近水平定向钻进技术起步于什么年代？

我国煤矿井下水平定向钻进技术的发展和应用现状

我国煤矿井下水平定向钻进技术研究始于20世纪90年代初。1993年煤炭科学研究总院西安院在大同矿务局四台矿施工地质异常体的近水平勘探钻孔，采用稳定组合钻具为主，局部孔段使用国产的孔底马达纠斜钻进的方法，孔深达到302.5m。由于受当时国内孔底马达、测斜仪器等制造技术落后的限制，西安院当时放弃了孔底马达定向钻进的技术途径，在接下来的10余年时间里，倡导并积极推进以稳定组合钻具为主要手段的煤矿井下近水平定向钻进技术，并取得了很好的效果，分别于1999年、2000年和2002年完成603m、721m和865m的煤矿井下近水平定向钻孔，创造了当时国内煤矿井下定向钻孔施工深度的最高纪录。这一期间，鉴于国外采用孔底马达进行定向钻孔施工的成功案例，国内一些煤矿企业也先后从美国、澳大利亚等国进口了数台千米定向钻机，但由于这些钻机大部分不适应我国煤矿的复杂地质条件，成孔率非常低，且经常发生掉钻、卡钻等孔内事故，所以应用效果并不理想。2003年山西亚美大宁能源公司引进澳大利亚的VLD深孔钻机完成1002m的瓦斯抽采定向钻孔后，国内一些类似煤层条件的矿井也相继引进VLD钻机进行瓦斯抽采定向钻孔施工，并取得成功应用，如晋城寺河矿2006年完成主孔深度1005m的瓦斯抽采孔，宁煤集团在白箕沟矿采用同一机型完成了一个1023m的半煤半岩瓦斯抽采孔。虽然部分煤矿企业通过引进国外技术和装备在煤矿井下随钻测量定向钻孔施工方面取得了成功应用，但是由于进口设备价格昂贵、服务滞后，在后期使用过程中，设备故障、配件供应等原因往往给生产带来很大的麻烦，加之进口钻机的配套钻具和工艺很大程度上不适合我国煤矿的地质条件，还经常出现断钻杆、掉钻具等孔内事故，严重影响生产进度和施工安全。从2005年起，煤炭科学研究总院西安院对孔底马达定向钻进技术与配套机具进行研究开发，成功研制了适合我国矿井地质条件的千米履带定向钻机、高强度大通孔通缆钻杆、新型随钻测量系统，并开发了孔底马达定向钻进工艺技术。该套装备及技术自2008年试验成功以来，先后在彬长大佛寺矿、长武亭南矿、晋城寺河矿进行了现场应用。应用效果表明:钻机移动便捷、故障率降低60%，钻进效率提高2～3倍，瓦斯抽采效率提高60%以上，试验期间完成的钻孔最大孔深达到了1046m。截至2011年8月该套装备和技术已在我国神华宁煤汝箕沟矿、神华神东保德矿、神华宁东红柳矿、神华乌海能源公司平沟矿、内蒙古太西煤业松树滩煤矿、山西焦煤杜儿坪矿、山西阳煤集团新景煤矿、山西阳煤集团二矿、山西晋城煤业集团寺河、陕西长武亭南、陕西黄陵煤业股份有限公司、陕西铜川陈家山煤矿、山西沁河能源端氏煤矿、焦煤集团赵固一矿、焦煤集团九里山煤矿、淮北煤业朱仙庄煤矿及淮北煤业集团杨柳煤矿等30个矿井进行推广应用，施工最大主孔孔深1212m，最大分支孔孔深915m，累计施工钻孔深度数百万延米。不但为煤矿企业的安全生产提供了保障，同时也提高了矿井瓦斯抽采利用率，为煤矿企业带来可观的经济效益。

我国虽然在煤矿井下随钻测量系统配套和定向钻进技术方面取得了重大突破，但是，由于整个工艺流程还处在不断地摸索和总结阶段，从煤矿井下定向钻进技术的总体发展来讲，我国煤矿井下随钻测量系统的发展刚刚处于起步阶段，在硬件和软件方面还有待进一步完善。

我国煤矿井下水平定向钻进技术的发展和应用现状是怎样的？

我国煤矿井下水平定向钻进技术研究始于20世纪90年代初。1993年煤炭科学研究总院西安院在大同矿务局四台矿施工地质异常体的近水平勘探钻孔，采用稳定组合钻具为主，局部孔段使用国产的孔底马达纠斜钻进的方法，孔深达到302.5m。由于受当时国内孔底马达、测斜仪器等制造技术落后的限制，西安院当时放弃了孔底马达定向钻进的技术途径，在接下来的10余年时间里，倡导并积极推进以稳定组合钻具为主要手段的煤矿井下近水平定向钻进技术，并取得了很好的效果，分别于1999年、2000年和2002年完成603m、721m和865m的煤矿井下近水平定向钻孔，创造了当时国内煤矿井下定向钻孔施工深度的最高纪录。这一期间，鉴于国外采用孔底马达进行定向钻孔施工的成功案例，国内一些煤矿企业也先后从美国、澳大利亚等国进口了数台千米定向钻机，但由于这些钻机大部分不适应我国煤矿的复杂地质条件，成孔率非常低，且经常发生掉钻、卡钻等孔内事故，所以应用效果并不理想。2003年山西亚美大宁能源公司引进澳大利亚的VLD深孔钻机完成1002m的瓦斯抽采定向钻孔后，国内一些类似煤层条件的矿井也相继引进VLD钻机进行瓦斯抽采定向钻孔施工，并取得成功应用，如晋城寺河矿2006年完成主孔深度1005m的瓦斯抽采孔，宁煤集团在白箕沟矿采用同一机型完成了一个1023m的半煤半岩瓦斯抽采孔。虽然部分煤矿企业通过引进国外技术和装备在煤矿井下随钻测量定向钻孔施工方面取得了成功应用，但是由于进口设备价格昂贵、服务滞后，在后期使用过程中，设备故障、配件供应等原因往往给生产带来很大的麻烦，加之进口钻机的配套钻具和工艺很大程度上不适合我国煤矿的地质条件，还经常出现断钻杆、掉钻具等孔内事故，严重影响生产进度和施工安全。从2005年起，煤炭科学研究总院西安院对孔底马达定向钻进技术与配套机具进行研究开发，成功研制了适合我国矿井地质条件的千米履带定向钻机、高强度大通孔通缆钻杆、新型随钻测量系统，并开发了孔底马达定向钻进工艺技术。该套装备及技术自2008年试验成功以来，先后在彬长大佛寺矿、长武亭南矿、晋城寺河矿进行了现场应用。应用效果表明:钻机移动便捷、故障率降低60%，钻进效率提高2～3倍，瓦斯抽采效率提高60%以上，试验期间完成的钻孔最大孔深达到了1046m。截至2011年8月该套装备和技术已在我国神华宁煤汝箕沟矿、神华神东保德矿、神华宁东红柳矿、神华乌海能源公司平沟矿、内蒙古太西煤业松树滩煤矿、山西焦煤杜儿坪矿、山西阳煤集团新景煤矿、山西阳煤集团二矿、山西晋城煤业集团寺河、陕西长武亭南、陕西黄陵煤业股份有限公司、陕西铜川陈家山煤矿、山西沁河能源端氏煤矿、焦煤集团赵固一矿、焦煤集团九里山煤矿、淮北煤业朱仙庄煤矿及淮北煤业集团杨柳煤矿等30个矿井进行推广应用，施工最大主孔孔深1212m，最大分支孔孔深915m，累计施工钻孔深度数百万延米。不但为煤矿企业的安全生产提供了保障，同时也提高了矿井瓦斯抽采利用率，为煤矿企业带来可观的经济效益。

我国虽然在煤矿井下随钻测量系统配套和定向钻进技术方面取得了重大突破，但是，由于整个工艺流程还处在不断地摸索和总结阶段，从煤矿井下定向钻进技术的总体发展来讲，我国煤矿井下随钻测量系统的发展刚刚处于起步阶段，在硬件和软件方面还有待进一步完善。

国外煤矿井下水平定向钻进技术的发展现状

在煤矿井下采用稳定组合钻具控制钻孔方向的方法最先始于20世纪70年代的美国，但应用效果最好的却是德国，并且推广应用于钾盐矿。1999年德国Wirth公司用稳定组合钻具在某钾盐矿完成了孔深2223m的地质勘探孔，2003年该公司网站发布了钻成2700m深水平勘探孔的消息，这是目前世界范围内最深的井下近水平定向钻孔。日本利根公司采用该技术成效也很显著，曾在20世纪80年代初钻成2150m的近水平勘探孔。

煤矿井下采用孔底马达的定向钻进技术20世纪80年代起始于英国，当时其设备能力可以达到1000m，因为煤层松软和钻进工艺问题，实际施工的最大孔深只有635m。从20世纪80年代中期开始，该方法成为澳大利亚施工瓦斯抽采孔和地质勘探孔的主要手段，成效也最为显著，钻孔深度一般在700m左右。最大孔深纪录不断刷新，至2002年达到1761m。该方法的优点是控制钻孔弯曲方向的能力较强，但是由于孔底马达的扭矩较小、价格较高、钻孔口径较小，其相对常规回转钻进钻孔成本较高。值得注意的是，这种方法得到成功应用的前提条件是要有长寿命的孔底马达和可靠的随钻测量技术。使用效果较好的随钻测量仪器有澳大利亚VLD-1000定向钻机上配备的DDMMECCA测量系统，每百米孔深最大偏差为0.5～1.0m。

如何解决水平定向钻在施工中出现的问题及关键技术

1、 水平定向钻穿越施工工艺： 使用水平定向钻机进行管线穿越施工,一般分为二个阶段：第一阶段是按照设计曲线尽可能准确的钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔,并将产品管线（一般为PE管道,光缆套管,钢管）沿着扩大了的导向孔回拖到导向孔中,完成管线穿越工作. 1.1 钻导向孔: 要根据穿越的地质情况,选择合适的钻头和导向板或地下泥浆马达,开动泥浆泵对准入土点进行钻进,钻头在钻机的推力作用下由钻机驱动旋转（或使用泥浆马达带 动钻头旋转）切削地层,不断前进,每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置,以便及时调整钻头的钻进方向,保证所完成的导向孔曲线符合设计要求,如此反 复,直到钻头在预定位置出土,完

石油钻井技术

《中国国土资源报》2007年1月29日3版刊登了“新型地质导向钻井系统研制成功”的消息。这套系统由3个子系统组成：新型正脉冲无线随钻测斜系统、测传马达及无线接收系统、地面信息处理与决策系统。它具有测量、传输和导向三大功能。在研制过程中连续进行了4次地质导向钻井实验和钻水平井的工业化应用，取得成功。这一成果的取得标志着我国在定向钻井技术上取得重大突破。

2.3.1.1 地质导向钻井技术

地质导向钻井技术是20世纪90年代发展起来的前沿钻井技术，其核心是用随钻定向测量数据和随钻地层评价测井数据以人机对话方式来控制井眼轨迹。与普通的定向钻井技术不同之处是，它以井下实际地质特征来确定和控制井眼轨迹，而不是按预先设计的井眼轨迹进行钻井。地质导向钻井技术能使井眼轨迹避开地层界面和地层流体界面始终位于产层内，从而可以精确地控制井下钻具命中最佳地质目标。实现地质导向钻井的几项关键技术是随钻测量、随钻测井技术，旋转导向闭环控制系统等。

随钻测量（MWD）的两项基本任务是测量井斜和钻井方位，其井下部分主要由探管、脉冲器、动力短节（或电池筒）和井底钻压短节组成，探管内包含各种传感器，如井斜、方位、温度、震动传感器等。探管内的微处理器对各种传感器传来的信号进行放大并处理，将其转换成十进制，再转换成二进制数码，并按事先设定好的编码顺序把所有数据排列好。脉冲器用来传输脉冲信号，并接受地面指令。它是实现地面与井下双向通讯并将井下资料实时传输到地面的唯一通道。井下动力部分有锂电池或涡轮发电机两种，其作用是为井下各种传感器和电子元件供电。井底钻压短节用于测定井底钻压和井底扭矩。

随钻测井系统（LWD）是当代石油钻井最新技术之一。Schlumberger公司生产的双补偿电阻率仪CDR和双补偿中子密度仪CDN两种测井系统代表了当今随钻测井系统的最高水平。CDR和CDN可以单独使用也可以两项一起与MWD联合使用。LWD的CDR系统用电磁波传送信息，整套系统安装在一特制的无磁钻铤或短节内。该系统主要包括电池筒、伽马传感器、电导率测量总成和探管。它主要测量并实时传输地层的伽马曲线和深、浅电阻率曲线。对这些曲线进行分析，可以马上判断出地层的岩性并在一定程度上判断地层流体的类型。LWD的CDN系统用来测量地层密度曲线和中子孔隙度曲线。利用这两种曲线可以进一步鉴定地层岩性，判断地层的孔隙度、地层流体的性质和地层的渗透率。

旋转导向钻井系统（Steerable Rotary Drilling System）或旋转闭环系统（Rotary Closed Loop System，RCLS）。常规定向钻井技术使用导向弯外壳马达控制钻井方向施工定向井。钻进时，导向马达以“滑行”和“旋转”两种模式运转。滑行模式用来改变井的方位和井斜，旋转模式用来沿固定方向钻进。其缺点是用滑行模式钻进时，机械钻速只有旋转模式钻进时的50%，不仅钻进效率低，而且钻头选择受到限制，井眼净化效果及井眼质量也差。旋转导向闭环钻井系统完全避免了上述缺点。旋转导向钻井系统的研制成功使定向井钻井轨迹的控制从借助起下钻时人工更换钻具弯接头和工具面向角来改变方位角和顶角的阶段，进入到利用电、液或泥浆脉冲信号从地面随时改变方位角和顶角的阶段。从而使定向井钻井进入了真正的导向钻井方式。在定向井钻井技术发展过程中，如果说井下钻井马达的问世和应用使定向钻井成为现实的话，那么可转向井下钻井马达的问世和应用则大大提高了井眼的控制能力和自动化水平并减少了提下钻次数。旋转导向钻井系统钻井轨迹控制机理和闭环系统如图2.5所示。

目前从事旋转导向钻井系统研制的公司有：Amoco、Camco、Baker Hughes Inteq、Cambridge Drilling Automation以及DDD Stabilizers等。这些公司的旋转导向闭环钻井系统按定向方法又可分为自动动力定向和人工定向。自动动力定向一般由确定钻具前进方向的测量仪表、动力源和调节钻具方向的执行机构组成。人工定向系统定向类似于导向马达定向方法，需要在每次连接钻杆时进行定向。两种定向系统的定向控制原理都是通过给钻头施加直接或间接侧向力使钻头倾斜来实现的（图2.6）。按具体的导向方式又可划分为推靠式和指向式两种。地质导向钻井技术使水平钻井、大位移钻井、分支井钻井得到广泛应用。大位移井钻井技术和多分支井钻井技术代表了水平钻井技术的最新成果水平。

图2.5 旋转导向闭环系统

（1）水平井钻井技术

目前，国外水平钻井技术已发展成为一项常规技术。美国的水平井技术成功率已达90%～95%。用于水平井钻进的井下动力钻具近年来取得了长足进步，大功率串联马达及加长马达、转弯灵活的铰接式马达以及用于地质导向钻井的仪表化马达相继研制成功并投入使用。为满足所有导向钻具和中曲率半径造斜钻具的要求，使用调角度的马达弯外壳取代了原来的固定弯外壳；为获得更好的定向测量，用非磁性马达取代了磁性马达。研制了耐磨损、抗冲击的新型水平井钻头。

图2.6 旋转导向钻井系统定向轨迹控制原理

（2）大位移井钻井技术

大位移井通常是指水平位移与井的垂深之比（HD/TVD）≥2的井。大位移井顶角≥86°时称为大位移水平井。HD/TVD≥3的井称为高水垂比大位移井。大位移井钻井技术是定向井、水平井、深井、超深井钻井技术的综合集成应用。现代高新钻井技术，随钻测井技术（LWD）、旋转导向钻井系统（SRD）、随钻环空压力测量（PWD）等在大位移井钻井过程中的集成应用，代表了当今世界钻井技术的一个高峰。目前世界上钻成水平位移最大的大位移井，水平位移达到10728m，斜深达11287m，该记录是BP阿莫科公司于1999年在英国Wytch Farm油田M-16井中创造的（图2.7所示）。三维多目标大位移井也有成功的例子。如挪威Gullfalks油田B29大位移井，就是将原计划用2口井开发该油田西部和北部油藏的方案改为一口井开采方案后钻成的。为了钻成这口井，制定了一套能够钻达所有目标并最大限度地减少摩阻和扭矩的钻井设计方案。根据该方案，把2630m长的水平井段钻到7500m深度，穿过6个目标区，总的方位角变化量达160°。

图2.7 M-16井井身轨迹

我国从1996年12月开始，先后在南海东部海域油田进行了大位移井开发试验，截至2005年底，已成功钻成21口大位移井，其中高水垂比大位移井5口。为开发西江24-1含油构造实施的8口大位移井，其井深均超过8600m，水平位移都超过了7300m，水垂比均大于2.6，其中西江24-3-A4井水平位移达到了8063m，创造了当时（1997年）的大位移井世界纪录。大位移井钻井涉及的关键技术有很多，国内外目前研究的热点问题包括：钻井设备的适应性和综合运用能力、大斜度（大于80°）长裸眼钻进过程中井眼稳定和水平段延伸极限的理论分析与计算、大位移井钻井钻具摩擦阻力/扭矩的计算和减阻、成井过程中套管下入难度大及套管磨损严重等。此外大位移井钻井过程中的测量和定向控制、最优的井身剖面（结构）设计、钻柱设计、钻井液性能选择及井眼净化、泥浆固控、定向钻井优化、测量、钻柱振动等问题也处在不断探索研究之中。

（3）分支井钻井技术

多分支井钻井技术产生于20世纪70年代，并于90年代随着中、小曲率半径水平定向井钻进技术的发展逐渐成熟起来。多分支井钻井是水平井技术的集成发展。多分支井是指在一个主井眼（直井、定向井、水平井）中钻出若干进入油（气）藏的分支井眼。其主要优点是能够进一步扩大井眼同油气层的接触面积、减小各向异性的影响、降低水锥水串、降低钻井成本，而且可以分层开采。目前，全世界已钻成上千口分支井，最多的有10个分支。多分支井可以从一个井眼中获得最大的总水平位移，在相同或不同方向上钻穿不同深度的多层油气层。多分支井井眼较短，大部分是尾管和裸眼完井，而且一般为砂岩油藏。

多分支井最早是从简单的套管段铣开窗侧钻、裸眼完井开始的。因其存在无法重入各个分支井和无法解决井壁坍塌等问题，后经不断研究探索，1993年以来预开窗侧钻分支井、固井回接至主井筒套管技术得到推广应用。该技术具有主井筒与分支井筒间的机械连接性、水力完整性和选择重入性，能够满足钻井、固井、测井、试油、注水、油层改造、修井和分层开采的要求。目前，国外常用的多分支系统主要有：非重入多分支系统（NAMLS），双管柱多分支系统（DSMLS），分支重入系统（LRS），分支回接系统（LTBS）。目前国外主要采用4种方式钻多分支井：①开窗侧钻；②预设窗口；③裸眼侧钻；④井下分支系统（Down Hole Splitter System）。

2.3.1.2 连续管钻井（CTD）技术

连续管钻井技术又叫柔性钻杆钻井技术。开始于20世纪60年代，最早研制和试用这一技术钻井的有法国、美国和匈牙利。早期法国连续管钻进技术最先进，1966年投入工业性试验，70年代就研制出各种连续管钻机，重点用于海洋钻进。当时法国制造的连续管单根长度达到550m。美国、匈牙利制造的连续管和法国的类型基本相同，单根长度只有20～30m。

早期研制的连续管有两种形式。一种是供孔底电钻使用，由4层组成，最内层为橡胶或橡胶金属软管的心管，孔底电机动力线就埋设在心管内；心管外是用2层钢丝和橡胶贴合而成的防爆层；再外层是钢丝骨架层，用于承受拉力和扭矩；最外层是防护胶层，其作用是防水并保护钢丝。另一种是供孔底涡轮钻具使用的，因不需要埋设动力电缆，其结构要比第一种简单得多。第四届国际石油会议之后，美国等西方国家把注意力集中在发展小井眼井上，限制了无杆电钻的发展。连续管钻井技术的研究也放慢了脚步。我国于20世纪70年代曾开展无杆电钻和连续管钻井技术的研究。勘探所与青岛橡胶六厂合作研制的多种规格的柔性钻杆，经过单项性能试验后，于1975年初步用于涡轮钻。1978年12月成功用于海上柔性钻杆孔底电钻，并建造了我国第一台柔杆钻机钻探船。1979～1984年勘探所联合清华大学电力工程系、青岛橡胶六厂研究所和北京地质局修配厂共同研制了DRD-65型柔管钻机和柔性钻杆。DRD-65型柔管钻机主要有柔性钻杆、Φ146mm潜孔电钻、钻塔、柔杆绞车及波浪补偿器、泥浆泵、电控系统和液控系统等部分组成。研制的柔性钻杆主要由橡胶、橡胶布层、钢丝绳及动力线组成。拉力由柔杆中的钢丝骨架层承担，钢丝绳为0.7mm×7股，直径2.1mm，每根拉力不小于4350N，总数为134根，计算拉力为500kN，试验拉力为360kN。钻进过程中，柔性钻杆起的作用为：起下钻具、承受反扭矩、引导冲洗液进入孔底、通过设于柔性钻杆壁内的电缆向孔底电钻输送电力驱动潜孔电钻运转、向地表传送井底钻井参数等。

柔性钻杆性能参数为：内径32mm；抗扭矩不小于1030N·m；外径85～90mm；单位质量13kg/m；抗内压（工作压力）40kg/cm²，曲率半径不大于0.75m，抗外压不小于10kg/cm²；弯曲度：两弯曲形成的夹角不大于120°；额定拉力1000kN；柔杆内埋设动力导线3组，每组15mm²，信号线二根；柔杆单根长度为40、80m两种规格。

Φ146mm型柔杆钻机由Φ127mm电动机、减速器、液压平衡器和减震器组成。动力是潜孔电钻，它直接带动钻头潜入孔底钻井。Φ146mm孔底电钻是外通水式，通水间隙宽5mm，通水横断面积为2055mm²。

与常规钻井技术相比，连续管钻井应用于石油钻探具有以下优点：欠平衡钻井时比常规钻井更安全；因省去了提下钻作业程序，可大大节省钻井辅助时间，缩短作业周期；连续管钻井技术为孔底动力电钻的发展及孔底钻进参数的测量提供了方便条件；在制作连续管时，电缆及测井信号线就事先埋设在连续管壁内，因此也可以说连续管本身就是以钢丝为骨架的电缆，通过它可以很方便地向孔底动力电钻输送电力，也可以很方便地实现地面与孔底的信息传递；因不需拧卸钻杆，因此在钻进及提下钻过程中可以始终保持冲洗液循环，对保持井壁稳定、减少孔内事故意义重大；海上钻探时，可以补偿海浪对钻井船的漂移影响；避免了回转钻杆柱的功率损失，可以提高能量利用率，深孔钻进时效果更明显。正是由于连续管钻井技术有上述优点，加之油田勘探需要以及相关基础工业技术的发展为连续管技术提供了进一步发展的条件，在经过了一段时间的沉寂之后，20世纪80年代末90年代初，连续管钻井技术又呈现出飞速发展之势。其油田勘探工作量年增长量达到20%。连续管钻井技术研究应用进展情况简述如下。

1）数据和动力传输热塑复合连续管研制成功。这种连续管是由壳牌国际勘探公司与航空开发公司于1999年在热塑复合连续管基础上开始研制的。它由热塑衬管和缠绕在外面的碳或玻璃热塑复合层组成。中层含有3根铜质导线、导线被玻璃复合层隔开。碳复合层的作用是提供强度、刚度和电屏蔽。玻璃复合层的作用是保证强度和电隔离。最外层是保护层。这种连续管可载荷1.5kV电压，输出功率20kW，传输距离可达7km，耐温150℃。每根连续管之间用一种特制接头进行连接。接头由一个钢制的内金属部件和管子端部的金属环组成。这种连续管主要用于潜孔电钻钻井。新研制的数据和动力传输连续管改变了过去用潜孔电钻钻井时，电缆在连续管内孔输送电力影响冲洗液循环的缺点。

2）井下钻具和钻具组合取得新进展。XL技术公司研制成功一种连续管钻井的电动井下钻具组合。该钻具组合主要由电动马达、压力传感器、温度传感器和震动传感器组成。适用于3.75in井眼的电动井下马达已交付使用。下一步设想是把这种新型电动马达用于一种新的闭环钻井系统。这种电动井下钻具组合具有许多优点：不用钻井液作为动力介质，对钻井液性能没有特殊要求，因而是欠平衡钻井和海上钻井的理想工具；可在高温下作业，振动小，马达寿命长；闭环钻井时借助连续管内设电缆可把测量数据实时传送到井口操纵台，便于对井底电动马达进行灵活控制，因而可使钻井效率达到最佳；Sperry sun钻井服务公司研制了一种连续管钻井用的新的导向钻具组合。这种钻具组合由专门设计的下部阳螺纹泥浆马达和长保径的PDC钻头组成。长保径钻头起一个近钻头稳定器的作用，可以大幅度降低振动，提高井眼质量和机械钻速。泥浆马达有一个特制的轴承组和轴，与长保径钻头匹配时能降低马达的弯曲角而不影响定向性能。在大尺寸井眼（＞6in）中进行的现场试验证明，导向钻具组合具有机械钻速高、井眼质量好、井下振动小、钻头寿命长、设备可靠性较高等优点。另外还研制成功了一种连续软管欠平衡钻井用的绳索式井底钻具组合。该钻具组合外径为in上部与外径2in或in的连续管配用，下部接钻铤和in钻头。该钻具组合由电缆式遥控器、稳定的MWD仪器、有效的电子定向器及其他参数测量和传输器件组成。电缆通过连续管内孔下入孔底，能实时监测并处理工具面向角、钻井顶角、方位角、自然伽马、温度、径向振动频率、套管接箍定位、程序状态指令、管内与环空压差等参数。钻具的电子方位器能在钻井时在导向泥浆马达连续旋转的情况下测量并提供井斜和方位两种参数。

其他方面的新进展包括：连续管钻井技术成功用于超高压层侧钻；增加连续管钻井位移的新工具研制成功；连续管钻井与欠平衡钻井技术结合打水平井取得好效果；适于连续管钻井的混合钻机研制成功；连续管钻井理论取得新突破。

2.3.1.3 石油勘探小井眼钻井技术

石油部门通常把70%的井段直径小于177.8mm的井称为小井眼井。由于小井眼比传统的石油钻井所需钻井设备小且少、钻探耗材少、井场占地面积小，从而可以节约大量勘探开发成本，实践证明可节约成本30%左右，一些边远地区探井可节约50%～75%。因此小井眼井应用领域和应用面越来越大。目前小井眼井主要用于：①以获取地质资料为主要目的的环境比较恶劣的新探区或边际探区探井；②600～1000m浅油气藏开发；③低压、低渗、低产油气藏开发；④老油气田挖潜改造等。

2.3.1.4 套管钻井技术

套管钻井就是以套管柱取代钻杆柱实施钻井作业的钻井技术。不言而喻套管钻井的实质是不提钻换钻头及钻具的钻进技术。套管钻井思想的由来是受早期（18世纪中期钢丝绳冲击钻进方法用于石油勘探，19世纪末期转盘回转钻井方法开始出现并用于石油钻井）钢丝绳冲击钻进（顿钻时代）提下钻速度快，转盘回转钻进井眼清洁且钻进速度快的启发而产生的。1950年在这一思想的启发下，人们开始在陆上钻石油井时，用套管带钻头钻穿油层到设计孔深，然后将管子固定在井中成井，钻头也不回收。后来，Sperry-sun钻井服务公司和Tesco公司根据这一钻井原理各自开发出套管钻井技术并制定了各自的套管钻井技术发展战略。2000年，Tesco公司将4.5～13.375in的套管钻井技术推向市场，为世界各地的油田勘探服务。真正意义的套管钻井技术从投放市场至今还不到10年时间。

套管钻井技术的特点和优势可归纳如下。

1）钻进过程中不用起下钻，只利用绞车系统起下钻头和孔内钻具组合，因而可节省钻井时间和钻井费用。钻进完成后即等于下套管作业完成，可节省完井时间和完井费用。

2）可减少常规钻井工艺存在的诸如井壁坍塌、井壁冲刷、井壁键槽和台阶等事故隐患。

3）钻进全过程及起下井底钻具时都能保持泥浆连续循环，有利于防止钻屑聚集，减少井涌发生。套管与井壁之间环状间隙小，可改善水力参数，提高泥浆上返速度，改善井眼清洗效果。

套管钻井分为3种类型：普通套管钻井技术、阶段套管或尾管钻井技术和全程套管钻井技术。普通套管钻井是指在对钻机和钻具做少许改造的基础上，用套管作为钻柱接上方钻杆和钻头进行钻井。这种方式主要用于钻小井眼井。尾管钻井技术是指在钻井过程中，当钻入破碎带或涌水层段而无法正常钻进时，在钻柱下端连接一段套管和一种特制工具，打完这一段起出钻头把套管留在井内并固井的钻井技术。其目的是为了封隔破碎带和水层，保证孔内安全并维持正常钻进。通常所说的套管钻井技术是指全程套管钻井技术。全程套管钻井技术使用特制的套管钻机、钻具和钻头，利用套管作为水利通道，采用绳索式钻井马达作业的一种钻井工艺。目前，研究和开发这种钻井技术的主要是加拿大的Tesco公司，并在海上进行过钻井，达到了降低成本的目的。但是这种钻井技术目前仍处于研究完善阶段，还存在许多问题有待研究解决。这些问题主要包括：①不能进行常规的电缆测井；②钻头泥包问题严重，至今没有可靠的解决办法；③加压钻进时，底部套管会产生横向振动，致使套管和套管接头损坏，目前还没有找到解决消除或减轻套管横向振动的可靠方法；④由于套管钻进不使用钻铤，加压困难，所以机械钻速低于常规钻杆钻井；部分抵消了套管钻进提下钻节省的时间；⑤套管钻井主要用于钻进破碎带和涌水地层，其应用范围还不大。

我国中石油系统的研究机构也在探索研究套管钻井技术，但至今还没有见到公开报道的成果。目前，套管钻井技术的研究内容，除了研制专用套管钻机和钻具外，重点针对上述问题开展。一是进行钻头的研究以解决钻头泥包问题；二是研究防止套管横向振动的措施；三是研究提高套管钻井机械钻速的有效办法；四是研究套管钻井固井办法。

套管钻井应用实例：2001年，美国谢夫隆生产公司利用加拿大Tesco公司的套管钻井技术在墨西哥湾打了2口定向井（A-12和A-13井）。两井成井深度分别为3222×30.48cm和3728×30.48cm。为了进行对比分析，又用常规方法打了一口A-14井，结果显示，同样深度A-14井用时75.5h，A-13井用时59.5h。表层井段钻速比较，A-12 井的平均机械钻速为141ft/h，A-13井为187ft/h，A-14井为159ft/h。这说明套管钻井的机械钻速与常规方法机械钻速基本相同。但钻遇硬地层后套管钻井，钻压增加到6.75t，致使扩眼器切削齿损坏，钻速降低很多。BP公司用套管钻井技术在怀俄明州钻了5口井。井深为8200～9500ft，且都是从井口钻到油层井段。钻进过程中遇到了钻头泥包和套管振动问题。

此外，膨胀套管技术也是近年来发展起来的一种新技术，主要用于钻井过程中隔离漏失、涌水、遇水膨胀缩经、破碎掉块易坍塌等地层以及石油开采时油管的修复。勘探所与中国地质大学合作已立项开展这方面的研究工作。

2.3.1.5 石油钻机的新发展

国外20世纪60年代末研制成功了AC-SCR-DC电驱动钻机，并首先应用于海洋钻井。由于电驱动钻机在传动、控制、安装、运移等方面明显优于机械传动钻机，因而获得很快的发展，目前已经普遍应用于各型钻机。90年代以来，由于电子器件的迅速发展，直流电驱动钻机可控硅整流系统由模拟控制发展为全数字控制，进一步提高了工作可靠性。同时随着交流变频技术的发展，交流变频首先于90年代初成功应用于顶部驱动装置，90年代中期开始应用于深井石油钻机。目前，交流变频电驱动已被公认为电驱动钻机的发展方向。

国内开展电驱动钻机的研究起步较晚。兰州石油化工机器厂于20世纪80年代先后研制并生产了ZJ60D型和ZJ45D型直流电驱动钻机，1995年成功研制了ZJ60DS型沙漠钻机，经应用均获得较好的评价。90年代末期以来，我国石油系统加大钻机的更新改造力度，电驱动钻机取得了较快发展，宝鸡石油机械厂和兰州石油化工机器厂等先后研制成功ZJ20D、ZJ50D、ZJ70D型直流电驱动钻机和ZJ20DB、ZJ40DB型交流变频电驱动钻机，四川油田也研制出了ZJ40DB交流变频电驱动钻机，明显提高了我国钻机的设计和制造水平。进入21世纪，辽河油田勘探装备工程公司自主研制成功了钻深能力为7000m的ZJ70D型直流电驱动钻机。该钻机具有自动送钻系统，代表了目前我国直流电驱动石油钻机的最高水平，整体配置是目前国内同类型钻机中最好的。2007年5月已出口阿塞拜疆，另两部4000m钻机则出口运往巴基斯坦和美国。由宝鸡石油机械有限责任公司于2003年研制成功并投放市场的ZJ70/4500DB型7000m交流变频电驱动钻机，是集机、电、数字为一体的现代化钻机，采用了交流变频单齿轮绞车和主轴自动送钻技术和“一对一”控制的AC-DC-AC全数字变频技术。该型钻机代表了我国石油钻机的最新水平。凭借其优良的性能价格比，2003年投放市场至今，订货已达83台套。其中美国、阿曼、委内瑞拉等国石油勘探公司订货达42台套。在国内则占领了近2～3年来同级别电驱动钻机50%的市场份额。ZJ70/4500DB型钻机主要性能参数：名义钻井深度7000m，最大钩载4500kN，绞车额定功率1470kW，绞车和转盘挡数I+IR交流变频驱动、无级调速，泥浆泵型号及台数F-1600三台，井架型式及有效高度K型45.5m，底座型式及台面高度：双升式/旋升式10.5m，动力传动方式AC-DC-AC全数字变频。