互动科普

           定向钻进

               George A．Cooper*

新技术使得钻井队能绕过天然或人为的障碍以钻取石油和天然气。这些技术同样可以用于对地下污染物的取样以及埋设公共设施的管线。

人们在地球的地壳上挖掘深井找水已经有很长时间了。在过去的一个半世纪中，我们开始在另一个重要的领域运用这一技术：用于从地表之下提取天然气和石油。全世界的经济每天要消耗超过六千万桶的石油。仅打钻一项的开支就占生产这些石油的成本的三分之一到三分之二，根据某些估计，这一笔费用每天超过八千万美元。打钻费用之所以昂贵是因为打钻常常是在遥远偏僻的地方进行，且要使用一些需要相当技巧来操作的大型复杂机器。为简便起见，工程技术人员一般是笔直向下钻井。尽管这种垂直路线是最直截了当的，但它并不总是最实用的。建筑物、河流和小山可能会使钻井队无法将钻机安装到有价值目标的正上方，而地下的断层或不稳定的岩石建造也会妨碍他们进行笔直的打钻。

随着寻找油气的工作转移到更为复杂的地区，这些障碍也变得越来越难以避免。因此钻进工作在技术上和经济上的成功也越来越依赖于钻工把握住向其目标钻进的钻孔方向的能力。为满足这种不断发展的需要在过去十年中人们已经提出了几种方法。它们可以使钻井队进行水平平钻进，弯曲钻进或者实际上是在无论任何方向上的钻进。结果，工人们可以控制钻孔的路径以便从垂直钻井决不可能达到的地方汲取石油。这些技术的精确性也吸引了那些在石油部门以外工作的工程技术人员的注意。现在有许多公司运用定向钻进方法来获取以蒸汽或热水形式（与火山活动有关）存在的地热能。研究环境污染问题的专家和从事危险废物生意的公司正在研究和清理埋藏的污染物：承包商在人口稠密的闹市区地下铺设用户电缆。

在这种技术出现以前，用于使钻孔沿新的不同路线前进的唯一设备是造斜器，一种钢制的锥形楔。工人们将造斜器在钻孔内朝上卡紧。当他们再次将钻具放入井中时，楔的倾斜面就迫使钻头离开其原来的方向朝一侧偏移。钻井队还可使用另一些造斜器使钻井方向发生进一步的改变，这样，从原则上说，就可以朝任何方向打钻。然而，在实践中，由于操作起来要花费大量的时间，以致钻井队只有在他们不得不绕过卡在钻井内的设备时才求助于这种方法，即是采取一种所谓的迂回策略。

当石油公司开始对从近海地区获取石油感兴趣时上述态度发生了变化。为了获取埋藏在海底之下的石油，钻井队需要在浮式平台上或更经常地是在矗立在海底的固定式平台上工作。这样的装备极其昂贵；例如，位于北海的居尔费克斯（Gullfaks）C平台重一百五十万吨，高850英尺，其建造耗资20亿美元。其基础占据了四英亩的海床，而用于加固这座平台的钢材可以建造10座埃菲尔铁塔。这些平台中有若干个还常常要拖一个蓄水器。一个钻井队如果采用定向钻进技术就可以在一个平台上沿不同的路径钻井并到达不同的目标位置。因此，这种策略已大大恢复了其前途。1993年1月，挪威国家石油公司在北海上钻了一口从其起始点水平延伸23917英尺、深度为9000英尺的油井，创造了一项新的世界记录。

石油公司发现还有第二个原因使定向钻进技术具有吸引力：井的方位强烈地影响着它的排水效率。石油和天然气存在于多孔性和渗透性岩石中，这些岩石位于将储油气层从其上面加以密封的非渗透性岩层之下。石油漂浮在天然气与水之间的水平层位中。油层的宽度通常比其高度要大，因此竖直井只能接触到几英尺厚的石油。采油工程师的目的是要采出尽可能多的石油，但不能把位于油层之下的水抽出。上面的天然气可以回收出售或者将其留在原地以使对更有价值的石油施加压力，从而将石油驱向井中。尽管工程师们有经验，但是随着储油层中的液体不断被抽出，在短时间内水层会上升而气层会下降。这时油井就会失去其价值因为它开始在给出油的同时又给出水和气。相反，一口在水平方向上穿过含油带的井比一口坚直井所抽出的水和气要少得多，因为在含油带中打钻可以接触到超过数百英尺甚至可能达数千英尺的含油带。

水平井还能以另一种方式提供产出更多石油的可能性。石油常常会渗透进横切储油层的断裂中。这些断裂在给定区域内常常是彼此平行的（最通常的情况下是垂直的）。它们之所以如此排列是因为地壳通常是在垂直于最小地应力的方向上发生断裂。有经验的操作者就可以运用定向钻进方法在油田中布署一些水平井，这些井与该油田中占优势的一组断裂相交并将其抽干。的确，定向钻工已经通过运用这种技术将他们的油井的产量提高了十倍之多。

传统的钻进方法不容易加以改变以做出这样的伟绩。在传统操作中钻头是与工人在地面使之旋转的一组管道系统相连接的。随着钻头在上面钻管重量的压迫下移动，钻孔底部的岩石就会破碎。一根一百英尺长或更长的特别厚而重德钢管，也就是所谓的套管直接放在钻头之上以提供最初的推动力。钻具的其余部分由浇薄的钻管构成，它们吊在井架或钻塔上。钻井队将通常由粘土和其他添加剂在水中配成的钻进泥浆泵入钻管中，然后通过钻头表面内的喷嘴喷出。

钻具的大部分由钢钻管构成，它们的直径可能为5英寸而长度可能达10000英尺。这种尺寸的管子可能看来很结实，但是如果把钻具按比例均匀缩小，它就像一根长度为60多英尺而直径只有三十二分之一英寸的皮下注射针一样。要沿事先确定好的弯道打钻，钻井队必须能够影响使可弯曲钻具沿某一路线弯曲的能力。定向钻工通过在靠近钻头的钻具中安放一个具弯曲部分的套管（即“弯曲代用品”）从而赢得了这种控制。这种弯曲代用品通常弯曲的角度不超过几度，这足以钻一个其转向半径在几百英尺到几千英尺之间的孔。然而，由于弯曲部分是斜向钻头的一边的，因此钻工不可能在地面上转动这个钻具组。如果他们这样组哟的话，钻头就会在岩石内留下一个硕大的螺旋轨迹，而这实际上还是形成了一个竖直钻孔。以后，技术人员又为定向钻具组设计出液动马达，这些马达可以在弯曲代用品安装就位后放在孔中以直接旋转钻头。在钻井平台上的机械手将地面的钻管以改变弯曲代用品的方向，这样钻头就可以像人们所希望的那样向上、向下、向左或向右。

这些设计的成功在很大程度上取决于要将钻孔下部的摩擦力降至最低。在一个几乎水平的钻孔中，套管偏向孔的一边。工人们必须使用一种非常光滑的钻进泥浆这样才不会造成设备或岩屑发生堵塞。在真正水平的钻孔中套管不可能位于因为在钻头附近的套管只会沿钻孔的底部孔壁拖曳前进而不会逼迫钻头前进。因此，在这些情况下套管只被支撑在钻孔的上部竖直部分内。从这一地段，它们将较轻的那部分钻管沿靠近钻头的钻孔较平伸部分推进。这部分重量较轻的钻管必须避免弯曲或与孔壁相撞。为避免这一困境，工程师们已创造出既轻巧又有刚性的钻管。

设计小组还解决了另一些潜在的问题。钻进泥浆在钻管内的流动驱动用于定向钻具组中的井下马达。首先，试验者试验了涡轮机，但是这些涡轮机要在每分钟几百转的转速下运转才最有效——这对于大多数的普通钻头来说太快了。而且，由于泥浆可通过钻头流动，不管钻头是在旋转还是没有旋转都是这样，因此钻工常常不可能知道涡轮机是否以正确的转速在运转，不管是由于什么原因。

因此这一行业转为采用一种称为正排量液动马达的装置。在这类马达中，泥浆在带螺旋型沟槽的钢制转子和橡胶衬里的定子之间的腔中流动。这些腔随着转子的转动而开放和封闭，并且在泥浆的流速和马达的转速之间有一种直接的相关关系。厂商可以通过改变螺旋上的辐射叶片的数目或是调整这些叶片的角度来制造出具有很宽转速和扭矩范围的马达。当钻具最初携带正排量马达时，转子和泥浆的流动与橡胶定子发生摩擦，使其很快磨损。幸运的是，这个难题以后得到了解决。

除了已研制出特殊的井下马达外，工程师们还设计出用以钻出呈锐角弯曲的钻孔的新钻具组。对某些特定用途来说，钻孔的弯曲必须很剧烈，以致可弯曲钻具组的弹性弯曲度显然无法胜任。一种解决办法就是使用外导管。这种导管具有一些狭槽，使其可以在直线位置和曲率半径在30英尺到60英尺（取决于钻孔的大小）之间的位置发生弯曲。将一种由若干联锁换向器组成的组合传动管安装在导管内。这种联结就象脊椎骨一样使管子可以弯曲但是仍能将扭矩传给钻头，钻头位于传动管的末端。在这一构架内还有另一根可弯曲的管子将泥浆输送到钻头。外导管的钢自然可以弯曲虽然所有这三根管都必须是直的以便进入井中，但是一旦开始打钻，导管的自然弹性就会指引钻头沿着一条弯曲路径前进。结果,钻井就在数十英尺的长度内变成为水平井。

在某些储油层中，从一口竖直井底部水平延伸的呈辐射状排列的钻孔起着一个有效的排水系统的作用。为了形成这些排水孔，专业钻井队要把一种特制的导向器放入井下。这种导向器是以如下方式成形的，即首先将内管弯曲然后在水平距离一到二英尺的范围内将其弄直操作者将此导向器放置在主钻孔的底部然后放一根更细的钢管在导向器内。在内管的前端，一个喷嘴喷出冲蚀岩石的高压水从而使管子向前移动。在此小直径管子超过导向器前进了一段相当距离之后，工作人员就使用化学物质将其切断从而与钻具的其余部分分开。然后就将换向器去掉或将其转向新的方向以适应一个或更多的其它钻孔的布置。

准确操纵钻孔前进的能力必不可少。最低限度钻工需要知道钻孔的倾角和罗盘方位（方位角），以及钻头刀具面的角度刀具面的角度告诉钻井队钻头指向的路线从而告诉钻孔以后穿行的路线。油田工程师们通过将钻管在地面上转动的情况绘制成图来记录测量结果；系在缆索上在钻管内降落的一种仪器——例如罗盘和摆——盒能够指示出钻具组在任一时刻的方位。

遗憾的是，随着钻孔越来越深，钻井队必须加在钻具顶端的额外部分的钻管如果不切断缆索就无法使其穿过此部分钻管。因此，当正常钻进工作正在进行之时必须移开缆索和仪器盒。每次停止钻进并将仪器盒送入孔底都需要花费相当的时间。为了提高效率，已经开发出几个含有可自动推进的测量仪器系统，这些仪器在钻进时就能工作。一种“在钻进时能进行测量”（MWD）的仪器在泥浆通过此仪器时借助于停止和开通泥浆的流动来将信息传送到地面。泥浆流动速率的变化会引起泥浆压力的起伏，而这些起伏可在地面检测出从而被记录下来以达到查明正在钻进的钻具组的方位之目的。

最先进的那些MWD仪器携带有能测定储油层内及其周围岩石的物理性质的辅助电子传感器。这类传感器为“聪明的”钻进铺平了道路：Schlunberger钻井集团公司的一个分队，Anadrill钻井队首创了这种将传感器放在钻头上的技术。这些传感器使钻工只要简单地检查一下钻头前方的岩石结构就可沿着一个特定的地质建造向着产油带（在这里存在着有价值的石油）前进。例如，含油层由位于不透水的粘土或页岩之下的多孔、透水的砂岩或碳酸盐岩石构成。粘土或页岩层将产油带密封起来并且通常含有微量的铀、钍和钾。相反，储油层的岩石由较纯粹的砂（二氧化硅）或碳酸钙组成，这两种物质都不含可检测出的放射性元素含量。MWD装置上的一些仪器能检测出储油层之上的粘土和页岩的放射性并将其测定结果报告到地面。然后钻工就可以控制钻孔的方向以使其总是位于储油岩石中并目避开不产油的页岩。

另外一些探测器用于测定钻孔周围岩石的电阻率。岩石中的矿物本身都有很高的电阻率，就象油和气一样。另一方面，处于这种深度下的水通常都多少有点咸因而给出低的电阻率值。根据这一差别，钻工就可以知道钻头是仍然在含烃带内还是已进入了油水接触面之下。最后，还可以包括那些测量蘸加于钻头上的扭矩和前向力的仪器。通过比较井下的测量结果以及在地面进行的测量结果，工程师们就可以知道设备的某些部分是否在钻孔内被卡住因而可以预测钻孔的崩坍或其它障碍。工作人员还可以测量对任一钻进力所记录下的扭矩值，这种信息可以指出钻头是否遇到了障碍还是已被用坏需要重新更换。

定向钻进技术在石油行业之外还找到了许多用途。水、气、电和通信服务的供应厂商正在迅速采用这种技术来使被复线或管道穿过道路、建筑物和河流的下方。由于定向钻进与传统方法不同，它不需要使用钻孔上方的地面，因此它对上述项目来说很理想。在本世纪七十年代期间只钻了50个穿过河流之下的交叉孔，总长为60000英尺。而仅仅1988年一年个别公司就建成了总长为200000英尺的200套装置。Cherrington公司在1993年初创造了一项世界记录，它在加利福尼亚州萨克拉门托河之下为太平洋天然气输送公司一太平洋天然气及电力公司铺设了4150英尺直径为42英寸的天然气管道。在欧洲，目前有2000英尺直径为48英寸的天然气管道横卧在荷兰的北荷兰运河之下，而大约有6000英尺直径8英寸的天然气管道位于魁北克省三河城附近的圣劳伦斯河之下。

在建设这些管道的过程中，钻孔的斜度必须非常平缓以使在河流下面穿行的卧式管道因弯曲而受到的应力尽可能地小。因此，这些工程使用的钻孔设备要刚好在河流之下下沉，而不能遵循较长的U形路径。这样，钻孔就根本没有竖直部分。钻具上的大功率传动装置必须在没有钻进套管的帮助下将钻具组推入地下。在靠近钻头的一个整装传感系统可以控制钻具组的方向。如果钻孔较浅而在其所经途径之上的地面较清洁，则地面上的电缆就能将信号传到地下位于钻头附近的传感系统中。这样，钻工就能非常准确地引导钻头的方向；常常是钻孔在地下延伸几百英尺之后出现在其目标的一英尺的范围内。

河床下的土层一般是柔软的。因此，穿越河流之下的工程必须包括为了避免钻孔崩坍所采取的特殊措施。作为一个预防措施，钻进工作经常是分阶段进行的。第一步，工人们在河流之下钻一个直径几英寸的定位孔，通过设计孔的全程。此外将直径与定位孔相同的“冲洗管”放入钻具后面的钻管之外。冲洗保护柔软的孔壁不受转动的钻管所造成的磨损以及泥浆回流所引起的侵蚀。一旦钻具组到达穿越管道的另一端的地表，工人们就卸下钻头并加上一个铰孔头。用一个回转接头将铰孔头与另一岸上的管道相连。回转接头使铰孔头在不让管道也转动的情况下转动。然后用钻具将钻管、铰孔头和管道在相反方向上通过钻孔拉回到跨越管道的开始端，通道就完成了。

定向钻进还证明对防止污染有用。泄漏的储油罐和其它工业装置常常会对其下面的土地产生污染。这样的地方可能很难或者根本不可能从上面接近。定向钻进提供了一种识别和清洗这类地区的方法。而且，由于钻具和钻井队都不需要到达该处地区的正上方，甚至也不需要到其附近，因此他们很步有受到污染的危险。例如，在能源部的一个萨凡纳现场，一支清洁钻井队使用一对卧式钻孔将挥发性的有机污染物从一个泄漏的污水管道附近清除掉。工人们将空气从一个钻孔泵入地下然后再从另一个钻孔中抽取蒸气。该钻井队报道说，这种方法与挖掘一系列竖直井的另一种方法相比要节约大约一亿二千五百万美元。

我们还正在伯克利加利福尼亚大学我的实验室中研制另一种令人感兴趣的技术。在这种方法中，采用非常低温的空气或氮气作为钻进流体而不用泥浆。这一措施有几个优点。首先，在某些情况下即使是水也会打乱地下污染物的组成或将其冲刷到先前未受污染的区域。其次，气体很少侵蚀性。此外，由于气体温度很低，因此污染物能够就地冻结且可以更准确地取样。而且，被冻结土层的环形区域支撑住钻孔从而防止其崩坍。这种效应在经常发现污染物的松软沙质土层中尤其显著。定向钻进和土层冻结还可以找到其它令人感兴趣的应用。例如，可以形成低温屏障以阻止污染物在下层土中的扩散。

定向钻进技术还为承包商提供了一种新的方法来安装市内从街道到用户的基础设施，例如缆线、气管和水管。按照传统做法，工人们是在浅沟内埋藏管线，这些挖掘的沟会晓道路、人行道以及正常的交通流量受到干扰。相反，定向钻进对地面没有任何影响。一种定向钻进设施使用一种新型的冲击部件，它将钻头反复锤击向前。这种钻头有一个斜面，它能在此斜面的倾斜方向上打洞。在钻头的后面，螺旋片当锤身通过土层向前移动时可使其旋转。钻头可以独立地自由转向，或者可以卡紧钻头以使其同锤身一起旋转。在前一种情况下，钻头保持恒定的方向刚钻出一个斜井。如果钻头被固定在锤身上，它就可以钻出一个竖直井。一位操作人员在钻孔之上的地面上行走，手拿一个传感器。这种仪器可以用来检测钻头的位置并且控制其与锤身的连接。这样，钻工就可以一步一步地引导钻孔的方向。

已研制出的另一套用于开凿用户管线通道的设施是使用能喷射压力达250巴（每平方英寸3750磅）的液体的喷嘴。这种设施既可喷射淡水也可喷射泥浆。泥浆覆盖并密封了孔壁，这是一种可以减少并孔崩坍危险的办法。以这样高的压力喷出的水和泥浆可以贯穿大多数土层但是混凝土、管道和缆线不受损害。因此，这种喷射钻进法对其它的地下用户管线遣成损害的危险很小，特别是在居住拥挤的环境中。如果前面是特别硬的地区，在钻头上还可以安装一些碳化钨齿状物。以补充喷流的力量。通过改变喷嘴的角度来控制钻头的方向；安装在井孔之上的一个手提式探测仪用来测定这些钻具的方位。这种探测仪可以指示并指引深达30英尺的钻头的方位。由于工作人员可以控制这一深度处的钻头，因此他们就能在现有的用户管线网络之下的深处铺设新的管线。其费用大约相当于钻一浅孔的费用。

在不远的将来我们可以指望看到钻工能实时控制钻头而无需事先调查其下埋有什么东西的系统。但在目前，定向钻进技术已经显著改变了石油工业。例如，在加利福尼亚州，工业界巨头、地方政府和研究环境污染问题的专家同样都支持一项鼓励依靠定向钻进装备来扩大钻孔延伸范围的最新计划。这项计划要拆除一个现存于加利福尼亚州圣巴巴拉近海的平台，代之以从陆地上的一些钻井点去开采该平台所能达到的南埃尔伍德油田。石油公司由于这项计划中的油井将具有更大的生产能力因而可以节约资金。此外，石油公司就不再需要平台、油罐或供应船。他们的尝试将为当地居民带来鞭外的收入。而且，扩大钻孔延伸范围还可以降低产生近海原油泄漏的危险，很少造成空气的污染并留下有利可图的捕鱼区和平安无恙的海上禁猎区。定向钻进技术对一系列用途来说不仅更有效而且花钱更少，它们还表明是更安全的。

                                         [肖波译鲁兰校]