石油钻井方法发展综述
石油钻井方法发展综述
摘要：
本文回顾了过去的人工挖井和顿钻钻井；对现在广泛使用的旋转钻井做了详细的描述；对未来的石油钻井机械新装备——激光钻井、小井眼钻井、连续杆钻井有新的展望。顶部驱动钻井系统、螺杆钻具、智能钻井的基本原理本文都做了详细的说明。DPC钻头当前已经普遍用于中硬度地层。
主题词：钻井方法
顿钻钻井
旋转钻井 激光钻井
小井眼钻井
引言：
最初，人们是靠人工挖井的。接着，人们使用冲击钻井法钻井，既在钻柱的下端接上坚硬的工具冲击岩石，然后再用捞沙筒取出岩屑，由于破碎岩石与打捞不能同时进行，所以生产效率低，加上不宜在多水地层和高压油层地区钻井，这就限制了这种钻井方法的广泛使用。
随着钻井数量的增多和井深的增加，人们就开始使用钻柱带动钻头旋转，对岩石进行连续破碎。岩石被破碎后产生的岩石屑靠循环泥浆携带到地面。这样，破碎岩石和清除岩屑同时进行，大大提高了钻井速度，这就是目前广泛采用的旋转钻井法。
但是，当井深进一步增加和要求再提高钻井速度时，必须进一步增加传给钻头的能量，这就受到了钻杆强度的限制，而且井越深，旋转钻柱消耗的能量就越多，钻杆折断事故就更容易发生，所以在打捞度较大的定向井时，越来越多地采用涡轮钻井和井底发动机钻井。
1.
石油钻井方法发展回顾
1.1
人工挖井
人工挖井是最原始的钻井方式，它为人类探索钻井机械揭开了序幕。它是靠人下井凿开岩石再将岩屑提出井外。这种钻井方式在一定时间内适应于盐井、油井，但它有着速度慢、工期长、井壁易坍塌、井深导致人窒息等不足而被逐渐淘汰。人们思考着更新的钻井方式——顿钻。
1.2
顿钻钻井
所谓顿钻，由设立木制碓架，运用杠杆原理，全用人力一脚脚蹬踩，带动锉头上下运动，一寸寸向下挖深。随着技术的发展顿钻钻井又有新的说法：顿钻钻井又冲击钻井法。用钢丝绳把顿钻钻头送到井底，钻进时上提钢丝绳使钻头离开井底，然后放开，让钻头自由下落冲击井底，将井底岩石击碎。
在从井里打捞岩屑时是用的捞沙筒，它是一个单向阀管。下降是阀门打开岩屑进入管内；上升时随岩屑重力使阀门自然关闭从而将岩屑提出井外。打捞干净后下入套管，再下钻头钻进，这样循环往复工作直到把井打好。
顿钻的设备简单，有成本低，不污染油层等优点，可用于一些浅的低压油井。但顿钻有钻速慢，效率低，不能适应井深日益增加和复杂地层的钻探要求，逐渐被旋转钻代替。
2.
石油钻井方法发展现状
面向21世纪，全球油气资源的可持续利用问题将更加突出，使得钻井科技工作者在技术、成本及环保等方面面临许多新的挑战和技术难题，需要认真规划、研究并解决。旋转钻井在20世纪初就已经问世，迄今，它仍作为油气工业一种最主要的钻井方法而被广泛采用。纵观旋转钻井的发展历程，在技术和装备上的明显进步，还是最近20多年的事情。20世纪70年代末期出现了PDC钻头，这是钻井领域一个明显的进步标志；进入80年代，相继出现了随钻测量(Measurement While Drilling，简称MWD)仪器、可控井下马达以及水平井钻井技术等；90年代，随钻测井（Longging While Dilling，简称LWD）和随钻地震(Seismic While Dilling，简称SWD)等先进的测量技术不断投入使用，大位移井和复杂结构井钻井技术，以及连续柔管技术等得到迅速发展和应用。展望未来，由于石油工业上游成本差的驱动(亦即效益目标的驱动)以及人类对“健康、安全、环境”更高目标的追求，进入21世纪后，旋转钻井在技术上的积极发展势头仍将有增无减。
旋转钻井利用钻头旋转时产生的切削或研磨作用击碎岩石，是当前通用的钻井方法。用足够的压力把钻头压在井底岩石上，使钻头牙齿吃入岩石中，用钻杆带动钻头旋转击碎井底岩石，岩屑随循环泥浆带回到地面。加在钻头上的压力叫钻压，它是靠联接钻杆和钻头的钻柱重量产生的。旋转的动力如由地面上的转盘产生，则称之为转盘钻。使用转盘钻时，井有多深，钻柱就有多长。几十吨的钻柱在井里旋转不仅消耗很大的动力，还会引起钻柱的损坏。造成严重事故。所以，把动力传至井底的涡轮钻，螺杆钻和电动钻应运而生。前两者靠高压泥浆驱动，后一种用电驱动。这些井下动力钻的特点是钻进时钻柱不转动，磨损小，使用寿命长，特别适于打定向井。旋转钻井比顿钻钻速快，并能处理井塌，井喷等复杂情况。
在进入21世纪后，旋转钻井又分为转盘旋转钻井、井下动力钻井及二者兼备的复合旋转钻井等不同的旋转钻井方式。转盘旋转钻井是整个钻柱处于旋转运动状态，同时带动钻头旋转钻进；井下动力钻井是井下动力钻具的转子带动钻头旋转钻进，转盘及整个钻柱可以不旋转；复合旋转钻井则是在使用井下动力钻具的同时又开动转盘旋转钻进。研究和实践证明，每一种旋转钻井方式都具有各自不同的钻井特性和优缺点。其中，复合旋转钻井方式在一定程度上兼备转盘钻和井下动力钻的优点，既可连续控制井眼轨迹和减少起下钻次数，同时还能提高机械钻速，是一种比较高效的可控钻井方式，已得到广泛重视及越来越多的实际应用，今后应对这种钻井方式的系统动力学特性进行深入研究与试验。
2.1
转盘钻井
2.1.1
转盘的功能与使用要求
在钻井过程中，转盘要完成如下工作：
（1） 转动井中钻具，传递足够大的扭矩和必要的转速。
（2） 下套管和起下钻时，承受井中全部套管柱或钻杆柱重量。
（3） 完成卸钻头、卸扣，处理事故时倒扣、适扣等辅助工作；涡轮钻井时，转盘制动钻杆柱，以承受反扭矩。
为保证转盘实现上述职能，要求：
（1） 转盘的主轴承有足够的强度和寿命。
（2） 转台和锥齿轮要传递足够大的扭矩（50-100KN.m），并能倒转，能可靠的制动。
（3） 密封性好，严防外界的泥浆，油水污液渗入转盘内部，否则将加速齿轮和轴承的磨损，迅速破坏转盘的正常工作。
2.1.2
转盘的结构
转盘实质上是一个结构特殊的角传动减速器，主要由水平轴快速总成、转台总成、主轴总成（负荷轴承）、防跳轴承和壳体等几部分组成。
1. 水平轴总成
水平轴头部装有小锥齿轮，尾部装联接法兰（万向轴传动时或链轮链传动时）轴通过一副双列调心轴承和套筒座在壳体中，套筒的作用能使水平轴进行整体式装配。轴中部有制动棘轮，通过壳体上的机爪可实现转台的制动。水平轴下方壳体构成一独立油池；使水平轴轴承得到良好润滑。
2. 转台总成
转台体如同一根又短有粗的空心立轴，借助主轴承座在壳体上。下部辅助轴承防止转台倾斜和向上振跳。转台中心通孔都比较大，以便通过钻井中开井所用的最大号钻头。通孔内装有方补心和小方瓦（小方瓦正好跟方钻杆相配合）；两者通过锁销锁在转台体上。转台上部静配合装着一个迷宫盘，构成一整体结构，防止泥浆污水漏入转盘油池内。
3. 主、辅轴承
主轴承为向心力推球轴承，主轴承起承载和承转作用。静止时，承受最重套管柱重量；旋转工作时承受主要由方钻杆下滑造成的轴向载荷及锥齿轮传动所形成的径向载荷。主轴承、锥齿轮共用一个油池，飞溅润滑。
辅助轴承也是向心止推轴承，有13/8uin的球40个，起径向扶正和防跳作用。
辅助轴承单独用黄油润滑，迷宫密封。
4．壳体
壳体是结构比较复杂的铸钢件，内腔形成两个油池；外形上便于安装固定和运输，便于工人进行井口操作。
2.1.3
转盘的特性参数
1、通孔直径
转盘通孔直径是转盘主要几何参数，它应比第一次开钻时最大号钻头直径至少大10mm。
2、最大静载荷
转盘上能承受的最大重量，应与钻机的最大钩载相匹配。该载荷以转台作用到主轴承上，因此，决定着主轴承的规格。
3、最大工作扭矩，它决定着转达盘的输入功率及传动零件的尺寸。
JB4304规定，以150r/min在最大扭矩下运转2小时，齿轮齿面不得有损伤现象。
4、最高转速
转盘在轻载荷下允许使用的最高转速，一般规定为300r/min。
5、中心距
转台中心至水平轴链轮第一排轮齿中心的距离。
2.2 顶部驱动钻井系统
多年来，石油钻井一直是依靠钻机的转盘带动方钻杆、钻具、钻头旋转进行作业的。近年来研制出一种将水龙头与马达相结合，在井架空间的上部带动钻具、钻头旋转，并可沿井架内安放的导轨向下送进，同时配备了钻杆的上卸装置，可完成井下钻柱旋转、循环钻井液、钻杆上卸、起下钻、边起边转等操作。因该装置在游动滑车之下，驱动的位置比原转盘驱动位置要高，所以称为顶部驱动钻井装置。顶部驱动钻井装置比常规装置可节约钻井时间20－ 卷扬机25%，同时减轻工人劳动强度，减少了操作者的人身事故，对深井、特殊工艺井的钻井施工非常有利，为今后实现自动化钻井创造了条件。
2.2.1
顶部驱动钻井系统的功能和类型
最早的顶部驱动装置是“动力水龙头”，即：在水龙头上设置动力装置，驱动水龙头的中心管旋转，中心管下部直接接钻杆。这样，在钻井的过程中，可以省去转盘。
现在的顶部驱动钻井系统，无论在功能上，还是在结构上，都发展得日益完善。它的主要功能有：
1.
旋转钻进
2.
循环钻进液
3.
起吊钻具
4.
上卸钻柱
顶部驱动钻井系统是在80年代末，由美国、法国、挪威相继研制而成，基本类型有三大类：
1.
全液压驱动（如Maritime Hydrauiics 公司的产品）
驱动主轴旋转的动力源是液压能。由两台柱向轴塞马达经齿轮减速箱带动主轴旋转。
2.
直流电动机 （如美国Varco 公司的产品）
驱动主轴旋转的动力源是直流电。由直流电动机经齿轮减速箱带动主轴旋转。直流电源是来自电动钻机的AC-SCR系统。
3.
交流电驱动（如挪威的DDM型）
驱动主轴旋转的动力源是交流电。由交流电动机经齿轮减速箱带动主轴旋转。调速则利用AC/AC变频技术。
这三种类型都把无级调速特性作为基本要求。
一个完整的顶部驱动钻井系统由以下几部分组成：
1.
水龙头——钻井马达装置总成
具体有：水龙头、电动机（或液压马达）、齿轮减速器、主轴。
作用是驱动主轴正反转、向钻柱内导入钻井液。
2.
导向滑车总成
具体有：导轨（立于井架内，有单轨和双轨两种）、滑车框架（固定在顶部驱动装置壳体上）、导向轮（装在滑车框架上，可沿导轨滚动）。
作用是引导顶部驱动装置上下运动，承受钻井过程中的反向力矩。
3.
钻杆上卸扣装置
具体有：吊卡、吊环、吊环倾斜器、液压扭矩钳。
作用是通过吊卡、吊环、起吊钻具，通过液压扭矩钳上、卸扣（将钻具与顶部驱动装置的主轴连接或卸开）。
2.2.2
顶部驱动钻井系统的结构
这里以美国Varco 公司的产品为例。
1.
系统组成
Varco 公司的顶部驱动钻井系统主要由以下几大部分组成：
1）水龙头——借用钻机原配的常规水龙头
2）钻井马达总成——由直流电动机、一级齿轮减速箱、主轴、散热装置组成。
3）导向滑车总成——由滑车框架、导向轮、导轨等组成。
4）钻杆上卸扣装置——由旋转头、吊环连接器、吊环倾斜器、液压扭矩钳等组成。
5）动力系统——由柴油机、发动机、SCR控制房、液压泵站、电力电缆、控制电缆、柔性液压管汇组成。
2.2.3
顶部驱动钻井系统的特点
顶部驱动钻井装置是钻井设备发展更新的重要标志之一。1982年，第一台该系统投入矿场使用，目前，已经广泛用于海洋和陆地钻机上。我国石油现场也逐步采用该系统。中国钻井队要想到国外竟标，在设备上的先决条件就是要有电动钻机和顶部驱动钻井系统。
顶部驱动钻井系统被如此看重，主要是其有如下特点：
1）可以立根（三根钻杆，27米长）钻进，减少2/3的钻柱连接时间，提高了工作效率减轻了工人的劳动强度和伤亡事故；
2）在起、下钻过程中，可以立即循环钻井液，实行倒划眼起钻和划眼下钻，减少卡钻事故和由此带来的打捞作业；
3）主轴上连接有液压钻具防喷器。当起钻中发现有井喷迹象，可遥控实现顶部驱动装置与钻柱连接，立即循环钻井液，避免井喷事故发生；
4）用27米钻柱钻定向井，可以减少井深测量次数，容易控制井底马达造斜方位，节约钻井时间；
5）用27米钻柱取芯，可连续取心27米，提高了岩心质量。
2.3
旋转导向钻井
旋转导向钻井是通过地面调整泵排量的方法，在旋转钻进时实现井斜和方位的控制，避免滑动钻进可能出现的风险和复杂情况，提高钻井速度。使用旋转导向实现了井眼三维立体绕障，提高了油层钻遇的几率，保证了良好的井眼质量，既降低了事故和复杂，又为后期的完井作业打下了良好的基础。
为了使导向马达有最佳的应用，贝克公司的分公司——Hughes Christensen公司引进了一种新型的PDC钻头——HCM钻头，它比传统的PDC钻头有更长的寿命和更高的机械钻速，但是其控制方式与精确度与牙轮钻头相同。运用EZSteer切削深度控制技术，钻头的支承面就在钻头端面中心附近，这样的设计可以使钻头在滑动状态下，而不是旋转状态下钻到井底。这种方法还在保证钻速（ROP）的情况下调节了导向性。其他的特点还包括：优化的计算流体力学（CFD）液压传动，增强的稳定性，从而使钻头能在高转速情况下钻出光滑的井眼。
2.4
井下动力马达
在20世纪80年代，随着定向井和水平井钻井技术的发展，导向钻井系统应运而生，具有弯外壳或偏心稳定器的井下动力马达(称之为“导向马达”)替代了直杆动力马达和弯接头。将导向马达与无线随钻测斜系统相结合，成功地实现了定向井和水平井钻井的几何导向。在此基础上，1989年开发成功第一代无线随钻测井系统，使定向钻井技术由几何导向发展到地质导向。为了有效地控制水平井的“切线段”和“水平段”或实现井眼轨迹的连续定向控制，在应用导向钻井系统实施井下动力滑动钻进的基础上，提出了复合旋转钻井方式。具有反向双弯 (DTU)或单弯双稳定器的螺杆钻具组合，以及带偏心稳定器的涡轮钻具组合等，均在复合旋转钻井中获得成功应用。
无论是钻何种类型的油气井，还是采用何种旋转钻井方式，都存在着钻井效率问题，这也是钻井技术研究与发展的本质所在。影响钻井效率的主要问题可归结为钻进时的“间断”。目前造成“间断”的主要原因包括：接单根、更换钻头和底部钻具组合等，钻具失效，井眼失稳(漏、塌、喷、卡、阻)，纠斜作业，非随钻测量，达不到最优决策，以及多层次井身结构等。为了减少钻进“间断”，必须不断研究和提高钻井整体技术和装备水平，尤其是信息化、智能化及自动化钻井技术的研究与开发需要不断加强。
2.4.1
螺杆钻具
70年代以来，国外研制了一种新型井底动力钻具，称为螺杆钻具，它是有高压泥浆驱动的容积式井底动力钻具，螺杆钻具有较多优点，主要是：结构简单、过载性能好，在小尺寸时能得到大的扭矩和功率，且可在小流量下工作、转数较低、机械转数较高。美国、拉丁美洲和东南亚各国都用它来打定向井，在直井钻井中也有应用，其深度可以达到6000米以上。
目前国外有两种螺杆钻具，一类是美国迪纳公司生产的单头螺杆钻具，称为迪纳钻具；另一类是前苏联研制的多头螺杆钻具。美国的迪纳钻具发展较早，有5英寸、61/2英寸及73/4英寸三种，用于钻直井；还有13/4英寸、23/4英寸及73/4英寸三种，用于特殊钻井，这些螺杆钻具都已广泛用于生产，前苏联的多头螺杆钻具发展较晚，具有转速更低、扭矩更大的优点，对于钻井生产，性能更为理想。该种螺杆钻具现处于工业性实验阶段。
我国螺杆钻具发展较晚，自1978年从美国引进史密斯公司的迪纳钻具和克瑞斯坦森公司生产的奈威钻具以来，先后在海洋、大港、辽河、四川及山东等油田使用。1982年石油部勘探开发研究院机械所研制出LZ-61/2”多头单螺杆钻具，现已进入工业性实验阶段，效果良好。
2.4.2
螺杆钻具的结构和作用原理
迪纳钻具由一根螺杆（转子）、定子衬套、万向轴、主轴、钻头接头、钻具上端的旁通阀等组成。螺杆钻具最主要的工作元件是螺杆及衬套。橡胶衬套的内孔在全长上是由椭圆形截面构成的螺旋通道，通道内有一麻花形的螺杆。螺杆轴线相对于衬套轴线是偏心安置的，螺杆上端可以自由旋转，下端通过万向轴与主轴相联。当高压泥浆从钻杆中心进入螺杆钻具时，它从螺杆与衬套的螺旋通道间往下挤压。在螺杆与衬套螺旋表面的全长均被分为高压及低压两个腔室。以图2.1.1-1所示的任意横截面为例，可以看出工作腔1与高压p1相通工作腔II与低压p2相通，螺杆的轴线O2与此处衬套截面的中心有一偏心矩e 。于是，此处的螺杆有压差形成的力F作用下，相对于轴线O2有一偏心矩，使得螺杆在衬套的螺旋通道内绕轴线O2旋转，产生工作扭矩。螺杆的运动是由两方面的运动合成的，即螺杆绕本身轴线的旋转和螺杆在衬套中的行星运动。螺杆的行星运动就是螺杆相对于衬套轴线的滚动和转动运动。
图2.1.1-1
螺杆旋转力矩的形成
万向轴的作用是把螺杆的轴向水力负荷转给主轴，同时把螺杆的行星运动变成主轴的同轴心旋转运动。
钻具的主轴是空心的，泥浆可由主轴中心孔到达钻头水眼。主轴上部有一小型止推轴承，用以承受钻头离开井底面空转时的钻头重量。主轴下端有一大型止推轴承，用以承受钻进的钻压。在两个止推轴承间有径向橡胶轴承，保证主轴的平稳运动。所有上述轴承都由泥浆来润滑和冷却。
螺杆钻具顶部的旁通阀，其作用是在下钻时允许泥浆冲入钻柱，而起钻时允许泥浆从钻柱放空。在循环泥浆及钻具工作时，套阀被迫降落在阀座上，从而关闭旁通阀，使泥浆全部进入螺杆钻具工作；而停泵时，套阀在弹簧作用下上升，旁通孔自动打开。
2.5
智能钻井
智能钻井系统包括地面和井下两个组成部分。井下智能钻井系统一般由井下执行机构、测量系统及控制系统组成。在钻进过程中，井下执行机构的动作应根据控制系统的指令来完成，而控制系统所发出的指令则应根据设计井的要求及实钻测量反馈信号来确定。井下智能钻井系统的未来发展必将以井下执行机构(底部钻具组合)的不断更新、测量系统的不断完善及自动化控制程度的不断提高为基本特征。井下智能钻井系统的最终发展目标是“地下钻掘机器人”，井下执行机构好比是机器人的手，控制系统好比是机器人的大脑，而测量系统则好比是机器人的眼睛和其他的感觉器官。这种地下钻掘机器人不同于一般的工业机器人，它必须能够在地下极其复杂的地质环境及非常恶劣的工况下进行有效的工作，必须能够精确探测前方和周围的地质环境及本身的状态，进而作出正确的分析和决策，并且能够自动适应所处的工作环境，沿着预定的路线或要求到达地下终极目标，胜利完成人类赋予它实地探察地下资源并加以开采的神圣任务。这种地下钻掘机器人，是自动化钻井的核心，将是多种高新技术和产品的进一步研发及其微型化集成的结果，代表着未来钻井与掘进技术的发展趋势，可望在21世纪前半叶实现。 赫格隆
2.6
钻头
不管是用什么方式钻井，都要选用合理的钻头．目前石油钻井中使用的钻头分为牙轮钻头、金刚石材料钻头及刮刀钻头三大类，其中牙轮钻头使用得较多，而金刚石材料钻头使用日益在增多。金刚石材料钻头按破岩元件材料分为天然金刚石钻头（常称金刚石钻头）、聚晶金刚石复合片钻头（简称PDC钻头以及稳定性聚晶金刚石钻头，简称TSP钻头）。
2.6.1
牙轮钻头
牙轮钻头主要以对岩石的冲击、压碎作用和剪切作用来破碎岩石的。
牙轮钻头在井底工作时，由钻头纵振所产生的轮齿对岩石的冲击压碎作用，是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。旋转钻头时，牙齿以一定速度冲击压入岩石，这一破碎方式与静压入破碎实验特点相似，牙齿压入岩石需要足够的比压与接触时间。因此，牙轮钻头的牙齿作用在岩石上的轴向载荷包括静压及冲击载荷两部分。加给钻头的钻压为静压部分；冲击载荷是由钻头在井底旋转时产生纵振，使钻头——钻柱系统不断地压缩与伸张，下部钻柱把这种周期的弹性变形能传递给牙齿产生的，这就是钻头破碎岩石时牙齿冲击压力的来源。加大钻头牙齿对地层的冲击压力，就能提高破碎岩石的效率。
2.6.2
PDC 钻头
为攻克制约钻井提速瓶颈，长庆钻井总公司在总结以往成熟技术的基础上,针对不同井型特点，依靠先进钻井技术，推广应用PDC 钻头 ,机械钻速得到大幅度提高。PDC钻头自今年5月在榆林33-17井试验成功后，钻井总公司迅速在天然气田进行了选择性试验推广，在进行试验的50口天然气井中都收到了良好的效果，从而有效地解决了制约气井下部地层钻井速度慢等问题。
PDC钻头是一种切削型钻头，切削齿具有自锐优点，破碎岩石时无牙轮钻头的压持作用，切削齿切削时的切削面积较大，是一种高效钻头。PDC钻头适合于软到中等硬度地层，但PSC钻头钻进的地层必须是匀质地层，以避免冲击载荷，含砾石的地层不能使用PDC钻头。
PDC钻头对地层的针对性很强，在定向施工中,随着地层强度的增加，工具面变化较大。因此,在推广使用前，钻井总公司根据各区块的地层和工艺特点进行了选择性试验。使用表明,PDC钻头机械钻速明显高于牙轮钻头，并且采用较小的钻压就可以取得高于牙轮钻头大钻压下的机械钻速，并且采用低于牙轮钻头的泵压、转速就可以取得较高钻速，机泵设备负荷小，而且钻头成本也明显降低。
众所周知，本世纪旋转钻井技术是取代顿钻钻井技术而发展并独霸油田的，经过几十年的技术革新改造，现代钻机已成为钻井的主要设备。21世纪即将到来，下一个世纪，将采用什么钻井技术及其设备呢？激光钻井技术及其设备可能是21世纪统治全球油气田勘探开发的新主力军。
3.
石油钻井机械发展展望
3.1
激光钻井
为了适应石油工业发展的需要，改变传统的钻井方式，根据激光能量密度大等特性，利用激光器把其他形式的能转换成光能形成很高的温度，熔化、融熔、震碎、蒸发要钻进的岩石进行钻井.
3.1.1
激光钻井的基本原理
亮度大(即功率密度大)是激光的一大特点，是激光用来钻井的最主要的特性。从本质上讲，钻井用激光器件就是把能量转换成光子，光子经过聚焦成为强光束，把岩石熔融、粉碎、蒸发。具体说来，就是把激光束聚焦在一个要钻入地层的环形区域上，这个环形区域是要钻的井眼直径范围内很小的一部分。激光束聚焦后形成很高的温度，使要钻入的地层材料熔化蒸发，强大的热冲击也可以使要钻入的岩石材料被击成细粒，由于环形区域内熔化材料的蒸发而产生强大的压力足以使击碎的材料被腾升到地面。
为了增强热冲击的作用，易于使要钻的材料成为细粒并喷出井口，还可以向要钻的部位喷射可膨胀的很强的液体流。液体射流和激光交替作用在要钻部位，使激光束和液体射流都成为脉冲式的。液体射流所用液体的特性要易于使要钻材料熔化与震碎，有助于井壁的光滑。例如，若要钻的材料是纯净的干硅砂，则流体应含有钠或钙的化合物以便于岩石熔化，优化井壁特性。为了使从已钻成的井眼中排出的材料离开地面设备，在井头可装上转向器，喷出强液体射流，当从井中喷出震碎的岩石材料时使其改变方向吹离井口。
激光发生器的工作、激光脉冲的长短、注入的强射流体、喷出材料的吹除等整个系统的工作特性，如脉冲持续时间、频率、聚焦区面积和环形的大小，相干光源的工作波长和输出功率等都由控制器根据被钻地层的物理特性控制。
激光的光能可以通过反射、散射、吸收过程传递到岩石中。岩石吸收的光能可以使岩石加热毁坏。在利用激光破坏岩石过程中，光的反射、散射是导致光能损失的一个主要原因。其它影响激光光能传递到岩石的现象还有黑体辐射和等离子体的屏蔽效应。在岩石温度较高时，一小部分入射光由于黑体的辐射作用从岩石表面发射出去。高能激光辐射会在照射的岩石表面上形成激光离子(气体离子)，激光离子对入射激光辐射能的反射、散射和吸收作用阻碍了光到达岩石表面。导致能量损失。
激光钻井的优点是：增加钻井进尺率，减少钻机日作业成本，增加井控、射孔和侧钻能力。据悉目前美国军方高能激光系统实验室将协助开展工作，以确定地层孔隙率、渗透率、弹性力学性能等等参数。
3.1.2
激光钻井和激光射孔
美国能源部（ＤＯＥ）资助美国天然气研究所开展激光钻井和激光射孔研究。科研基地设在美国伊利诺斯州的德斯普兰斯市。课题起止时间为２０００年１０月１日到２００９年２月２８日。
该课题的宗旨是确定利用激光发生器钻气井的技术合理性和经济可行性。由美国天然气研究所继续对军事上使用的激光器用于切割岩石进行理论研究。早期的试验表明，以高能耗和高成本在岩石上钻孔是可行的。目前研究的重点是，在干和湿两种条件下以最低的比能切削一定体积的岩石。美国能源部计划的重点是与科罗拉多矿业学校和一家咨询公司合作验证掺钕钇铝石榴石和二氧化碳激光器在钻井中应用的可行性。目前的重点是研究激光设备的试破岩效率。
迄今为止已获得的成果是，建立了在干条件下使用掺钕钇铝石榴石和二氧化碳激光器破岩和除岩的最低比能基线。
3.1.3
激光钻井技术的研究内容
尽管激光钻井技术的提出己有近30年的历史，但却一直没有付诸实现.因此，激光钻井仍然是一个探索性课题，要研究的问题很多，当前要研究的主要有以下四条：
首先是要深入探索激光钻井的原理.钻井是一个复杂的物理、化学过程，传统的钻井是通过冲击、切削将岩石剥离并通过钻井液将钻屑带出井眼.那么，用激光钻时，究竟如何将岩石一层一层剥离，又如何将岩屑带出井眼，实现这一过程会遇到什么困难，怎样克服这些困难等。
第二是探讨激光与周围介质的相互作用及作用结果对采收的影响。在钻进过程中会遇到油、气、水和各种不同类型的岩石及其他物质，激光与这些物质会发生那些作用，这些作用对钻进过程有什么影响，对今后的油气开采有什么影响，其中的不利影响如何解决。
第三是激光钻井的经济性.采用激光钻，所用的一套设备当然与传统的设备不同。在各种复杂环境下，激光钻与传统的钻井方式相比，究竟在什么情况下是合算的，什么情况下不合算。特别是在我国现有经济与技术条件下，激光钻井的可行性。
第四是对钻井用激光器的特殊要求。钻井用激光器功率要达到10“w级，这么大功率的激光器为实现钻进在结构上有什么特殊要求，不同地质条件下实现激光钻井的激光器功率门槛值究竟要多大等。
3.1.4
激光钻井的意义
根据模拟实验研究，用功率为600一1200kw，波长为3.spm的MIRAcL激光器发出的激光，在4.55钻穿了0.0635m的砂岩试样，移走了2.495kg的岩石，由此折算等效钻进速度为50.60m/h；而用500kw激光束，在两个两秒的激光冲击后，沿水平方向钻透了0.1524m，折算的等效钻速为137.16m/h<7，8>.因此，采用激光钻井，可以显著提高钻进速度，减少钻机平均天数，减少起下钻时间，提高井控、射孔、侧钻能力；激光与周围岩石相互作用，可以形成光滑的玻璃化井壁，减少套管；还可以促进井下钻井机械，激光钻头，激光射孔技术的发展；而所有这一切都可在有利于环保、安全，提高有效成本的情况下进行。因此，激光钻可降低成本，减少污染，可能会使钻井技术发生革命性变化。
3.1.5
激光钻井技术的发展
由于激光具有亮度大的特点，就使得激光技术问世后不久就有人想把激光技术用于石油工业的钻井。20世纪70年代初，美国、法国、荷兰就出现了用激光钻井和射孔的专利文献「3一5」。但由于当时激光器的功率大约只有数千瓦，激光的波长较长难于聚焦，更主要可能还是成本较高，激光钻井未曾实现.鉴于此，许多人怀疑激光钻井的可能性。但自那以后，对激光器、激光器功率、效率、发射能力等作了大量研究取得了显著的进步。
现代的高功率激光器，可把电能北学能或热能转换成光能，光能经聚焦后形成很强激光束可粉碎、熔化、蒸发岩石.激光的波长可为0.1一103pm，激光脉冲长度可在10一2一10一‘55范围变化。氟化氢（HF）和氟化氛(DF)激光器、化学氧化碘激光器 (coIL)、cq激光器、co激光器、自由电子激光器(FEL)，钱/忆铝石榴石(Nd/ YDG)激光器和氟化氢(KrF)激光器，其工作波长、脉冲长度、功率等参数都可作为钻井用激光器。这些激光器通过反射、散射、黑体辐射、等离子屏蔽等形式把能量传递到岩石上。
1998年和1999年，许多文献披露了美国重新提出激光钻井的问题，美国GRI(GasRe-search Institute)提出了一项两年计划，准备投资60万美元，联合美国空军、美国陆军和科罗拉多矿业学院、麻省理工学院、雷克伍德公司和菲利蒲石油公司一起探索把美国在20世纪80年代和90年代用于星球大战的激光技术用于石油工业的气井钻井、完井的可行性、成本、益处以及对环境的影响，提高美国工业的竞争能力。
美国这次研究计划投入的力量很大.投入的设备包括美军白沙导弹实验场的高能激光系统试验设备(简称HELsTF)及美国空军的研究实验室，试验中拟使用的激光器是能量为10“w的中红外高级化学激光器(简称MIRAcL)和化学氧化碘激光器(简称coIL)。这些激光器原为用于舰载防御和空对空防御的激光器，以其能够击穿数英里外飞行的战术和战略目标，跟踪和摧毁导弹的能力说明能够用于钻4572m深的气井。coIL激光器能够与光纤祸合的特点以及输出功率高、化学物质价格低，使它能够用于气井钻这类能量传输距离长的工程项目。
美国还另外投入两台高功率激光器用于研究激光束与周围材料的相互作用一是放电共轴激光器，用来研究在各种环境下激光束对不同材料的影响。15a来的研究成果组成的内容广泛的数据库可使人们更透彻了解材料与激光之间的相互作用。另一台是激光器示范设备(Laser块Vice块m。nstrati。n，简称LDD)，主要用于确定强激光束与不同软岩石矿物之间的相互作用.这种试验己作了450005，试验费用相当低廉，这表明可大量探索岩石与激光的相互作用，以及在井下条件激光与岩石的相互作用。
前述美国菲利蒲石油公司用美军Ml RAcL激光器所作的评价激光器钻进实验表明，激光束等效钻速可达50.60m/h，而经凹面镜改变MIRAcL激光器光的方向沿水平方向钻进，等效钻速达137.16m/h；用激光射孔，射孔深度可达6lm<5> 。
我国早在20世纪60年代就开始了激光技术的研究，并曾花费数千万元研制大功率激光器，尽管当时未获得成功，但积累了丰富的经验。1 998年，中国科学院超短脉冲高功率激光技术研究取得了巨大进展，获得了中国科学院院级发明一等奖。这为激光技术在石油钻井中的应用打下了基础。
3.1.6
激光光能的传递
激光的光能可以通过反射、散射、吸收过程传递到岩石中。岩石吸收的光能可以使岩石加热毁坏。在利用激光破坏岩石过程中，光的反射、散射是导致光能损失的一个主要原因。其它影响激光光能传递到岩石的现象还有黑体辐射和等离子体的屏蔽效应。在岩石温度较高时，一小部分入射光由于黑体的辐射作用从岩石表面发射出去。高能激光辐射会在照射的岩石表面上形成激光离子(气体离子)，激光离子对入射激光辐射能的反射、散射和吸收作用阻碍了光到达岩石表面，导致能量损。
3.1.7
用于天然气钻井的激光
A、氢氟酸和氟氖化合物激光
其工作波长范围为2.6一4.2μm。美国军方研制出的这种中红外高级化学激光尚是首次用于储层岩石的初始测试。
B、碘氧激光
美国空军研究实验室研制出的这种碘氧激光的工作波长为1.315μm。最早开发可追溯到19年，现今这种高能连续波激光己逐渐发展进化成为一个复杂体系，用于军事和工业等各个领域。这种中波型激光的精确性以及它的波长范围避免了钻井和天然气井重新完井过程中经常遇到的井控、侧钻和定向钻井问题的出现。
C、二氧化碳激光
二氧化碳激光的工作波长是10.6μm，可以以连续型和重复脉冲波形模式传递，平均功率约为IMw。在以重复脉冲模式传递时，它的脉冲周期为1一30μs。
D、一氧化碳激光
一氧化碳激光的工作波长为5一6μm，可以以连续型和重复脉冲波形模式传递，它的平均功率为200kw，脉冲周期为1一1 00005μs。第一谐波一氧化碳激光在以连续波和重复脉冲模式传递时，它的脉冲波长为2.5一 4.μm。
E、自由电子激光
由于自由电子激光所采用的高能电子不会离散能级，从而使得自由电子激光可以以连续波的波形被调制到任意波长。一些科学家认为自由电子激光是未来高能激光的发展方向。激光辐射波长可以调整的特性优化了激光由于反射、散射、黑体辐射和等离子体的屏蔽效应而出现的能量损失。
F、铝钱、镜、金刚砂化合物
铝钱、镜、金刚砂化合物的工作波长为1.06μm。目前，仅有输出功率为4kw的工业用激光用于了商用。对这种激光的研究趋势表明，采用输出功率为10kw或更大功率的激光是可行的。
G、氟氢化合物
氟氢化合物是一种激发二聚体激光，工作波长为0.248μm。之所以用激发二聚体这个术语描述这种激光主要是因为在这个双原子分子中氟氢原子是在受激状态而不是在基态结合的。这一特征使得激发二聚体激光只能以重复脉冲波形模式工作。它的最大平均功率是10kw，脉冲周期为0.1μs 。
3.2
小井眼钻井
3.2.1
小井眼钻井的发展方向和趋势
近10年，随着油气生产费用的提高，以及石油工程领域不断向边远地区扩展和钻井工艺技术水平的提高，钻小井眼井开采油气的优越性更加明显，使得小井眼钻井技术成了继水平井钻井技术之后的叉一研究热点。截至目前，世界上已钻成小井眼井上万口，最大垂直井深超过6000m。小井服钻井具有诸多的优点，见表1-l 。目前，在国内外该技术已应用于水平井、深井钻井中，如侧钻小井眼多分支水平井等，国外已开始用连续管钻小井眼。
目前小井眼钻井技术比较发达的国家有：美国的Amoco公司、Baker Hughes公司、Nabors工业公司、英国的BP公司等。近年来，国外公司为了配合小井眼钻井，开发和研制了一系列适合小井眼钻井的配套设备，主要集中在钻头及马达、固井、井控、取心、小井眼水平钻井等方面。研究发展的小井眼先进技术归纳起来有：带有顶部驱动的小井眼钻机；井下动力钻具；采用井控专家系统控制和预防井喷；采用连续取心钻机进行小井眼取心作业；采用高强度固定齿的新型钻头。目前小井眼钻井技术已比较成熟，工具设备配套齐全，已有可用于76.2mm(3in)井跟的钻井工具，以及多种连续取心钻机和混合型钻机。挪威还准备向北海南部深层的高温、高压气藏发展小井眼钻井。
近年来，国内各油田也开始重视和研究小井眼钻井技术。小尺寸PDC、TSD及金刚石钻头已在我国大部分油田推广应用。随着我国小井眼钻井井数的增多．小井眼早期井涌预警、检测技术也越来越受到重视。在钻井液和完井液技术上，国内各油田根据各自地层特征进行了专项研究，其体系配方基本能够达到安全钻进和保护油气层的目的。国内不少学者在小井眼水力学方面也做了很多工作，但大多数是对国外模式的修正。大庆油田完成的287口井，在其平均井深比全部开发井的平均井深多129.4m的情况下，平均机械钻速基本持平，平均钻机月速却提高了7.17％，获得的效益非常明显。胜利油田小井眼套管开窗定向侧钻技术已步入了大规模的应用阶段。新疆油田和大港油田在深层(>400Om)成功地钻成了部分小井眼井。
通过对调研资料的统计，小井眼技术有以下几个研究和发展方向：小井眼钻头与马达的研制；小井眼完井与井控技术；小井眼钻机研制。根据大港油田的实际情况，大港油田小井眼钻井技术的发展方向有：老井加深小井眼钻井技术；老井侧钻小井眼或小井眼水平井钻井技术；钻探边井小井眼钻井技术。
3.2.2
小井眼钻井主要技术发展应用情况
为了解决小井眼给钻井带来的诸如钻头性能差、机械钻速低、钻井液体系不当导致当量循环密度高和立管压力高及井涌不能及时发现等问题，着重研究了一系列关键技术。
(1)井身结构
国外公司采用的典型小井眼井身结构如表3.2.2.1。
（2）钻进方式
小井眼钻进方式有旋转钻进、井下马达钻进、连续取心钻进。外各石油公司已开发了多种小井眼钻井系统。图3.2.2.1为Shell公司和Bake Hughes公司联合开发的一种小井眼钻井系统，该系统使用改进固定式牙轮钻头和高强度钻杆．包括先进的井涌监测系统。该系统钻机可选择改进的常规钻机、专用小井眼钻机、修井机和连续管钻机。
图3.2.2.1 Shell 公司和 Bughes公司开发的小井眼钻井系统
图3.2.2.2为改进的连续取心矿用钻井系统，Amoco公司开发的水力学模型和井涌监测系统及井涌控制技术，利用高性能的油管再加上改型的矿用钻井系统，钻深可达1400ft(4270m)。
图3.2.2.2
改进的连续取心矿用钻井系统
（3）小井眼钻机
目前，专用的小井眼钻机不多，改进的小井眼钻机仍占多数，原因主要是这类设备缺乏设计规范和公认的标准，加之常规钻机能力过剩，在很大程度上抑制了小井眼石油钻机发展。国外小井眼钻机类型有小型常规石油钻机、采矿式连续取心钻机、修井机、连续管钻机和专用小井眼钻机。20世纪60年代之前，国外不少公司使用常规钻机钻小井眼井，70年代末开始进行小井眼钻机研制及钻机改进，90年代后出现了特制专用的小井眼钻机。瑞典、美国、德国、加拿大、比利时、意大利、澳大利亚和罗马尼亚等国家均开发应用了新型小井眼石油钻机，并取得了较好的使用效果和钻井经济效益。
一般来说，国外小井眼钻机采用常规旋转钻井设备，如前开口井架、液压绞车、三缸泥浆泵、防喷器组、固相控制设备、取心装置等等，另加其他先进的自动化装置。固控设备的配置要比常规井高一级别，在常规固控设备运转良好的前提下，再配备一台小型离心机，清除有害固相，对井下安全有利，是地面设备减少损坏、降低循环压耗的有效办法。
国外小井眼钻机特点有：
①设备体积小，占地面积少；
②设备一机多能，既可钻井又可修井，所用钻柱既可钻小井眼又可连续取心；
③采用专用小型测试装置；
④现代化程度高。
具有代表性的国外公司小井眼钻机主要有：
①意大利Soilmec公司推出的G-100、G-100HD、G-150、G-200和G-250型系列小井眼钻机，是目前世界上惟一的小井眼钻机系列。图3.2.2.3为G-100钻机总成。该系列钻机选用4台隔音柴油机作动力，采用液压驱动形式，利用4台液压马达同时驱动顶驱，充分满足小井眼钻井工艺的需要。钻机用长冲程千斤顶液缸、滑轮组和可伸缩式轻便井架代替常规绞车、游动系统和井架。该钻机可用于钻小井眼井、水平井、斜井和丛式井，还可用于修井作业，目前已取得美国专利和国际专利权。美国专利号：US 5375667；国际专利号：92121752-T094A000489-T095A000164。新系列小井眼钻机技术参数及使用情况见表3.2.2.2、表3.2.2.3。
表3.2.2.2 Soilmec公司新型小井眼钻机系列技术参数
表3.2.2.3 Soilmec公司新型小井眼钻机系统使用情况
正常条件下，一口2300～3000m井，需190h．
顶驱钻井
钻机大班人员4人，即钻井领班、柴油机司机、
电工和勤杂工每个钻井班需要司钻、副司钻和井架工各1名
钻井统计结果表明，与常规大直径钻杆钻井相比，小井眼钻机钻井总成本下降24％，钻井和钻机移运时间减少30％，每口井的非生产时间从450h下降到120h；Soilmec公司认为，用G系列小井眼钻机钻井，节省钻井总成本最多可达40％
Soilmec公司小井眼钻机优点：钻井速度快，技术经济指标先进，自动化程度高，工作安全可靠，钻井成本低，移运性好，对环境污染程度小。
②法国钻井承包商Forsol用拖车装钻机W-NApach小井眼钻井取得了成功。这种高度自动化钻机有一个19.5m高的桅杆式井架，一个筒式操作系统和408kW顶部驱动装置，该钻机可钻井深2438m，只需常规钻井1／3的工作人员，整部钻机及井下设备仅15辆卡车便可搬运。1994 年4月法国在巴黎盆地还使用了Foraslim小井眼钻机，其主要技术参数见表3.2.2.4 。
图3.2.2.3 G-100钻机总成
1-伸缩式井架；2-顶部驱动；3-挡砂滚筒；4-液压动力总成；5-液压油罐；6-半拖车；7-具有机械安全锁紧的液压水平千斤；8-钻台液压吊车；9-容器平台；10-钻杆(套管)；11-储存钻铤；12-液压油冷却器；13-鼠洞上的液压卡；14-BOP小车；15-伸缩底座；16-动力大钳；17-值班表
③瑞典石油勘探公司(Microdrill公司)于70年代末到80年代初，在Gotland岛使用装有小型防喷器的Diamc-700小井眼液压钻机钻了207口井径2～3英寸、井深217～2666m的小井眼井，比常规钻井节省费用75％，主要技术参数如表3.2.2.5所示。80年代末，该公司又研制了MD-1500钻机和MD-2000钻机，改进的MD4小井眼钻机重量13t左右，使用螺杆钻具，∮85．7mm井眼可连续取心至3200m。
表3.2.2.5 瑞典微型小井眼钻井主要技术参数
型
号
操作高度/m
提升能力/t
井眼直径/mm
Diamec-700
Diamec-1000
④表1-7为低成本的美制Kenting井眼钻机性能参数
表1-7 美制Kenting井眼钻机性能参数表
额定钻深/m
井场面积/m²
系统/m³
Kenting
⑤Amoco公司和Nabor公司小井眼石油钻机。Amoco公司和Nabor公司共同研究开发了Rigl70型小井眼石油钻机，它最主要的特点是钻机上配有数控系统(DCS)和专家井控系统(XWC)。DCS系统收集钻机上液压传感器、压力差传感器、应变仪、位置传感器、磁性流量仪、热电偶转速仪、钻井液池液面高度传感器、温度传感器的数据，该系统还包括数据收集计算机和监测器、司钻控制台、司钻监测器、人机联作系统数据控制软件。专家井控系统包括阿莫科公司处理数据控制系统中数据的专利软件，这套井控专家系统能够判断是否发生了井涌．是否通知司钻，以便司钻可以采取合适的井控措施，如果司钻在预定的时间段(10s)中没有作出反应，井控专家系统会自动采取井控措施。井控专家系统也可以随时停用，以便完全由司钻进行控制。
主要技术参数及结构特点：大钩载荷975kN，绞车功率350kW，钻井泵功率165kW，井架高26.2m，全液压驱动，钻井液净化系统为清洁器和离心机。自动送钻装置是一个承载能力725kN的液缸，固定在井架上面，送钻性能较好。采用两挡速顶驱和计算机井控装置。设计制造的岩心搬运机，可进行连续取心作业。
优点：试验证明，钻机和钻井成本均较低，环境污染少，钻井性能好。
⑥欧共体小井眼石油钻机。欧共体Thermie规划Euroslim项目，为降低成本和减少环境污染，使用小井眼钻井开发油田，同时研究开发了小井眼石油钻机。
主要技术参数及结构特点：大钩载荷1000kN，绞车功率600kW，采用顶驱钻井，最高转速600r／min。采用SH111、SH66高强度钻杆，配备了取心装置、录井和测井装置、井涌监测仪和报警系统。
优点：在不同地理环境和不同地质条件钻井，环境污染最低。
⑦英国钻井设备公司研制的小井眼钻机，采用液力驱动，大钩载荷980kN，钻深能力3000m，配有新式钻杆排放系统和先进检测仪器，既可钻井又可取心．只需3名钻工。
3. 2.3
小井眼钻井的钻头
①牙轮钻头。
早期小井眼钻井，一般使用小尺寸牙轮钻头。但其不适应高转速，钻头轴承磨损快，进尺少，寿命短，为此，国外采用改进的钨合金镶齿(TCI)牙轮钻头，如：美国贝克休斯公司研制出的能适应转速为200r／min的98.4mm牙轮钻头，具有较厚的锥形外壳和直径较小的轮轴，具有较高的锁紧能力和转速能力，钻头长度由常规的146mm减小到12lmm，增强了侧钻能力，减小了井底钻具弯曲时钻头损坏程度，寿命增加了30％一40％。
②单牙轮钻头。
主要通过增加牙轮钻头轴承直径，增加钻头寿命。阿曼油田在水平井中(中硬地层)使用IADC437单牙轮钻头，水平钻进平均机械钻速达60ft／h。加拿大使用的4 1/8 ln IADC637单牙轮钻头钻研磨性硬砂岩，16.25h内钻进105ft，相当于2只IADC737三牙轮钻头的总进尺。从目前发展情况，单牙轮钻头将会成为一种适用于在各种各样的地层中钻小井眼的低成本高效率的钻井工具。
③金刚石钻头。
60年代以后，许多钻井承包商发现使用PDC聚晶金刚石钻头配合液力加压器和井下马达，钻头寿命是同尺寸牙轮钻头的4.6倍。于是金刚石钻头以其使用时间长、进尺多、机械钻速高、不易出井下事故，逐步被人们采纳。尤其在小于∮152.4mm的井眼全面钻进中。牙轮钻头巳逐渐被金刚石钻头所取代。以DBS公司、克里斯坦森公司等为代表的公司，专门研制了抗偏转的小尺寸PDC钻头、热稳定聚晶金刚石钻头(TSP钻头)和天然金刚石钻头。这三种钻头能适应高转速，可用于连续取心和与螺杆钻具配合使用，能减轻钻头在钻进过程中产生的强烈振动，提高钻井效率。新型的PDC聚晶金刚石钻头和TSD金刚石钻头，对深层、中硬地层钻井及扩眼效果很好，在降低扭矩、钻头冷却方面比普通的PDC和TSD钻头效果好。穹形设计的金刚石钻头，在耐磨结构上更紧凑，更适用于较硬岩石。壳牌公司经验表明，采用小型聚晶金刚石钻头不重要阻制钻压。Amoco公司开发出了避免小型聚晶金刚石过早损坏的抗涡旋转钻头，在穿透能力方面取得了突破性进展。小型聚晶金刚石将成为小井眼技术的一个发展方向。
④混合型PDC／TSP钻头。
美国Maurer工程公司为美国能源部研制了一种混合型PDC／TSP高效钻头，PDC切削齿置于齿前排上，以高速度钻软地层，而TSP切削齿置于PDC切削齿的后排，用于钻那些通常会损坏PDC切削齿的硬夹层。该钻头在特定的大功率马达带动下能有效破岩，试验中在低强度地层钻速为100～150ft／h，在密西西比灰岩地层钻速为1～12ft／h。
⑤小井眼连续取心钻头。
在连续取心作业中，1000～300Om的井，59％使用金刚石取心钻头，目前国外1000m以上的井眼井段多用连续取心钻头。硬质合金钻头应用于小井眼取心还在继续研究，这种钻头成本低廉。BP公司一直用聚晶金刚石和tripdax设计取心钻头来改进小井眼的取心性能和钻进速度。国外还研制丁能提高取心质量的双体钻头，这种钻头可通过绳索打捞器，改变钻头塞而改变钻头性能，使钻头可进行全面钻进或取心钻进。
3. 2.4
井下马达系统
目前国外已有高、中、低三种转速(500～1000r／min)和多种直径(38.1～171.5mm)的小井眼井下马达，其抗高温性能已经超过了200℃。为了解决钻柱振动问题，以便将更多的能量传递到钻头上，提高钻进效率，同时还配套使用了井下液力加压器，使得钻头寿命更长，在许多地层钻进都比转盘钻进快3～5倍，钻井成本可降低50％～70％。该系统也常与连续油管钻机配合使用。
美国Maurer工程公司为美国能源部研制的大功率小井眼泥浆马达．输出功率和转速是常规泥浆马达的2倍，所研制的3 3/8 in小井眼泥浆马达．输出功率为73马力，而常规泥浆马达的输出功率仅28马力。使用这种大功率泥浆马达时，只要钻机配备的泥浆泵能够输出该泥浆马达所需的高循环压力，配合PDC/TSP高效钻头，能使钻速提高2倍。
Anadrill Schlumberger公司和Shell U.K研究开发机构开发了一套仪表化的井下导向马达以提高地质导向的效果。该工具是在动力端和轴承外壳之间插入一个带近钻头传感器短节的常规螺杆导向钻具。这个短节包含近钻头传感器、电路、动力源和电磁遥测系统。该马达将钻井和层评价测量相结合，可进行井斜、马达转速、温度、伽玛射线和两个电阻率测量。仪表化马达具有一个双弯弯外壳系统，其中固定弯外壳被直接安置在马达轴承端的上部，而地面可调弯外壳被装在传感器短节和马达的动力端之间。设计这种固定和可调弯外壳系统组合可使钻具具有多种造斜率，最大可超过15°/100ft。
3. 2.5 小井眼钻井的连续取心
小井眼连续取心技术源于矿业连续取心技术，实质上就是绳索式取心。现在已经能在104.8mm或更小的井眼中取心，并采用钻柱抗振技术来提高岩心收获率。Amoco是最早采用薄壁钻杆和电缆可回收岩心筒连续取心钻井系统的。该系统采用顶部驱动旋转外平钻杆，得到的连续岩心可达12.19m长，在开发井中平均取心收获率达98.3％。图1-8为Amoco公司小井眼取心井下钻具组合。一般来说，小井眼连续取心装备包括取心钻机、取心钻杆、取心钻头、岩心筒和其他所需工具。
①钢丝绳连续取心钻机。钢丝绳连续取心钻机比油田使用的同样钻深能力的钻机轻、小、结构简单，不用常规岩心筒而用绳索式岩心筒，能够连续取心，克服常规石油钻机和常规岩心取心筒取心时需频繁起下钻的缺点。这类钻机既能全面钻进又能进行连续取心。
②取心钻杆。一种薄壁无缝钢管，机械强度没有同直径的常规钻杆大，外径小、长度短、重量轻，具有外平内加厚接头，由于环空间隙很窄，这种钻杆在裸眼井中可作为可取回式技术套管使用，甚至作为永久性套管固井，然后用直径更小的矿业取心钻杆继续取心。
③取心钻头。小井眼连续取心作业中要保持较高的钻速，应选择适合低钻压、高转速的天然金刚石取心钻头、TSD取心钻头或PDC取心钻头。天然金刚石取心钻头又分为孕镶和表镶两种。取心钻头的切削面很窄一般只有38.1～25.4mm 。Total公司为149.225mm、107.95mm和76.2mm井眼选择的钻头转速分别为350、450～500和600r/min。
④取心岩心筒。连续取心筒与常规岩心筒一样，也由内筒和外筒组成。但与常规岩心筒不同的是，其内筒可以用钢丝绳打捞筒取出来，再将另一个内筒投入钻柱继续取心。为防止起出内筒时发生抽汲作用，通常是一边起内筒，同时一边向钻柱内泵送泥浆。连续取心岩心筒及其内筒和单筒岩心的长度一般为3、6、9、12、13.5、15m，最长的达27m。
⑤整体式取心马达。整体式取心马达可进一步提高收获率，因为在取心作业中，防止了内筒的旋转，横向振动的减少使岩心能平稳地进入内筒。外岩心简是由一个直接连在其顶部的井下钻井液马达驱动。
为了保证小井眼钻井的安全，国外已改进和完善了小井眼井控防喷装置和除气器，研制出了先进的以探测进、出井钻井液流量为基础和以声波反射原理为基础的地层溢流检测系统，国外的井控装备有：全封、半封闸板防喷器和钻柱内防喷工具、动平衡压井所需除气装置和管汇，并储备有性能良好的重泥浆。Amoco公司开发了小井眼井控专家系统(图1-10)，利用计算机进行现场连续监测。此外Smedving公司研制了“Gas Kick Detect”系统，Baker Huges INTEQ公司研制了“Kick Detect”系统等。Shell公司的井涌早期检测系统能测出163升的侵入量。
３.３ 连续管钻井
3.3.1 连续管钻井的概念
连续管钻井(Coiled Tubing Drilling，简称CTD)是一种采用连续管完成钻井的技术。它的发展和应用始于二十世纪90年代初，是一项新技术。连续管钻井按钻井的类型可分为定向重钻和直井钻井两类，按工艺方式分为欠平衡钻井、近平衡钻井和过平衡钻井三种。
1．连续管钻井的优点
1）井场占地小，适合于地面条件受限制的地区或海上平台作业；
2）特别适用于小井眼钻井；
3）在老井重钻(加深钻或侧钻)作业中，因连续管管径小，可进行过油管作业，而且无需取出老井中的现有生产设备，可实现边钻边采的目的；
4）可安全地进行欠平衡钻井作业，其最大的优势是可以确保井下始终处于欠平衡状态，减少泥浆漏失，防止地层伤害的发生；
5）小井眼钻井可以减了硬件和人力需求，降低作业成本。根据国外的经验，与常规钻井或修井设备相比，连续管钻井可以节约费用25％（挪威北海Ula油田）至40％（ARCO阿拉斯加公司在普鲁德霍湾）。在钻机动迁费高的地区，连续管无钻机过油管重钻甚至比常规重钻节约50％以上的成本；
6) 连续管不需接单根可以实现连续循环泥浆，减少起下钻时间和作业周期，提高起下钻速度和作业安全性，避免因接单根可能引起的井喷和卡钻事故；
7) 连续管内置电缆后可改善信号的随钻传输，实现随钻测井，有利于实现闭环钻井；
8) 最小限度地冲蚀地层，可以得到良好的录井质量(连续进行，无接管)；
2．连续管钻井的缺点
1）必须借助常规钻机或修井机才能下入长段套管；
2）连续管作业装置钻井前，需要借助常规钻机或修井机做下井前的准备工作；
3）连续管不能旋转，因而增加了卡钻的可能性；
4）需要频繁起下钻以更换井下钻具组合或调整马达的弯曲角度。结果是连续管过早疲劳，降低使用寿命；
5）因直径小而限制了井眼尺寸和泥浆排量；
6）钻压、转矩、水力参数和井下钻具组合受到限制，可能出现螺杆钻具故障、压差卡钻、钻压传递和钻头泥包等问题；
7）庞大的滚筒不易运输和提升。
3.3.2连续管的应用
连续管作业技术应用最初开始于二十世纪60年代，90年代开始向更多的领域推广应用。随着常规作业项目稳步发展，新开发的作业项目迅速增加（图1）。从图中可以看出，作为主要常规作业项目的连续管注氮、洗井和注酸共占连续管作业量的75%，其中仅洗井一项就占了58%。
（1）连续管钻井的应用范围
① 软地层小井眼直井；
② 水平井欠平衡重钻井；
③ 在不用永久性安装钻井设备的海上平台或浮动生产设施上钻井；
④ 在31/2 in (88.9mm)或更大直径油管中过油管钻井；
⑤ 加深井钻井；
⑥ 探井；
⑦ 浅层气救援井(降压井)；
⑧ 浅层气无基座钻井；
⑨ 郊区或环境敏感区(降低噪音、场地限制、防止漫溅、光学干扰)钻井；
⑩ 老井重入、边远地区勘探、边际油田开发。
（2） 连续管钻井的应用条件
进行连续管钻井必须至少具备以下几个条件：
① 配套设备必须齐全，连续管车、制氮车、井下工具组合、随钻测量工具、连续管、注入头等必不可缺；
② 富有经验的操作队伍；
③ 加强同服务公司的合作是油气田成功进行连续管钻井的基础。
3.3.3连续管钻机
1、连续管钻机的基本构成及其用途
（1）连续管注入头
注入头是一套液压驱动装置，在下入连续管时，它提供向下的推力，推动连续管下井；在提升连续管时，它提供拉力，将连续管从井中取出来。连续管的运移速度可以在0至61m/min之间任意调节。
注入头的关键部分是链条牵引总成。由液压驱动的反向旋转双链条夹持牵引式油管起下机构。
（2）连续管滚筒
带有均绕机构，用以均匀地缠绕连续管。滚筒所能缠绕连续管的长度和连续管直径的大小主要取决于滚筒的外径、滚筒的宽度、滚筒筒芯的直径、运输设备及公路的承载能力的要求等。
（3）液压动力装置
为注入头提供液压动力。
（4）控制室
为操作人员提供监控注入头、滚筒、防喷器等设备的场所。
（5）注入头支架
用于承受连续管在起下作业时注入头上所产生的载荷，防止弯曲力矩由注入头转移到防喷器和套管法兰上。
（6）防喷器
井控系统主要由防喷器组、节流管汇及遥控系统、气液分离器和油水分离器组成。连续管防喷器是一套防喷器组，它由全封闭式闸板，剪切式闸板，带卡瓦闸板和连续管闸板防喷器组成。防喷器是连续管作业不可缺少的功能和安全设备，整套连续管装置全部由液压传动控制和操作。用连续管作业装置进行欠平衡钻井时，通常要安装两组防喷器，一组是连续管防喷器，另一组是井下钻具组合防喷器。
（7）钻井液循环系统
实质上，凡是不损坏泥浆马达橡胶定子的泥浆，都能用于连续管钻井。因为井径小，钻井液容量少，所以钻井液循环系统的容积比常规钻井所要求的容积小。固控设备也包括振动筛、除砂器、除泥器和离心机。泥浆泵的功率应满足井下泥浆马达和清洗井眼的要求。因钻井液必须通过整个连续管柱才能泵到井底，卷在滚筒上的那部分连续管中的压力损失较大，选择泵压时必须考虑到这一点。
（8）连续管钻机的地面结构
作业时，连续管经滚筒、注入头导向架进入注入头的链条牵引总成，后经橡胶刮泥器、防喷器组进入井口装置。连续管钻机流程如图所示。目前连续管钻机的标准结构形式有将连续管系统装置安装在拖车上的、卡车上的以及滑撬式等多种结构型式。车装式还可带有注入头举升架，可对连续管钻机进行方便地操作和定位。
新型的Transocean Ensign钻井连续管装置将连续管滚筒放置在注入头的上方，在连续管作业时省去了注入头上的导向架，消除了因导向架引起的连续管疲劳破坏，因此能大大提高连续管的使用寿命。
2. 新型混合（两用）连续管钻机
这种钻机既可以使用连续管又可以使用钻杆。在使用钻杆钻井方式时，这种钻机只能下入和起出一根钻杆（不能以立根方式起出和下入），而且要使用动力水龙头来驱动钻机旋转。随着短半径连续管井下钻具组合的发展，将克服连续管钻井对常规钻机的需求，其原因是混合钻机将能代替那些能在盐层下面的储层顶部侧钻的各种尺寸和短半径井底具组合。
混合连续管系统（HCTS）是将连续管注入头、连续管滚筒、动力装置与带有桅杆的可移动式井架结合在一起。该结构形式既能用连续管作业，也可适用普通的油管或钻杆作业，具有较大的灵活性。Tuboscope’s CT/PC集团公司、Transocean Ensign Drilling、贝克休斯公司和阿科公司都开发和使用了混合连续管作业系统。
混合系统的连续管注入头工作拉力为80000lb，强行下入能力为40000lb，适用连续管的最大外径为31/2 in，井架的最大工作空间为55ft，最大钩载为120000lb。井架的主要用途是提升普通油管，下入小直径衬管及钻井和完井工具。
连续管滚筒的几何尺寸：滚筒外径180in，筒芯直径100in，宽度76in；当连续管直径为2in时，连续管最大长度为21400ft；当连续管直径为23/8 in时，油管最大长度为15100ft；当连续管直径为27/8 in时，连续管最大长度为10200ft；当连续管直径31/2in时，连续管最大长度为6800ft。
在深井的高压和高温环境中，存在钻杆刺漏和钻杆损坏的可能性。利用连续管可取得巨大的经济效益。目前连续管主要用于侧钻，但在钻新井时也可以取得很好的效益。
图3-3为连续管钻井系统，可与井下马达钻井系统配合使用，提高起下钻速度，并维持井下马达起下井眼时的连续循环。
图 3 – 3
4. 结束语
石油钻井方法经过长期的发展更新，目前已经基本成熟，人工挖井、顿钻钻井已经被彻底淘汰；旋转钻井仍是当今钻井主旋律，在今后的一段时内它也将起到重要作用，它的各种机械设备也将更加先进和成熟，以次适应复杂的井底情况；激光钻井是一项新技术，它可能会改变整个钻井概念．对我国来说，这既是挑战，又是机遇．尽管我国尚未见这方面的研究，但国外也只是在探索，我们应积极地迎接这一变化，尽早开展研究，在新的钻井技术发展中走在世界的前列。小井眼钻井与国外相比，国内缺乏配套的设备及工具，限制了小井眼钻井技术在国内的发展。目前已开发研制的小井眼工具多应用于6"井眼，规格型号单一，同时还存在着后期作业工具与小井眼钻井工具不配套的情况，建议加强小井眼钻采一体化配套工具的研制。国内石油企业应加快小井眼装备及配套工具的发展与应用，从降低钻井作业成本、提高钻速的角度考虑，建议加快小井眼钻机的改进与研制及高转速小井眼钻头的研究。
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重庆科技学院
