加强石油钻完井效率的技术探究

摘要：随着深层、超深层及非常规油气资源开发需求提升，传统钻完井技术在效率、精准性与安全性方面暴露出显著短板，成为制约单井成本控制与产能提升的关键因素。常规作业流程中钻头破岩效率低、轨迹控制误差大、固井质量不稳定及完井工序冗长，均导致周期延长与质量隐患频发。基于此，本文对石油钻完井的常规作业流程与技术瓶颈进行分析，并提出了加强石油钻完井效率的技术应用，并概述了技术应用效果验证，旨在进一步提升钻进速度、固井合格率及完井效率。

关键词：石油钻井；完井效率；油气资源

引言

在《“十四五”现代能源体系规划》与《自然资源部关于印发油气勘查实施方案、开发利用方案及勘查开采工作进展报告编写大纲的通知》指导下，石油钻完井作业正面临高效开发与绿色低碳双重目标约束。深层、超深层及非常规储层开发持续推进，常规钻完井技术在地层穿透效率、轨迹控制精度、井筒完整性保障及多段完井灵活性等方面表现出明显不足。在高温高压、岩性非均质及应力复杂环境下，依赖经验导向与单一技术手段的工艺体系难以满足现代油气开发的高效化、智能化需求，急需构建以数据驱动、自主决策和功能集成为特征的高适应性钻完井技术体系。

1.石油钻完井的常规作业流程与技术瓶颈

石油钻完井作业标准工艺流程包含钻井、固井、完井三个阶段。钻井阶段通过钻头破碎岩层形成井眼，需精准控制井眼轨迹以满足地质目标；固井阶段向井筒内下入套管并注入水泥浆以封隔地层，保障井壁稳定性；完井阶段则通过射孔、防砂及生产管柱安装实现油气通道构建[1]。传统技术体系中，机械钻速受限于钻头破岩效率与井下动力工具性能，在硬质地层中钻速常低于2 m/h，导致单井钻井周期延长。井眼轨迹控制依赖静态地质模型与经验导向，轨迹偏差超过3°时将引发后续套管下入困难或储层钻遇率下降。固井作业中水泥环胶结质量受环空清洁度与压力波动影响，易形成微间隙导致后期气窜问题。完井工序因多层分段压裂需求需反复起下管柱，防砂筛管部署耗时占比达总周期的40%以上。以塔里木盆地超深井项目为例，埋深超过7000 m的碳酸盐岩储层钻井周期达180天，其中井眼纠偏作业耗时占比超25%，固井合格率仅为82%，完井阶段因高温高压导致的工具失效使单井成本增加20%。

2.加强石油钻完井效率的技术应用

2.1 钻井参数智能优化技术

钻井参数智能优化技术是实现高效钻完井的核心支撑，其关键在于建立钻压-转速-扭矩的动态协同机制。针对塔里木盆地超深层碳酸盐岩地层各向异性强、可钻性差异大的特点，基于机器学习的参数优化模型需构建多维度特征工程体系。模型设计流程包含数据采集层、特征提取层与决策输出层：通过井下随钻测量系统实时获取轴向振动频谱、环空压力梯度及钻柱扭矩波动等12类参数，采样频率达50 Hz以确保数据时效性；特征提取层采用小波包变换分解振动信号，提取频域能量熵作为岩性突变判据，同时将机械比能计算值与非均匀地层强度建立映射关系；决策输出层利用长短期记忆网络构建时序预测模型，通过历史钻井数据训练获得最优参数组合的泛化能力。此外，自适应控制算法在复杂地层的应用需分级实现：在硬脆性灰岩段采用基于强化学习的参数寻优策略，通过Q-learning算法在安全边界内探索钻压-转速组合的帕累托前沿；在裂缝发育段引入阻抗控制理论，根据井下扭矩突变特征实时调整转速波动阈值，防止钻具失速；在塑性泥岩段应用模型预测控制，结合随钻测井数据预判地层强度变化趋势，提前调整钻压分配方案。

2.2 井下工具集成创新设计

井下工具集成创新设计是提升钻完井效率的关键突破口。针对塔里木盆地超深层碳酸盐岩储层高温高压、硬脆性交替的地质特性，旋转导向系统（RSS）的结构改进聚焦于耐高温执行机构与精准控制模块[2]。将传统液压驱动改为压电陶瓷致动器，工作温度上限提升至200℃，响应时间缩短至50 ms；导向力输出模块采用非对称翼肋设计，单次最大造斜能力达15°/30 m，较常规系统提升80%。随钻测量（LWD）工具通过集成高频声波传感器与中子密度复合探测器，实现2 mm分辨率的地层界面识别，并采用碳化硅封装技术增强电子元件抗振性能，使工具在轴向加速度15g的振动环境下仍能保持测量误差小于1%。此外，热稳定PDC钻头的创新设计体现于复合片材料与布齿策略优化。采用纳米晶金刚石层与钴基合金基体的梯度烧结工艺，使复合片抗冲击韧性提升40%，热稳定性阈值达750℃。针对碳酸盐岩非均质性强的问题，设计螺旋非对称刀翼布局，主切削齿后倾角调整为20°以增强侧向切削力，辅助齿采用抛物线形轮廓降低粘附效应。

3.技术应用效果验证

现场试验方案设计以四川盆地长宁区块页岩气藏为研究对象，该区块埋深3500-4000 m，具有水平应力差超过15 MPa、脆性指数大于60%的典型地质特征。试验采用A/B组双盲对照设计，选取地质参数相近的12口水平井分为两组：A组沿用旋转导向+常规PDC钻头+套管完井工艺，B组应用集成旋转导向系统、热稳定PDC钻头及可膨胀筛管的新技术体系。试验周期覆盖钻井、固井、完井全流程，设定6个月观测期以评估技术稳定性。数据采集系统分为井下与地面双模块，部署如表1所示的关键监测设备。井下模块包含近钻头振动传感器、环空压力计及分布式光纤温度监测系统，采样频率分别设置为200 Hz、10 Hz和1 Hz；地面模块集成钻井参数实时记录仪与完井液流量计量装置，数据刷新间隔不大于5 s。

结语

综上所述，石油钻完井效率提升依赖于智能参数优化与井下工具结构创新的双轮驱动，通过数据建模、算法优化与材料升级，突破了典型技术瓶颈。试验验证表明，新型技术体系在复杂地质条件下具备良好稳定性与高适应性，为后续在深层及非常规储层的规模化推广奠定基础。面向未来，应持续强化算法模型泛化能力与井下装备耐久性研究，构建集成化、智能化与模块化协同的钻完井技术体系，加速迈向数字油田与高效开发的新阶段。

参考文献：

[1] 董吉鹏. 石油工程钻井技术措施研究[J]. 工程管理与技术探讨，2025，7（6）.

[2] 柴文科. 提高石油钻完井效率的技术研究与应用[J]. 石油石化物资采购，2024（8）：91-93.