鉆井新技術及發展趨勢研究

余 橋

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江大慶 163413）

1 概述

伴隨著技術進步和環境保護需求的提高，世界對傳統能源的需求和向新能源技術轉型的需求正在大幅度加速。鉆井作業是石油和天然氣行業最重要的環節之一。由于石油天然氣資源是一種非常穩定的能源，所以吸引著世界各國的石油企業大范圍地進行鉆井作業。而與鉆井活動相關的工藝、技術和創新都會對鉆井作業效率、安全性和經濟性產生重大影響。

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行開采。自從埃德溫·德雷克（Edwin Drake）在泰特斯維爾發現第一口油井以來，旋轉鉆井已成為鉆井施工的主要技術。近年來，為了獲得安全、環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取得了非常明顯的技術進步。這些技術包括水平井鉆井技術、多分支井鉆井技術、大位移井鉆井技術、復雜路徑井鉆井技術、套管鉆井技術、自動化鉆井和數據分析技術、容積式電機鉆井技術和激光鉆井技術[1-2]。

當前鉆井領域的主要挑戰是在符合健康、安全和環境準則的情況下，通過不斷提高運營效率來最大限度地降低成本，盡快到達更深的目的靶區。這些因素使鉆探活動對先進鉆井技術一直保持期望態度。技術、材料、設備、先進工藝技術的改進對推進經濟可靠的開采的地下資源和減少對環境的影響方面發揮了重要作用[3-5]。

過去的十多年中鉆井技術的發展主要集中在地面設備、鉆井工藝和井下工具等幾個領域。本文介紹了近年來鉆井技術取得的進步和創新，這些技術和創新是勘探開發石油天然氣和地熱資源的技術支撐。

2 鉆井新技術發展情況

隨著鉆井行業相關技術的發展，鉆井技術開始從傳統技術向非常規技術轉變，這種轉變使得通過硬件和軟件方案來解決鉆井問題成為可能。先進的鉆井系統集成了物聯網技術、大數據分析和人工智能（AI）等關鍵技術。

2.1 鉆井承包商的研發情況

自動化和工業4.0技術（如人工智能、物聯網、3D打印、大數據和云技術等）的廣泛應用可以有效提高生產運營效率。許多石油和天然氣公司已經開發并應用了其中的一些技術，開發了相應的硬件和軟件工具，用以高效地對運營活動進行決策。

鉆井設備的自動化對高效開發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開始為其鉆井設備（如石油鉆井平臺）配備自主鉆井控制系統，用以提高鉆井效率。據美聯社報道，鉆機自動化有助于提高安全標準、減少鉆井現場的人為失誤、降低勞動力成本，同時還可以提高油氣開采的運營效率，適用于海上和陸上平臺。一個典型的例子是歐洲石油和天然氣公司推出了第一個完全自主的海上平臺，能夠在很少或沒有操作人員的情況下執行鉆井作業。另一個例子是集成鉆井系統，具有代表性的是Amphio和Cyber Base鉆井系統，它們通過提供鉆臺和設備的交互控制系統，增加了對鉆井設備的控制，提高了安全性和效率，并減少了鉆機的冗余。海上鉆井平臺運營中的物聯網技術已得到大多數運營商的重視。目前，自動化技術已開始從海上鉆井平臺應用轉移到陸上平臺，主要用于頁巖和煤層氣的鉆井施工。Endsley 在2000 年闡述了自動化的概念，隨后Macpherson 等人將Endsley提出的概念應用于鉆井領域，并劃分為10個自動化級別，最新的研究目標是無需人工干預即可鉆井的自主鉆機系統（自動化級別從1 到10，其中L10 將代表自主鉆井系統）。

Creegan和Jeffrey將智能鉆井優化應用程加入到自適應鉆機中。這項新技術使用人工智能（AI）算法來增強底層鉆井功能。該系統具有持續學習能力，使其能夠主動的解決鉆井過程中存在的操作問題，同時最大限度地提高鉆速（ROP）。該系統的優點是它在鉆井過程中減少了人為的干預，降低了鉆井過程中發生事故的風險。在現場應用過程中，平均機械鉆速提高了61%。

定向鉆井技術發明于100多年前，是一種非常具有應用價值的鉆井技術，可以顯著增加油井的可開采儲量。迄今為止，該技術仍然在持續創新中，通過不斷的完善來減少鉆井時間和鉆井成本。在利用3D 可視化工具的情況下，自動化鉆頭擴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。旋轉導向系統（RSS）的最新進展之一是鉆頭導向旋轉工具（SABER），該工具可提供真正的“鉆頭”地質導向。該設備可以最大限度地減少等停時間，同時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。該工具可實現更為精確的定向，并通過更可靠的性能和可預測的井下數據幫助司鉆和工程人員縮短鉆井施工周期。為了在鉆井作業期間實現決策自動化，Motive Drilling Technologies 公司開發了一種定向鉆頭引導系統，該系統可在鉆井平臺上做出主動決策。該系統可以在不影響井筒質量的情況下減少鉆進時間，提高生產率。鉆頭引導系統由計算方法構建，并具有自動決策算法。此外，Baker Hughes 的i-Trak 鉆井自動化系統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（TD），NOV 開發了SelectShift 井下可調電機，該系統可以實現更高的轉速，改善井眼條件提高井眼清潔效率，最大限度地提高機械鉆速。斯倫貝謝的OptiDrill 實時鉆井智能工具也是一種創新性的鉆具組合優化工具，該工具能夠收集地表和井下數據，并使用先進的算法，實現故障檢測并編寫報告。該系統的開發能有效夠降低施工風險，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域的一個關鍵環節。墨西哥灣的井噴事件進一步印證了采取嚴格安全措施的必要性。英福思亞洲公司開發的井控自動化系統可以為鉆井施工人員提供技術支持，最大程度地減少人為因素導致的風險。該系統能夠檢測井筒中是否存在流體涌入，并根據標準做出關井決策。與傳統的人工關井相比，該技術能夠大幅度減少地層流體進入井筒的規模。

2.2 科研機構的研發情況

科研機構的學術研究同樣為鉆井技術的進步做出了重大貢獻，對提高鉆井效率和降低運營成本產生了巨大影響。下面重點介紹有關鉆頭技術、鉆井優化、儀器儀表自動化、油井設計、固井以及大數據的研究進展。

Sharma等人研發了一種用來檢測和預測井下振動情況的測試臺（粘滑模擬器）。Sharma 等人的報道稱“該裝置能夠安全的重現井下發生的鉆井振動”。他們的實驗測試臺基于機電一體化概念進行鉆柱振動分析，該實驗臺由復雜的實時軟件完成機械和電氣組件控制。他們的研究結果表明，測量的振動模式是各種參數的函數，如轉速、扭矩、鉆頭粘附時間和頻率等。他們的研究結果發現，低于10Hz的采樣率無法正確識別振動的嚴重程度。此外，該研究表明，硬件和軟件的集成可以獲得可靠結果，傳感器的質量及其采樣率是實驗裝置設計中最關鍵的因素。

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“測量凹槽的粗糙度，用以確定劃痕測試后每個巖石樣品的破壞情況”。該方法通過的實驗室測試與數據解析共同完成的。Koc 和Taleghani 認為“表面粗糙度（Rt）與劃痕表面粗糙度（ΔR）的平均變化可用于識別巖石破壞模式并確定切割過程的過渡點”。他們的模型首次提出并測量了“臨界切割深度”。

Thakur和Samuel建立了一種預測井下鉆井數據的新方法，該方法通過對地面實時數據的深度學習來預防井斜，并通過提高純鉆時間和減少設備故障來提高鉆井效率。該模型可以在模擬井上進行模擬演練，在沒有模擬井的情況下，通過地面獲得的鉆井數據也可以對井下工況井斜估算。這項新研究尚未在現場進行推廣應用，然而，其通過模型推算出的數據誤差低于3%，可以實時準確預測井下數據，預測精度和具體井型及鉆井深度有關。該模型可以準確地預測70～100m的待鉆井段的鉆井參數。

Sliwa 等人進行了一項新的研究，該研究通過對鉆頭直徑和鉆壓之間的關系來預測機械鉆速。研究結果認為“對于每種情況，施加最大的鉆井壓力時，都會達到最高的鉆井速度，在最低的鉆井壓力下可以記錄最低機械鉆速。鉆桿中氣壓的增加會導致能量消耗增加，從而提高施工成本。該研究結果還給出了巖性對鉆速的影響規律。

Fang等人通過研究窄密度窗口問題解決了在復雜地質環境中有效控制井下壓力的問題。研究團隊使用“可壓縮氣—流體兩相流”模型開發了井筒瞬時流動力學模型。建立的模型能夠準確描述井筒中瞬時多相流的特性。為了驗證所建立的模型，還設計了一個包括井筒模擬器、液體循環系統和空氣供應系統的實驗裝置。較高的井口回壓意味著較低的井下壓力。作者指出，“當井筒內的氣液兩相流達到平衡狀態時，井下壓力會隨著鉆井液位移的增加而降低，氣體到達井口的時間會更早”。

鉆井施工不僅是鉆孔作業，油井建設的關鍵要素還有套管水泥系統。隨著油氣生產以及地熱等可再生能源的進步，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。

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

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性能（如剪切強度和抗壓強度）進行了比較。

3 結論和建議

（1）鉆井作業是一個高度動態化的過程，但可以通過使用自動化設備和人工智能控制來解決鉆井作業的復雜性。盡管從業者已經付出了很多努力，但與其他行業相比，鉆井操作和管理系統的數字化仍處于早期階段。

（2）未來能源行業將全面進入自動化和數字化時代，機器人技術的應用將改變鉆井施工的現狀，先進的機器人技術將能夠實現鉆機的完全自主化操作。

（3）本文綜述了鉆井行業的一些新技術，這些技術可以降低油井建設和運營成本，同時提高運營效率和保護環境安全。隨著石油天然氣領域與學術界之間合作關系的不斷加強，更先進的工具和技術將不斷涌現，從而幫助解決鉆井施工面臨的相關問題。