第一節(jié) 水平井、定向井、鉆井裝備及器具基本生產(chǎn)技術(shù)、工藝或流程

目前國外水平井、定向井鉆井鉆具配置、鉆頭、井下動力鉆具方面通過 研究 都有了很大提高。

1、鉆機(jī)形成系列，基本滿足國內(nèi)市場需要

根據(jù)GB1806—86《鉆機(jī)型式與基本參數(shù)》形成的鉆機(jī)系列包括了鉆深從1500m至6000m的鉆機(jī),基本滿足了國內(nèi)鉆井需要。但這種鉆機(jī)系列存在基本參數(shù)與國外鉆機(jī)不相符合的問題。國外鉆機(jī)的鉆深是按照φ73～127mm（～5英寸）鉆桿尺寸給出的，國標(biāo)則是統(tǒng)一按φ127mm鉆桿標(biāo)稱鉆深。這種基本參數(shù)規(guī)定常使國產(chǎn)鉆機(jī)在競標(biāo)時(shí)不能明確表明鉆深能力?，F(xiàn)在各廠家已經(jīng)仿照國外規(guī)定標(biāo)明鉆深,國標(biāo)也將作出相應(yīng)修改。

2、主要部件基本適應(yīng)國際市場需要

國產(chǎn)鉆機(jī)部件，特別是按照引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的鉆機(jī)部件，如天車、游車大鉤、水龍頭、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵、絞車、井架以及部分傳動件等，已能基本適應(yīng)國際市場的要求。這些部件在結(jié)構(gòu)形式、材料和熱處理規(guī)范方面，已基本達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平，可能或者已經(jīng)向國際市場銷售。

第二節(jié) 水平井、定向井、鉆井裝備及器具新技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用情況

2010年8月，國產(chǎn)第二代斜井鉆機(jī)——ZJ20DBX 鉆機(jī)在寶石機(jī)械公司研制成功，目前國內(nèi)尚沒有其他廠家生產(chǎn)此類鉆機(jī)。有關(guān)專家評價(jià)說，國產(chǎn)第二代斜井鉆機(jī)設(shè)計(jì)新穎，技術(shù)性能先進(jìn)，首次應(yīng)用國產(chǎn)井口自動化工具，機(jī)械化、自動化程度高，對直井鉆機(jī)的發(fā)展也將起到推動作用。

ZJ20DBX 斜井鉆機(jī)是利用井架傾斜一定角度后，由地面開始鉆斜井，可完成斜直井、斜定向井、斜叢式井的鉆探。該鉆機(jī)主要用于斜深 2000米以內(nèi)的海洋、海灘、陸地上淺層油氣井鉆井，或用于建筑物下面、沼澤地帶、下陷地區(qū)等地形復(fù)雜區(qū)域的鉆井，具有常規(guī)鉆機(jī)無法比擬的優(yōu)勢。

據(jù)介紹，寶石機(jī)械公司于 1994年成功研制了國內(nèi)第一代 ZJ15X斜井鉆機(jī)， 2000米斜井鉆機(jī)是寶石機(jī)械公司開發(fā)的第二代斜井鉆機(jī)。該鉆機(jī)整體采用橇裝模塊化設(shè)計(jì)，搬運(yùn)十分方便；絞車、頂驅(qū)、泥漿泵都采用交流變頻電驅(qū)動，機(jī)械化程度比較高；與常規(guī)鉆機(jī)相比，還可減少井場占地面積和鉆機(jī)的移運(yùn)時(shí)間。

第三節(jié) 水平井、定向井、鉆井裝備及器具國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，國外水平井鉆井技術(shù)不斷發(fā)展，突出的表現(xiàn)在地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)、自動化（閉環(huán)）鉆井技術(shù)以及配套工具的研制及使用。

（1）地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

在20世紀(jì)80年代,隨著定向井和水平井鉆井技術(shù)的發(fā)展,導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,具有彎外殼或偏心穩(wěn)定器的井下動力馬達(dá)(稱之為“導(dǎo)向馬達(dá)”)替代了直動力馬達(dá)和彎接頭。將導(dǎo)向馬達(dá)與無線隨鉆測斜系統(tǒng)相結(jié)合,成功地實(shí)現(xiàn)了定向井和水平井鉆井的幾何導(dǎo)向。在此基礎(chǔ)上,1989年開發(fā)成功第一代無線隨鉆測井系統(tǒng),使定向鉆井技術(shù)由幾何導(dǎo)向發(fā)展到地質(zhì)導(dǎo)向。

地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)就是根據(jù)地質(zhì)導(dǎo)向工具提供的實(shí)時(shí)地質(zhì)信息和定向數(shù)據(jù)，辨明所鉆遇的地質(zhì)環(huán)境，并對待鉆地層的情況進(jìn)行預(yù)測，引導(dǎo)鉆頭進(jìn)入油層并將井眼保持在產(chǎn)層中。地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)包括近鉆頭測量地質(zhì)導(dǎo)向工具和功能完備的地面信息處理系統(tǒng)兩大部分。當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況復(fù)雜或在薄產(chǎn)層中進(jìn)行導(dǎo)向鉆井時(shí)，測量點(diǎn)(即傳感器)與鉆頭之間的距離和前導(dǎo)模擬軟件的作用就顯得極為突出。地質(zhì)導(dǎo)向鉆井要時(shí)刻注意鉆頭位置、當(dāng)前井身軌跡、未來井身軌跡及必要的井身軌跡校正。但僅僅依靠近鉆頭的電阻率、井斜及自然伽瑪?shù)葏?shù)對已鉆井眼進(jìn)行評價(jià)有時(shí)會存在明顯的不足，還需要利用前導(dǎo)模擬軟件對未鉆地層的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測，以便更有效地指導(dǎo)水平井施工。

地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)能夠把所有可以獲得的信息綜合到總體鉆井計(jì)劃和鉆井過程中，允許在鉆井作業(yè)期間的任何時(shí)候調(diào)整鉆井計(jì)劃，其優(yōu)點(diǎn)包括：及早識別地質(zhì)條件的顯著變化，指示井眼是否正進(jìn)入意料之外的巖性地層，提高井眼在油層中延伸的能力，并有助于進(jìn)一步明確地質(zhì)構(gòu)造的變化。

Anadrill公司于1992年底研制出地質(zhì)導(dǎo)向鉆具，1993年5月在美國休斯敦海上技術(shù)會議上展示了其名為IDEAL綜合鉆井評價(jià)和測井系統(tǒng)的地質(zhì)導(dǎo)向工具，這是第一個在導(dǎo)向泥漿馬達(dá)和近鉆頭穩(wěn)定器上安裝測量儀器的工具。IDEAL地質(zhì)導(dǎo)向工具的關(guān)鍵是方向傳感器和測井傳感器接近鉆頭，這些鉆頭傳感器可測得離鉆頭1～2m范圍內(nèi)的方位、地層電阻率、伽馬射線、轉(zhuǎn)速和井斜等，并把這些鉆頭附近的數(shù)據(jù)傳到MWD系統(tǒng)，以便更好地引導(dǎo)鉆頭穿過薄層和復(fù)雜地層。用地質(zhì)導(dǎo)向工具可以精確地控制井眼的垂深，避免水錐和氣錐，準(zhǔn)確地穿越地層，并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。此后Halliburton、Baker Hughes INTEQ和挪威國家石油公司(Statoil)等公司也相繼研制出了他們各自的地質(zhì)向?qū)Чぞ摺?/span>

目前四參數(shù)組合隨鉆測井儀已成為標(biāo)準(zhǔn)隨鉆測井儀器，可以隨鉆測量原狀地層的真電阻率、體積密度、中子孔隙度和自然伽嗎。正在出現(xiàn)的六參數(shù)組合隨鉆測井儀，是在四參數(shù)的基礎(chǔ)上增加了聲波速度和光電指數(shù)，提供更加豐富的地層評價(jià)信息?？蓽y量的參數(shù)包括井斜、方位、工具面、井下鉆壓、井下扭矩、井下震動、自然伽馬、地層電阻率、密度、中子孔隙度和環(huán)空溫度。與早期的隨鉆測井相比，現(xiàn)在的隨鉆測井儀器可靠性高，穩(wěn)定性強(qiáng)，可更好地評價(jià)油、氣、水層。隨鉆測井為用戶實(shí)時(shí)提供決策信息，有助于避免井下復(fù)雜情況的發(fā)生，引導(dǎo)井眼沿著最佳軌跡穿過油層。目前從井下往地面?zhèn)鬏旊S鉆測量數(shù)據(jù)的技術(shù)主要是泥漿脈沖傳輸技術(shù)，近年來電磁波傳輸技術(shù)應(yīng)用已有很大進(jìn)展。

（2）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)

采用導(dǎo)向馬達(dá)鉆定向井或水平井時(shí)，改變井眼方位或井斜角的過程大多是在滑動鉆進(jìn)的方式下完成的，常會帶來一些低效作業(yè)因素，比如難以保證預(yù)期的工具面（在磨阻教大的情況下）、井眼清潔效果差（特別是在大斜度井中）、難以施加鉆壓（鉆柱不旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦阻力要大于其旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦阻力）、不能和最合適的鉆頭（針對地層）匹配使用、以及泥漿馬達(dá)本身出現(xiàn)故障并可能造成MWD工具出現(xiàn)故障等等，從而降低鉆井效率。推出旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)的目的就是減少或完全消除這些缺陷。CAMCO、APPLETEN和AMOCO等公司最早研制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，此外還有劍橋鉆井自動化系統(tǒng)以及被稱為DDD穩(wěn)定器的系統(tǒng)等。

目前,世界上較成熟的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)有BAKERHUGHSE INTEQ公司的AutoTrack SCLS系統(tǒng)、Schlumberger Anadrill公司的Power Driver SRD系統(tǒng),以及SperrySun公司的Geopilot系統(tǒng)。

（3）自動化鉆井技術(shù)

無論是鉆何種類型的油氣井,還是采用何種旋轉(zhuǎn)鉆井方式,都存在著鉆井效率問題,這也是鉆井技術(shù) 研究 與發(fā)展的本質(zhì)所在。影響鉆井效率的主要問題可歸結(jié)為鉆進(jìn)時(shí)的“間斷”。目前造成“間斷”的主要原因包括:接單根,更換鉆頭和底部鉆具組合等,鉆具失效、井眼失穩(wěn)(漏、塌、噴、卡、阻)、糾斜作業(yè)、非隨鉆測量、達(dá)不到最優(yōu)決策,以及多層次井身結(jié)構(gòu)等。為了減少鉆進(jìn)“間斷”,必須不斷 研究 和提高鉆井整體技術(shù)和裝備水平,尤其是信息化、智能化及自動化鉆井技術(shù)的 研究 與開發(fā)需要不斷加強(qiáng)。

要實(shí)現(xiàn)自動化鉆井，就必須首先實(shí)現(xiàn)閉環(huán)鉆井，也就是全部鉆井過程依靠傳感器測量各種參數(shù)，依靠計(jì)算機(jī)獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行解釋和發(fā)出指令，最后由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動作，使整個鉆井系統(tǒng)成為一種無人操作的自動控制系統(tǒng)。這種閉環(huán)鉆井系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約時(shí)間，提高精度，減少人為誤差，減少體力勞動，既可以嚴(yán)格按預(yù)定軌跡鉆進(jìn)，也可以完全根據(jù)地下情況鉆進(jìn)。閉環(huán)鉆井系統(tǒng)一般由井下執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測量系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。在鉆進(jìn)過程中,井下執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令來完成,而控制系統(tǒng)所發(fā)出的指令則應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)井的要求和實(shí)鉆測量反饋信號來確定。井下閉環(huán)鉆井系統(tǒng)的未來發(fā)展必將以井下執(zhí)行機(jī)構(gòu)(底部鉆具組合)的不斷更新、測量系統(tǒng)的不斷完善及自動化控制程度的不斷提高為基本特征。井下閉環(huán)鉆井系統(tǒng)能夠在地下極其復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境及非常惡劣的工況下進(jìn)行有效的工作,能夠精確探測前方和周圍的地質(zhì)環(huán)境及本身的狀態(tài),進(jìn)而做出正確的 分析 和決策,并且能夠自動適應(yīng)所處的工作環(huán)境,沿著預(yù)定的路線或要求到達(dá)地下終極目標(biāo)。井下閉環(huán)鉆井系統(tǒng)是自動化鉆井的核心,是多種高新技術(shù)和產(chǎn)品的進(jìn)一步研發(fā)及其微型化集成的結(jié)果,代表著未來鉆井與掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢,可望在21世紀(jì)前半葉實(shí)現(xiàn)。

國外在自動化 研究 方面取得的實(shí)際成果目前主要有：德國的VDS自動垂直鉆井系統(tǒng)、英國的AGS自動定向鉆井系統(tǒng)和挪威的KOLIBOMAC連續(xù)軟管鉆井系統(tǒng)。其中，德國的ADD自動垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用得最為成功。

第四節(jié) 水平井、定向井、鉆井裝備及器具技術(shù)開發(fā)熱點(diǎn)、難點(diǎn) 分析

隨著鉆井工藝的不斷完善，特別是隨著定向井、水平井鉆井工藝的不斷成熟，鉆井深度不斷加大，或有一些大斜度井、水平井，雖然垂直深度并不大，但水平位移大。這就要求鉆機(jī)的起升能力不斷加大。更由于海洋深水鉆井作業(yè)的需要，使鉆機(jī)的起升能力達(dá)到空前的高度。如今，鉆井深度為7000m的鉆機(jī)已很普遍，9000m～15000m鉆機(jī)也已出現(xiàn)，15000m以至更大鉆機(jī)的出現(xiàn)也是指日可待的。隨著鉆機(jī)起升能力的加大，也伴隨著如頂驅(qū)、鉆井泵等裝置的不斷加大，從而引起鉆機(jī)設(shè)計(jì)、制造上的不斷突破。

第五節(jié) 水平井、定向井、鉆井裝備及器具未來技術(shù)發(fā)展趨勢

水平井、定向井鉆機(jī)設(shè)計(jì)、制造的趨勢如下：

1、全面 規(guī)劃 、合理布局 制訂標(biāo)準(zhǔn)，使絞車按功率合理分級，鉆機(jī)按鉆井深度合理分級，常規(guī)鉆機(jī)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造，使用戶更方便的選擇，更靈活、經(jīng)濟(jì)的使用鉆機(jī)。

2、部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)制造 鉆機(jī)大部件，如：絞車、大鉤、游車、水龍頭、鉆井泵等，按標(biāo)準(zhǔn)分級成標(biāo)準(zhǔn)化的部件，鉆機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)像搭積木式的選用即可。

3、鉆進(jìn)驅(qū)動方式多樣化 現(xiàn)有轉(zhuǎn)盤驅(qū)動、底部驅(qū)動、頂部驅(qū)動和復(fù)合驅(qū)動等驅(qū)動方式，可供用戶根據(jù)需要選擇。

4、測量控制系統(tǒng)進(jìn)一步加強(qiáng) 測控系統(tǒng)從井口控制到井底測量多點(diǎn)測控，安全監(jiān)控，信息自動測控傳遞，直到智能化鉆機(jī)、數(shù)字化鉆機(jī)。

5、輔助設(shè)備機(jī)械化程度進(jìn)一步提高 如配備鉆柱自動排放和上下臺裝置、鉆井液處理設(shè)備、防噴器吊裝裝置等。

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