超深井钻井技术进展研究

孙 键

（大庆钻探工程公司钻井四公司，吉林 松原 138000）

原油和天然气通常是烃类、非烃类和其他微量元素的复杂混合物，它们通常储存在深部地层的沉积岩中。自1895年从业者使用冲击钻井方法钻出了第一口商业油井以来，钻井技术已经取得了长足的进步。根据破岩方式，有两种常用的钻孔方法，即冲击钻孔法和旋转钻孔法，其中，旋转钻孔法是应用最广泛的方法。为了进一步提高钻井作业技术水平开发油气藏，近年来发展了一些非常重要的钻井方法，如垂直钻井、定向钻井和水平钻井[1-2]。此外，随着常规石油资源的逐步枯竭，非常规油气资源的开发获得了关注，如页岩油气、致密油气、煤层气等，为开发非常规石油资源，定向井、大斜度井、大位移井、水平井等非垂直井越来越多[3-5]。另一方面，超深层石油资源的开采也获得了更多的关注，超深井钻井技术是油气资源勘探开发的关键技术之一，也是油气资源开发的重要途径。

目前超深井钻井主要存在的问题有：①钻井过程中液柱压力和地层破裂压力之间的差值；②钻井设备在井下高温环境中的可靠程度；③井下测量仪器的抗温性；④深井钻井过程中钻柱的承受能力；⑤钻头的使用寿命。

为了更好的总结超深井钻井技术及其进展，本文介绍了超深井钻井的历史发展情况、垂直钻井系统、有线钻杆技术和钻头技术的研究和应用情况。最后对超深井钻井技术进行了简要总结和展望。

1 超深井钻井历史

地球深部的岩石组成和结构只能通过地质钻探获得的间接数据来判断，为了更好的了解地球的地质构造情况，地质学家需要通过深井、超深井钻探技术来获取相关数据。所以，近几十年来，钻井技术越来越多地被用作解决现代地质学问题的一种方法。近几十年来，为了获得海相沉积的地质资料和油气资源，美国通过海上平台钻探了数百口深井，这些井穿过海底松散的沉积物深入到下面的玄武岩中。目前，在太平洋以南的哥斯达黎加海岸，海上平台钻探的最深井已经达到海底之下2105m。在陆上钻井方面，美国在德克萨斯州和俄克拉荷马州钻探了深度6500～7000m 的井350 多口，深度超过7000m 的井50 口，深度超过9000m的井4 口。其中1973～1974 年勘探的最深井Berta Rogers 井的井深达到了9583m，但该井用时仅为502d。获得如此高的钻井速度一方面是由于美国强大的钻井技术水平，另一方面也是由于该井的钻探是在没有取芯的情况下进行的。

1960～1962年前苏联制定并实施了第一个系统化的大陆超深井钻探计划。该计划实施的第一口超深井是位于哈萨克斯坦北部的Aralsorskaya井，该井的完钻井深达到5600m。随后又在阿塞拜疆的Kura-Araks完成了Saatlinskaya 井（8200m），在西西伯利亚完成了乌伦戈斯克井（7800m）。1970年5月，科拉超深井在摩尔曼斯克地区北部开始钻探，距扎波利亚尔诺耶市10km。其设计深度为15000m，最终完钻深度为12263m。在接下来的几年中，前苏联又钻探了十几口深度为4000～9000m的井。并与1986年成立了一个特殊的国家科学企业“雅罗斯拉夫尔”来执行超深井钻探综合研究计划。苏联在超深井方面取得的成功刺激了德国、法国、美国等其他欧美发达国家对科学大陆钻井计划的关注。德国在拜仁（1990～1994年）钻探了超深井KTB-Oberpfalz井，其深度达到了9101m。

科拉超深井目前已经成为该地区的主要旅游景点之一，该井以其12263m 的完钻井深闻名于世，是世界上第一口万米深井。该井是为数不多的一口为了纯粹的科学目的，而不是为了勘探或生产而钻探的井。在1970 为了进行科拉超深井的钻井施工，前苏联成立了一个特殊的勘探探险队（Kola GRES）。在距扎波利亚尔尼10km 处建造了钻井平台并布置了钻机。井眼处于波罗的海，位于年龄约30亿年的最古老的火成岩的表面。该井于1970 年5 月开钻，第一阶段的钻探深度为7263m，最终于1983年创造了当时的世界纪录，钻井深度超过12000m，成为世界上最深的井之一。

科拉超深井的钻探过程十分复杂，在钻穿不同密度的倾斜层时，因为地层蠕动，导致井眼轨迹出现多次偏差，多次偏离轨道后钻出新井眼。在1984 年9 月27日由于井下事故导致5000m 的钻柱被埋与井下，最终只能从7000m 处重新进行侧钻。就科学意义而言，科拉超深井从地球内部提取的岩石样本的意义不亚于从月球表面采集的样本。研究表明月球土壤的岩石性质与从约3000m深度的科拉钻孔中获取的岩石性质几乎完全一致。在该井的10000m深处，发现了14种古代生物的化石残骸。该井在没有沉积岩的深处钻探期间，地层中还出现了甲烷，使碳氢化合物的纯生物来源理论受到质疑。在科拉超深井钻探过程中，涡轮钻具作为一种新的钻井方式被使用，该涡轮钻具总长46m。钻柱总重量约为200t，是由轻质合金制成的特殊钻具。

2 超深井钻探技术进展

2.1 垂直钻井系统

垂直钻井系统属于定向工具的一种，主要用于纠斜和垂直快速钻进，从而提高深井、超深井的机械钻速。在深井钻进过程中，如果频繁地进行纠斜作业，会大量浪费钻井时间。虽然通过偏心轴装配、偏心刚柔装配、可转向装配和预弯曲动力学等常规技术措施也可以纠斜，但是这些常规技术需要起钻更换钻具，而垂直钻井系统可以自动保持钻孔垂直度。垂直钻井系统是由Baker Hughes Inteq开发的，1988年垂直钻井系统被用于为德国KTB 计划的大陆科学钻井，在KTB 钻井计划的实施过程中，最大井倾角成功控制在0°～1°范围内。在看到如此出色的钻井效果后，钻井承包商开始大力发展垂直钻井工具。目前，典型的垂直钻井工具有四种，包括Baker Hughes的Verti-Trak系统、Schlumberger 的Power-V 系统、Halliburton 的Sperry-sun V-Pilot系统和Smart Drilling的Gmbh ZBE系统。图1为Baker Hughes 的Verti-Trak 系统，该系统可以自动保持井眼垂直，而不会影响关键的钻井参数（钻井液排量、泵压、钻压和转盘转速等）。还可以保持较高的机械钻速并避免由于纠斜带来的钻时消耗。垂直钻井系统可以最大限度地减少由于井眼轨迹不规则带来的摩阻和扭矩，并减少由此产生的井眼质量问题，减少钻井液消耗和后续固井过程中的水泥浆消耗，也有利于提高单井开采寿命、降低修井成本，垂直钻井系统还有助于减少地面井口的间距。垂直钻井系统可用于8-1/2″至9-7/8″（6-3/4″工具）和12-1/4″至28″（9-1/2″工具）的井下作业。

图1 贝克休斯Verti-Trak垂直钻井系统

2.2 有线钻杆

有线钻杆又称智能钻杆。目前，有线钻杆主要用于钻井过程中将井下信息传输到地面，它可以以每秒57000 比特的速度传输地下数据。有线钻杆项目由Novatek 公司和美国能源部共同赞助，发明于1997年。2006 年，第一根商用有线钻杆（IntelliServ 公司的产品）在缅甸投入使用。有线钻杆不但提供了井下到地面的高速信息传输通道，还可以将信息传输到井下工具以实现闭环控制。此外，测量节点还可沿钻柱全长进行布置，便于作业人员沿井筒采集数据。可以测量所有的井下信息（如方向信息、钻井工程信息和地层信息）。数据传输不再受钻井液性质、地层性质和深度的影响。但是，有线钻杆的价格相对昂贵，而且由于采用了串联的连接方案，可靠性还需要进一步提高。

2.3 钻头技术

在石油和天然气工业中，钻头是一种工具，钻头通过旋转钻井方法在地层中产生一个大致圆柱形的孔（井筒）。钻头所形成的钻孔尺寸通常较小，约为3-1/2″至30″。钻头通过刮削、磨削或局部压缩地层方式切削地层，根据切削机理，业界将钻头分为牙轮钻头、固定钻头和混合钻头。在超深井钻探过程中，钻头的选用是钻井成败的关键环节之一。

2.3.1 牙轮钻头

牙轮钻头最常见的构造是三牙轮钻头，根据地层情况也有部分单牙轮、双牙轮或四牙轮钻头的设计。牙轮钻头由本体、牙轮、轴承、密封件、齿和喷嘴组成。它主要通过在钻头旋转时滚动穿过钻孔表面的锥体上的“齿”来压裂或压碎岩石。根据牙轮钻头上齿的制造方式可以将牙轮钻头分为两类：铣齿钻头和碳化钨刀片（TCI）钻头。其中TCI 钻头是将烧结碳化钨的成型齿压入锥体的钻孔中，将碳化钨材料用作齿可以提高其耐用性。为了进一步提高钻头的耐用性，还开发了一些先进的材料，如蜂窝状金刚石材料和双硬质合金碳化钨。牙轮钻头可适应低转速、高转速、高温、高钻压等井下工况。牙轮钻头适用于高磨蚀地层、软磨蚀地层和硬地层。耐高温的牙轮钻头可专门设计用于长时间承受深井和地热井等高温钻井环境，TCI 牙轮钻头的抗温超过260°C。

2.3.2 PDC钻头

PDC 钻头是目前使用最为普遍的钻头，PDC 钻头具有机械钻速高、寿命长等优点。PDC钻头由本体、刀具和喷嘴组成。PDC钻头的刀具（齿）是一种烧结碳化钨圆柱体，表面涂有合成金刚石材料。刀具以交错的方式排列在钻头的刀片上，金刚石涂层的刀具表面面向钻头旋转方向，以提供对钻孔底部的完全覆盖。PDC 钻头主要应用于低钻压、高转速和高温的工作环境；PDC钻头的应用包括均质地层、软地层和中硬度地层。

2.3.3 混合钻头

随着PDC 钻头技术的推广应用和不断完善，PDC钻头在各种地层中有逐渐取代牙轮钻头的趋势。但在硬度较高的地层和复杂的定向钻井作业中，由于自身设计原因，PDC 钻头无法完全替代牙轮钻头。为了解决这个问题，从业者开发了混合型钻头，它结合了滚动刀具和固定刀具的特点，如图2所示。有两种设计，一种是小尺寸的双翼双锥钻头，另一种是尺寸稍大的四刀翼六刃PDC 钻头，副刀片被替换为圆锥。因此，钻孔中心位置由PDC刀具完成破岩，而钻孔周边部分由刀具和刀片完成，破岩效果取决于锥体、刀片的配合程度。凭借牙轮的岩石破碎强度和稳定性，以及金刚石钻头的切削优势和连续剪切作用，该技术在高度互层的地层中具有良好的工具面控制能力。在现场应用过程中可将机械钻速提高62%，单只钻头的使用寿命提高200%以上。与牙轮钻头相比，混合钻头可以显著提高机械钻速，降低钻压，并减少钻头震动。与PDC 钻头相比，混合钻头在交互层地层的耐久性显着提高，扭矩大幅度降低。在巴西的现场应用过程中，钻井速度提高了90%。

图2 混合钻头示意图

3 结论及建议

（1）钻孔技术已从电缆工具钻井发展到先进的自动化钻井。先进的技术是钻井工程领域发展的动力。

（2）垂直钻井系统可以最大限度地减少由于井眼轨迹不规则带来的摩阻和扭矩，并减少由此产生的井眼质量问题，减少钻井液消耗和后续固井过程中的水泥浆消耗，也有利于提高单井开采寿命、降低修井成本，垂直钻井系统还有助于减少地面井口的间距。

（3）在超深井钻探过程中，钻头的选用是钻井成败的关键环节之一。耐高温的牙轮钻头可专门设计用于长时间承受超深井和地热井等高温钻井环境，TCI牙轮钻头的抗温能力已经超过260°C。

（4）超深井钻井技术未来会向数字化、可视化、自动化、集成化和智能化方向发展。