油燃而声 第20期 | 地下与地面的连接通道——井眼
油燃而声 第20期
张烈辉 | 《油气简史》
（第二版 富媒体版）
目前，在我国很多地区还存在开凿水井以取得地下水用于日常生活和农业灌溉的现象。水井就是将地下水抽取到地面的通道。同样地，地下流体宝藏（例如，石油、天然气等）要从地下搬运到地面，也需要在地下油气藏和地面之间建立一条流体运动的通道。不过，建造油气从地下到地面的运动通道的过程要比凿水井复杂得多，技术含量也高了很多，因为大多数情况下油气藏比地下水要深得多。“开凿”油气藏地下—地面连接通道的这个过程就是我们通常说的“钻井”。
01
钻井——打开油气层第一关
钻井。简单地说，钻井就是从地面钻造出一个圆柱形的通道通向地下的油、气层，石油工业称这个圆柱形通道为井筒或井眼。井眼有不同的尺寸大小，已规范成若干尺寸系列，小的井眼 一般在6in（152.4mm）或以下，大的井眼超过了 20in（508mm）。
▲井眼与地层情况示意图
钻井，在我国有悠久的历史，说起来很让人骄傲和自豪。最早的钻井可以追溯到北宋庆历年间 (1041—1048 年 ) 的卓筒井，比西方早了800多年。那时的卓筒井深达数十丈，非常了不起，被称为“中国古代第五大发明”“世界石油钻井之父”。1835 年，我国钻成了世界第一口深度超千米的“卓筒井”（四川省自贡市大安寨，燊海井， 深度达1001.42m，其125m以上井径11.4cm，以下至井底10.7cm）。1907年9月10日，我国在陕西延长县打成“中国陆上第一口油井”——延 1 井（井深 81m）。
▲1905 年，清政府开办“延长石油厂”
1907 年在延长县打成
“中国陆上第一口油井——延1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火星
（由西南石油大学档案馆提供）
近代以来，随着机械设计、加工能力和化学化工等科学技术的进步，以及计算机技术、自动控制技术的广泛应用，油气钻井技术突飞猛进，从最初最原始的顿钻发展到当今普遍采用的旋转钻井。
俗话说得好，登天难，我们现在石油人的行话是，入地也难，入地比登天更难。现今油气井眼长度（行业内称之为井深）已超过万米。例如， 陆上最深的钻井在俄罗斯 Sakhalin 完钻，总进尺14600m（2020 年 5 月 21 日完钻），至今保持世界最深井纪录，比目前我们已知的地球上最深的海沟“马里亚纳海沟”（11034m）还深3566m，这个深度比珠穆朗玛峰（8844.43m）还多出 5756m。目前，亚洲陆上第一深井是塔里木轮探 1 井（8882m）。
知识小讲堂
02
各式各样的井眼
北宋庆历年间发明使用的“冲击式顿钻法”，开创人类机械钻井技术的先河。这一深井钻凿技术，后来传到西方，有力地推动了世界钻井技术的发展。当今的钻井几乎是无所不能，所向披靡。为了开发一些特殊地理位置（海洋、山区、城市）的油气，人们还研究出了可以在地下钻随意转弯井眼的技术（拐弯控制的核心技术叫旋转导向）， 即定向钻井技术。从早期钻直井井眼到钻水平井眼、阶梯式水平井眼、成对水平井眼、分支井眼，更复杂的还有像“鱼骨”形状一样的水平井眼，毫不夸张地说，现在的钻井技术水平很高，石油钻井工人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。目前，世界上垂直打的井，可以打到 13000m 深，打到一定深度以后， 找到有油气的储层，沿着这个储层再打水平井，水平段长可以达到七八千米， 甚至上万米。
▲各种各样的井眼示意图
在钻井过程中，破碎后的岩石碎屑到哪儿去了呢？钻井液是钻井的“血液”，具有一定的黏稠性，推着岩石碎屑从地下向地面移动。试过从可乐瓶里用吸管使劲吹气，把可乐吹出来吗？两者原理相似，不同的是钻井用液体把岩石碎屑带上来。要想让钻井液有效地把岩屑带到地面，需要合适的钻井液排量、钻井液切力、密度等，切力太低带不出大颗粒，密度太高容易把地层压漏，而且黏度太大，也不利于循环，太黏稠了，影响钻探动力，井底安全等。
▲钻井液样品
在几千米甚至上万米深的地层进行钻井，需要穿过很多个不同压力梯度（即不同深度的地层，单位路程的压力变化不同）的地层，有些地层，可能还有大的溶洞、地下裂缝等，还可能会发生钻井液漏失或者井眼垮塌。另外，大家都知道，浅表地层水是我们赖以生存的珍贵淡水资源，不能因为油气钻采而受到任何污染。为了解决这些问题，钻井工人们需要在井眼钻到一定深度后中断钻井而进行钻井过程中一项非常重要、耗时不长但是耗费很高的工作，就是“加固”井眼，保证钻井能够继续顺利进行（俗称固井）。
一口井全部钻完或者说钻达目的油气层之后，固井还被用于封固或封隔水层，以及不同压力、不同生产能力的生产层位。在目的油气生产层位固井之后，石油工人们接下来的任务就是建造目的油气生产层位进入井眼的通道，俗称完井。
完井方式有两种，射孔完井和裸眼完井。
射孔完井
将射孔枪下至特定深度范围地层（即目的油气层），靠射孔弹射开目的层位的套管及水泥环，构成地层至井筒的连通孔道，从而形成油气进入井眼的流动通道。射孔完井具有有效封隔和支撑疏松易塌的生产层、含水夹层及易塌的黏土夹层以及选择性地打开生产层，方便进行分层开采、分层测试、分层增产措施等优点，但具有生产层易受污染、产生附加流动阻力等缺点。
裸眼完井
简而言之，就是完全裸露出井眼，换句话说，就是钻完井眼之后就不需要再进行目的油气生产层位井眼加固，也不下任何管柱，从而保留完整的、原生态的油气运动通道。很显然，这种方式要求地层很稳定不容易垮塌（如碳酸盐 岩地层）等。缺点是：不能克服井壁坍塌、 油层出砂问题和产层内各小层之间的相互干扰；不能进行分层开采、分层测试、分层增产措施等。
固井与水井加固类似，如果水井井眼壁四周土质疏松、容易垮塌， 就会在水井井眼壁砌上石头以加固水井井眼（相当于井眼加固不锈钢管），只不过水井砌上石头后不需要水泥浆将出水层封死，因而就不 需要射孔，地层中的水可以通过孔、缝隙渗入井眼。如果水井井眼 壁四周土质稳定、粘接程度高、不容易垮塌，例如四周都是坚硬的岩石，这种情况就不需要加固水井井眼壁，从而保留完整地层水流动通道。
03
海上钻井与路上钻井的差异
海上油气较陆上油气、滩海油气（水深5m以内）更难于实施钻井、固井、完井。大家很容易想到，在海上实施钻井和陆地上钻井是不同的。在海洋上实施钻井时，几百吨重的钻机要有足够的支撑和放置的空间，同时还需要有钻井工人生活居住的地方，海上油气钻井平台就显得尤为重要。由于海洋上气候变化大、 海水腐蚀、海上风浪和海底暗流的侵蚀和破坏，海上钻井平台的稳定性和安全性非常重要。海洋油气钻井平台大小不同，小的平台大概也有一个篮球场那么大，有的很大，例如，法国道达尔集团的 PAZFLOR，可以说是海上“巨人”，其面积有三个足球场那么大，可以容纳 180 名工作人员在海上工作。
▲不同水深的海洋钻井平台
对于海水深度较浅的海域，首先在需要钻井的位置搭建固定式平台，这种平台大都是钢质桩基平台，一般由上部结构、导管架、钢桩三个部分组成。在这个平台上，就可以和陆上一样完成钻井、固井、完井工作。
对于海水更深的海域，在经济或者技术等方面不具备采用固定平台的情况下，一般采用移动式平台（如我国首座自主设计、建造的第六代深水半潜式钻井平台——海洋石油 981）完成深海油气的钻井、固井、完井工作。
▲绥中 36-1 油田 CEPK 平台
人类正在积极探索经济、高效和安全地开采海水深度超过三千米的海底油气资源的钻井、固井、完井技术。
▲井口装置实物图
无论是陆上，还是滩海、浅海、深海油气，实施钻井后均形成井眼，在此基础上实施固井、完井便形成了地层油、气或水流向地面的“通道”，这个“通道”再配上适当的井口装置，就形成了我们通常所说的、在油田现场也经常见到的各式各 样的“井”。通过这些“井”可以从地下产出油、气（称生产井），也可以通过“井”将水、空气或化学药剂等注入油气层内（称注入井）。
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图文来源 | 《油气简史》编辑 | 石娇杨责编 | 王思翔
审核 | 刘仲铭