钻井适用技术与可持续发展

钻井适用技术与可持续发展李国华何金南摘要：介绍了国内外关于适用技术概念的论述及产生背景。以90年代我国水平井、小眼井、泥浆转化水泥浆(MTC)技术的发展与应用过程为例，运用系统工程和价值工程等原理，简要分析了钻井工程技术的若干适用性与不适性问题，并在此基础上提出了关于我国今后钻井业可持续发展战略问题的几点看法。主题词：钻井系统工程适用技术可持续发展水平井小眼井MTC中国中图分类号：TE2文献标识码：A文章编号：1001-0890(1999)05-0007-03一、引言我国科学钻井系统工程在80年代有了长足发展，研究和开发了一系列配套的先进钻井技术和实用钻井方法，如喷射钻井、平衡压力钻井、优选参数钻井、定向钻井及丛式钻井技术，在各地区应用后取得巨大的社会经济效益。但从可持续发展战略的角度考察，这些钻井技术产生与发展的过程基本不涉及适用技术概念。真正提出科学钻井系统工程的适用技术问题并加以研究是在90年代初期。纵观90年代这个特殊时期，我国的喷射钻井和平衡压力钻井技术已向更高层次的优化钻井技术发展，定向钻井和丛式钻井技术已向更高层次的水平钻井技术发展，钻井技术经济评价理论和方法逐步发展和完善，钻井行业可持续发展战略日益得到公众认同，钻井工程市场作用和钻井工程环境条件显著变化，钻井队伍体制和作业机制根本转变，导致钻井适用技术研究逐步升温，钻井适用技术成果丰硕，进而形成钻井业可持续发展的新局面。应该说，钻井适用技术领域包含对本地固有的传统技术与引进的现代技术(又称适宜技术)两部分技术的适应性改造，本文研究着重于钻井适用技术的开发与应用过程。二、适用技术概念的演变适用技术概念首先由法国哲学家J.埃吕尔在其专著《技术社会》(1954)中提出来。他认为，技术之所以成为技术，是由它与社会的相互关系界定的，脱离了技术所处的环境，就不可能真正了解技术。鉴于现代技术的发展使权力和财富过于集中，他强调，今后的技术发展应该增加对个人自由和人权的关心。1973年，英国经济学家E.F.舒马赫在其专著《小的是美好的》中提出了“中间技术”概念，从而明确了适用技术研究的意义和范围。他认为，中间技术介于传统技术和现代技术之间，它比本地传统技术的生产率高得多，比引进现代技术的价格便宜得多，因而它具有小规模生产、劳动密集、投资低、难度大、见效快、合理使用稀有资源、适合生态环境需要等特征，进而可用其解决由现代技术塑造的世界所面临的危机问题。1974年，英国学者D.杰克逊在其专著《替换技术与技术变革的政治》中提出了“替换技术”概念，从而发展了“中间技术”概念。他指出，替换技术与巨型集约化现代技术完全不同，是一种“以确保衣食住行为大前提，不产生公害和浪费”的“软技术”，能够替换“硬技术”(即巨型集约化现代技术)。至今广为流传和使用的“适用技术”概念是由印度学者A*雷迪于1975年提出的。他从发展中国家的社会实际情况出发，确定了“适用技术”的多重目标特征，即环境目标、社会目标和经济目标。他进一步分析了发展中国家客观现实条件与发达国家不同导致技术不适性的具体表现：(1)需求方面，发展中国家人均消费水平低、市场狭小而分散，在高度商品化条件下为大工厂设计的大规模生产技术则难以应用于发展中国家；(2)资本方面，资本充裕的发达国家设计的大量使用资本的技术难以应用到低收入、低储蓄、低积累的发展中国家；(3)技术方面，发展中国家缺少使用、吸收和掌握发达国家技术的熟练工人、经营管理人才和科技人才，因而难以很快消化发达国家的技术；(4)就业方面，发达国家的技术设计都是较节约劳动力的资本密集型，这对劳动力密集的发展中国家不适应；此外，在资源及基础结构等方面，发达国家的技术设计也难于适应发展中国家的条件。可见，雷迪的“适用技术”概念，比舒马赫的“中间技术”概念更为全面，比杰克逊等人的“替换技术”概念更有实用价值。然而，八九十年代发展起来的适用技术概念并不局限于上述理论框架，它是与全球问题日益严重和可持续发展战略普遍认同的背景相联的。1992年，我国学者许志晋从人类、技术、自然三者相互统一的角度出发，对“适用技术”的基本涵义做如下界定：适用技术是若干项技术个体(或要素)按一定的目的以一定的方式组合而成的有机系统，即指切合于一定社会和自然环境的具体条件、自身具有合理的动态结构、综合效益最佳化以保持与人类和自然持续协调发展的技术系统。其基本特征有高效性、相对性、时变性、区域性、、生态性和人文性。他进一步分析认为，适用技术是人们在建构和实施持续发展过程中做出的正确的技术抉择，是实现未来社会可持续发展的可靠的技术手段或技术基础，也必将成为未来技术发展的主流。适用技术支持和支撑可持续发展的作用包括两个方面：一是改造、变革和控制的决定作用，这是发挥正面效应和积极影响；二是适应、调节和制约的保护作用，这是克服负面效应和消极影响。总之，适用技术在技术水平上全面支撑和实现着可持续发展，可将其看成与可持续发展具有同等意义的概念。三、钻井工程适用技术问题分析下面以90年代初期发展起来的水平井钻井技术、90年代中期发展起来的小眼井钻井技术和90年代末期发展起来的泥浆转化水泥浆(MTC)技术为例，对我国科学钻井系统工程适用技术问题进行一些粗略分析。1.水平井钻井适用技术问题分析我国在“八五”计划期间把水平井钻井技术的研究列为国家重点科技项目，经过三年多的攻关，取得突破性进展，至1994年4月钻成水平井30余口，中、长半径水平井钻井工艺技术配套完善，综合经济效益显著。但在攻关研究过程中曾遇到这样的问题：某油田一区块采用直井和水平井两种设计方案进行开发，直井投资为120万元，而水平井投资高达680万元(是直井的5倍多)，由此有人怀疑水平井技术是否适合我国情况或某区块当时条件，另外，攻关研究虽然解决了水平井系统工程关键技术问题，但能否正确解决水平井量、本、利的关系问题是一个全球关注的更为突出的价值工程问题，换言之，水平井钻井要想在我国持续协调发展，究竟适用哪些配套技术、工艺、方法，才能取得最佳综合效益呢?经过各方面系统的研究和不断的实践，均认为我国发展水平井是具有划时代意义的战略举措，既不盲目追求某些先进技术而不考虑经济效益，又不能单纯强调经济合理而拒绝某些先进技术。在具体选择和评价水平井适用技术方面，强调动态结构性和安全可比性(即“满足需要上可比，消耗费用上可比，价格上可比，时间上可比”这四条原则缺一不可)。至90年代中后期，我国水平井技术快速发展(分别在塔北和南海钻成5200多m和9200多m深水平井)，与世界同期先进水平不相上下，其寿命周期成本略比直井的高些，但其综合效益超出直井的数倍至十多倍，特别是套管内开窗侧钻水平井技术具有广泛用途，已在开发低渗透油气藏、裂缝性油气藏、薄层油气藏、老油区剩余油气藏、新油区难采油气藏(如稠油油藏)等方面发挥不可替代的作用。通过功能性分析与评价，发现长、中、短、超短半径水平井的功能各不相同，但都不适合在垂向渗透率为零的地层中完钻。为此，界定水平井基本功能为“通过增加与储层接触的面积来改变泄油结构以降低液流速度和压差”或“井底不再形成环形径向流态而是呈现平面流态”。相比之下，长、中半径水平井价值系数高、吨油费用低，垂直井费用次之，而短半径水平井费用偏高，因而在我国90年代多用中半径水平井是把技术先进性和经济合理性有机结合起来的一条捷径。实践证明，中半径水平井技术适用于我国90年代钻井工程诸多领域，它比传统的直井技术生产率高得多，是定向井和丛式井技术的发展和延伸(更显露适用技术的六种属性)，又比引进的短半径及超短半径水平井技术便宜得多，因而这种技术在我国90年代同类水平井技术中应用最多，并取得非常显著的综合经济效益，其持续发展势头不减。值得一提的是，水平井技术在我国的适用性和不适性研究均嫌不足，在适用性方面仍有很大潜力可挖，在不适性方面也有宝贵经验借鉴。2.小眼井钻井适用技术问题分析现实的小眼井定义为“井径小于φ177.8mm的井段占全部井段90%以上或井径小于φ127mm的井段占全部井段70%以上的井”。经典的小眼井定义为“井径φ95.25～φ120.65mm的井”。本文据我国钻井实际，认为目的层井径不大于φ152.4mm的井为小眼井或小眼水平井或小眼加深井。小眼井的各项主要成就，集中地体现在大幅度降低钻井费用(降低30%～75%)和最大限度地减轻对环境的污染及不良影响方面。小眼井连续取心技术适宜在边远、困难及低产量地区使用，有可能改变目前勘探与开发程序，减少昂贵的地球物理勘探作业工作量和费用，其关键技术问题是井控和泥浆体系(已经得到解决)。小眼井钻井技术研究与应用在我国“九五”计划期间骤然升温。据中国新星石油公司的统计，小眼井钻井技术在松南地区应用后钻井成本可降低39%，在川西地区应用后钻井成本可降低49%，在减少环境污染的情况下基本不影响产能，因而切实可行、值得推广。当然，由于我国小眼井技术及装备还不够完善，因而其推广应用也是有条件的。虽然小眼井尾管固井及动态井控技术已有发展和提高，适于小眼井的PDC钻头技术也成系列，但从系统工程角度看，对小眼井取心、测井、测试、完井、修井等技术的综合研究和技术经济评价更加迫切。通过功能性分析与评价，发现小眼井的发展方向是利用液压或半自动的小型钻机钻小眼水平井和小眼加深井。前者主要适用于开发过或衰竭的油气田提高产量，利用小眼钻井系统在尺寸较小的油层套管内开窗侧钻，因小眼水平井段环空间隙小，全部钻进都用井下马达、金刚石或PDC钻头，其钻具组合中配有导向系统、测斜工具、导向接头等。后者主要适用于报废井的再生，利用随钻扩眼技术在φ114.3mm套管下方加深钻进，并在加深的新井眼中进行测井、固井、射孔等作业。但以上两者都不能普遍应用于大斜度井眼及大位移井眼。小眼井技术起源于50年代，在90年代的发展与应用被称为老方法新用途，得益于深井大眼等钻井技术的完善与推广，其本质是舍弃深井大眼钻井的不足而扬己之长，因而其不适性凸现在深部井段上。就我国目前钻井科技发展而言，适合在2000m以浅井中开展小眼连续取心钻井作业，在小眼水平井钻井中宜用中曲率半径剖面、最佳水力设计程序及负压钻进，改每天三班工作制为两班工作制。总之，小眼井钻井适用技术问题值得深入研讨，小眼井技术发展方兴未艾。3.泥浆转化水泥浆(MTC)技术适用性分析泥浆转化水泥浆(MTC)技术，又称多功能钻井液技术，是人们经过几十年的研究与实践后于90年代才建立起来的高新技术概念。几十年来，固井质量的提高不尽如人意，原因是水泥浆不能完全把泥浆从环空中顶替干净，残留泥饼及泥浆与水泥浆不相容造成水泥胶结质量差，特别是第二界面(水泥与地层)胶结质量差。为此采取了诸多有效措施，并提出了超缓凝水泥浆体系、可胶联聚合物钻井液体系、镁氧水泥浆体系及多功能钻井液体系等技术方案，以期解决这一世界性难题。其中，前3种技术方案因为存在成本高及其他副作用等缺陷没能推广，只有多功能钻井液体系凭其技术、经济、环保、人文等方面的综合优势而倍受青睐。多功能钻井液是在原有钻井液基础上转化而来的，即添加不多的水淬高炉矿渣或其他可水化材料，基本上不影响钻井液的滤失性、润滑性、流变性、携岩能力及密度等性能。它在非碱性环境中呈化学惰性，可长期保持流动性(可循环42d)；而固井时因碱性滤液的渗透及扩散，其泥饼和环空中残留泥浆全部固化，因而实现了固井第一、第二界面良好胶结目的，防止了油气水窜复杂情况，尤其适用于水平井固井施工(水平井段60%的转化浆顶替效率相当于常规井段100%顶替效率)，其固井成功率可由28%提高到65%。它不仅能大幅降低固井成本，还为减少废弃钻井液的污染(海上钻井率先要求钻井液排放符合环保标准)提供了全新思路。我国近年来的实践证明，MTC固井技术的推广应用不仅带来了令人满意的固井质量和综合效益，而且在简化施工工艺流程、缩短施工周期、确保施工连续性和降低施工风险等方面获得很大成功。目前该项技术的主要成就在于用低密度矿渣MTC加激活剂和激活助剂来封固浅井(井深2000m内)技术套管，也有用高密度矿渣MTC来封固中深井(井深2550m