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基础知识
第一节 钻井的历史
  • 详细说明
   井,是人类探查地下资源并将它们采出地面的必要通道。钻井,就是围绕井的建设与信息测量而实施的工程。钻井工程在油气田开发中,有着十分重要的地位,在建设一个油气田中,钻井工程往往要占总投资50%以上。一个油气田的开发,往往要打几百口甚至几千口或更多的井。对用于开采、勘探等不同目的的井(如生产 井、注水井、探井、观察井、以及专为用做检查水洗油效果的检查井等)有不同的技术要求,应保证钻出的井对油气层的污染最少,固井质量高,能经受开采几十年长期的各种井下作业的影响。因此改进钻井技术和管理,提高钻井速度,是降低钻井成本的关键。
  人类的钻井活动已有数千年的历史,在漫长的发展历史过程中,一般可归结为四种方式的历史变革,即:1)人工掘井;2)人工冲击钻;3 )机械顿钻(绳索冲击钻);4 )旋转钻井。当今,全世界广泛采用的钻井方式是旋转钻井,已有100多年的发展历史,尤其是用在石油天然气勘探开发中。
  据史书记载,中国的第一口天然气井早在公元前250年在四川成都双流一带凿成;在公元1303年以前,中国陕北延长、延川等地已钻成了油井;公元1521年,中国四川乐山也钻了油井。四川自贡市,是中国古代钻井科技的重要发祥地之一,也是中国古代第五大发明(深钻技术)的摇篮。整个自贡市就是一个古代钻井的大型展览场,树立着高达50~100m各式各样的古钻塔和建于1835年的世界最深的深钻井(井深达1001.42 m),这些古钻井持续不断地生产卤水与天然气长达160多年(1835~1989年),堪称世界之最。
  中国钻井技术传到西方,欧洲主要国家进行了一系列的实地实验,并且创造了以蒸汽机为动力的绳索冲击的钻井方法,最终导致了旋转钻井方法的诞生,并于1901年开始应用于石油工程领域。一般认为机械顿钻 (美国,1859年)是现代石油钻井的开始。 
  1834年,欧洲人把中国钻井技术应用于打盐井,1841年开始用于钻油井;1848年,俄国钻成他们的第一口油井;1859年美国人德拉克(E•H —Drake)上校在宾夕法尼亚州的石油湾地区采用绳索冲击钻井方法钻出第一口具有商业开采价值的油井,井深只有21.64m,普遍被认为是现代石油工业的开始。英国的第一口天然气井于1668年钻成,比中国要晚约1900年。
  英国学者李约瑟( Joseph Needham)博士在其《中国古代科学技术文明史》一书中认为:中国古代钻井技术,对世界石油天然气的勘探与开发技术产生了巨大的启蒙、奠基与推动作用,在国际上领先数百年甚至上千年。他说:“今天在勘探油田时所使用的这种钻深井或凿洞的技术,肯定是中国人的发明,比西方要早1100年”;又说:“中国的卓筒井工艺革新,在11世纪就传入西方,直到公元1900年以前,世界上所有的深井,基本上都是采用中国人创造的方法打成的”。
  然而,在之后的旋转钻井领域,以欧美为代表的西方发达国家一直处于领先地位,而中国显然是落后于人。
1国内钻井科技发展史
按年代可划分为四个阶段:
  1) 古代钻井:公元前~1840年;中国古代钻探技术始于钻凿井盐。
  2) 近代钻井:1841年~1948年;(顿钻)凿井技术,近代使用动力机械钻探石油始于1907年。
  3) 现代钻井:1949年~2000年。我国钻井科技体系逐步建立与完善。
  4) 21 世纪钻井:2001年开始,主要是高压高温钻井技术、深井超深井钻井技术、水平钻井技术、特殊工艺钻井技术、三维可控与可视化钻井技术。
2国外钻井科技发展史
在国际上,以旋转钻井方式为主的发展历史,通常被分为以下四个阶段:
  1) 概念时期 ( 1901~1920年):开始将钻井与洗井结合在一起,并开始使用牙轮钻头和注水泥固井技术。
  2) 发展时期 (1920~1948年):牙轮钻头、固井工艺及钻井液技术进一步发展,同时出现了大功率钻井设备。
  3) 科学化钻井时期 (1948~1969年):钻井柱力学与井斜控制技术;喷射钻井;镶齿滑动密封轴承钻头;低固相、无固相不分散体系钻井液及固井技术;钻井参数优选;地层压力检测、井控技术及平衡压力钻井等。
  4) 自动化钻井时期 ( 1970~21世纪):PDC钻头;计算机应用;特殊工艺钻井技术;综合录井及井下随钻测量;钻井工具与装备的自动化发展等。
3国内外钻井科技发展现状
  1)钻井科技发展现状
  旋转钻井,在20世纪初就已经问世,迄今,它仍作为一种最主要的钻井方式,在全世界被广泛采用。综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30多年的事情(从20世纪70年代开始) 。
  近50年来,我国石油钻井的规模不断扩大,年动用钻机数量由上世纪五十年代初期的8台上升到2000年的700多台,最多曾达上千台;年钻井进尺由不到0.5万米上升到1700万米;年完成井数由几十口上升到1万多口。钻井地域由陆地、沙漠到滩海地区;钻井深度由浅井和中深井发展到深井、超深井;钻井类型由钻探一般的直井、定向井、丛式井发展到钻水平井、大位移井及多分枝井等。特别是改革开放30多年来,我国钻井科技发展很快,钻井生产力大幅度提高, 陆上平均钻井队年进尺由 1979年的8928米上升到1999年的25743米,增长1.88倍;平均机械钻速由1979年的4.31米/小时上升到1999年的11.32米/小时,增长1.63倍。目前,我国的钻井工作量已位居世界第三,仅次于美、俄两国,并且已经掌握了常规的定向井、水平井、老井侧钻、丛式井及深井钻井等系列技术,基本上能满足国内油气勘探开发的一般需求,并且缩小了与国际先进水平的差距。
  2)我国钻井技术与世界先进水平对比的差距
  调研结果显示,我国在深井、超深井(主要是深探井) 钻井方面的装备和技术水平现状 ,与美国相比还存在较大的差距,平均建井周期和钻头使用量约为美国的2倍。
  水平井及复杂结构井的钻井与完井技术,对于东部老油田的“稳定”及提高采收率战略至关重要。然而,我国水平井钻井的规模、质量和效益,与国外先进水平相比仍有较大差距,尤其是在超短半径水平井及侧钻水平井钻井方面,存在的差距更大;我国在复杂结构井(多分枝井等)钻井与完井、连续柔管钻井及套管钻井等方面,目前几乎还处于空白。
  大位移井技术特别有利于滩海及海洋油气资源的勘探与开发,目前我国陆上滩海地区所钻成的“大位移井”,最大水平位移尚未达到3500米(国外已突破万米),在技术和装备上仍存在很大的差距,我国钻井装备的整体状况比较落后,自动化程度更低。
  总之,我国总体的钻井技术水平,与国际先进水平相比还落后约5~10年。