.75，最大水平位移8 086 m。年鉆欠平衡井約占總井數的比率很小。在井下隨鉆測量與控制技術方面，已形成了擁有自主知識產權的隨鉆測量技術。在鉆井裝備與工具方面，驅動鉆機已形成規模，車裝鉆機取得重大突破，但特殊工藝井井下工具的高端產品依賴進口。鉆井裝備、工具及其自動化發展迅速，與國外差距不斷縮小。隨著鉆井完井技術、裝備與工具，尤其是自動垂直鉆井系統和井下鉆井環空隨鉆監測與分析系統的不斷完善和應用，復雜深井超深井鉆井正向快速、低成本和低風險方向發展。

欠平衡鉆井技術的發展，特別是氣體鉆井技術的發展，迅速帶動了氣體鉆井專用裝備的快速發展。

國內近些年開始研究開發旋轉導向技術和裝備、套管鉆井技術、膨脹管技術研究、海洋鉆采設備和水下系統等技術與裝備。

1.3 國內外鉆井技術現狀對比

國內外鉆井技術現狀對比見下表1，中石油與國外先進鉆井技術現狀對比見表2。

表1 國內外鉆井技術現狀對比表

1.4 集團公司主體技術與國際先進水平優劣勢對比[8]

中國石油的鉆機制造技術、水平井鉆井、氣體鉆井和欠平衡鉆井技術總體居世界先進水平，但在一批高端技術領域仍有較大差距，隨鉆測量、隨鉆測井、旋轉導向鉆井、深井鉆井、大位移鉆井、多分支井鉆井、套管鉆井、連續管鉆井、智能完井、鉆機自動化設備等與國際先進水平有5～10年的差距，深水鉆井技術的差距在15年以上。從創新角度看，集團公司有部分集成創新和引進后再創新，但原始創新較少，尚處于跟蹤模仿的狀態。

在關鍵裝備工具方面：國外鉆機在品種、規格齊全，自動化、模塊化程度高形成了多品種、多規格的系列鉆機產品，并成套出口。我國在模塊化、高自動化鉆機剛剛起步全液壓、自動化、模塊化、專業化鉆機缺乏，自動化程度低。國外在連續管鉆井裝備領域，從?25.4 mm到?114.3 mm鉆井、作業裝備與工具成熟配套小尺寸連續管作業機研制成功，建成連續管生產線；我國連續管鉆井裝備與工具剛剛起步，大管徑高鋼級連續管制管技術、大尺寸連續管作業機、連續管鉆機及配套工具缺乏。在地質導向測量方面，國外測量參數多達20多種、具有側向、前探功能研制成功近鉆頭地質導向系統，具備伽瑪、電阻率等參數測量；我國不但功能參數少、系列不全、抗溫低、而且不具備井下近鉆頭測量功能；國外旋轉多工程參數隨鉆測量導向工具各大服務公司已形成產品，進行商業服務；我國尚處于起步階段，沒有自主產品。國外包括井下振動、鉆壓、扭矩、轉速、環空壓力等多參數，測量方式多，傳輸速率高；我國目前只有泥漿脈沖，只能測量溫度和壓力，主要依賴國外服務。在窄密度窗口安全鉆井裝備方面，國外在精細控壓、微流量控制、井口連續循環系統成熟配套，并進行商業服務。我國尚處于起步階段，依賴國外服務。

表2 中石油與國外先進鉆井技術現狀對比

國外在自動垂直鉆井工具方面，品種規格齊全、性能可靠，商業服務已研制成功樣機，進入現場試驗階段；我國品種單一，可靠性需要進一步試驗驗證。氣體/欠平衡鉆井裝備設備，國外齊全配套，進行大規模工程技術服務。我國近年實現了國產化配套，部分裝置需要進口，氣密封套管閥、高壓力級別旋轉防噴器尚無工業化產品。國外在套管鉆井技術裝備配套，規模化應用，單行程套管鉆井技術進入工業化應用；我國多行程套管鉆井技術與裝備處于起步階段，多行程套管鉆井技術與裝備不配套。

國外在膨脹管鉆井體膨脹管、膨脹篩管品種規格齊全，已規實模應用;我國在單一井徑試驗成功，膨脹管補貼套管技術規模應用,膨脹管鉆井處于起步階段。膨脹管鉆井技術缺乏高效破巖裝備與工具，應對各種難鉆地層的破巖技術不足。國外在海洋鉆井技術與裝備方面，能適應3 000 m水深的海洋鉆井技術與裝備配套；我國具備水深100 m以內淺海及灘海裝備與技術，深水鉆井技術與裝備空白。

深井、超深井鉆井技術方面，美國年鉆4 500 m以上深井近1 000口，6 000 m井深單隊年鉆兩口井，4 500 m井深以上年鉆150口；我國6 000 m井深單隊年鉆一口井，復雜事故多，機械鉆速低，鉆井周期長，對付深井復雜的手段有限。在欠平衡/氣體鉆井技術方面，美國30%左右的井采用欠平衡/氣體鉆井，年鉆250口左右；我國占年鉆井數比例不足1%，對付復雜地層出水的手段欠缺。在鉆井液技術處理劑方面，美國品種多、質量穩定、環保、抗溫、抗鹽能力強；60%以上為油基泥漿常規泥漿體系齊全；我國在這一領域基本滿足生產需求，但處理劑質量不穩定，抗鹽、抗溫能力差，低毒油基鉆井液應用少，合成基鉆井液研究不夠[8]。