纵观近年来全球钻井技术发展动向，钻井正经历着深刻的变化。极端环境资源勘探开发正成为热点和焦点，信息技术、材料技术、通讯技术的飞速发展为克服人类极限挑战提供了种种可能，井下工具市场的进步速度已远超地质年代的变化速度，钻井的远程控制、自动化作业、工厂化作业使得人类越来越有勇气将足迹踏入到过去似乎不可触及的区域。

 

    这是个机遇与挑战并存的时代，驱动钻井技术不断创新和发展，而钻井技术创新的回报反过来再进一步驱动技术进步和创新。

1 油气工程技术发展现状

 

    全球石油工业的发展表明：工程技术的每一次革命，都伴随着全球油气产量和储采比一个大的飞跃。尤其是近年来旋转导向、水平井多级压裂等工程技术进步，引领了全球第四次石油技术革命，正在改变世界能源格局。

 

    近年来中国石油天然气集团公司(以下简称中石油)油气工程技术与装备的快速发展，尤其是水平井钻完井及多段压裂增产改造技术的突破，有力地支撑了油气勘探开发业务，已经发展成为寻找油气藏、高效开发油气田最有效的手段，对增储上产和提高单井产量发挥了重要作用，随着油气资源品质劣质化、油气目标复杂化等问题的不断加深，尤其是随着勘探开发逐步转向深层、海洋、非常规油气藏等领域，工程技术与装备面临着新的挑战。

 

1 .1钻井基本情况

    近年来全球全球钻井工程量维持增加，2012年全球钻井数超过11万口。目前中国的钻井规模已经稳居世界第二。仅中石油的钻井工程量2007年就已经超越加拿大和俄罗斯。

 

    值得指出的是，目前美国水平井钻井工作量已经超过直井钻井量。随着页岩气的大规模开发，美国水平井钻井数快速增长，2012年增至17721口，占当年美国钻井总数的36．7％。预计2013年美国水平井钻井数将接近20000口。当前美国新钻的水平井大部分用于开发页岩气、致密油、致密气等非常规资源。2011年仅Barnett页岩气产区就钻水平井近10000口。有些公司和部分地区新钻的页岩气井几乎全是水平井。同样随着页岩气的大规模开发，美国水平井链井进尺数快速增长。2012年增至6980×10⁴m，占当年美国钻井总进尺的60％。美国用于钻水平井的在用旋转钻机数快速增加，从2000年的55台增至2012年的1151台，占比从2000年的6％增至2012年的60％。随着技术的进步，水平井钻井效率还将持续提升，钻井周期、建井周期有望进一步缩短，单位进尺钻井成本有望进一步降低，同时推动其他井钻井效率的提升。

 

   近年来随着勘探开发工作量的持续增加，钻井工作量呈现大幅度上升趋势。仅中石油年钻井数就已突破20000口，进尺突破4000×10⁴m。工作量的增加确保了中国油气探明储量和产量的持续提高。

 

    近年来中石油加大水平井推广应用力度，尤其是随着水平井裸眼封隔器、水力喷射、滑套封隔器等多段压裂技术及清洁压裂液、低浓度胍胶压裂液的突破，水平井已经由常规油气、稠油油藏逐步向致密砂岩油气、低渗透油气、页岩油气方向发展。2012年全年完成1 351口水平井(国内)，创历史新高，规模效益得以体现。2013年将突破2 000口。

 

    近年来中石油加大欠平衡、气体钻井、控压钻井技术推广应用力度，在油气及时发现、储层保护以及钻井提速方面均取得了显著效果。2012年完成502口欠平衡井。欠平衡钻井的实施在吉林长岭气田、塔里木迪西致密气、新疆火山岩、四川须家河组气藏、渤海湾古潜山等一批油气发现中发挥了关键作用。吉林长深1井采用水包油钻井液进行欠平衡钻井：采用9.52mm油嘴中途测试，天然气日产量46×10⁴m³，及时发现了吉林长岭气田。塔里木盆地迪西1井应用氮气钻井技术在上部井段取得日产59×10⁴m³天然气、69 m3凝析油，在下部井段取得日产油23 m³、天然气21．7×10⁴m³的重大突破。实现了塔里木油田库车坳陷依奇克里克致密砂岩勘探的重大发现。

 

    深井是一个国家/公司钻井实力的集中体现。美国是深层钻探较多的国家之一，2011年完成4500 m以上深井3086口，占总钻井数的6．8％。近年来，中石油通过自“八五”开始的持续攻关，深井、超深井技术发展迅速，创造了一批深井纪录，深井超深井数量快速增长，支撑了塔里木、川渝大气田的建设。2012年完成4000 m以上深井643口，完成6 000m以上超深井近100口。同时随着钻井装备和配套工艺技术的不断进步，钻深能力逐步提高。2011年完成的克深7井，完钻深度达到8 023 m，为目前中石油最深井。

 

    中石油拥有各类钻机1019台，其中陆地钻机1009台，海洋钻井平台10座，成为全球陆地最大的钻井承包商之一。

 

   与此同时，“十一五”期间，中石油加快科技创新力度，钻井专利呈现快速增长势头。累计申请国家发明专利244项．实用新型专利615项。

 

1．2 工程技术近年来重大标准性成果

    近年来通过持续攻关，自主研制了万米钻机、顶驱、近钻头地质导向、欠平衡/气体钻井/控压钻井、连续管作业机、21 MPa/35 MPa带压作业机等核心装备，发展完善了以水平井、欠平衡、钻井提速、储层改造、带压作业为核心的成套技术有力地支撑了公司水平井、欠平衡、钻井提速、水平井分段压裂等重点工程的实施，加快了“大庆稳产”“长庆上产”“新疆大庆”“海外大庆”和川渝天然气基地建设进程，实现了钻井持续提速提效，显著提升了勘探开发综合效益。

 

1．2．1 深井钻机及配套设备

    为提升深层、超深层油气钻探能力，成功研制了8000 m／9 000m/12 000m钻机，使中国成为继美国之后第二个拥有万米级交流变频钻探装备的国家。配套形成9 000kN顶部驱动钻井装置和6000HP(1 HP=0．7457 kw)绞车及盘式刹车，2 200HP钻井泵及高压管汇系统能在34 MPa高泵压工作条件下无故障运行300 h以上，满足深井、超深井高压喷射钻井要求。提升了我国高端装备设计、研发、制造能力，使我国成为全球最大的钻机制造国家和第2大顶驱制造商。

 

1．2．2连续管技术与装备

 

    为降低工程作业费用，提高井下作业效率，中石油钻井院成功研制出CT38、LG 360／60T连续管作业机，克服大管径、高强度、连续管穿注入头等难题，在液压控制、夹紧方式、井口防喷系统和链条同步等方面取得突破。技术性能达到国外同类产品先进水平。在宝鸡钢管厂建成国内首条连续管生产线，已生产直径31．75～88．9 mm连续管近10×10⁴m，满足了国内连续管技术快速发展对各种柔性管的需求。目前连续管技术的应用儿乎涵盖了所有油气井作业范围。直径60．3 mm连续管最大下井深度达4500m，在辽河、四川、大港、冀东等油气田应用，整机操作可靠、运行平稳，显著提高了作业效率和单井产量。

 

1．2．3近钻头地质导向系统

    针对近年来水平井数量不断增多的问题，研发了具有自主知识产权的随钻测量、随钻测井和近钻头地质导向技术，实现了大多数水平井都能够采用国产仪器实现轨迹的测量与控制，并且在海外水平井中发挥了重要作用。

 

    适合于薄油层水平井轨道控制的CGDS一1近钻头地质导向系统，打破了国外垄断，使我国成为继美、法之后第3个掌握该项技术的国家，目前已出口到加拿大等国。该技术在大庆、吉林、冀东、辽河、四川、江汉等油气田累计施工100余井次，最薄油层厚度只有0．4m，显著提高了储层钻遇率。

 

1．2．4 控制压力钻井系统

　为解决塔里木盆地塔中等地区窄压力窗口安全钻井难题，中石油成功研制了精细控压钻井系统，包括地面压力控制装置和井下压力随钻测量工具，填补了国内空白，达到了国外同类技术的先进水平。井底压力控制精度±0．35 MPa，可进行近平衡、欠平衡精细控压钻井作业，适用于各种钻井工况。目前已在塔中、川渝、冀东、华北等油气田开展现场试验与工业应用20余井次，实施了井底压力精细控制，系统性能稳定，有效解决了“溢漏共存”钻井难题，取得显著效果，创造了塔中水平井多项纪录。

 

1．2．5 自动垂直钻井系统

    针对塔里木盆地库车山前、玉门、青海、川东北、准噶尔盆地南缘等山前高陡卡句造和逆掩推覆体地层的易斜难题，突破了动力防斜技术，渤海钻探成功研发出VDT5000自动垂直钻井系统。主要性能指标达到国际同类产品先进水平，VDT5000成功应用几十口井，单趟最高进尺达1527．8 m，井斜角小于0．5°，机械钻速提高70％以上，已成为塔里木盆地库车山前构造防斜打快的主体技术。对于提高西部地区易斜地层钻速、避免套管损害发挥了重要作用。

 

1．2．6煤层气水平井远距离穿针装备

    为克服煤层气水平井与洞穴直井精确引导连通难题，研制了具有超近距离引导、井斜测量和空间立体制导功能的远距离穿针装备DRMTS-I，打破国外垄断，达到国外同类技术先进水平。探测能力达到70m，实现了5 m以内仍能探测、测量误差小于5%的良好性能。在山西沁水、内蒙古鄂尔多斯等煤层气区块现场应用21井次，一次连通作业成功率100％，为煤层气高效开发提供了工具支持。

 

1．2．7 无线电磁波随钻测量系统

    自主研制的DREMWD无线电磁波随钻测量系统现场试验成功，数据传输速率3．5 bit／s(井深2876m处)和11 bit／s(井深982 m处)发电机易损件使用寿命达到200h，数数据刷新间隔15s，累计完成现场试验近10井次。2011年在HN1O—D3煤层气水平井现场定向服务，井下累计随钻时间67 h，随钻进尺320m，定向过程中电磁波信号连续无间断传输，定向钻进时动态数据：井斜角跳动小于0．3°、方位角跳动小于0．5°、工具面角跳动小于2°。2012年郑4平一8H井试验中，一趟钻完成1个主支和2个分支的全水平段导向作业，连续工作112 h，总进尺1491 m。

 

1．2．8 BWR无线随钻测井系统

    随钻电磁波电阻率测井仪运用自适应发射功率调整技术，提高了不同探测深度的电阻率测量精度，测量范围扩大了1．5倍，利用局部时间摄动解码技术，脉冲信号解码率提高30％，实现了实时测取、跟踪油层边界，达到了国际先进水平。通过现场试验，该仪器的测量精度、探测深度、传输速度、存储量与信号识别率等性能指标均优于国际同类仪器。该技术能探测储层边界，实现了超薄层水平井地质导向钻井。

 

1．2．9 顶驱下套管装置

    在北石顶驱基础上，自主研制了XTGl78顶驱下套管装置，该装置是基于顶驱、用于油气钻井下套管作业的机电液一体化装置，为深井、大位移水平井以及复杂井的下套管作业增添了新的装备利器。

 

1．2．10 膨胀式尾管悬挂器

    自主研制的膨胀式尾管悬挂器在哈萨克斯坦成功应用，目前已成功完成几十口井的现场施工，工艺成功率达到100%，有效封隔了水层。该产品具有如下特点：环空金属密封，密封压力高，不受温度影响；悬挂力大，悬挂器通径大；在下放和固井时可以实现旋转。

 

1．2．11 胺基钻井液体系

    为有效抑制水敏性泥岩水化膨胀，降低软泥岩对钻柱和钻头的粘附作用，防止井壁垮塌，研发了胺基钻井液抑制剂。胺基抑制剂能被黏土优先吸附，固定黏土片层问距，降低黏土水化膨胀，具有良好抑制效果。在华北、新疆、乍得等油气田成功应用，钻井液性能稳定，维护方便，便于操作，未出现井下复杂，节约了钻井成本，保证了井下安全。

 

1．2．12 高温大温差固井技术

    针对高温井固井难题开展技术攻关，突破了降失水剂、缓凝剂抗高温和常规高温水泥浆超缓凝等技术难题，研制出高温大温差固井水泥浆配方体系。现场应用表明，该技术能够克服井深、封固段长、地层压力系数低、易发生漏失、注水泥量大等固井难题。

 

1．2．13 分支井/鱼骨分支井技术

    针对我国大部分油气田具有多层、薄层等特点，研制了分支水平井完井装置和鱼刺水平井钻完井工艺，实现了“一井多层、一层多眼”，解决了主井眼与分支井眼的可靠连通、硬地层悬空侧钻技术难题。

 

    针对非均质性强、多断块等开发难题，研发膨胀管定位技术、可回收斜向器技术、开窗技术、分支井固井技术、尾管重叠段与斜向器套铣回收技术等分支井完井配套技术与工具，形成了TAML1—4级分支井钻完井系统，在松辽盆地、四川盆地以及伊朗等海外区块油气勘探开发中发挥了重要作用。

 

1．2．14 滩海大位移井钻井完井技术

    针对滩海地区油气资源高效开发难题，研发了大型人工岛密集丛式井和大位移井钻井完井配套技术，为环渤海湾地区冀东油田和大港油田的高效开发，实现“海油陆采”，发挥了重要作用。最大水平位移突破5 000 m，最大水垂比(水平位移与垂直深度比)接近4，为更大位移水平井的实施积累了经验。

 

1．2．15 欠平衡钻井技术

    为提高储层发现和保护水平，解决低压漏失层钻井问题，突破井下套管阀、“冻胶阀”、带压起下钻、微泡钻井液、欠平衡水平井等关键技术，研发了全套欠平衡钻井装备，形成适用不同油气藏类型和储层特征的欠平衡钻井系列，实现由单一的液体欠平衡到多种循环介质的欠平衡和全过程欠平衡，为中石油年实施600口欠平衡井创造了条件。

 

1.2.6 气体钻井技术

    针对低压易漏及高研磨性地层，研制了气体钻井专用空压机、增压机及空气锤等配套装备与工具。实现了气体钻井技术装备的国产化配套，形成纯气体、雾化、泡沫和充气钻井系列配套技术，整体达到国际先进水平。在川渝地区、松辽深层及火成岩、塔里木山前砾石层和玉门逆掩推覆体等地层应用近200口井，平均钻术提高4～15倍，为四川龙岗、松辽深层、塔里木大北等地区的油气田高效开发发挥了重要支撑作用。

 

1.2.17水平井钻完井与压裂改造一体化技术

    水平井技术是提高储量动用程度和采收率、提高单井产量的主要手段。中石油自主研发了MWD/LWD、EM-MWD、近钻头地质导向等水平井导向工具，形成了超浅(垂直深度126 m)、超深(大于7000m）、SAGD、盐下、侧钻等系列水平井特色技术以及以水力喷砂分段压裂、裸眼封隔器分段压裂为主的增产技术。应用规模逐年扩大(年钻2000口)，水平段延伸能力显著增强(水平段最长达3056m)，水平井周期不断缩短。长庆苏里格气田在水平段长度增加近60%的情况下，钻井周期缩短68．5％，平均单井产量提高3～5倍。

 

1．2．18 带压作业技术

    带压作业实现规模化应用，年作业突破3000口。中低压油水井作业装备、工具、工艺成熟配套，高压油水井、低压气井带压作业已基本配套。范围从以注水井为主，扩大到油井、低压气井及注聚合物井。作业效率提高40％，年减少污水排放200×10⁴m³。以上。

 

2 工程技术发展面临的挑战

 

    当前油气勘探开发面对资源品质劣质化、油气目标复杂化、安全环保严格化等严峻挑战。全球油气勘探开发趋势正从常规油气藏向低渗透、非常规油气藏发展，从陆地向海洋发展，从浅层向深层、超深层发展。面对勘探开发新形势，工程技术遇到了新的难题和挑战。

 

    对比分析表明，中石油钻完井技术与国外有一定差距。主要表现在自动化钻机、海洋钻完井装备、旋转导向系统、抗高温随钻测量仪器、抗高温螺杆、高效钻头、高温高密度油基钻井液等方面。

 

    井下作业、储层改造技术与国外差距较大，主要在高压气井带压作业装备、低成本高效压裂液、无限制选择性压裂工具等方面差距明显。

 

    工程技术长期走跟踪模仿国外先进技术的路线，与国外的先进技术始终存在一定的差距，核心关键硬件依赖进口的格局始终制约着服务保障能力和核心竞争力的提升，尤其在深层、海洋、非常规等领域的关键装备、工具、液体、软件等差距，影响工程技术发展的质量。

 

    深井超深井钻井面临的挑战主要表现在：深度增加凸显钻机低效；深部高研磨性地层破岩效率低、钻速慢；高温高压对管柱、井下工具、仪器的损坏严重；高压地层对井控安全带来挑战；传统的随钻测量系统的信道受到制约；深层井壁失稳问题突出，超深层岩石赋存状态遵循规律不同于常规地层。常规井壁稳定理论不再适用；多层井身结构应用问题等。

 

    海洋钻井面临的挑战主要表现在：水深带来的挑战：浅层水、气流带来的挑战：风浪流带来的挑战；海底低温带来的挑战；天然气水合物带来的挑战；高温高压带来的挑战；深水井控难度大；低漏失压力；钻井船、水下防喷器、机器人、隔水导管等装备与技术储备不足；滩浅海大位移水平井位移延伸能力不够；海水基钻井液、固井液不成熟；北极超低温、多浮冰带来的挑战等。

 

    非常规油气钻井面临的挑战主要表现在：工厂化作业配套装备欠缺；旋转导向系统尚不成熟，不能满足长水平段快速钻井要求；破岩效率低、钻井周期长、成本高；大功率压裂设备和高效压裂技术不成熟；井眼稳定问题突出；井筒完整性存在隐患；流体回收、处理技术与装备不完善等。

 

3 工程技术发展趋势与工作建议

3．1 工程技术发展方向和趋势

3．1．1 工程技术发展方向

 

    当今世界油气技术正逐步向集成化、信息化、智能化、可视化、实时化、绿色化方向发展，而油气钻井技术总的发展趋势是向更深、更快、更经济、更清洁、更安全和更聪明的方向发展。钻井技术不仅仅只是打开和建立油气通道，已成为提高油气井产量、提高采收率等增储上产新途径和重要手段。

 

    通过对这些有代表性的油公司和大型服务公司分析表明，他们共同关注的技术有：钻井自动化，有缆钻杆，高造斜率旋转导向系统，远程实时操作中心，压力控制钻井，高效破岩工具，深水钻井，非常规油气高效开发技术等。对井筒完整性配套技术，井下振动监测、控制与利用，工厂化钻井与井下作业一体化等前瞻新技术投入较大力量进行研发。

 

    分析国外油公司和服务公司对工程技术的创新研究发现，国外工程技术创新都具有高投入、广储备、引领方向、长期坚持、持续完善等特点。在工程技术发展方向上，始终坚持高效服务勘探开发。用钻井手段提高单井产量、提高采收率、提高发现率，降低吨油成本；提高技术竞争能力，掌握核心利器，降低作业服务成本；逐步实现科学化、自动化、智能化、“工厂化”等。

 

    针对中石油主营业务发展中的深井超深井、海洋、非常规等钻完井关键技术瓶颈问题，梳理攻关方向，对提升工程技术的服务保障能力和核心竞争力都具有重要意义。

 

    1)深层工程技术发展方向：高效起下钻机(连续运动钻机)、高效破岩与提速工具、自动垂直钻井工具、井下宽带信息传输技术(有缆钻杆)、新型钻杆(隔热、抗硫防腐、铝/钛合金)、膨胀管堵漏技术、单一井径钻井技术、随钻地震前探技术、高温钻井液、固井材料、成套测试设备、大型压裂设备与抗高温压裂液等。

    2)海洋工程技术发展方向：走向深水、装备集成化与自动化、关键设备向水下发展、走向非常规、更加安全环保。具体发展方向：海洋钻井船、钻井平台、采油平台等；海底无人值守钻机：深水钻井隔水管系统；水下防喷器、机器人、采油树等；海水基钻井液技术；低温深水固井技术；超大位移井钻井技术；双梯度钻井系统；海洋控压钻井系统；海洋大型压裂设备；海底采油树研制等。

   3)非常规油气工程技术需求：自动化钻机、高效破岩工具、长水平段水平井钻井、水平井多级压裂、整体破碎压裂、健康安全环保。具体发展方向为：工厂化作业装备、技术配套；工厂化钻完井与体积压裂一体化技术；长水平段水平井钻完井技术(旋转导向、油基钻井液等)；高效破岩钻头与工具；微裂缝监测技术；整体破碎压裂技术；流体回收利用及水处理技术等。

 

3.1.2钻完井技术发展趋势

  钻完井技术在今后一段时间的发展趋势：①钻井装备向大型化、自动化、模块化、专用钻机、液压钻机和无钻机方向发展，海洋钻井装备向更可靠、更安全、高效起下方向发展，配套装备也随之快速发展；②自动化、智能化、信息化钻井高新技术向更高、更快、更准的方向快速发展，逐步实现远程专家支持；③用钻井新技术提高油气井产量、剩余油采收率和开发效益已成为钻井发展的主导方向；④不断研发钻井高新技术，新型破岩技术不断涌现，实现优快钻井，达到及时发现和保护油气层、降低“吨油”钻井成本，已成为国外钻井发展的主流；并储备反循环钻井、等离子和激光等非接触式钻井新技术；⑤井下测量、控制仪器和工具朝信息传输大容量、多通道、快速精确、抗高温高压、智能化、自动化进一步发展；⑥钻井液固井液系列化发展，体系和添加剂产品种类多样、性能稳定、抗温抗复杂能力强，并出现了仿生钻井液和智能水泥；⑦复杂结构井纵深发展，多分支井向六级以上完井和最大储层有效进尺(MRC)、钻向储层(DTO)、极大储层钻进(ERC)方向发展，鱼骨井和大位移井水平位移向12 km以上发展；⑧连续管钻井、套管钻井、膨胀管钻井技术配套完善，技术和应用呈现快速发展趋势，并朝单一井径井方向发展；⑨页岩气、致密油、致密气等非常规钻井完井技术不断突破，并发展储层穿越20km长的鱼骨井，不断提高开发效益，水平井将逐步成为常规技术得以规模普及；⑩技术整合集成钻测录控一体化，向未来一口井一趟钻方向发展。

 

3．2工程技术发展建议

    1)对非常规油气技术：面临水平井的快速发展，加快对自动化钻机、大型压裂装备、旋转导向、油基钻井液、高效钻头和抗高温长寿命螺杆、新型压裂液、流体回收处理技术等研究力度，尽快形成产业优势。

    2)对深层油气勘探开发：研发提高钻井效率的钻机及井口自动化设备，研发高温高压试油测试装备、高钢级抗腐蚀油套管、研发油基钻井液和抗高温压裂液、井简完整性评价技术、研发高效钻头和抗高温长寿命螺杆等。

    3)对海洋油气勘探开发：加快技术储备。研发钻机、修井机、采油平台、水下采油装置、防喷器等钻完井装备；双悌度钻井、控压钻井、表层钻井、尾管钻井等钻完井技术；超低温钻井液、水泥浆、海水基压裂液等流体。

 

    当今世界油气工业正经历着前所未有的变革。世界各国越来越把油气工业的发展寄希望于技术革命。针对油气勘探开发中面临的深层、海洋、非常规等关键技术瓶颈问题，通过加快工程技术持续攻关，加强自主创新和引进消化与吸收，研制成功一批具有自主知识产权的重大高端装备、工具、软件、产品和技术．更快更好地做好工程技术服务，为提高油气资源动用率和勘探开发效益提供强有力的工程技术支撑。