钻井——修建“油气” 通向地面的人工通道

（一）

通过地震资料发现地下的油气藏后，我们就要修建一条“油气”从地下通向地面的人工通道，要修建这样的通道，就要打一口井下去，这就是通常所说的钻井。

钻井，简单地说，就是通过钻井工具从地面钻出一个圆柱形通道，通向地下的油气层，我们把这个圆柱形通道称为井筒或井眼。井眼直径有大有小，小的井眼直径一般在15.24厘米或以下；大的井眼直径超过50.8厘米，比常用的洗脸盆还大。

我国钻井历史悠久，顿钻钻井最早可追溯到北宋庆历、皇佑年间的卓筒井，比西方早800多年，非常了不起，堪称中国“第五大发明”。1835年，我国钻成了世界第一口深度超千米的“ 燊 海井”。1907年，我国在陕西延长县打下“中国陆上第一口油井”——延1井，井深81米。这口井结束了中国陆上不产石油的历史，点燃了中国现代石油工业的星星之火。

对钻井而言，最核心的钻井工具是钻头，作为钻井技术中的“重器”，它的重要作用就是破碎地层岩石，向油气层挺进。有一句行话叫“钻头不到，油气不冒”，就是说要想把地下的油气资源采掘到地面来，必须用钻头把岩石打穿或者打透，打到油气显示层。钻头以上是由转换接头、钻铤、加重钻杆、钻杆等钢管，通过螺纹一根一根连接成俗称的钻柱。钻柱就这样一根一根地连接，不断增加深度，直达油气层。这样的钻柱像一根空心的细管子，钻井液从地面泵入钻柱内，在钻柱末端流进外径比钻柱要大一些的钻头里，钻头底部上有一些小孔，钻井液就通过这些小孔到达井底，将钻井产生的岩石碎屑运送到地面，地面又通过一定手段分离岩石碎屑和钻井液，分离的钻井液继续泵入钻柱内，如此往复，如同血液循环一样。

什么是钻井液呢？一开始，就是泥浆。这种泥浆是黏土的微小颗粒在水中分散并与水混合形成的半胶体悬浮液。随着钻井技术的不断发展，我们能够对泥浆进行化学处理，形成不含黏土的泥浆。此时再把它叫作泥浆就不准确了，因此，统一叫作“钻井液”。钻井液最基本的功能有以下几点：一是携带和悬浮钻头破碎地层产生的碎屑；二是在所钻井眼井壁上形成泥饼，以稳固钻开的地层；三是通过不断调节钻井液密度，使液柱压力能够平衡地层压力和地层坍塌压力；四是可以冷却钻头破碎地层、钻具与井壁摩擦产生的热量，从而延长钻头使用寿命；五是传递水动力，在地面通过泥浆泵向钻柱内泵入高流速的钻井液，到达钻头处时可以形成高流速用于冲击井底，从而提高钻井速度和破岩效率。

为了不污染地层水、防止地层坍塌、保障钻井安全，钻井工人需要在井眼钻到一定深度时，中断钻井 ，“加固”井眼，以保证钻井能够继续顺利进行。加固井眼是钻井过程中一项非常重要、耗时不长但是耗费很高的工作。

怎么加固呢？加固井眼之前需要将井眼中的钻头和钻杆取出来，然后向井眼内插入一根根比钻头外径小的优质金属钢管，俗称套管，接着在金属钢管与井壁的环形空间填充优质水泥，让金属钢管和地层紧紧粘接在一起。不同井眼所需要的“加固”次数也不相同，而每加固一次，钻头外径就小一级。最常见的套管层数为三层或四层，全世界最复杂井眼的套管层数已经超过十层，“加固”井眼的过程称为固井。

通常，钻井过程有三开三固。一开一固，就是指形成一个井眼，下入钢管、注入水泥固井。“一开”的目的是在地表岩石比较疏松、易垮塌的情况下，防止浅层水受污染，封闭浅层流砂、砾石层及浅层气，支撑井口设备装置，悬挂依次下入的各层套管。通常需要“一开”钻出一个尺寸比较大的井眼，深度一般为300～500米。二开二固，一般情况下，就是正常形成一个到达目标产层顶部的井眼，并下入钢管、注水泥固井。“二开”的目的是封隔坍塌地层及高压水层，以及不同的压力体系，保障这一井眼继续钻井的需要。三开三固，也就是钻开油气层位，固井完井，形成油气开采通道。“三开”的目的是为油气生产提供流通通道，保护产层、分层测试、分层采油、分层改造。正常情况下，通常采用“三开三固”，从而保护加固地表层位、减小钻井事故、保障长期生产的需要。就像钻开复杂断层、涌水涌泥等复杂多变山体的隧道，需要不断浇筑水泥保护一样，在一些难度较大的区域，特别是海洋，甚至需要“四开四固”“五开五固”“六开六固”。

最后一次固井完成后，接下来的任务就是要建造油气进入井眼的通道。具体操作就是把更小的钢管放入已经“加固”好的套管内。这个更小的钢管就是我们通常说的油管，油管的底部就是油气的入口，油气通过油管流到地面，这个过程专业上称之为完井。

在油气钻探中，下入套管的作用很多，除了防止井眼坍塌和浅表水污染外，套管还是地面设备的支撑点，可以控制从井眼出来的流体流量的大小。套管作用不同，类型也多种多样，我们将它分为导管、表层套管、技术套管、油层套管或生产套管。

完成了钻井、固井和完井，配上地面井口装置，就形成了“油气”通向地面的人工通道，这就是大家耳熟能详的“井”。为了把更多的地下油气藏中的油气采掘到地面来，石油人发明了各式各样的“井”。例如，从地下产出原油的“井”称为采油井，产出天然气的“井”称为采气井。采油井、采气井也称为“生产井”。在地面将水注入油气地层中的“井”称为“注水井”，将气注入油气地层中的“井”称为“注气井”。注水井、注气井也称为“注入井”。

近代以来，油气钻井技术发展突飞猛进。毫不夸张地说，现在的钻井技术水平很高，几乎可以钻任意井眼轨迹，或者具有多个分支的井眼来连通地下油气层。为了开发一些特殊地理位置，比如海洋、山区、城市的油气，我们可以使井眼在地下随意转弯，从而到达最终目标，这被称为定向井眼。定向井眼的轨迹有时非常复杂，可能水平最高超的赛车选手在定向井轨迹上行驶都会觉得困难。从类型上看，有的是使井眼垂直钻到一定深度后，在水平方向钻井的水平井，有的是钻出更复杂的像“鱼骨”形状的水平井眼，有的甚至钻出比珠穆朗玛峰更深的井……

我们石油人有句行话，登天难，入地也难，入地比登天更难。现今油气井眼长度，也就是行业内所说的井深，最长已超过万米。例如，陆上最长的钻井在俄罗斯萨哈林岛完钻，总进尺14600米，至今保持世界最深井纪录，比目前我们已知的，深度达到11034米，号称地球上最深海沟的“马里亚纳海沟”还深3566米。这口井的深度比珠穆朗玛峰的高度8844.43米还多出5756米。目前，亚洲陆上第一深井是我国塔里木轮探1井，井深8882米。这口井标志着塔里木油田打开了塔里木盆地深层巨大的油气宝库，掀开了8000米以下超深层勘探新的一页。

（二）

钻井过程中一项非常重要的工作就是安全、高效钻达目的层。

农村的水井也就十几米深，而油气井深达几百米、几千米甚至上万米，整个钻井过程是一个“黑匣子”工程。为什么说是“黑匣子”工程呢？因为钻井的对象是地下的岩石，我们无法像空间作业那样，通过望远镜等设备进行监测。在钻井过程中，只能通过返出岩屑的情况和一些钻井参数来判断地下情况。地下情况复杂、特殊，地层千差万别，有的地下地层压力不同，有低压层，有异常高压层；有的岩石很坚硬，有的很松软；有的岩石很致密，有的存在裂缝、溶洞，甚至是大裂缝大溶洞；有的地层还含二氧化碳和有毒气体，如硫化氢等。尽管在钻井前和钻井过程中，钻井技术人员做了很多非常细致、详尽的准备工作，但还是经常遇到各种井下复杂情况，比如井喷、溢流、井涌等，给钻井施工带来挑战和困难。这些情况甚至可能导致井毁人亡，给国家和人民造成巨大损失。

最严重的井喷失控类似于火山爆发。井喷失控后，喷发的油气往往伴随有毒气体或夹杂着砂石，喷出的石块敲打着井架叮当作响，现场还会闻到油气味，现场人员也可能吸入有毒气体。井架上碰撞出的火花可能引燃喷发出的气体，大火可能高达数十米，在几千米甚至几十千米以外都能看见。井喷失控会造成机毁人亡、油气井报废、环境污染以及巨大的经济损失。

2003年12月23日，重庆市开县高桥镇罗家寨，发生了国内乃至世界罕见的特大井喷失控事故，造成万人大撤离，2142人受伤住院，243人中毒死亡，直接经济损失上亿元，是新中国成立以来，重庆历史上死亡人数最多、损失最重的一次特大安全事故。这次事故给国家、社会、人民群众的生命财产带来了灾难性的损失。

大家可能还记忆犹新，2010年4月20日，英国石油公司在美国墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生井喷爆炸着火事故，造成11人死亡，17人受伤。平台燃烧36小时后沉没，持续漏油87天，4万多桶原油流入墨西哥湾，近1500公里海滩受到污染，至少2500平方公里的海水被石油覆盖，引发了严重的环境污染，成为美国历史上最严重的漏油事故。英国石油公司为墨西哥湾漏油事件支出的相关费用总额高达538亿美元，事故赔偿额度创下历史最高。

大家应该都曾经被铁人王进喜的故事所震撼吧？20世纪70年代拍摄的电影《创业》中，铁人王进喜为了提高泥浆密度、控制溢流、制服井喷，不畏严寒、奋不顾身地跳进了寒冷的泥浆池，用身体搅拌泥浆，保住了油井和井口设备，避免了一场灾难性钻井事故。为什么王进喜舍命也要跳进泥浆池呢？因为他要争分夺秒地制服突发性的井喷，多耽搁一秒就有可能造成不可估量的损失。

日常作业中，我们如何防止这些事故的发生呢？

一方面，在钻井过程中采取井控措施。在油气勘探开发过程中，井控工作是一项重要环节，是安全生产工作的重中之重。井控，即油气井的压力控制，就是采用一定方法平衡地层孔隙压力。地层岩石存在微小到肉眼几乎不可见的孔隙，地层孔隙压力也就是岩石孔隙内流体的压力。打个比方，当你将手放入一个浸满水的海绵时，你会感到四周有一股力量把你的手掌包围住，这个力就是地层孔隙压力。钻井时，井眼周围的地层孔隙压力会挤压井眼，孔隙中的流体还可能流入井眼内。井控就是通过在井筒内形成压力，平衡地层孔隙压力，抵消这份压力对井眼的影响。如何在井筒内形成压力呢？这就需要让井眼内充满钻井液，改变钻井液的密度，从而改变钻井液的重力，达到井控目的。

另一方面，我们还需要帮助石油工人“看清楚”地下的情况。目前的主要手段：一是地震勘探技术，这就相当于给地球做B超检查，识别地下深处可能埋藏油气的位置；二是测井技术，这与外科医生在做微创手术时的内窥镜相似，我们给钻头装上“千里眼”，观察钻头前进过程中，井眼周围的情况，查看井四周是什么样的岩石，以及岩石里装的是油还是水；三是录井技术，好比医生通过检查病人的粪便来推断病情，我们利用钻井过程中的“地面排出物”——岩屑，预测地层情况，查看是什么岩石、岩石是否含油气；四是取芯技术，好比医生给病人做小型“穿刺”取“活体”样本。我们通过专业工具，从地下几千米的位置取出岩石和流体样品，通过岩石样品判断岩石孔大小、孔与孔是否连通、是否有油水。通过流体样品，我们分析它的油、气、水的性质，比如组成、密度、黏度、压缩性等，以及随温度压力变化情况。最后就是进行生产测试，俗称放喷，就是大家经常在电视里看见的井口喷火、井口喷油的场景。目的是看看发现的油气是否具有工业油气产量，有无工业采掘价值。

很显然，地球物理学家通过地球物理勘探给地球做B超，可以预测地下石油和天然气最有可能富集的地理位置，以及可能发现油气的地质年代。但这项预测具有不确定性，还有很多“模糊”的问题需要回答。回答这些不确定性问题的就是钻井工程师，他们通过钻井钻遇地层，通过测井、录井、取样、测试等多种方式确定和挖掘钻遇地层包含的所有信息。对油气采掘来说，钻井非常重要，因为它可以查明油气藏构造形态、含油气面积、储量规模、流体性质及生产能力等一系列情况。

综上，钻井是一项高投入、高技术、高风险的复杂工作，但“井工厂”技术，作为一种流水作业线方式，可以大大降低成本、提高劳动效率。就好比大餐厅做菜，洗菜、切菜、炒菜都是专人负责，可以同时进行，节约周期。“井工厂”采用工厂化组织管理模式把各工序有效地衔接起来，集中配置人力、物力、财力、组织等要素，充分协调统筹地理环境、材料供给、电力供应、人力物力财力，采用“群式布井、集中施工、流水作业、资源整合、统一管理、远程控制”方式，按相应标准进行批量化施工与流水作业，从而降低工程成本、提高作业效率。例如，在同一平台钻井，先准备好钻开地层上部表层，也就是一开的钻井液后，用相同钻具组合批量化钻井，把所有井表层一次钻完；再配制二开钻井液，用二开钻具组合批量化钻完所有二开井眼表层以下的钻井，以此类推。这样的方式既可以降低钻井液配制成本，大幅降低钻井周期。同时也为下道工序，如压裂、试油、试气批量化作业创造了条件。“工厂化”这种全新的作业方式，特别适用于像页岩气资源这样的低品位、非常规油气资源的开发作业，从而助力我国非常规油气资源的持续规模效益开发。美国致密砂岩气、页岩气开发，英国北海油田，墨西哥湾和巴西深海油田，都是采用“工厂化”作业方式。陆上一个井场钻50多口井，海上一个钻井平台钻100多口井，高度集中的流水线施工和作业，使开采成本大大降低，投资者的效益最大化。

作者：张烈辉