俄羅斯超深井鉆井進展及技術進步

楊明清 楊一鵬 卞瑋 吳佼翰

1.中國石化石油工程技術服務有限公司；2.中國石油大學(華東)；3.四川大學匹茲堡學院；4.河北外國語學院

世界各國油氣資源勘探開發逐漸向超深層發展，超深油氣藏埋藏深，地質結構復雜，鉆井難度大，鉆井事故頻發，鉆井成本高［1-2］。近年來，中國陸續鉆成了CCSD-1井、塔深1井、川科1井、馬深1井、順北評1井、順北評2井、川深1井、高探1井等一系列超深井，發現了一大批油氣儲量，取得了一系列科研成果［3-6］。俄羅斯油氣資源豐富，是世界第二大石油生產國和第一大天然氣生產國，也是天然氣出口量最大、天然氣管道最長的國家［7］。前蘇聯時期，俄羅斯鉆成了大批超深井，研發了系列超深井鉆井技術，開發了一些大油氣田［8］；俄羅斯薩哈林地區蘊藏著豐富的油氣資源，俄羅斯與埃克森美孚、印度國家石油公司、日本石油公司等合作，在薩哈林地區鉆成了一大批大位移水平井［9］。我國與俄羅斯在薩哈林-3項目已經開展了合作，為提高我國超深井鉆井工藝水平、參與俄羅斯油田開發積累了經驗［10］。

1 俄羅斯井深概況

隨著勘探開發的深入，俄羅斯井深逐年增加，2009—2018年，其平均井深從2 690 m增至3 035 m(圖1)。俄羅斯有三大油氣產區，分別為西西伯利亞地區、伏爾加烏拉爾地區、季曼伯朝拉地區，西西伯利亞地區平均井深最大，伏爾加烏拉爾地區井深最小。2010—2014年，各地區井深逐年增加［11］(圖2)。

圖1 最近10年俄羅斯平均井深變化Fig.1 Change of average well depth in Russia in the last 10 years

圖2 2010—2014年俄羅斯各地區井深變化Fig.2 Change of well depth in different areas of Russia during 2010—2014

2 前蘇聯超深井

2.1 前蘇聯超深井概況

前蘇聯時期鉆成了一批超深井，典型的超深井有12口(表1)。

表1 前蘇聯時期超深井數據Table 1 Data of ultradeep wells in the period of former Soviet Union

表1中超深1井與超深2井位置相鄰；超深3井是最深、投資最多、耗時最長、取得科研成果最多的井，其影響力與航天員加加林太空飛行相提并論；超深7井雖然鉆探時間較晚，但其與超深6井相鄰，因此2口井往往一并考慮，超深7井是唯一實際井深超過設計井深的超深井，也是前蘇聯時期最后一口超深井；超深11井鉆井周期較短，當年完成［12］。

2.2 科拉超深井

科拉超深井位于穆爾曼斯克的科拉半島，地層最老，沉積巖厚度最小，甚至缺失，距今約30億年(地球距今約45億年)。該井的鉆井目的為研究地質構造，確定地震剖面，獲取地熱、地層流體、石油天然氣資料，獲取巖石成分及物理性質，確定花崗巖和玄武巖邊界，提高超深井鉆井工藝水平等。井場建有16個實驗室，以及巖心庫、維修廠、科研城等，約500名生產及科研人員在現場工作［13］。領導者為古別爾曼院士。

該井1965年開始設計，1968年確定井位，1970年5月24日開鉆(列寧誕辰100周年)；1979年6月6日鉆達井深9 884 m，打破了美國伯特·羅杰斯油井9 583 m的世界紀錄；1983年12月27日鉆達12 000 m；1983年底鉆至12 066 m，鉆井工作暫時停止，準備參加1984年在莫斯科召開的國際地質大會；1984年9月27日重新鉆進，鉆進不久鉆具斷裂，鉆井被迫從7 000 m重新開始；1991年新井眼鉆至12 262 m，鉆具再次斷裂，鉆井工作被迫停止；1992年，鉆井工作全面停止，將其改為“科拉超深井地球物理研究中心”，1995年，國家財政支持全部停止；1997年該井入選“人類地球鉆探最深”吉尼斯世界紀錄，該紀錄一直保持至2008年，按照井眼長度，該紀錄被卡塔爾BD-04A井打破。卡塔爾BD-04A井斜深12 290 m，垂深1 104 m，水平位移10 902 m，位垂比9.88［14］。2008年，“科拉超深井科學生產中心”只有20名工作人員，終因穆爾曼斯克財政局領導認為其不切實際而被廢棄，所有設備拆除，周圍建筑逐漸損毀。2010年，“科拉超深井科學生產中心”地質研究院院長建議恢復實驗儀器運行，組建新的研究機構，進行海上鉆井工藝研究，根據評估，恢復成本約需要1億盧布。目前，“科拉超深井科學生產中心”的實際管理者為位于俄羅斯東歐的雅羅斯拉夫爾市“資源科學生產中心”股份公司［15］。

3 獨聯體時期超深井

3.1 薩哈林項目

獨聯體時期超深井主要集中在薩哈林地區，薩哈林地區是俄羅斯遠東油氣開采最發達的地區之一，共有4個含油氣盆地，分別為北薩哈林盆地、西薩哈林盆地、邊界盆地、南薩哈林盆地［16］。19世紀20年代開始，薩哈林地區開發了74個海上油氣田，包括12個油田，17個氣田，7個凝析氣田，22個含氣油田，5個含油氣田，11個含油凝析氣田［17］。專家將薩哈林海上油氣田劃分為9個項目，分別為薩哈林-1~薩哈林-9項目，薩哈林-1項目自2005年開始進行系統開發，薩哈林-2及薩哈林-3項目處于開發初級階段，薩哈林-4~薩哈林-9項目待開發［18］。

3.2 薩哈林-1項目

薩哈林-1項目位于薩哈林島東北海岸7~50 km，水深20~50 m，油氣層深度為1 200~2 600 m，包括柴沃油田、奧多普圖油田和阿爾庫通-達吉油田。3個油田分別于2005年、2010年、2015年開始開發，目前薩哈林-1項目已形成穩定可靠的生產網絡［19］。薩哈林-1項目共4臺鉆機，包括2座海上鉆井平臺和2臺陸地鉆機，2003年6月至2013年9月，柴沃與奧多普圖油田共鉆51口大位移水平井，并5次打破井深世界紀錄［20］。2013年9月至2019年1月，該項目又鉆了約30口井，并2次打破井深世界紀錄［21］。薩哈林-1項目超深井中，斜深10 000~15 000 m，垂深1 500~2 600 m，水平位移8 000~14 000 m。薩哈林破世界紀錄超深井數據見表2［22］。目前，薩哈林-1項目鉆出了世界上最深12口井中的11口井［23］，另一口井為卡塔爾的BD-04A井。

表2 薩哈林-1項目破世界紀錄超深井數據Table 2 Data of the ultradeep well with new world record in Sakhalin-1 project

4 俄羅斯超深井技術進步

4.1 科拉超深井技術成果

科拉超深井主要取得了4項超深井鉆井技術成果：(1)超深井鉆機研發及應用技術。該井0~7 263 m應用“烏拉爾機械-4I”鉆機，7 263 m至井底改用“烏拉爾機械-15000”鉆機，都為前蘇聯國產超深井鉆井設備。(2)多級油浴渦輪鉆具研發與應用技術。研發了帶減速器的多級油浴渦輪鉆具，總長46 m，提高了機械鉆速，此后，俄羅斯陸續研發了大直徑渦輪鉆具、小直徑渦輪鉆具、抗高溫渦輪鉆具等系列產品。(3)輕質鋁合金鉆桿研發及應用技術。傳統鋼制鉆桿密度大，自身重量大，鉆桿內部及環空摩阻大，為此，研發了輕質鋁合金鉆桿，該井2 000 m至井底采用該種鉆桿，該鉆桿密度小、自身重量輕，鉆桿內部及環空摩阻小。(4)新型取心工具研發與應用技術。由于井底溫度及壓力過大，巖心在上提過程中容易破碎，收獲率很低，為此，研發了可拆卸的取心筒渦輪鉆具一體化取心工具，取心收獲率大大增加，用此種方法，全井共取心900箱［24］。

4.2 薩哈林-1超深井技術進步

薩哈林-1項目超深井主要應用了10項鉆井技術：(1)低溫鉆機研發及應用技術。薩哈林地區屬于亞北極區，氣候寒冷，鉆機采用全密閉、暖風機加熱、電加熱等方式，保證鉆機在低溫下正常運行［25］。(2)快速鉆井技術。該技術為埃克森美孚的Fast Drill鉆井技術，也稱之為鉆井過程數字實時分析技術，適用于任何硬度巖石及任何井身結構，井壁光滑，井眼穩定，該技術使鉆井速度提高一倍［26］。(3)渦輪轉盤復合鉆井技術。?311 mm井段采用“渦輪鉆具+轉盤”復合鉆進，?215.9 mm井段采用轉盤鉆進，有效提高了機械鉆速。(4)井身結構優化技術。全井采用五段式，例如在O-14井中，深度分別為導眼2 522.30 m、導管85.00 m、表套780.69 m、技套5 246.01 m、尾管4 866.00 m［27］。(5)旋轉導向鉆井技術。部分井運用了旋轉導向鉆井技術，如第11口井和第12口井(№216井和№217井)在?311 mm井段和?215.9 mm井段運用了旋轉導向鉆井技術，在每米成本不變的情況下，機械鉆速增加了25%~32%［28］。(6)大功率頂驅鉆井技術。鉆井全程采用TDX1250大功率頂驅，提高了鉆井效率，保證了鉆井安全。(7)鉆具自動輸送技術。鉆具放置在井場的庫房內，在庫房及井口處安裝鉆具自動輸送裝置，包括擺管機、液壓貓道機、鐵鉆工等，將鉆具快速送至井內，提高了鉆井速度［29］。(8)水平段減阻技術。水平段采用油基鉆井液或高潤滑性水基鉆井液，減小摩阻。(9)安全保障技術。埃克森美孚倡導“大腦緊隨行動”理念，制定了5×5安全生產制度，任何一項工作開始前，用5 min、分5步評價這項工作，充分識別作業中的風險，有效避免各類安全事故［30］。2016年，薩哈林-1項目獲得了“高質量生產成就獎”，實現該獎項的三冠王。(10)環保技術。在海上平臺周圍設置防護欄，包括普通防護欄、充氣防護欄、緊急圍油欄等。

5 對我國的啟示

5.1 加強技術引進

總的來看，俄羅斯井筒技術稍遜于我國，但其局部有其亮點，包括低溫鉆機研發及應用技術、渦輪鉆具研發及應用技術、輕質鋁合金鉆具研發及應用技術等，建議引進俄羅斯相關技術，加強與俄羅斯合作研究，提高我國井筒技術水平，更好的服務勘探開發。

5.2 為俄羅斯提供工程技術服務

近些年，俄羅斯在隨鉆測量、測井、錄井、儲層改造等領域技術進展放緩，在超深井、大位移井、非常規開發等領域需要技術引進［31］。O-14井完井后，俄油負責人伊戈爾表示，這口井是他們一系列成績的延續，并感謝埃克森美孚提供了先進的鉆井技術。近幾年，我國在該領域技術發展較快，與俄羅斯相比具有一定優勢，可以鄰近的薩哈林為切入點為俄羅斯超深井提供部分井筒技術服務。

5.3 參與俄羅斯油田開發

薩哈林油田在20世紀70年代已經開始開發，受資金和技術的限制，開發進展緩慢，直到20世紀90年代，與美國、日本、印度等石油公司開展合作，開發進程迅速推進［32］。中俄在薩哈林-3項目的合作，為中俄合作提供了經驗。近些年，俄羅斯一直尋找合作伙伴共同開發薩哈林油田，為我國提供了契機。我國可以考慮在薩哈林-1~薩哈林9項目與俄羅斯開展合作，共同開發薩哈林油田，以此為突破口，共同開發俄羅斯其他油田，促進我國石油工程技術發展，增加我國權益油產量。

6 認識及建議

(1) 俄羅斯超深井鉆井起步較早，20世紀60—80年代鉆成了一大批超深井，積累了超深井鉆井經驗，研發了一系列超深井鉆井技術，走在了世界超深井鉆井前列，為其他國家超深井鉆井起到了引領作用。

(2)近些年，俄羅斯通過合資合作的方式大規模開發薩哈林油田，利用陸地鉆機和海上鉆井平臺進行水平井鉆井，鉆成了一大批大位移水平井，應用了大量世界先進的鉆井技術，帶動了俄羅斯鉆井工藝整體水平提高，增加了油氣產量。

(3)建議引進低溫鉆井、渦輪鉆具、輕質鋁合金鉆桿等俄羅斯特色鉆井技術，提高我國鉆井工藝技術水平；參與俄羅斯超深井鉆井，為其提供我國鉆井技術服務，包括水平井井眼控制技術、地球物理測井技術、固井技術、鉆井液技術等，用鉆井技術服務帶動石油工程服務，石油工程服務帶動油氣田合作開發，分層次逐步進入俄羅斯石油市場。