特深科学井孔内安全研究与施工技术体系构想

朱文鉴，王李昌

(1.北京探矿工程研究所，北京 100083； 2. 中南大学， 长沙 410083)

0 引言

特深井(直井)目前主要有沉积岩石油深井和结晶岩科学深孔。石油特深井有国外深9583 m的勃尔兹·罗杰斯1号井(美国)和国内8418 m深的马深1井(四川)。科学特深井有国外12 262 m深的科拉SG-3井(前苏联)、9101 m深的KTB主孔(前联邦德国)和国内5158 m深的科钻一井。

钻探钻井孔内安全基础性问题应包括孔壁安全和轨迹安全。孔壁安全是力学平衡和物化平衡问题，是一个多场多介质(应力场、压力场、温度场和流体场；流体、岩体、钻具)条件下的压力、应力和物化等平衡，同时各平衡相互影响，其中一项不平衡都会导致孔壁安全问题。钻孔轨迹安全是空间力学问题，是钻孔轨迹空间形态引起的孔壁与钻杆柱摩阻力对起下钻、钻进和其他孔底作业的屏蔽作用，可导致钻进过程难以掌控和起下钻遇卡等问题。

1 钻探钻井施工技术体系

对于深井和特深井施工可分为两大基本技术体系：石油钻井(沉积岩、全面钻进)和科学钻探(结晶岩、取心钻进)。不同地层孔内安全问题的主要特点见表1所示；石油钻井和科学钻探孔内安全基本问题与应对措施见表2所示。

沉积岩石油钻井市场需求旺盛、工程量大，理论基础扎实、技术体系完善，钻井设备、工具、材料等系列化、标准化程度高。结晶岩科学钻探需求弱、工程量少，理论基础研究不足、技术体系不完备，钻探设备、工具、材料等主要借用石油钻井与地质钻探，缺乏技术体系和专用装备与工具。

表1 不同地层钻探钻井主要特点

表2 钻探钻井孔内安全主要问题与措施

2 孔壁安全分析

孔壁安全是一个多场多介质条件下的力学和物化平衡问题(应力场、压力场、流体场、温度场；流体、岩体、钻具等)，是一个多因素交互作用的动态平衡。孔壁安全的本质是孔壁岩石与井筒钻井液的应力、压力和物化三个动态平衡，结晶岩地层孔壁稳定与沉积岩地层孔壁稳定具有不同的特点。

2.1 沉积岩孔壁安全

2.1.1 压力平衡

沉积岩地层有孔隙压力和破裂压力，泥浆液柱压力与其压力平衡关系为：

pp≤ph≤pf或Gp≤Gh≤Gf

(1)

式中：pp为地层孔隙压力，MPa；Gp为孔隙压力梯度，MPa/100 m；ph为钻井液液柱压力(含循环压力和激动压力等)，MPa；Gh为钻井液液柱压力梯度，MPa/100 m；pf为地层破裂压力，MPa；Gf为地层破裂压力梯度，MPa/100 m。

压力平衡体现为对钻井液液柱压力的双向约束，泥浆密度有一定的窗口，当泥浆密度低于孔隙压力时会导致井涌井喷(密度下限)；高于破裂压力时会导致井漏(密度上限)。

2.1.2 应力平衡

维持孔壁岩层应力平衡和防止钻孔缩径需要的液柱压力为坍塌压力，其与泥浆液柱压力的关系为：

pc≤ph或Gc≤Gh

(2)

式中：pc为地层坍塌压力，MPa；

Gp为坍塌压力梯度，MPa/100 m。

应力平衡体现为钻开地层时井筒孔壁岩石载荷的再平衡，将井筒围岩应力分量(需考虑孔壁岩石水敏引起的水化膨胀应力和剪切强度的降低等)与岩石破坏准则(即莫尔-库伦剪切破坏准则和格里菲斯张性破裂)相比较(图1)，可判断孔壁是否稳定。对应于软塑地层，钻井液密度具有很高的下限(超过2.0 g/cm3)。

图1 孔壁岩石应力稳定态变化图

2.1.3 物化平衡

孔壁岩体与钻井液之间的化学反应或物理转移的动态平衡。当孔壁岩石与钻井液的水矿化度、活度或化学电位等不同时会导致水相转移、泥页岩吸水膨胀或软化和溶解等，破坏孔壁应力平衡，给孔壁稳定产生严重影响。物化平衡的关键是防止孔壁岩石和钻井液之间的水相转移。

2.1.4 沉积岩孔壁安全措施

主要依靠泥浆密度调整压力和应力平衡，泥浆密度窗口相对较窄；主要依靠泥浆的抑制性控制孔壁岩石与钻井液之间物化平衡。所以沉积岩维护孔壁稳定主要采用泥浆护壁技术，当泥浆护壁技术无法满足压力、应力或物化动态平衡时，采用套管固井隔离。

2.2 结晶岩孔壁安全

2.2.1 压力平衡

结晶岩地层一般无孔隙压力；结晶岩地层破裂压力高，一般不低于上覆压力梯度(2.5 MPa/100 m)；如断裂带、破碎带或裂隙带等漏失，其漏失压力低，一般不高于水柱压力梯度(1 MPa/100 m)，其压力平衡为：

ph≤pL&ph≤pf或Gh≤GL&Gh≤Gf

(3)

式中：pL为地层漏失压力，MPa；

GL为地层漏失压力梯度，MPa/100 m。

结晶岩断裂带、破碎带或裂隙带漏失压力与地层破裂压力有本质的不同。由于结晶岩破裂压力高，ph≤pf一般条件下都满足；钻遇断裂带、裂隙带或破碎带等地层发生漏失时，采用泥浆钻进时ph≤pL式很难满足，通常采用空气钻进或堵漏措施。结晶岩压力平衡式是单向约束，通常情况下没有泥浆密度窗口概念。

2.2.2 应力平衡

维持结晶岩孔壁岩层应力平衡需要的钻井液液柱压力为坍塌压力，应力平衡关系同式(3)。由于结晶岩强度高，抗剪切强度高、塑性变形小，其坍塌压力低，在中深井条件下，结晶岩一般都能满足该要求。

2.2.3 物化平衡

由于结晶岩遇水很稳定，因此物化平衡稳定性高。

2.2.4 结晶岩孔壁安全措施

结晶岩孔壁安全度高，但钻遇断裂带、裂隙带、破碎带或低强度带等时，如有漏失，则漏失压力低(密度上限一般低于1 g/cm3)，调节泥浆密度难以满足压力，一般需采用空气钻井或堵漏措施；同时其坍塌压力高(密度下限一般高于2.5 g/cm3)，调节泥浆密度难以满足应力平衡要求，一般会通过坍塌扩径释放局部压力至应力重新平衡，为了维护孔壁安全，宜采用固壁或造壁技术护壁。

3 钻孔轨迹安全分析

钻孔轨迹安全是钻孔轨迹空间形态对钻杆柱在起下钻、钻进等孔内作业过程中的屏障问题，当屏蔽作用达到一定程度时，将导致起下钻遇卡、钻进过程难掌控等复杂情况，严重时将导致无法正常起下钻和正常钻进等问题。

3.1 钻孔轨迹弯曲分类

依据钻孔轨迹顶角的变化可分为正弯曲和负弯曲。正弯曲是钻孔顶角增加的轨迹弯曲段，钻探钻井钻孔轨迹通常是正弯曲，比如：石油钻井水平井施工，顶角增加至近90°；水平定向钻进施工入地时顶角近75°，出土时顶角近105°。负弯曲是钻孔顶角减少的轨迹弯曲段，钻探施工过程中纠斜的钻孔轨迹是典型的负弯曲。在正弯曲和负弯曲孔段，起下钻、事故处理等作业钻杆柱受力状态有本质的不同。正弯曲时，钻杆柱整体顺钻孔下孔壁运移，不易形成载荷集中点，对入孔钻杆柱最少曲率半径要求较小；负弯曲时，钻杆柱顺钻孔局部下孔壁运移(下钻易遇阻)，易形成较大载荷集中点，对入孔钻杆柱最小曲率半径要求较大。

在深井直孔中的钻杆柱可视为受拉力作用的柔性杆体。正弯曲段钻杆柱摩阻力可简化为作用于该孔段中间点，摩阻力近似为：

(4)

式中：Ff为摩阻力；

θ1为正弯曲段起始顶角，(°)；

θ2为正弯曲段最终顶角，(°)；

f为摩擦系数。

直孔负弯曲段钻杆柱摩阻力可简化为作用于该孔段起点，摩阻力近似为：

(5)

式中：θ1为负弯曲段最大顶角，(°)；

θ2为负弯曲段最小顶角，(°)，当负弯曲段轨迹超越垂直线时为负值。

依据钻孔顶角和方位角的变化不同可分为折弯曲和空间弯曲。折弯曲是由一个正弯曲段和一个负弯曲段构成的轨迹弯曲段，折弯曲会严重恶化钻杆柱的受力状态；空间弯曲是钻孔顶角和方位角都有变化的轨迹弯曲段，方位角变化也会恶化钻杆柱受力状况。

3.2 弯曲段轨迹安全评价

钻孔轨迹安全评价是评价钻孔轨迹弯曲对钻探钻井正常施工的影响程度，应分为二个层次：弯曲段(局部)轨迹安全评价、全孔轨迹安全评价。弯曲段轨迹安全评价可采用最大允许狗腿严重度。弯曲狗腿严重度为钻孔轨迹轴线两个测点之间，其顶角与方位角的空间变化值与两测点长度的比值，表示钻孔弯曲程度或变化快慢程度，即钻孔轨迹曲率(°/30 m或°/100英尺)：

(6)

式中：DLS为狗腿严重度，(°)/30 m；L为两测点弯曲段长度，m；α1为第一个测点顶角，(°)；α2为第2个测点顶角，(°)；θ1为第一个测点方位角，(°)；θ2为第二个测点方位角，(°)。

最大允许狗腿严重度为钻孔轨迹正弯曲或负弯曲的曲率半径宜大于钻杆钻具组合自由状态(钻具组合整体顺下孔壁通过弯曲段)的最小曲率半径。正弯曲段狗腿严重度允许值相对较高，最小曲率半径相对较小；负弯曲段狗腿严重度允许值相对较低，最小曲率半径相对较大。狗腿严重度指标可反映弯曲段对钻探钻井施工的影响，但不能用于评价整个钻孔轨迹对钻探施工孔内安全的影响。如钻孔轨迹由2个或以上弯曲段构成，其对钻探施工孔内安全不是单独影响的，而是具有关联性和叠加性的，将严重加剧钻探施工孔内安全问题；而且随着钻进深度的不断增加，孔内安全不断恶化。

3.3 全孔轨迹安全评价

全孔的钻孔轨迹安全评价可采用钻孔轨迹摩阻力进行评价。由于钻孔轨迹弯曲，当钻杆柱上下活动时，钻孔孔壁会对钻杆柱产生一定的摩擦阻力；当孔底钻具遇卡提升钻杆柱时，钻孔孔壁对钻杆柱的摩擦阻力会随孔底阻力增加而增加，钻孔轨迹摩阻力可表示为：

Fr=C1×L×q+C2×Fj

(7)

式中：Fr为钻孔轨迹摩阻力，kN；q为钻杆单位长度重量，kN/m；L为孔深，m；C1为正常钻进屏蔽系数；C2为事故处理屏蔽系数；Fj为孔底钻具遇卡阻力，kN。

为了分析C1和C2的影响因数，以垂直钻孔轨迹为一折弯曲为例进行计算分析，上段为正弯曲段，长度L1，顶角由0°～θ1；下段为负弯曲段，长度L2，顶角由θ1～θ2；钻杆单位长度重量为q；孔深为L=L1+L2。则，正常钻进时摩阻力Fr为：

(9)

由式(9)可见，正常钻进屏蔽系数不仅与最大顶角和负弯曲最小顶角相关，还与摩擦系数和负弯曲段长度线性相关。纠斜后，钻孔轨迹摩阻力不仅随孔深增加而增加，而且随纠斜后孔深增加大幅度增加，严重影响钻进过程中对孔底情况的掌控能力。

假设在孔底钻具遇卡，卡阻力为Fj，则事故处理时摩阻力Fr为：

(10)

(11)

由式(11)可见，事故处理屏蔽系数不仅与最大顶角和负弯曲最小顶角相关，还与摩擦系数线性相关，比正常钻进屏蔽系数大，钻孔轨迹弯曲会严重削弱孔底事故处理能力。

钻孔轨迹安全包括两个方面：一是控制弯曲段的狗腿严重度或曲率半径，确保钻杆柱顺利通过弯曲段；二是对于有折弯曲和空间弯曲的钻孔，需考虑整个钻孔轨迹对后续钻进施工的屏蔽作用。对于深井和特深井，分析以往大陆科学钻探施工的案例，可以得出初步结论：纠斜(较大折弯曲)后能继续钻进孔深极限约为2000 m。

4 特深井施工技术体系构想

特深井实施应依据地层深度方向宏观分布规律将特深井分为上部、中部和下部三段分别考虑。本文依据科学特深井地层深度方向的不同特点，以孔内安全问题为技术主线，提出具有针对性的钻孔安全技术措施，从而提出特深井施工技术体系初步方案及其重大关键技术构想。

4.1 分段特点及主要技术措施

4.1.1 上部段(0—6000～7000 m)

(1)地层情况

底层为沉积岩或结晶岩；沉积岩按石油钻井技术体系考虑，结晶岩破碎带、漏失带等，强致斜岩石；孔底地层温度约175℃，循环孔底温度约100℃。

(2)主要技术措施

沉积岩采用石油钻井技术体系，泥浆护壁或套管固井和防斜技术；结晶岩采用固壁或造壁技术以及堵漏等护壁技术，采用垂钻技术+取心技术和活动套管+扩孔技术，可实现长裸眼井段(约4000 m)钻进；常规泥浆材料以及孔底仪器和钻具满足要求，堵漏材料和固壁或造壁材料满足175℃要求。

4.1.2 中部段(6000～7000 m—11000～12000 m)

(1)地层情况

地层为结晶岩，主要特点是破碎带、弱强度地层，强致斜岩石，孔底温度约250℃，循环孔底温度约175℃。

(2)主要技术措施

高温高密度泥浆技术、高压差堵漏技术、高温高强度固壁技术以及垂钻技术(或纯机械式垂钻系统)+取心技术实现长裸眼井段钻进；泥浆材料以及高温孔底仪器和钻具满足175℃要求；堵漏和固壁材料满足250℃要求。

4.1.3 下部段(11000～12000 m—13000 m～)：

(1)地层情况

地层为结晶岩，主要特点是弱强度地层、致斜岩石，孔底温度325℃以上，循环孔底温度225℃以上。

(2)主要技术措施

超高温高密度泥浆技术或超高温高强度固壁技术护壁，取心钻进系统+防斜技术，泥浆材料以及超高温孔底仪器或钻具需满足225℃以上的要求，固壁材料需满足325℃以上的要求。

4.2 重大关键技术

4.2.1 长裸眼(0～4000 m)

钻进技术系统采用适当的技术措施解决孔壁安全问题，在结晶岩中实现长裸眼孔段钻进。长裸眼井段孔壁安全问题主要有裂隙带或破裂带漏失和破碎带或弱强度地层孔壁坍塌，长裸眼井段漏失重点采用高压差裂隙性堵漏技术处理；破碎带或弱强度地层坍塌需采用固壁或造壁技术(高强度水泥浆液、高强度化学浆液、膨胀管等)处理。长裸眼钻进技术系统不仅解决了孔壁稳定问题，降低孔内事故风险，而且减少了套管程序，大幅度减少施工工期和降低施工成本。

4.2.2 垂钻取心钻进技术系统

为解决钻孔轨迹安全问题，上、中部井段钻孔轨迹必须近似垂直，需采用垂钻技术+取心技术，即垂钻取心钻进系统技术或小口径取心钻进+扩孔垂钻工艺技术(双孔方案是备选方案之一)；中、下部井段可采用纯机械式垂钻或防斜技术。

4 结论

本文分析了沉积岩石油钻井和结晶岩科学钻探孔内安全基本问题，从而提出特深科学井钻探施工技术体系构想及其重大关键技术，可得出以下结论：①孔壁稳定安全是钻探钻井顺利实施的关键和前提，包括压力平衡、应力平衡和物化平衡三个方面的内容，三个平衡是动态的、相互影响的，结晶岩和沉积岩孔壁安全问题具有不同的特点，应根据地质条件评价整个裸眼井段孔壁稳定状态，从压力、应力和物化平衡三个方面提出具有针对性的技术措施；②钻孔轨迹弯曲是深井和特深井实施必须考虑的重大问题之一，特别是结晶岩多存在致斜或强致斜性，直井施工中不采取相应防斜措施会致使钻孔顶角大幅增加，钻孔弯曲后采取纠斜措施效果是有限的，同时会增加钻孔轨迹空间形态复杂性，会增加钻孔孔壁对钻杆柱的摩阻力及其屏蔽作用，为后续施工带来诸多隐患和问题；③特深井依据地层特性和地温情况分为上、中、下三段，上段重点应对破碎带、裂隙性漏失带和强致斜地层等，中段主要应对破碎带、弱强度地层和强致斜地层以及高温条件等，下段重点应对弱强度地层和超高温条件；④从孔壁安全出发，研发高效的长裸眼(0～4000m)钻进技术系统，减少套管程序和施工成本，提高钻孔孔壁稳定性和孔内施工安全，从钻孔轨迹安全出发，研发垂钻取心钻进技术系统，在实施取心钻进过程中，提高上段和中段钻孔轨迹安全度，降低钻孔轨迹对下段施工的屏蔽作用，为全井安全施工提供必要的条件。

实施特深井(13 000 m以深)科学钻探工程之前，建立结晶岩钻探施工必要的理论基础和构建初步的技术体系是非常必要的，只有在具备较完备的理论基础和完善的施工技术体系的前提下，才能安全、高效地完成特深井科学钻探任务。