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案例:“金钢钻”揽下“瓷器活”

  随着国内几大油田进入开发中后期,如何提高老油田开采效果成为横亘在科技人员面前的一道难题。胜利油田钻井工艺研究院(简称胜利钻井院)以解决石油工程技术难题、推动油田发展为己任,牢记行业责任,勇于创新,敢于担当,经过40年的不断探索,已发展成为一所集科研、设计、制造、服务为一体的专业化、开放型、综合性石油工程技术研发服务单位,成为胜利钻井的强动力和我国石油工程行业名副其实的“金刚钻”。40年来,先后承担局级以上科技项目800多项,荣获局级以上科技奖638项,其中国家发明奖、技术进步奖24项,省部级科技进步奖125项,获得授权专利452件,这些发明专利切实地解决了我国石油工业面临的工程技术难题,为推动我国石油工业的发展作出了重要贡献。

  让钻头长眼跟着油藏“走”

  在黄河入海口南侧有一条向海洋延伸的人工道,道路尽头的一个“小岛”上,整齐地排列着一排排高大的海油陆采丛式井组。这就是著名的垦东12海油陆采丛式井组。垦东12海油陆采工程是钻井院复杂结构井钻井技术应用的一个典范。

  丛式井在海油陆采中有着得天独厚的优势。因为,海上油气生产受到钻井平台面积和移动困难的限制,与陆地相比,打井难度极大。如何既能把海底油气成功开采出来,又能实现海上油田经济高效开采,正是这样的需求催生了这种井组的诞生。

  而在这个平台上分布着114口油井。在这么狭小的平台上打出100多口井,钻井的时候既要防止发生碰撞,又得避让之前的其他油井,还要准确打到油层里,这对钻井工程技术无疑是一大挑战。2004年12月,钻井院研制出有自主知识产权的随钻测量仪(LWD),它能够在钻井过程中实时传输伽玛和电阻率等地质参数。地质和现场工程师看着这些参数形成的曲线,就能知道钻头钻遇和将要钻遇的地下情况,然后“指挥”着钻头沿着最佳油层目标钻进。

  地质导向钻井技术是随钻测控技术中的一种高端技术,又叫近钻头地质导向技术,就是把航天技术用到了地下,给钻头装上了“眼睛”,让钻头跟着石油“走”。

  地质导向钻井让目标不再固定不变,而是根据油层的位置随时调整,由根据预测确定的固定“几何靶”变成了实际的不确定“移动靶”;部分测井项目也由原来的完井后进行变为随钻随测,既缩短了钻井周期,又减少部分测井费用。

  地质导向技术的出现,破解了国内钻井工程的技术瓶颈。钻井院这项成果,硬是让仪器向钻头方向移近了约15米,达到了距离钻头0.6米的位置。2013年3月,中国石化召开科技表彰大会,胜利油田钻井院申报的“近钻头地质导向技术”获得2012年中国石化集团公司技术发明一等奖。

  分支井技术比肩国际

  3月11日,胜利钻井院成功应用分支井技术完成河3-支平1井再进入工具及技术服务,不仅保障了我国陆上第一口五级分支井下分支成功投产,而且标志着胜利钻井院分支井技术打破国际垄断,比肩国际先进水平。

  国外主要采用分支井技术提高开采效果。分支井技术是在一个主井眼中钻出多个分支井眼,打一口分支井就相当于打多口直井、多口定向井、多口水平井,可以大大降低钻井成本。多分支井可用于新井和侧钻井,可使井眼在单一油层得到更大延伸或一次联通多个油层,从而达到提高采收率目的。按照复杂性和功能性分级体系,分支井按完井方式规范为6个等级。其中五级以上高级别分支井技术还具有分支井眼连接处机械支撑的完整性、液力密封性能和井眼的选择性再进入性能。

  但是该项技术被国际石油工程巨头垄断,服务价格昂贵。为打破垄断,胜利钻井院自2000年开始攻关分支井钻完井技术。在项目研制过程中,他们通过采取产、学、研为一体的联合协作方式,组建了国内一流的技术研发团队,充分发挥了集石油工程、机电一体化、自动控制和计算机技术等多种学科为一体的整体技术优势,确保了课题高效有序运行。

  自2000年至今,历经10余年的研究探索,钻井院在分支井钻完井技术方面获得了大量的科研成果,形成了一至六级分支井在内的系列分支井技术,研制的系列化分支井工具系统达到了国外同类产品的技术水平,突破了国外在高级别分支井技术领域的垄断;取得的研究成果标志着国内分支井钻完井技术国产化研究工作取得了技术突破,为国内石油钻井行业的高级别分支井钻完井技术的进一步发展奠定了坚实的技术基础,且研究成果在胜利油田得到大规模推广应用。

  其中,2006年国内第一口具有自主知识产权的鱼骨状分支水平井—埕北26B-支平1井在胜利油田设计形成,标志着胜利油田水平井的设计应用走在了国际前沿。该井是中国石化第一口暨胜利油田首口鱼骨状分支水平井,由一个主井眼和四分支井眼构成,四个分支井眼与主井眼之间成鱼骨状分布,该井建成后日产油达105吨,为周围油井的3.3倍。

  2011年6月,钻井院成功完成河3-支平1井施工,标志着我国陆上第一口五级分支井在胜利油田诞生。该井为两个分支,钻探目的是利用高级别分支水平井独有的技术优势,开发胜利油田河3—斜36区块上下两个独立层系,完善区块开发效果,提高产能及采收率,增加分支水平井控制面积,最大限度地提高单井产量。河3—支平1井于2011年4月22日开钻,5月23日第一分支完钻,完钻井深2489米,垂深2116.21米,水平位移472.26米;6月8日第二分支完钻,完钻井深2400米,垂深2067.80米,水平位移476.77米。该井的成功实施标志着我国分支井钻完井技术已达到国际先进水平。

  2012年,钻井院承担的“高级别分支井钻完井技术研究”项目顺利通过中国石化专家组验收。专家组一致认为该项目取得了三点创新,一是六级分支井地面预成形井眼连接总成采用双侧对称地面预压成形和井下双管同时膨胀整形技术,通过室内试验与仿真相结合优选了材料和工艺参数;二是五级分支井井眼连接系统采用榫合结构井下插接的结构设计,实现了整体机械支撑及液力密封性;三是采用再进入导向器和隔离套相互转换的工艺技术实现了选择性再进入作业,并在现场成功应用。

  膨胀管技术破解生产难题

  2012年,胜利钻井院利用自主研发的膨胀套管及其配套钻井技术在塔河油田T816KCH2井中成功完成第三口试验井的膨胀作业。

  多年来,塔河油田Φ177.8mm套管井奥陶系油藏难以利用开窗侧钻水平井进行有效开发,由于开窗后的Φ149.2mm井眼存在两套压力体系,井眼太小无法下入技术套管,后续钻井往往无法实施,因此无法钻达目的层。

  2009年5月,全球知名的国外某膨胀管技术服务公司对该技术难题进行了研究后认为,在近6000米井深的Φ177.8mm套管侧钻井内下入实体膨胀管做技术套管,然后进行数百米水平段钻井是无法实现的。

  2009年8月,西北油田分公司邀请胜利钻井院到乌鲁木齐,就正在钻进的TK234CH的井漏情况进行技术交流。国内外知名的胜利钻井院膨胀管技术专家唐明根据该井的井身结构情况,利用多年来从事钻完井、修井及采油工程的知识与经验,提出了以膨胀套管为核心的钻井技术方案,随后,与设计所、工具所、测控所、钻井所及钻头厂等相关科技人员一起,利用两天的时间完成了TK234CH井从钻井、完井到采油工程的初步方案。该方案应用了大量的新概念、新技术、新仪器及新工具,需要繁琐的科研攻关工作及时间准备,短期内无法在该井实施,以该井为代表的共3口同时钻进的疑难井最终被迫停钻。随后,钻井院成立了以唐明为项目长,钻井所、工具所、测控所、设计所及钻头厂相关科技人员参加的攻关项目组,就井身结构、开窗侧钻、扩眼工具、膨胀套管以及非常规小井眼水平段钻井参数、配套仪器、特种钻杆、螺杆钻、钻头等方面进行全方位科研攻关。

  2011年7月,在乌鲁木齐举行的“中国石化西北油田分公司石油工程技术研讨会”上,唐明发表了《塔河油田Φ177.8mm套管开窗侧钻水平井膨胀管钻井及配套技术可行性分析》一文,受到与会中国石化专家、西北油田分公司领导及国内外技术服务商的高度评价。

  2011年11月,唐明与西北油田分公司开发处、工程处多次协调,最终确定TK6-463CH井为西北油田膨胀套管钻井的第一口试验井。胜利钻井院设计的膨胀套管钻井技术方案在考虑了对后期完井、压裂及采油工程配套等方面影响的基础上,通过了甲方的设计评审。

  2011年12月,为验证膨胀套管在塔河油田Φ177.8mm套管内实施的可行性,唐明建议首先在塔河油田进行膨胀套管补贴修套的技术服务。与胜利井下作业公司大修21队合作,在TK7-456井一次性应用膨胀套管136.8m,使一口因套管损坏而停产的油井恢复高产油流,也为在塔河油田进行更大长度的膨胀套管应用奠定了基础。

  2012年2月,经过近3年的研究及反复论证,西北油田分公司安排塔里木胜利钻井公司60129队搬家至TK6-463CH井,拉开了在塔河油田进行侧钻水平井膨胀套管钻井技术现场试验的序幕。

  膨胀套管技术是用膨胀工具以液压或机械力的方法使井下的管材永久变形,能够在有限的井眼内,提供更大的井眼内径,从而为顺利钻达目的层提供保障。在井深达5500米以上、井斜达50°以上的裸眼井内利用膨胀套管作为技术套管,其抗内外压、螺纹连接强度及密封、内壁耐磨、膨胀工具等各方面性能都将受到更加严格的挑战,国内外没有任何经验可以借鉴。面对这一系列的困难,国外的膨胀管及扩眼服务公司退却了,但胜利钻井院科研人员没有退却。胜利钻井院自2008年开展裸眼井膨胀套管技术应用,从2009年开始,他们组织了无数次方案论证和地面实验,一套成熟的、以膨胀套管技术为核心,包括套管开窗、深井大斜度井扩眼工具、非常规Φ130mm小井眼MWD、特殊钻杆、螺杆钻及钻头等几项前沿钻井技术为支撑的综合钻井技术方案逐渐清晰起来,获得了甲方的认可,进入现场试验阶段。

  2012年4月10日,随着最后一柱钻杆在25MPa压力下从井下的膨胀套管内起出,压力在井下瞬间释放,标志着塔河油田Φ177.8mm套管侧钻井膨胀套管钻井技术首次现场作业成功,为下步向目的层进行水平段钻进打通了一条坚实的通道,使塔河油田Φ177.8mm套管侧钻水平井由之前的“不可能”变为“可能”。此次膨胀套管作业长度437.22米,作业深度5508.04米,创造了Φ177.8mm套管侧钻水平井膨胀套管应用的世界纪录。5月1日,TK6-463CH井二开完钻顺利钻达目的层,膨胀套管钻井技术一举攻克了困扰塔河油田多年的Φ177.8mm套管开窗侧钻水平井钻井难题。胜利钻井院科技人员依靠自己的智慧和具有自主知识产权的钻完井技术,以更加低廉的钻井成本圆满解决了国外石油技术服务商望而却步的难题。

  一口井的成功,并不完全代表技术的可靠性,为了使技术更加成熟,唐明趁热打铁,提出在第二、第三口试验井中运用斜向器开窗和随钻扩眼两项新技术,同时井斜由30°增加到50°,以提高钻井速度,减少钻井周期,节约钻井成本。9月27日,第二口井TK7-640CH膨胀套管作业成功,下入总长度385.7米,下深5578.3米;11月8日,该井二开完钻,顺利钻达6040米的目的层。11月13日,第三口试验井T816KCH2完成膨胀作业,再次刷新Φ139.7mm膨胀套管单次作业长度467.55米和深度5690.68米两项新纪录。

  胜利钻井院自2002年开始对膨胀管技术立项调研及科技攻关,2006年承担国家863计划“膨胀管钻井技术”项目,全面开始膨胀套管钻井、膨胀筛管防砂技术等方面的研究,2008年首次进行裸眼井膨胀套管钻完井试验应用,直到2012年塔河油田3口试验井项目取得圆满成功,胜利钻井院一直引领着国内膨胀管技术的研究和发展方向。

  在塔河油田膨胀套管钻井和修井技术的成功应用,标志着我国自主研发的膨胀套管技术已经具备解决复杂钻井工程难题的能力,技术上已经达到甚至超过国外同类技术产品的水平,体现了胜利钻井院综合技术实力。

  (作者单位:中国石化胜利日报社)


  来源: 作者: 刘文龙 [关闭窗口]

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