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作者： 来源： 发布时间：2018/2/11 16:12:47  点击数：403

早在70年代中期，世界石油能源危机的出现，使广大石油科技人员警觉到不可再生的地下油气资源耗尽的日子可能已为期不远了，因而开始重视那些更深、更小、更复杂、勘探开发难度更大的构造。 因此， 发展新的钻采工艺技术就成为一项十分迫切的任务。 然而， 长期以来， 在石油机械行业如何推动钻采工艺技术发展的技术路线上， 一直存在着重地面设备， 轻井下钻采工具(不包括钻头)的倾向。 在人类进入新世纪之际， 有必要从战略的高度对此进行反思。
1 大力发展井下钻采作业系统的必要性
1.1 井下钻采工具技术的发展
以40年代产生的涡轮钻具以及随后出现的螺杆钻具为代表的井下动力钻具的问世，打破了传统的旋转钻井方式一统天下的局面。并为发展定向钻井技术提供了有力的手段。而定向钻井技术的进一步发展导致了80年代各种井下动力钻具导向钻井系统迅速发展的局面的形成，从而又使钻井技术取得新的重大突破，在全世界钻成了大量的定向井、分支井、多底井、水平井和大位移井。这种运用自如地“入地”技术，甚至使航天领域的科技人员都大为赞叹！而且，这些先进钻井技术的应用已远远超出了传统的钻井领域，迅速地扩展到修井、增产、热采等技术领域。
30年代出现的水力活塞泵以及随后产生的电动潜油泵、喷射泵等各种井下无杆泵，突破了采油行业中长期只采用“三抽”式的传统采油方式，并扩大了机械采油方式应用的领域，从而使深井、超深井和大斜度井等各种复杂井况的油井开采成为可能。
自从60年代初，连续油管引入油井作业以后，由于它改变了传统的作业方式，使油田酝酿着一场技术革命。特别是进入90年代以来，连续油管作业技术飞速发展，其应用范围几乎扩展到石油行业上游的各个部门。除了所有的常规修井作业之外，目前已广泛应用于完井、测井、增产、管道集输以及用作生产油管等20多种作业。而且，近些年来，它用在钻井作业方面，已从对老井眼加深或侧钻以及小井眼钻井发展到欠平衡钻井、水平井钻井。目前，应用连续油管技术的最大钻井深度已达6 900 m［1］。有人预言，在不久的将来，连续油管钻井将成为钻井领域的主流，最终将在石油工业引发一场技术革命，导致以连续油管作业机取代钻机。
1.2 21世纪井下钻采工具将发挥更加重要的作用
21世纪将是知识经济的时代，知识经济是重视创新的经济。只有创新，才能取得经济上的大发展，在知识经济社会中，知识创新和技术创新的地位将提高到前所未有的高度。这就意味着一切工业技术都将面临技术变革加速和成果扩散速率加快的挑战。据统计，目前国际上处于前导公司的技术淘汰的比率每年达30%。而随着技术的发展，各种新概念、新产品的比率都按指数规律急剧增长，而且新技术也会很快地大面积扩散，因此，企业再也不能只依靠某项技术或“拳头”产品以长期保持竞争优势，而必须不断进行技术创新和技术升级。特别是要大力发展自主的创新技术，要努力拥有自己的知识产权。在21世纪，技术创新将是企业竞争的焦点。面对这种挑战，井下钻采工具在发展自主的钻采工艺技术中具有独特的作用。
a) 钻采工艺技术面对的对象是井下系统(从井筒到地层)。这种对象的特点是井眼小，地层深，井下条件复杂，而且看不见，只有井下钻采工具才能最接近工作的对象。因此，要想用新的钻采工艺技术对井下系统进行精细作业，只有依靠井下钻采工具。如，可实现井下增压，从而使高压喷射钻井技术发展为超高压喷射钻井技术成为可能的井下增压器和可在井下实现油、水分离的井下油水分离器。
b) 与地面设备相比，井下钻采工具体积小、结构组成简单，与工艺联系更紧密。因而它的技术更新也更加方便、迅速。而相比之下，地面设备庞大、复杂，它的变革相当缓慢，难以适应知识经济对加速技术变革的要求。
总之，发展先进的钻采工艺技术的需求，引发了新的井下钻采工具的产生，而新的钻采工艺技术的实施，也必须依靠性能优良、工作可靠的井下钻采工具，而且后者的创新又将反过来进一步促进钻采工艺技术的变革。
2 美国能源部发展井下钻采作业系统简况
1999-02，美国能源部天然气与石油技术办公室公布了石油天然气研究开发与推广计划，制定该计划的总目标是：确保获得有价格竞争优势的石油和天然气，为美国的经济发展服务。制定该计划的原则是：满足石油公司对新技术的需求，最大限度地开发利用国内油气资源，并重视保护生态环境。在该计划具体内容中的几个部分都提到了各种井下钻采作业系统。下面重点介绍与“先进的钻井、完井与增产系统”内容有关的开发技术项目。
2.1 导向空气冲击钻井系统
这是smith international公司正在开发的一种新的钻井系统，用于水平井的弯曲井段钻进时，其钻速可望达到常规钻井系统的2倍多，而用于钻含大量天然气资源的深层硬储层时，可提高钻井效率，降低钻井成本。此系统的关键是开发和研制一种震击钻井工具，这种工具带有弯接头，可用于方向控制，而且将采用泥浆脉冲遥测技术对工具进行导向，实现传送定向控制数据。
2.2 泥浆冲击锤钻井系统
这是由novatek公司正在开发和研制的一种先进的泥浆冲击锤钻井系统。包括用于转动冲击锤的旋转叶轮的液马达，用于钻硬地层和半软地层(或夹有极硬夹层的软地层)的冲击锤或旋转钻头。采用新型的定向控制方法——高压射流辅助定向控制。此外，还有可能将流体的能量转换成电能，为井下测量仪器供电的整体式电机，随钻下套管系统和随钻地震系统，这将是一种可提高钻速、显著降低成本的“聪明”钻井系统。
2.3 大功率小井眼钻井系统
这是一种包括小尺寸井下马达(4～5级)和混合式tsp/pdc钻头的泥浆马达钻井系统。
2.4 高压连续软管钻井系统
这是由maurer engineering及其行业顾问委员会(包括arco、bj服务公司、 dowell schlumberger、halliburton、marathon及stewart and stevenson)正在设计和开发的一种先进的钻井系统，通过连续软管实现高压射流辅助钻井，以提高连续软管钻井系统的利用率，并可降低成本。
2.5 超小尺寸和微型钻井系统
los alamos国家实验室正在分析和模拟研究与连续油管欠平衡定向钻井系统相匹配的超小尺寸和微型钻井系统。
3 大力发展井下钻采作业系统的几点建议
3.1 转变观念
不仅要转变“重地面设备、轻井下钻采工具”的传统观念, 而且更要扩展“井下钻采工具”的传统概念，即现代化的井下钻采作业系统不应再局限于简单的和单纯的机械工具或器具，而其主流应是小型机械和小型机电系统，甚至是机、电、液、声、光系统。其基本组成是小型仪器如传感器和操作与控制系统。为此，建议将“井下钻采工具”这个术语改为“井下钻采作业系统”(简称井下作业系统)。其主要特征是:
a) 小型化 。
b) 集成化 广义的集成化是指硬件技术和软件技术的集成优化。而狭义的集成化就是机电一体化(mechatronics)。后者一般包括机械部分、信息处理部分和传感器部分。
c) 智能化 如美国anadrill-schlumberger公司研究的以人工智能为基础的自动化(闭环)钻井系统中进行井下过程控制的“智能”井下工具，它利用专家的知识，使计算机模仿专家的思维和理解能力，解决导向钻井系统中的自动控制问题。
d) 个性化、多样化 要为各种用户为达到特定的目的和满足特定环境与工况下的使用要求而生产各种个性化的产品。
3.2 积极引进相关技术领域的高新技术
a) 新材料。
b) 传感器技术 特别是“一器多感”技术。
c) 智能化技术 包括信息处理技术和智能控制技术。
此外，机械制造领域和传动技术领域中的高新技术也应积极引进。
我们深信，只要石油机械行业广大科技工作者和钻井、采油等领域的科技人员密切配合，重视和大力发展井下钻采作业系统，并坚持以它的创新来推动钻采工艺技术创新的发展战略，必将大大促进我国的钻采工艺技术的发展，并在油田开发中发挥更加重大的作用，从而使我国的石油工业在新世纪全球化的知识经济中具有更强的竞争力。

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