0 引 言

纵观近年来国际钻井技术发展动向，钻井正发生着深刻变化。极端环境下的资源勘探开发极具挑战性，正成为热点和焦点，因此钻井装备与技术的优劣直接影响施工速度、安全和经济效益。材料、通讯和计算机技术的飞速发展、钻井的远程控制和自动化操作使得作业区域不断扩大。目前，我国钻井装备和技术水平与国外先进水平相比尚有很大差距，为实现“十三五”钻井装备与技术发展目标，跟踪世界钻井装备与技术发展动向，相关研究机构及人员应把握世界钻井装备与技术发展脉搏，这对于掌握未来发展领域，调整和优化当前的装备与技术研发方向，提前做好技术储备，缩短与国外的差距，进一步拓展国际市场，实现国际化发展目标具有重要意义。

1 新型钻机 1.1 Aecher模块化钻机^[1]

挪威国家石油公司的Aecher系列最新的VDD400.2模块化钻机(见图 1)专为海上平台研制，与其他模块钻机相比，该钻机更轻便和紧凑，3星期就可完成组装，可进行控压钻井和连续管钻井等作业。

该钻机包括钻台及相关设备、钻井液系统和电力系统。钻机及钻井液系统占地面积14 m×12 m，质量约890 t。钻机桅杆式井架高28 m，钻台质量220 t，可容纳直径63.5～508.0mm的管材150 t。钻机驱动采用齿轮齿条传动系统，最大提升能力3 630 kN，最大加载900 kN，最大提升速度45 m/min；防喷器和井控设备额定压力68.95 MPa；钻井液系统包括4个9.5 t、559 kW的钻井泵，4个98 m³的钻井液罐，2台流量3 410 L/min的振动筛。此外，还包括1个ø950 mm的液压驱动转盘和1个自动下入套管/油管系统。已用Archer钻机在毛伊岛钻了3口开发井，最大井深6 534 m。

1.2 模块化海洋钻机^[2]

WJM公司推出一款2 237 kW的模块化海洋钻机。该钻机由主要钻井装备模块和钻井辅助模块组成。钻井装备模块能完成3×5矩阵15口井的作业，井深可达7 620 m；钻井辅助模块配有1对起重机。由于模块尺寸紧凑，利用起重系统安装极为简便，无需驳船配合。

1.3 快速移动钻机^[3]

美国Veristic公司的快速移动钻机是一种步进式液压钻机，具有便携、快速、灵活和安全等特点，其液压系统能使钻机稳定、可靠、精确地移动和举升。钻机提升能力1 089 t，可钻丛式水平井和大位移井。移动系统能使钻机在8个方向移动，速度达0.2 m/min，可实现钻机整体从一口井移至下一口井，缩短了钻机搬迁时间。

美国西南能源公司使用该钻机在Fayetteville页岩气区完成了5口丛式水平井组的井工厂钻井作业。快速移动钻机与传统钻机的经济性对比如表 1所示。

1.4 理想钻机^[4]

National Oilwell Varco公司针对当今钻井施工中的诸多挑战，创新开发出理想钻机系列。该理想钻机的模块化设计融入了诸多创新理念(如钢趾移动系统)，大幅提高了钻机的现场机动性能，缩短了钻机停工时间。

该钻机的技术关键：①优异的钻井施工能力；②能一次性自行运移36.6 m；③安装和拆卸省略了钢丝绳，大大提高了安全性；④钻台高度7.3 m；⑤双重控制系统；⑥采用TDS-11SH型顶部驱动装置和ST-100型铁钻工，功率和扭矩大幅提高。

2 新型钻头 2.1 两级双径PDC钻头^[5]

道达尔公司研制出两级双径PDC钻头(见图 2)及其配套的低速高扭矩马达，为在Shetland火山岩地层(厚度达80 m，主要由玄武岩、凝灰岩、粘土岩和砂岩混层组成)钻进提供了新的解决方案。

该钻头是同心两级钻头，由先导段和扩眼段2部分组成，距离只有几英尺，钻头与井壁的接触面积加大可有效减小钻柱的振动，避免了常规双径钻头不稳定的问题，且无需调整BHA。

现场测试钻头采用ø16 mm切割齿，在ø311.2mm井眼钻进井段2 407~3 437 m，平均机械钻速达11.3 m/h，创造了该区块机械钻速纪录，节约钻井时间5 d。该井段火山岩厚度67 m，钻遇玄武岩时，监测到钻头附近有较大的横向振动，但ø203.2 mm钻铤附近振动相对较小，在其他地层的振动也很小。

2.2 新型混合式钻头^[6]

斯伦贝谢史密斯公司推出的新型混合式钻头兼具剪切和研磨2种破岩机理(见图 3)。钻进时，首先是PDC切削齿剪切破碎岩石，严重磨损后，采用金刚石混合孕镶块高转速研磨破碎岩石继续钻进。与传统PDC钻头和TCI牙轮钻头相比，该钻头配合涡轮钻具可显著减少起下钻次数，提高机械钻速，改善井眼质量。

在墨西哥南部Terra油田Terra21井ø215.9mm(8 1/2 in)井眼4 522.92～4 900.87 m白垩系地层含燧石井段使用1只新型混合式钻头。由于更换涡轮钻具，所以进行了2次起下钻，平均机械钻速高达2.24 m/h，而邻井Terra3井使用旋转导向系统进行了3次起下钻，使用2只PDC钻头和1只TCI牙轮钻头，平均机械钻速1.74 m/h，比Terra 21井低28.7%。

2.3 双倒角PDC切削齿Kymera^TM钻头^[7]

贝克休斯公司开发出了双倒角PDC切削齿Kymera^TM钻头(见图 4)。该钻头采用双倒角结构设计，增加了1条脊线，并将所受压力分散到更大的面积上，增强了切削齿在研磨性地层或受到冲击载荷时碎裂掉齿失效的抗力，大大延长了钻头使用寿命。试验结果表明，采用双斜面PDC切削齿的钻头反扭矩更小，切割产生的岩屑更细，井眼清洁也更容易。

在英国北海油田钻1个ø444.5 mm(17 1/2 in)分支井眼，井眼下段夹杂有石灰岩。刚开始使用普通PDC钻头，在含有石灰岩夹层的下段，机械钻速低至5.0 m/h，预计钻穿整段需要24 h左右。贝克休斯公司的工程师决定采用新型Kymera^TM钻头，该钻头共钻进828 m，平均机械钻速23.3 m/h。钻头从井下取出后磨损评级为1-1，所有的双倒角PDC切削齿都没有发生崩裂与掉齿现象。

2.4 Pexus^TM混合式钻头^[8]

在顶部为碎屑岩、底部为软砂岩和页岩的地层中，钻头选择非常困难，因为碎屑岩会对PDC钻头造成严重破坏，而在底部使用牙轮钻头会导致钻井效率下降。为此，Shear公司推出了两级切削结构的Pexus^TM混合式钻头(见图 5)。第1级为可旋转的硬质合金切削齿，其材质类似于牙轮钻头的硬质合金齿，突出于钻头表面，可用于钻穿上部地层碎屑岩井段；第2级主要为PDC 切削齿，钻穿上部井段后，这些内部的PDC切削齿将会发挥作用，钻穿软夹层。

2015年3月，在加拿大Fort McMurray油田用Pexus^TM混合式钻头钻穿一个非常浅的450 m增斜段，定向段有一部分碎屑岩，平均机械钻速达到49.98m/h。与邻井相比，平均机械钻速比牙轮钻头提高30%，比 PDC钻头提高66%，起出钻头良好。

2.5 IRev^TM孕镶钻头^[9]

贝克休斯公司推出的IRev^TM孕镶钻头如图 6所示，其切削齿由金属基金刚石复合材料制成，采用全新结构设计，更好地平衡了工作载荷，可承受更大的钻压，有效地利用井下高速马达系统的强劲动力和扭矩，切削岩石更快而本身磨损更慢，适用于极硬和研磨性极高地层。

哥伦比亚的山前构造地层属于极硬和研磨性极高地层，夹杂着粘土岩和粉砂岩，采用了多晶金刚石钻头(PDC)和牙轮钻头等多种钻头进行钻进，结果都不甚理想。大部分钻头在井下工作时间很短，主要是由于钻头肩部严重磨损，导致井眼缩径。贝克休斯公司的工程师采用IRev^TM孕镶钻头分别与低速和高速马达进行匹配，下入到同一口井进行试验。孕镶钻头先与高速(0.205 r/L)马达匹配，钻进33 m，平均机械钻速1.5 m/h，提钻后发现钻头几乎没有磨损；与低速(0.033 r/L)马达匹配后再次下井，钻进202.7 m，平均机械钻速1.2 m/h。与邻井PDC钻头80%的磨损率相比，IRev^TM孕镶钻头的磨损率仅为15%。

2.6 StayCool多维切削齿^[10]

在砂岩与碳酸盐岩等耐磨性极强的钻井环境中，钻头攻击性能与切削齿的耐热性能密切相关。过热会引起切削齿磨损速率加大，导致机械钻速降低。为此，贝克休斯公司推出了聚晶金刚石切削齿——StayCool多维切削齿(见图 7)。

StayCool切削齿采用独特的空间嵌合技术和StaySharp^TM抛光技术，能最大程度减小钻进过程中钻头与井底岩石表面之间的摩擦力，避免产生过多的热量，使切削齿尽可能保持较低温度，从而延长钻头寿命，提高钻井效率。

贝克休斯公司采用金刚石分层工艺，精确定制每一个切削齿的结构，包括异常耐磨的工作面、锐利的切削边缘和持久耐冲击的支承结构。切削齿独特的多维几何形状，使之以较大的角度与岩石接触，提高了耐用性。

俄克拉荷马州伍德福德页岩地层硬砂岩与硬灰岩互层井段测试结果表明，与常规PDC钻头相比，StayCool切削齿钻头平均机械钻速提高了10%，单只钻头进尺提高了37%。怀俄明州派恩代尔背斜地层砂岩与页岩互层井段钻进也显示了StayCool切削齿良好的钻进性能：平均机械钻速提高了12%，50只钻头共完成进尺47 549 m。

3 新型MWD/LWD与无线遥测系统 3.1 XBATSM声波和超声波LWD^[11]

哈里伯顿公司推出ø120.7mm(4 3/4 in)的XBATSM声波和超声波LWD可以服务的井眼尺寸范围为ø146.1~ø914.4 mm(5 3/4 ~36 in)。

XBATSM声波和超声波LWD是第3代Sperry声波仪器，采用对钻井噪声不敏感的传感器和电子元器件，测量范围广，频率响应宽，信噪比大，即使在嘈杂的钻井环境和较差的井眼质量下，也能很好地进行测量。

该仪器结合多阵列方位角声速测量和多轴超声波测量技术，提高了岩性勘测能力，具有以下特点：①可通过选择最优化钻井液密度窗口优化钻井过程，并进行井眼稳定性分析。②能提供有价值和低成本的井筒数据，包括钻井时“时间-深度”地震相关性和实时合成地震记录。③可结合其他LWD工具，提供气体探测、岩石力学、复杂岩性和孔隙度测量(孔隙度测量不需要核能源)。XBATSM声波和超声波LWD已成功运行500次以上，进尺超过2 743 km。

3.2 高温高压双加表MWD^[12]

斯伦贝谢公司最近研发了一种高温高压双加表测井工具SURVIVOR HDS-1G，耐温175 ℃，耐压172.4MPa。工具采用2组加表的形式计算方位和井斜，适用于有磁干扰的测量环境，且测量过程中对工具的运动不敏感，可取代陀螺应用于钻具不稳定场合。其特点有：①自带伽马测量装置；②可编程控制设计，具有高速正脉冲钻井液遥测和双向数据传输功能；③本身带有1组磁表测量装置，如现场需要，可通过程序控制自动挂接，作为标准的MWD测量工具使用；④带有振动传感器，实现随钻测量；⑤带有2套独立的电池组，可分别供电；⑥模块化组合模式，方便更换不同尺寸的钻铤；⑦特别适用于各种救援井、多分支侧向井和加密井施工；⑧可用于开窗侧钻和套管钻井作业；⑨可进行精确的井眼轨迹测量，避免多井交碰风险。

3.3 集成方位伽马的新型LWD^[13]

APS公司研制了新型方位伽马传感器部件SureLog-AZG，将其集成于现有WPR LWD上，可作为LWD功能的一种补充。SureLog-AZG传感器具有成像功能，将其加装到WPR LWD上后，LWD便具有了准确的地质导向能力。该传感器包含3个伽马射线探测器和光电倍增管，将其与定向模块一同集成到特制的钻铤上，可使钻铤在高频振动下为LWD提供有效保护，还能保持LWD对地层的敏感性；可提供API标准的伽马射线测量。它将井眼一周最多分成24个扇形区域，每个扇形区域的数据可单独采集也可同时采集，然后通过通信设备将信息传递到地面。该传感器功耗很低，由涡轮发电机联合电池供电，所有的LWD传感器部件都可用于常规钻井液流速(最大76 L/s)和175 ℃的环境。

3.4 DigiScope连续波钻井液脉冲遥测系统^[14]

斯伦贝谢公司研发的DigiScope连续波钻井液脉冲遥测系统(见图 8)专为小井眼设计，数据传输频率0.25～24.00Hz，传输率可达36 bit/s，兼容OrionⅡ数据压缩系统，实际位数高达140 bit以上，信号强度及质量较高。该系统的涡轮发电机配备2个螺旋叶轮、1个高密度交流发电机，分别提供110 W上行功率和110 W下行功率。另外，它对钻井液流速的要求不高，适用范围广，其电子器件效率高，输出功率稳定。

由于首次采用SPSK平滑相位解调算法，所以该仪器在高机械钻速下仍可保持较高传输率及分辨率。其调制器具有优良的电气性能，可消除钻井液马达启动和停止时的抖动，提高了电子器件的整体可靠性。

3.5 Twin双模式电磁遥测系统^[15]

Enteq公司与英国Leading Magnetic Design公司以及加拿大Drill-Tek公司联合开发出Twin双模式电磁遥测系统。该系统采用钻井液脉冲和电磁遥测2种数据传输模式，可作为钻井液脉冲遥测系统的替代或补充，既拥有电磁遥测高传输速度的优点，也拥有可靠的钻井液脉冲备份手段；使用电磁波来传输上行的钻井数据，电磁遥测工具将井下随钻测量数据编码成低频电磁波并发射出去，通过地面上的探测装置接收。

相比以往的电磁遥测系统，Twin系统工作深度更深、传输速度更快，是市面上可用的第1种双模式遥测系统，其功率远远优于以往的产品，在北美和国际市场上表现不俗。

4 新型井下振动测量工具 4.1 井下振动随钻测量系统^[16]

GE公司研发的井下振动随钻测量系统在钻井过程中可实时测量底部钻具的冲击和振动，实时调整和修正钻进参数，以提高作业效率，降低作业成本。

该系统以数值和色标谱2种形式对底部钻具的冲击和振动进行描述，色标谱设定了8级离散冲击水平和振动水平。若冲击加速度小于20g，则为微小冲击，标示绿色，司钻无需采取任何修正措施；若冲击加速度在(20～40)g之间，则为中等冲击，标示橙色，司钻应采取修正措施，具体调整措施取决于引起振动的主导因素类型。传感器套件能连续工作于175 ℃和137.9MPa(20 000psi)环境中，其稳定性是行业标准的4倍；用四通道探测器将测量模块简化为单主板设计。

目前，很多工具都处于欠维护状态，只有发生严重失效时，才会送回维修；另一方面，不适当的超前维护计划使得一些工具处于过维护状态。通过分析系统的主处理单元(MPU)在全寿命内记录的事件数据集，得到基于井下状态的维护计划，可很好地改善这一现状。为监测随钻测量系统作业的全过程，完成全寿命记忆存储任务，MPU容量由8 Mb增至32 Mb。经过一段时间后，采集到足够数据，就能真正建立一套预测系统。

GE公司还拥有一套改变地面参数(钻压和转速等)或重新建立钻头切削方式的方法。通过改变这些参数，能有效避免设备损坏，将未传递到钻头的能量损失降到最低。

4.2 高频钻井动力学测量工具^[17]

钻井过程中，井下振动会损坏MWD/LWD仪器等BHA组件和钻头。为了获得高品质的井下振动数据，斯伦贝谢公司研发了高频钻井动力学测量工具。该工具可测量和记录井下温度、转速、横向和轴向加速度等数据，数据采集和记录频率高达2 kHz。分析结果证实，相比低频数据，高频数据可获得更详细的井下动态特性资料。

该工具采用电池供电，可连续工作120 h，外观与接头极为相似。目前主要有2种规格(见图 9)，一种是连接钻头的IDart接头，另一种是布置在BHA中任意位置的钻柱IDart接头。现场测试结果表明，新型高频钻井动力学测量工具与基于时间的动态模拟系统配合使用，有助于研发工程师更好地了解并解决井下动力学问题。

5 结论与认识

近年来，国外钻井装备与技术发展很快，极大地推动了钻井的实时化、信息化、数字化、可视化、集成化、自动化和智能化，使钻井变得“更聪明”，但国内钻井装备与技术发展相对缓慢，具体表现在以下几个方面。

(1) 国外新型钻机的自动化、智能化已从理论变为现实，而国内钻机的自动化程度差，智能化基本属于空白。

(2) 在持续研发个性化钻头的同时，国外公司又先后研发了锥形、旋转和多维等多种创新型设计的切削齿及Kymera混合式钻头，但国内钻头的设计、材料和制造技术能力差，种类少，更新换代慢。

(3) 国外已实现了连续波钻井液脉冲、钻井液脉冲和电磁波双模式遥测，电磁波套管天线遥测系统解决了信号衰减问题，声波遥测技术已在钻杆(中途)测试中得到了成功应用，正在攻关随钻声波遥测技术，双模式和声波遥测是未来井下数据传输的主要发展趋势；国内的无线遥测技术主要以正负钻井液脉冲为主，虽已研发了EM-MWD，但测量深度受限，声波遥测技术还处于研究阶段。国外MWD/LWD品种多，抗温能力强，如哈里伯顿公司的ULtraHT-230TMMWD/LWD传感器耐温230 ℃，LWD已实现30多种参数测量，声波LWD已实现商业化应用；国内的MWD/LWD与无线遥测技术进展缓慢。

(4) 国外已经可以长时间测量和记录高频数据，实现了可视化，而国内井下振动测量正处于基础研究阶段。