深井超深井油氣鉆井技術(shù)進(jìn)展與展望

汪海閣 黃洪春 畢文欣 紀(jì)國(guó)棟 周 波 卓魯斌

中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司

0 引言

“十三五”期間，依托國(guó)家油氣專項(xiàng)等，通過(guò)持續(xù)攻關(guān)，研制了一批深井超深井重大裝備、關(guān)鍵工具、高端工作液和軟件，自動(dòng)化鉆機(jī)、鉆—測(cè)—固—完一體化精細(xì)控壓技術(shù)、非平面齒鉆頭、抗高溫超高密度油基鉆井液、高強(qiáng)韌性水泥漿、深層連續(xù)管作業(yè)機(jī)、非常用井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等多項(xiàng)技術(shù)取得了突破和新進(jìn)展，很好地支撐了塔里木盆地山前、四川盆地海相碳酸鹽巖、準(zhǔn)噶爾盆地南緣、柴達(dá)木盆地等重要增儲(chǔ)上產(chǎn)地區(qū)深層油氣超深層勘探開(kāi)發(fā)，助推超深井邁上8 000 m新臺(tái)階。

隨著塔里木盆地克深、大北、博孜、順北等，四川盆地川西北、川中古隆起北斜坡、川東等，準(zhǔn)噶爾盆地南緣等一批深層超深層大油氣田的發(fā)現(xiàn)，深層超深層依然是“十四五”及今后若干年增儲(chǔ)上產(chǎn)的重點(diǎn)。鉆完井依然面臨著深（埋藏深）、陡（地層傾角大）、窄（壓力窗口窄）、厚（礫石層、鹽層等復(fù)雜層段厚）、難（復(fù)雜多壓力系統(tǒng)、事故復(fù)雜多、可鉆性差等）、高（高溫、高壓、高酸性）等的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，井筒安全和完整性差、破巖效率低、提速提效裝備和工具適應(yīng)性差，新技術(shù)儲(chǔ)備不足等急需攻關(guān)突破。

1 “十三五”深井超深井鉆井技術(shù)進(jìn)展

“十三五”期間，通過(guò)持續(xù)攻關(guān)，7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)、精細(xì)控壓鉆井技術(shù)與裝備、抗高溫超高密度油基鉆井液、高強(qiáng)韌性水泥漿、深層連續(xù)管作業(yè)機(jī)、高效PDC鉆頭及鉆井提速系列工具、高性能膨脹管等多項(xiàng)技術(shù)取得突破和新進(jìn)展[1-13]，深井超深井鉆井?dāng)?shù)量快速增長(zhǎng)，深井由“十三五”初期322口增加到2020年的1 038口，超深井從95口增加到2020年的204口，鉆完井能力邁上新臺(tái)階。“十三五”期間我國(guó)年鉆超深井?dāng)?shù)量超過(guò)200口（圖1），2017年之后我國(guó)超深井鉆井?dāng)?shù)量超過(guò)美國(guó)，2020年鉆6 000 m以上超深井302口，5年累計(jì)完成8 000 m以上超深井接近50口。深井超深井關(guān)鍵裝備和工具國(guó)產(chǎn)化，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用見(jiàn)到良好效果，增強(qiáng)了核心競(jìng)爭(zhēng)力，深井超深井優(yōu)快鉆完井配套技術(shù)不斷完善，事故復(fù)雜時(shí)效不斷下降，鉆井周期大幅縮短（圖2），助推超深井井深邁上8 000 m，打成、打快、打好了包括五探1井、中秋1井、克深21井、輪探1、高探1井、呼探1等一批標(biāo)志性深井，創(chuàng)造了一批紀(jì)錄，塔里木輪探1井井深8 882 m，創(chuàng)亞洲最深井紀(jì)錄，青海堿探1井底實(shí)測(cè)井溫度達(dá)到235 ℃（井深6 343 m）。很好地支撐了塔里木盆地山前、四川盆地海相碳酸鹽巖、準(zhǔn)格爾盆地南緣等重點(diǎn)地區(qū)深層超深層勘探開(kāi)發(fā)。同時(shí)多項(xiàng)超前儲(chǔ)備技術(shù)取得重要進(jìn)展。為油氣勘探不斷突破、開(kāi)發(fā)高質(zhì)量發(fā)展和工程技術(shù)業(yè)務(wù)提速提質(zhì)提產(chǎn)提效提供了持續(xù)的技術(shù)支持與服務(wù)保障。

圖1 “十三五”期間我國(guó)與美國(guó)超深井鉆井?dāng)?shù)量對(duì)比圖

圖2 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)石油）深井超深井主要紀(jì)錄圖

“十三五”期間深井超深井鉆井能力持續(xù)提高，中國(guó)石油4 500 m以上深井，平均井深在5 475 m左右，事故復(fù)雜時(shí)效不斷下降，平均鉆井周期逐年縮短，較“十二五”縮短近20 d（圖3）；中國(guó)石油6 000 m以上超深井，平均井深達(dá)到6 798 m，平均鉆井周期180 d左右，機(jī)械鉆速逐年提高（圖4）；中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)石化）6 000 m以上超深井，平均井深達(dá)到6 809 m，平均鉆井周期為126.4 d。強(qiáng)力支撐塔里木、川渝、新疆南緣等重點(diǎn)地區(qū)超深層油氣勘探突破和主營(yíng)業(yè)務(wù)增儲(chǔ)上產(chǎn)，其中中國(guó)石油塔里木油田公司（以下簡(jiǎn)稱塔里木油田）平均年鉆4 500 m以上深井172口，占中國(guó)石油31%；平均年鉆6 000 m以上超深井109口，占中國(guó)石油79%，庫(kù)車山前平均井深逐步增加，鉆井周期大幅度縮短（圖5）。中國(guó)石油西南油氣田公司（以下簡(jiǎn)稱西南油氣田）深井比例逐年提高，4 500 m以上深井占其年總井?dāng)?shù)的80%左右，深井超深井鉆井已成為塔里木油田和西南油氣田主體。

圖3 “十三五”期間中國(guó)石油深井主要技術(shù)指標(biāo)圖

圖4 “十三五”期間中國(guó)石油超深井主要技術(shù)指標(biāo)圖

圖5 “十五”至“十三五”期間塔里木盆地庫(kù)車山前超深井主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比圖

1.1 井身結(jié)構(gòu)拓展技術(shù)確保山前井多壓力體系安全鉆井

針對(duì)山前地區(qū)深井超深井地質(zhì)條件復(fù)雜、同一裸眼段多壓力系統(tǒng)、必封點(diǎn)多、常規(guī)套管層次不足等問(wèn)題[3-7,11-19]，開(kāi)展非常用井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、膨脹管裸眼封堵、隨鉆擴(kuò)眼等攻關(guān)，配套開(kāi)發(fā)非API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的高抗擠套管、高強(qiáng)度鉆具、非標(biāo)鉆頭和固井附件等，形成了適合塔里木盆地山前、川渝深層、準(zhǔn)噶爾盆地南緣、青海等復(fù)雜深井超深井的井身結(jié)構(gòu)拓展方案，打成了一批高難度井。

塔里木油田根據(jù)山前、塔北、塔中的不同地質(zhì)特點(diǎn)、壓力體系等，形成了多套“塔標(biāo)”井身結(jié)構(gòu)（圖6），成功實(shí)現(xiàn)了庫(kù)車山前多套斷層、鹽層復(fù)雜地質(zhì)條件的勘探目標(biāo)，準(zhǔn)噶爾盆地南緣正逐步形成“新標(biāo)井身結(jié)構(gòu)”，高 101井 ?508.0 mm+?339.7 mm+?244.5 mm+?139.7 mm常規(guī)套管程序，呼探1井?508.0 mm+?365.1 mm+?273.1 mm+?219.1 mm+?139.7 mm、樂(lè)探1井?508.0 mm+?365.1 mm+?273.1 mm+?219.1 mm+?139.7 mm+?114.3 mm、天安1井和天灣 1 井 ?609.9 mm+?473.1 mm+?365.1 mm+?273.1 mm+?219.1 mm非常用套管程序。

圖6 塔里木山前復(fù)雜井典型井身結(jié)構(gòu)圖

研制出系列化高性能膨脹管材料，脹后沖擊韌性＞150 J，達(dá)到國(guó)外同等技術(shù)水平；形成固井和不固井2種裸眼封堵工藝技術(shù)，可提高地層承壓能力達(dá)35 MPa以上。在川渝地區(qū)寧209H33平臺(tái)2口井實(shí)施了膨脹管裸眼封堵韓家店組—石牛欄組低壓層，該平臺(tái)韓家店組—石牛欄組天然裂縫發(fā)育，承壓能力1.05～1.10 g/cm3，三開(kāi)鉆進(jìn)過(guò)程中寧209H33-3/H33-2井累計(jì)漏失鉆井液近6 000 m3，同時(shí)，無(wú)法滿足龍馬溪組井段承壓需求。首先把?215.9 mm井眼擴(kuò)徑至?241.3 mm后，分別下入膨脹管756 m/685.8 m，內(nèi)徑由172 mm膨脹到194 mm，脹后鋼級(jí)N80，抗內(nèi)壓強(qiáng)度63.4 MPa，地層承壓能力達(dá)到1.78 g/cm3以上，實(shí)現(xiàn)了龍馬溪組造斜水平井段2 100～2 350 m、鉆井液密度1.55～1.60 g/cm3條件下的安全順利鉆進(jìn)。證明膨脹管裸眼封堵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)井身結(jié)構(gòu)拓展的有效技術(shù)手段（圖7）。

圖7 膨脹管裸眼封堵技術(shù)拓展川渝地區(qū)寧209H33-3井井身結(jié)構(gòu)圖

1.2 精細(xì)控壓鉆測(cè)固完一體化技術(shù)，成為窄密度窗口地層安全鉆完井的有效技術(shù)

在“十二五”精細(xì)控壓鉆井基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)持續(xù)攻關(guān)與試驗(yàn)，形成了鉆—測(cè)—固—完全過(guò)程精細(xì)控壓鉆完井設(shè)計(jì)、鉆進(jìn)、起下鉆、電測(cè)、固井、完井等技術(shù)，包括設(shè)計(jì)階段的精細(xì)控壓鉆井適應(yīng)性評(píng)價(jià)技術(shù)，鉆進(jìn)階段的地層安全密度窗口測(cè)定技術(shù)、井口套壓補(bǔ)償技術(shù)、連續(xù)循環(huán)控壓鉆井工藝、控壓參數(shù)優(yōu)化技術(shù)、邊漏邊點(diǎn)火邊鉆控壓鉆井工藝，起下鉆階段的重漿帽起下鉆工藝、起下鉆液柱壓力動(dòng)態(tài)控制工藝、可泵送固體凝膠隔段起下鉆技術(shù)，電測(cè)階段的鉆柱傳輸測(cè)井動(dòng)態(tài)壓力控制工藝、電纜測(cè)井井口密封技術(shù)，固井階段的控壓固井設(shè)計(jì)技術(shù)、水泥漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、控壓固井井底壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)，以及完井階段的完井管柱起下壓力動(dòng)態(tài)控制技術(shù)等16項(xiàng)技術(shù)[12-13,16,18-21]。中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司持續(xù)改進(jìn)控壓鉆井系統(tǒng)，井口回壓實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)調(diào)控。中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱工程院）持續(xù)完善精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)地面壓力控制裝置及自動(dòng)控制軟件，井口控壓能力由7 MPa提升至12.5 MPa，在高壓窄窗口地層應(yīng)用取得突破?？貕恒@井精度達(dá)到0.2 MPa，對(duì)提升川渝深層、塔里木塔中和庫(kù)車山前鹽層與目的層、新疆南緣、青海、渤海灣等復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆完井作業(yè)安全、質(zhì)量、效率、效益的作用和成效顯著。

為解決復(fù)雜超深井尾管固井易漏失、易氣竄且固井質(zhì)量無(wú)法保證等難題，川渝地區(qū)高—磨地區(qū)通過(guò)持續(xù)推進(jìn)以環(huán)空動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度精確控制為核心的精細(xì)控壓壓力平衡法固井技術(shù)（圖8），完善下套管激動(dòng)壓力控制、動(dòng)態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算及監(jiān)控、起鉆循環(huán)ECD控制等技術(shù)，在近100口井推廣應(yīng)用，施工安全可靠，固井質(zhì)量可預(yù)期，固井優(yōu)質(zhì)率和合格率大幅度提高，電測(cè)固井質(zhì)量平均合格率74.32%，同比提高23.6%，扭轉(zhuǎn)了多年來(lái)窄安全密度窗口地層“正注反擠”固井質(zhì)量無(wú)法保證的被動(dòng)局面。

圖8 精細(xì)控壓壓力平衡法固井原理示意圖

針對(duì)庫(kù)車山前高壓鹽水、溢漏同層等難題，試驗(yàn)精細(xì)控壓固井技術(shù)，在克深13-3、克深8-13等井試驗(yàn)推廣，成功實(shí)現(xiàn)一次上返，有效封固了高壓鹽水層，克深8-13井裸眼段合格率100%?？松?3-3井安全窗口只有0.03 g/cm3，漏失后回吐且鹽水結(jié)晶，有效封固難度大，該井以“不漏不溢不吐”為原則，5 200～6 400 m井段注入2.70 g/cm3重漿壓穩(wěn)后起鉆后下套管，之后控壓0～1.8 MPa，把鉆井液密度由2.52 g/cm3降低到2.46 g/cm3，根據(jù)溢漏層壓力，以“穩(wěn)排量調(diào)套壓”的方式實(shí)施全程精細(xì)控壓（2.53～2.56 g/cm3），穩(wěn)定排量17 L/s，逐步把控壓值由1.8 MPa 降低至0.6 MPa，完成注替。考慮抽吸作用，控壓7.0～8.5 MPa起鉆12柱，根據(jù)混漿排放情況，保持1.5 m3/min排量不變，調(diào)節(jié)控壓值，之后憋壓8.4 MPa候凝。固井返速1.2 m/s，全程未漏未溢，裸眼段固井質(zhì)量合格率45.1%。

1.3 高端裝備自動(dòng)化水平不斷提高

1.3.1 7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)

7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)等一批自動(dòng)化技術(shù)與裝備[1-4,22-25]研發(fā)成功，取代進(jìn)口，大幅度提升了鉆井自動(dòng)化水平和作業(yè)效率，引領(lǐng)工程技術(shù)裝備與作業(yè)從“機(jī)械化、數(shù)字化”向“自動(dòng)化、智能/智慧化”轉(zhuǎn)變，促進(jìn)石油裝備產(chǎn)業(yè)和工程技術(shù)服務(wù)產(chǎn)業(yè)走向高端，支撐高質(zhì)量發(fā)展。

以自動(dòng)排管系統(tǒng)為核心的第一代自動(dòng)化鉆機(jī)（圖9）：采用“立足現(xiàn)有鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，提高配置、系統(tǒng)集成、強(qiáng)化參數(shù)”策略，攻克了液壓控制執(zhí)行單元、網(wǎng)絡(luò)通訊架構(gòu)等關(guān)鍵核心技術(shù)，配備管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)和井口機(jī)械化操作裝置，集成控制系統(tǒng)、電氣液一體化，配備設(shè)備遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了管柱作業(yè)全面自動(dòng)化及遠(yuǎn)程操作，在減人創(chuàng)效、改善作業(yè)環(huán)境、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)安全性等方面應(yīng)用效果顯著。實(shí)現(xiàn)二層臺(tái)無(wú)人操作，鉆臺(tái)面和井場(chǎng)80%以上的重體力勞動(dòng)被機(jī)械替代，安全風(fēng)險(xiǎn)大幅降低。在新疆、西南、長(zhǎng)慶等油田投入使用，實(shí)現(xiàn)井口井場(chǎng)自動(dòng)化裝備的全面配置和二層臺(tái)無(wú)人值守，正常鉆井工況每班僅需3～4人，每隊(duì)減少用工6～9人，維保工作量降低50%以上，大幅度提高效率，減員增效成效顯著。

圖9 自動(dòng)化鉆機(jī)圖

7 000 m第二代自動(dòng)化鉆機(jī)：配備獨(dú)立建立根系統(tǒng)，具備遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)和故障診斷功能，可實(shí)現(xiàn)起下鉆等關(guān)鍵工藝一鍵式操作，可通過(guò)VR虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)來(lái)提高司鉆水平。

1.3.2 大扭矩頂驅(qū)及配套裝備

針對(duì)強(qiáng)化鉆井參數(shù)要求，開(kāi)發(fā)的新型大扭矩頂驅(qū)，驅(qū)動(dòng)功率較常規(guī)頂驅(qū)提高了25%以上，對(duì)多項(xiàng)硬、軟件進(jìn)行了集成創(chuàng)新，已在川渝頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中配置新型頂驅(qū)及升級(jí)舊頂驅(qū)100余臺(tái)。配套的頂驅(qū)下套管裝置擁有集旋轉(zhuǎn)、提放及鉆井液循環(huán)一體化作業(yè)模式，成為保障復(fù)雜井、超深井、長(zhǎng)水平井套管下放到位的利器，規(guī)模推廣應(yīng)用100多井次。配套的扭擺減阻技術(shù)有效克服了水平段管柱與井壁間的摩阻，滑動(dòng)定向段機(jī)械鉆速提升20%～66%，廣泛應(yīng)用于川渝頁(yè)巖氣、新疆瑪湖致密油、長(zhǎng)慶、渤海等多個(gè)區(qū)塊，已累計(jì)使用逾百井次。

1.3.3 交流變頻直驅(qū)頂驅(qū)裝置

交流變頻直驅(qū)頂驅(qū)使頂驅(qū)的“專業(yè)化、機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化”能力全面提升，實(shí)現(xiàn)不同工況頂驅(qū)“一鍵式”控制。能夠配套自動(dòng)化鉆機(jī)，具備多項(xiàng)自動(dòng)化創(chuàng)新功能：控制系統(tǒng)鉆井操作自動(dòng)化，頂驅(qū)電機(jī)高精度控制，頂驅(qū)預(yù)防性維護(hù)維修，主電機(jī)相變散熱、大幅降低噪音等，實(shí)現(xiàn)主軸帶載旋轉(zhuǎn)定位誤差≤1°，在黏滑工況下扭矩波動(dòng)減小30%，滑動(dòng)定向工況下托壓減小50%，頂驅(qū)故障率降低30%，已成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

1.3.4 深層連續(xù)管作業(yè)機(jī)

研制成功國(guó)內(nèi)適應(yīng)井深最大的連續(xù)管作業(yè)機(jī)（?50.8 mm×8 000 m），滾筒容量?50.8 mm—8 000 m（可擴(kuò)容至8 300 m），大幅度提高深井作業(yè)效率。研發(fā)了連續(xù)管作業(yè)在線監(jiān)測(cè)和評(píng)估技術(shù)，打造了連續(xù)管作業(yè)協(xié)同工作平臺(tái)。裝備持續(xù)升級(jí)，類型不斷豐富，拓展研制了?60.3 mm—5 500、?66.7 mm—4 500兩種大管徑超大容量作業(yè)機(jī)，形成2 000 m以上水平段作業(yè)能力，是適應(yīng)我國(guó)道路運(yùn)輸?shù)氖澜缟贤裙軓阶畲蟮倪B續(xù)管裝備。形成CT70-CT130鋼級(jí)9種規(guī)格的連續(xù)管產(chǎn)品，4個(gè)系列90多種連續(xù)管井下工具產(chǎn)品。連續(xù)管作業(yè)機(jī)推廣應(yīng)用100臺(tái)套，同比進(jìn)口降低購(gòu)置成本20%以上，年作業(yè)規(guī)模5 000井次以上，同比綜合效率提高40%以上。

1.4 打造一批尖端工具利器支撐鉆井提速

鉆井提速工具的機(jī)械部件、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化[8-10,26-27]支撐了深井超深井鉆井提速。

1.4.1 垂直鉆井工具

渤海鉆探工程有限公司（以下簡(jiǎn)稱渤海鉆探）持續(xù)完善BH-VDT系列垂直鉆井工具，BH-VDT 5000、BH-VDT 4000垂直鉆井工具國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到100%，自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了BH-VDT 6000垂直鉆井工具，形成3種規(guī)格、8種尺寸工具系列，能夠滿足?215.9 mm～?558.8 mm井眼鉆井防斜打快需要，井斜能夠控制在1°以內(nèi)，整體性能達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平（表1）。在塔里木、青海等油田應(yīng)用100余井次，總進(jìn)尺12.73×104m，平均機(jī)械鉆速較鄰井提速1～2倍，井斜控制在0.2°以內(nèi)，在大北101-2井創(chuàng)造泥巖地層單趟最高進(jìn)尺2 047 m，博孜11井創(chuàng)造礫石層單趟最高進(jìn)尺1 326 m，克深2-1-14井創(chuàng)造最高日進(jìn)尺742 m，青海鄂探1井創(chuàng)造單趟鉆入井時(shí)間395.5 h的紀(jì)錄。解決了山前高陡構(gòu)造和逆掩推覆體地層防斜打快難題，保障了井眼質(zhì)量，為井筒完整性控制奠定了很好基礎(chǔ)。

表1 渤海鉆探的BH-VDT系列垂直鉆井工具主要技術(shù)指標(biāo)表

中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司（以下簡(jiǎn)稱西部鉆探）自主研發(fā)的XZ-AVDS自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)，形成2種規(guī)格、5種尺寸系列產(chǎn)品，最大工作溫度150 ℃，井斜控制范圍小于1°，井斜控制精度0.3°，最大工作壓力138 MPa。在新疆、塔里木等油田應(yīng)用31口井，累計(jì)進(jìn)尺39 814 m，較常規(guī)鄰井提速1.90～3.58倍，井斜控制在1°以內(nèi)。在庫(kù)車山前應(yīng)用最大井深7 140 m，單趟最高進(jìn)尺1 941 m，防斜提速效果突出。

1.4.2 高效PDC鉆頭

“十三五”期間形成了從復(fù)合片材料到PDC鉆頭設(shè)計(jì)、加工一體化的PDC鉆頭專有技術(shù)，研制出非平面齒PDC鉆頭、PDC/牙輪復(fù)合鉆頭等系列鉆頭，解決了砂礫巖、火山巖、石灰?guī)r等難鉆地層提速瓶頸難題，在塔里木、新疆、西南、大慶等油氣田復(fù)雜難鉆地層現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用1 000余井次，平均提速30%以上，在國(guó)內(nèi)5大盆地創(chuàng)造多項(xiàng)新的鉆井紀(jì)錄。已建成PDC鉆頭6 000只/年、復(fù)合鉆頭500只/年的產(chǎn)能，市場(chǎng)份額逐步擴(kuò)大。休斯敦中心研制的非平面齒PDC鉆頭，首創(chuàng)三維凸脊型非平面齒，抗沖擊性由300 J提升至400 J以上，脫鈷深度由400～600 μm提升至800～1 200 μm，在塔里木博孜8井礫石層應(yīng)用，單只鉆頭進(jìn)尺725 m，創(chuàng)單只鉆頭進(jìn)尺區(qū)塊最高紀(jì)錄。

1.4.3 大扭矩螺桿和液動(dòng)旋沖工具

自主研發(fā)長(zhǎng)壽命、大扭矩螺桿，突破了高性能橡膠材料配方和成型制造工藝，主要解決了傳統(tǒng)螺桿使用壽命短、高溫性能不穩(wěn)定、多介質(zhì)適應(yīng)性不足等突出問(wèn)題。長(zhǎng)壽命高性能螺桿具有高耐油、抗高溫、大扭矩、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，能夠有效減少起下鉆次數(shù)，提高鉆井效率，提高“一趟鉆”占比，在川渝、新疆等重點(diǎn)區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用100余井次，平均工作時(shí)間超200 h，最長(zhǎng)工作時(shí)間達(dá)到482 h，整體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

大慶鉆探工程有限公司研制的DQY系列液動(dòng)旋沖工具能夠通過(guò)鉆井液提供動(dòng)力，在周向產(chǎn)生高頻沖擊，在軸向產(chǎn)生水力脈沖，使鉆頭破巖方式由普通刮削轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械沖擊與水力脈沖相結(jié)合的破巖方式，有效提高PDC鉆頭在深井硬地層中的剪切巖石效率，在松遼盆地、塔里木盆地等100多口井成功應(yīng)用，提速幅度1～6倍。

1.4.4 鉆井協(xié)同減振與破巖智能優(yōu)化系統(tǒng)

工程院研制的鉆井協(xié)同減振與破巖智能優(yōu)化系統(tǒng)獲得2020年中國(guó)石油技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，該技術(shù)提供了一套全新的地表與井下協(xié)同控制井下有害振動(dòng)的工作模式，實(shí)現(xiàn)了井下振動(dòng)的地面監(jiān)測(cè)分析與量化評(píng)價(jià)、井下振動(dòng)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)測(cè)量、井下有害振動(dòng)的隨鉆優(yōu)化控制（圖10）。當(dāng)井下發(fā)生有害振動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)鉆井?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)解釋分析、井下風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，能夠根據(jù)能效和地層變化實(shí)時(shí)推薦鉆頭最優(yōu)工作參數(shù)，實(shí)時(shí)提示司鉆并告知井下鉆具振動(dòng)狀態(tài)及鉆頭破巖狀態(tài)，通過(guò)鉆機(jī)協(xié)同控制優(yōu)化系統(tǒng)自動(dòng)提示最優(yōu)破巖參數(shù)，緩解有害振動(dòng)。同時(shí)，井下減振輔助破巖工具也會(huì)降低井下有害振動(dòng)。

圖10 鉆井協(xié)同減振與破巖智能優(yōu)化系統(tǒng)圖

1.4.5 井下隨鉆測(cè)量與安全監(jiān)控工具

西部鉆探研制出井下隨鉆測(cè)量與安全監(jiān)控工具，開(kāi)發(fā)智能安全預(yù)警系統(tǒng)，可靠性和穩(wěn)定性顯著提升，為復(fù)雜深層快速、安全鉆井提供支撐。建立了近鉆頭三軸振動(dòng)、多向受力的數(shù)學(xué)分析方法及井下多數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)方法，突破近鉆頭力學(xué)參數(shù)測(cè)量技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸精度大幅度提高，?172 mm井下隨鉆測(cè)量與安全監(jiān)控工具實(shí)現(xiàn)定型，突破系統(tǒng)耐溫、耐壓技術(shù)難題，研制出?149.2 mm～?168.3 mm井眼用小尺寸井下安全監(jiān)控系統(tǒng)工具，實(shí)現(xiàn)耐溫175 ℃、耐壓150 MPa。

1.5 核心助劑支撐深井超深井鉆完井工程提質(zhì)增效

1.5.1 油基鉆井液

油基鉆井液取得突破，助力深層超深層提速?！笆濉逼陂g，研發(fā)了抗高溫高密度油基鉆井液核心處理劑，包括有機(jī)土、主/輔乳化劑、降濾失劑、納微米封堵劑和可膨脹堵漏材料等，油基鉆井液處理劑全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化[20-21,28-37]。突破了固相和鹽水侵容量限，提升了抗高溫沉降穩(wěn)定性和強(qiáng)封堵性，抗45%鹽水污染、抗溫大于220 ℃、密度2.60 g/cm3（表2），形成了高密度油基鉆井液封堵防塌技術(shù)、防漏堵漏技術(shù)、流形調(diào)控技術(shù)等，研制了抗高溫高密度油基鉆井液和強(qiáng)封堵白油/柴油基鉆井液，解決了高壓鹽水侵、破碎帶、大段泥巖的井壁失穩(wěn)問(wèn)題，大幅度減少了井下復(fù)雜。在塔里木庫(kù)車山前、西南和新疆南緣深層超深層應(yīng)用200余井次，創(chuàng)造塔探1井溫度最高（210 ℃）、博孜8井井深最深（8 235 m）、樂(lè)探1井密度最高（2.68 g/cm3）等多項(xiàng)紀(jì)錄，各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)比肩國(guó)外產(chǎn)品，每立方米成本較進(jìn)口材料降低20%以上。提升了深井鉆井安全和效率，為復(fù)雜超深井安全打成、打快、打好提供了支撐保障。圖11給出了塔里木山前鹽膏層使用水基鉆井液和油基鉆井液的效果對(duì)比。

圖11 塔里木盆地山前鹽膏層使用水基鉆井液和油基鉆井液效果對(duì)比圖

表2 抗高溫高密度抗鹽水污染油基鉆井液指標(biāo)對(duì)比表

1.5.2 高性能水基鉆井液

研制出多種抗溫200 ℃的水基鉆井液關(guān)鍵材料，突破抗高溫新材料，形成了具有良好封堵性、抑制性和潤(rùn)滑性的高性能水基鉆井液技術(shù)，以及抗高溫環(huán)保水基鉆井液。密度最高2.40 g/cm3、抗溫超過(guò)200 ℃、抗鹽超過(guò)15%。

針對(duì)柴達(dá)木盆地堿探1井超高溫（235 ℃）難題，開(kāi)展抗高溫有機(jī)鹽聚胺水基鉆井液及配套堵漏技術(shù)研究，優(yōu)選超高溫降濾失劑、封堵防塌劑、超高溫潤(rùn)滑劑、超高溫?zé)岱€(wěn)定劑等，鉆井過(guò)程中抗高溫鉆井液性能穩(wěn)定，地層漏失可控，支撐了該井加深543 m、井溫235 ℃條件下順利完鉆，并取全取準(zhǔn)地質(zhì)資料。

1.5.3 高性能水泥漿

針對(duì)深井超深井固井水泥漿存在超高溫調(diào)凝失效、失穩(wěn)嚴(yán)重、濾失失控及水泥石強(qiáng)度衰退等難題[38-42]，突破高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研發(fā)配套高溫緩凝劑、降失水劑、懸浮穩(wěn)定劑、水泥石強(qiáng)度衰退抑制劑和力學(xué)改性材料等超高溫水泥漿系列外加劑，解決了水泥漿抗溫能力差、頂部水泥超緩凝等技術(shù)瓶頸，形成抗高溫、大溫差水泥漿體系添加劑及配套固井技術(shù)，抗溫能力200 ℃，適用溫差100 ℃，初步解決了青海、華北等230 ℃高溫油氣井固井難題，有效支撐高溫深井固井提質(zhì)提效。

突破水泥石結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出增強(qiáng)增韌材料，初步形成抗220 ℃高強(qiáng)度韌性水泥漿體系，抗壓強(qiáng)度大于50 MPa，楊氏模量同比降低30%，顯著提高水泥環(huán)的密封性能，滿足深井超深井固井需求。

針對(duì)低密度水泥漿存在水泥含量少、液固比高、強(qiáng)度發(fā)展慢、強(qiáng)度低等問(wèn)題，依托緊密堆積和晶相結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，低液固比設(shè)計(jì)，采用高抗壓空心玻璃微珠，開(kāi)發(fā)了高/中低溫低密度高強(qiáng)度水泥漿體系，1.20～1.65 g/cm3水泥石抗壓強(qiáng)度大于14 MPa/48 h/35 ℃、18 MPa/48 h/160 ℃、25 MPa/72 h/160 ℃。

突破自愈合水泥漿體系關(guān)鍵技術(shù)，高純甲烷封隔能力達(dá)9.2 MPa/m，滿足高壓氣井固井要求。采用巖心驅(qū)替裝置，在70 ℃、恒壓差5 MPa和圍壓7.5 MPa下遇氣自愈合水泥石在高純甲烷中測(cè)試不同巖心的滲透率恢復(fù)值。遇氣自愈合材料在甲烷中的愈合能力(造縫后水泥石滲透率降低值)由40%～50%提升至75%～99%，解決了自愈合水泥遇甲烷難愈合的難題。在陽(yáng)探1井、迪探2井等井應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了有效封固。

1.6 井筒完整性技術(shù)提升了深井超深井安全水平

“十三五”期間，隨著塔里木庫(kù)車山前、川中高—磨及川西北等氣區(qū)勘探開(kāi)發(fā)節(jié)奏加快，面臨高溫（井口溫度超100 ℃）、高壓（生產(chǎn)油壓超100 MPa）、高產(chǎn)（最高產(chǎn)量超百萬(wàn)立方米）、高含硫等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，井完整性面臨極大考驗(yàn)[1-2,9-10,27]，通過(guò)攻關(guān)，構(gòu)建了高溫高壓高酸性介質(zhì)油氣井井完整性標(biāo)準(zhǔn)體系，編制發(fā)布了《高溫高壓及高含硫井完整性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》《高溫高壓及高含硫井完整性指南》《高溫高壓及高含硫井完整性管理規(guī)范》，參與了國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定；形成了覆蓋井屏障設(shè)計(jì)、建井質(zhì)量控制和生產(chǎn)過(guò)程管控的全生命周期井完整性技術(shù)，包括風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及分級(jí)管控技術(shù)、油管柱完整性（三軸力學(xué)精細(xì)校核技術(shù)、油管應(yīng)力腐蝕斷裂控制技術(shù)）、套管柱完整性（兩級(jí)屏障等強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)、140 MPa芯軸式套管頭研制）、水泥環(huán)完整性（窄密度窗口固井技術(shù)、高溫水泥石強(qiáng)度穩(wěn)定技術(shù)）等；提出了高抗擠套管分級(jí)方法、特殊螺紋接頭套管密封可靠性分析方法、多約束條件下非標(biāo)復(fù)合套管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)出高含硫深探井套管選材與套管柱設(shè)計(jì)系統(tǒng)；建立了固井水泥環(huán)密封完整性力學(xué)模型和氣密封失效判斷方法，配合控壓固井、預(yù)應(yīng)力固井、大溫差超長(zhǎng)封固段一次上返、封隔式尾管懸掛器、韌性微膨脹水泥漿體系及自動(dòng)化固井等，形成了固井密封完整性控制技術(shù)?；谌芷诘母邏簹饩暾栽O(shè)計(jì)、控制和管理技術(shù)在三高井全面推廣應(yīng)用，保障了塔里木、西南等大氣區(qū)安全平穩(wěn)生產(chǎn)，新井一年內(nèi)井完整性完好率由67%提升至90%以上，橙色井比例從18.4%降至12.7%，風(fēng)險(xiǎn)全面受控（圖12）。西南油氣田2016—2020年集成應(yīng)用井完整性評(píng)價(jià)與控制技術(shù)117口井，套管失效井減少52%（圖13）；塔里木油田庫(kù)車山前深井超深井套管失效井比例由2005—2015年的2.2%降低至2016—2020年的0.4%，減少82%；新投產(chǎn)井投產(chǎn)一年內(nèi)異常帶壓井比例由2012—2015年的31.5%降低至2016—2019年的5.4%，減少82%。

圖12 近年來(lái)中國(guó)石油環(huán)空異常帶壓情況圖

圖13 西南油氣田“十三五”期間環(huán)空異常帶壓情況圖

2 深井超深井鉆完井面臨的挑戰(zhàn)和對(duì)標(biāo)分析

2.1 深井超深井鉆完井面臨的挑戰(zhàn)

隨著勘探開(kāi)發(fā)向深層超深層發(fā)展，深井超深井普遍存在壓力系統(tǒng)復(fù)雜且具有不確定性、地層巖性復(fù)雜、地層流體（天然氣、H2S、水、高壓鹽水等）復(fù)雜、工程力學(xué)復(fù)雜等工程地質(zhì)特征。隨井深不斷增加，高溫高壓更加尖銳，技術(shù)新挑戰(zhàn)不斷出現(xiàn)，鉆井工程面臨著復(fù)雜多壓力系統(tǒng)和井身結(jié)構(gòu)層次不足、施工風(fēng)險(xiǎn)大、深部鉆井速度慢、井工程質(zhì)量控制與保障難度大、井筒安全和完整性差、提速提效裝備和工具適應(yīng)性差、新技術(shù)儲(chǔ)備不足等問(wèn)題[1,43-44]。在鉆井施工中表現(xiàn)為鉆井周期長(zhǎng)、復(fù)雜情況和故障多、工程投資大，甚至有些井難以鉆達(dá)目的層，不能實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目的等。

塔里木油田面臨高溫（190 ℃）、高壓（143 MPa）、高含硫（最高450 g/m3）、超高壓鹽水、超深（井深6 000～8 882 m）、高陡（高陡構(gòu)造地層傾角87°）、極窄（窄壓力窗口 0.01 ～ 0.02 g/cm3）、超低（低孔隙度4%～8%、低滲透率0.01～0.1 mD）、巨厚（近6 000 m巨厚礫石層和巨厚復(fù)合鹽膏層）等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的挑戰(zhàn)，應(yīng)對(duì)3套鹽層等超深復(fù)雜地層的井身結(jié)構(gòu)還不成熟、博孜礫石集中發(fā)育區(qū)的鉆井提速難題尚未完全解決，窄壓力窗口地層安全鉆井系統(tǒng)解決方案還需進(jìn)一步優(yōu)化完善、8 000 m以深鉆完井配套技術(shù)不成熟等。

川渝深井超深井鉆井主要集中在川西北深層海相（井深6 500～7 500 m）、川東寒武系（井深6 500～8 000 m）,隨著川渝深層勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域從盆地中部往盆地外圍拓展，勘探對(duì)象由上二疊統(tǒng)—三疊系向更深的下二疊統(tǒng)—震旦系轉(zhuǎn)移，雷口坡組以下18個(gè)海相油氣層（6個(gè)主力產(chǎn)層）層層含硫，部分高含硫，鉆井試油面臨超深（大于7 000 m）、超高壓（大于150 MPa）、超高溫（大于210 ℃）、極窄窗口（0.02～0.04 g/cm3）等挑戰(zhàn)。需要進(jìn)一步拓展井身結(jié)構(gòu)，持續(xù)攻關(guān)礫石層和高含石英巖的鉆井提速、超深小井眼鉆井與固井、涌漏同層的承壓堵漏和控壓鉆井、超深高溫高壓含硫井的井下工具和井筒工作液、井筒完整性等。

2.2 對(duì)標(biāo)分析

深井超深井鉆井總體技術(shù)水平不斷提升，與國(guó)外差距持續(xù)縮小[1-2,30,36,39-51]。鉆井技術(shù)與裝備基本滿足勘探開(kāi)發(fā)需要，以管柱自動(dòng)排放為核心的7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)、頂驅(qū)、控壓鉆井、深層連續(xù)管作業(yè)機(jī)等基本國(guó)產(chǎn)化自給。陸地鉆機(jī)、頂驅(qū)、控壓鉆井、抗高溫油基鉆井液、韌性水泥漿等方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但鉆井裝備自動(dòng)化智能化、隨鉆測(cè)控、抗高溫元器件、數(shù)字化智能化技術(shù)等與國(guó)際先進(jìn)水平有較大差距，井筒工作液在超高溫和極低密度、環(huán)保等方面需要進(jìn)一步攻關(guān)。

2.2.1 鉆井裝備

國(guó)外：發(fā)展了1 000～15 000 m系列鉆機(jī)、液壓鉆機(jī)、模塊化/個(gè)性化鉆機(jī)，形成了智能鉆井系統(tǒng)架構(gòu)，智能化井控裝備、鉆井液實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)已商業(yè)化應(yīng)用；頂驅(qū)產(chǎn)品型號(hào)齊全，實(shí)現(xiàn)系列化、自動(dòng)化，承載能力2 250～13 500 kN，配備鉆井作業(yè)安全提升技術(shù)、扭矩智能控制、導(dǎo)向滑動(dòng)控制等；在氣體/欠平衡/控壓鉆井裝備方面，旋轉(zhuǎn)防噴器、套管閥、節(jié)流閥等種類齊全，節(jié)流精度0.25 MPa。

中國(guó)石油：擁有1 000～12 000 m系列鉆機(jī)及頂驅(qū)設(shè)備，頂驅(qū)載荷能力2 250～9 000 kN，配置鉆井作業(yè)安全提升技術(shù)、扭矩智能控制、導(dǎo)向滑動(dòng)控制，主軸旋轉(zhuǎn)定位，遠(yuǎn)程診斷；氣體/欠平衡/控壓鉆井裝備成熟配套。

對(duì)標(biāo)分析：鉆機(jī)的設(shè)計(jì)與制造、壓力控制裝備、頂驅(qū)等核心技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)，鉆機(jī)的自動(dòng)化、智能化、可運(yùn)移性等與國(guó)外有差距。

2.2.2 破巖與提速技術(shù)

國(guó)外：PDC鉆頭、牙輪鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭等技術(shù)成熟，形成系列化，規(guī)模應(yīng)用，混合結(jié)構(gòu)、混合齒、360°齒等新型切削齒及鉆頭創(chuàng)新不斷。垂直鉆井工具、螺桿鉆具、渦輪鉆具、扭力沖擊器、減振工具、鉆井提速優(yōu)化系統(tǒng)等技術(shù)成熟，規(guī)模應(yīng)用。

中國(guó)石油：常規(guī)鉆頭種類齊全、成熟應(yīng)用，高端PDC復(fù)合片依賴進(jìn)口，硬地層機(jī)械鉆速低、壽命短；形成系列化螺桿設(shè)計(jì)與制造能力，耐高溫、耐腐蝕、長(zhǎng)壽命等方面與國(guó)外有差距；垂直鉆井工具、渦輪鉆具、扭力沖擊器、水力脈沖工具、衡扭矩工具、鉆井提速優(yōu)化系統(tǒng)等在鉆井提速中發(fā)揮了積極作用，但可靠性、地層適應(yīng)性等方面還需要進(jìn)一步攻關(guān)。

對(duì)標(biāo)分析：PDC復(fù)合片、超硬材料、高溫井下動(dòng)力鉆具、輔助破巖工具等核心技術(shù)與國(guó)外有差距，鉆頭設(shè)計(jì)與制造工藝有待提升。

2.2.3 隨鉆測(cè)控技術(shù)

國(guó)外：MWD、LWD隨鉆測(cè)量技術(shù)成熟應(yīng)用，抗溫能力150 ℃，部分突破175 ℃。EMMWD、智能鉆桿商業(yè)應(yīng)用，隨鉆測(cè)量?jī)x可測(cè)量參數(shù)18個(gè)，地質(zhì)導(dǎo)向、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)成熟配套，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化、系列化，規(guī)模應(yīng)用。

中國(guó)石油：MWD、LWD等實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，抗溫能力125 ℃，部分達(dá)到150 ℃。近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，正在攻關(guān)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。

對(duì)標(biāo)分析：高溫隨鉆測(cè)量、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、隨鉆前探等核心技術(shù)與國(guó)外差距明顯。

2.2.4 鉆井液

國(guó)外：高溫高密度水基鉆井液處理劑齊全、產(chǎn)品系列化，耐溫200 ℃以上。油基鉆井液處理劑齊全、產(chǎn)品系列化，耐溫好，性能優(yōu)良，規(guī)模應(yīng)用（表3）。

表3 鉆井液技術(shù)國(guó)內(nèi)外對(duì)標(biāo)分析表

中國(guó)石油：水基鉆井液技術(shù)成熟，體系齊全，耐溫性好，規(guī)模應(yīng)用。油基鉆井液基本成熟，但防漏堵漏處理劑相對(duì)缺少。

對(duì)標(biāo)分析：在體系配方設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)、水基鉆井液方面與國(guó)外基本相當(dāng)，油基鉆井液大幅縮小了與國(guó)外差距，在關(guān)鍵處理劑和廢棄物處理等方面還需要攻關(guān)。

2.2.5 固井完井技術(shù)

國(guó)際：固井工具品種齊全、性能可靠，耐溫260℃，耐壓120 MPa。韌性水泥、自愈合水泥、防漏水泥等成熟。正在開(kāi)發(fā)樹(shù)脂水泥、彈性水泥，固井模擬軟件成熟配套（表4）。

表4 固井技術(shù)國(guó)內(nèi)外對(duì)標(biāo)分析表

中國(guó)石油：形成了11大類100多個(gè)品種水泥漿外加劑，滿足需要，韌性水泥、大溫差水泥、低密度水泥等成熟，高密度水泥達(dá)2.60 g/cm3。固井完井工藝成熟配套，正在完善抗高溫水泥、自愈合水泥等。

對(duì)標(biāo)分析：體系配方設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)、大溫差固井、韌性水泥等達(dá)到國(guó)際先進(jìn)，固井完井工具、超高溫水泥、智能完井等與國(guó)外有差距。

3 深井超深井鉆完井技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與展望

3.1 深井超深井鉆完井技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)陸上油氣勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)依然在深層超深層，井筒工程主體技術(shù)正向著鉆的更深、更快、更經(jīng)濟(jì)、更清潔、更安全和更聰明的方向發(fā)展[1-4,8-9,21,23-25,30,36,39,52-57]。圍繞深井超深井鉆完井將發(fā)展一系列新裝備、新技術(shù)、新工藝、新工具和新材料，傳統(tǒng)技術(shù)將與信息化、大數(shù)據(jù)、智能化技術(shù)不斷融合發(fā)展。

深井超深井鉆井裝備向不斷自動(dòng)化智能化方向發(fā)展，鉆機(jī)及配套裝備向高靈活性、高自動(dòng)化、高安全性、多樣化發(fā)展，井口操作向自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程操控方向發(fā)展；破巖技術(shù)向復(fù)合鉆頭、異形齒PDC、自適應(yīng)鉆頭、智能鉆頭以及電動(dòng)鉆具、實(shí)時(shí)優(yōu)化、非接觸破巖等方向發(fā)展；控壓鉆井向控制壓力精度更高、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展；隨鉆測(cè)量朝著高傳輸速率、耐溫高、多參數(shù)、前探方向發(fā)展，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井向高造斜率、智能化方向發(fā)展，地質(zhì)導(dǎo)向朝更深、更遠(yuǎn)地層參數(shù)方向發(fā)展，逐步取代電纜測(cè)井，向測(cè)量、測(cè)井、錄井一體化方向發(fā)展；鉆井液技術(shù)向更高效能、全過(guò)程清潔環(huán)保、智能、可重復(fù)回收利用方向發(fā)展，超高溫、極低溫、納米、強(qiáng)化井壁材料和智能型處理劑將出現(xiàn)，溶洞/裂縫惡性漏失地層防漏堵漏綜合一體化，并向在線性能測(cè)控、自動(dòng)化閉環(huán)固控與自動(dòng)配漿系統(tǒng)發(fā)展；固井技術(shù)向固井過(guò)程操作自動(dòng)化、信息化、智能化、全生命周期控制方向發(fā)展，固井材料向超高溫、功能性、安全環(huán)保、自適應(yīng)，固井工具向復(fù)雜工藝工況條件下高穩(wěn)定性、高可靠性方向發(fā)展；鉆井軟件向地質(zhì)工程一體化、實(shí)時(shí)化、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、可視化、人工智能方向發(fā)展；連續(xù)管作業(yè)向測(cè)井、固井、完井壓裂、井下作業(yè)一體化和深層超深層發(fā)展；連續(xù)管鉆井向隨鉆智能測(cè)控、閉環(huán)導(dǎo)向鉆井發(fā)展，鉆井工藝向老井重入、側(cè)鉆水平井分支井等應(yīng)用發(fā)展。

3.2 “十四五”深井超深井鉆完井技術(shù)發(fā)展展望

“十四五”及未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，一批影響深井超深井安全快速鉆井的關(guān)鍵核心技術(shù)卡點(diǎn)急需突破，實(shí)現(xiàn)高端裝備工具的自主可控；綠色低碳鉆井、清潔生產(chǎn)和本質(zhì)安全是時(shí)代的主題和行業(yè)的遵循，已成剛性需求；提質(zhì)增效、高質(zhì)量發(fā)展需要數(shù)字化智能化技術(shù)支撐轉(zhuǎn)型發(fā)展[1,3-4,9,23-25,30,39,45,49-50,52-53]。

圍繞深井超深井打成打快打好，重點(diǎn)研發(fā)深井自動(dòng)化智能化鉆機(jī)及配套裝置、高效PDC鉆頭和智能化鉆頭、極端條件下深井超深井井筒工作液、隨鉆前探等尖端技術(shù)，研制智能控壓鉆井技術(shù)與裝備、井下故障復(fù)雜智能識(shí)別與早期診斷、井下多參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量與智能優(yōu)化控制技術(shù)、數(shù)字化智能化建井技術(shù)等，發(fā)展耐高溫抗高壓的工具、儀器和井筒工作液材料，開(kāi)發(fā)抗高溫大扭矩長(zhǎng)壽命井下鉆具、隨鉆擴(kuò)眼與膨脹管裸眼封堵等，持續(xù)提升傳統(tǒng)技術(shù)的可靠性，提高深井超深井安全優(yōu)快鉆井的能力，提升鉆井工程設(shè)計(jì)軟件及遠(yuǎn)程技術(shù)支持水平，推進(jìn)鉆井由傳統(tǒng)作業(yè)方式向?qū)崟r(shí)決策支持作業(yè)方式轉(zhuǎn)變。

發(fā)展目標(biāo)：緊密圍繞勘探開(kāi)發(fā)主體技術(shù)需求和深井超深井打成打快打好面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸問(wèn)題，持續(xù)開(kāi)展鉆井技術(shù)攻關(guān)。高溫大溫差水泥和韌性水泥技術(shù)繼續(xù)保持國(guó)際領(lǐng)先水平，氣體和欠平衡鉆井技術(shù)、井筒壓力自適應(yīng)控制、高溫高密度油基鉆井液和高性能水基鉆井液、連續(xù)管裝備與作業(yè)技術(shù)等繼續(xù)保持國(guó)際先進(jìn)水平；自動(dòng)化智能化鉆機(jī)、井下信息高速傳輸技術(shù)、隨鉆前探技術(shù)、電動(dòng)鉆具鉆井系統(tǒng)、PDC高效鉆頭和材料等技術(shù)、隨鉆擴(kuò)眼及膨脹管裸眼封堵技術(shù)、復(fù)雜深井救援等實(shí)現(xiàn)重大突破。掌握萬(wàn)米超深井、特超深井鉆井技術(shù)，支撐超深層勘探開(kāi)發(fā)，大幅度提高復(fù)雜井鉆探成功率和鉆井速度。

發(fā)展“第三代”自動(dòng)化鉆機(jī)，攻關(guān)智能鉆井關(guān)鍵技術(shù)，隨鉆擴(kuò)眼和膨脹管裸眼封堵、電動(dòng)鉆具鉆井、智能控壓等取得重大突破，持續(xù)發(fā)展完善深井高速信息上傳系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)重大裝備的健康管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)。自動(dòng)化鉆井裝備與高端工具、軟件方面，“十四五”重點(diǎn)開(kāi)展第三代自動(dòng)化鉆機(jī)、高性能井筒壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)、膨脹管裸眼封堵及井身結(jié)構(gòu)拓展、井下復(fù)雜智能識(shí)別與診斷、數(shù)字孿生建井、高速信息傳輸、9 000 m連續(xù)管作業(yè)機(jī)、電動(dòng)鉆具鉆井、高強(qiáng)輕質(zhì)合金鉆桿等研究。

突破超硬耐研磨材料，研制高性能智能鉆頭和復(fù)合鉆頭，持續(xù)完善耐油耐高溫長(zhǎng)壽命螺桿鉆具，發(fā)展完善反循環(huán)鉆井、連續(xù)循環(huán)氣體鉆井等技術(shù)，探索新型破巖方法，發(fā)展電脈沖破巖工具等，支撐深層超深層難鉆地層有效提速。“十四五”重點(diǎn)發(fā)展自適應(yīng)高效鉆頭、耐油耐高溫長(zhǎng)壽命螺桿鉆具、密閉循環(huán)鉆井技術(shù)，以及電脈沖、激光等破巖新技術(shù)。

持續(xù)攻關(guān)惡性漏失一體化控制、智能鉆井液材料等難題，發(fā)展低成本、高效、綠色鉆完井液及廢棄物減量和處理技術(shù)，形成高溫高密度高鹽鉆完井液系列技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆井液性能在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。“十四五”重點(diǎn)發(fā)展高溫高密度高鹽鉆井液、惡性漏失控制技術(shù)、在線性能自動(dòng)測(cè)控與自動(dòng)化閉環(huán)固控與配漿系統(tǒng)、鉆井廢棄物環(huán)保利用及處理技術(shù)等。

保持特色水泥漿技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先，突破抗220 ℃以上高溫水泥漿及高溫固井關(guān)鍵工具，形成超深井、特超深井等復(fù)雜條件下固井配套技術(shù)，完善發(fā)展固井仿真模擬自動(dòng)監(jiān)控軟件和固井工程大數(shù)據(jù)平臺(tái)、自動(dòng)水泥頭等關(guān)鍵技術(shù)，形成自動(dòng)化監(jiān)控固井施工技術(shù)，推動(dòng)固井施工向自動(dòng)化發(fā)展，為復(fù)雜井、超深井提供固井質(zhì)量保障。“十四五”重點(diǎn)發(fā)展固井仿真監(jiān)控軟件和大數(shù)據(jù)平臺(tái)、抗240 ℃水泥漿及固井關(guān)鍵工具、高溫高壓完井封隔器等。

以人工智能等為代表的第四次工業(yè)革命已經(jīng)到來(lái)，“十四五”及今后一段時(shí)間內(nèi)鉆完井技術(shù)裝備將不斷向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)超前探測(cè)、精準(zhǔn)制導(dǎo)、閉環(huán)調(diào)控和智能決策，大幅提高深層超深層勘探發(fā)現(xiàn)和儲(chǔ)層鉆遇率，提高鉆井成功率和鉆遇率，實(shí)現(xiàn)安全高效經(jīng)濟(jì)鉆完井。

4 結(jié)論與建議

“十三五”期間我國(guó)深井超深井鉆井技術(shù)快速發(fā)展，在自動(dòng)化鉆機(jī)、控壓鉆測(cè)固完技術(shù)、大扭矩頂驅(qū)、深井連續(xù)管作業(yè)機(jī)等高端裝備，垂直鉆井工具、非平面齒鉆頭、高強(qiáng)度膨脹管、抗高溫大扭矩長(zhǎng)壽命螺桿、扭力沖擊工具、協(xié)同減震破巖、隨鉆測(cè)量和安全監(jiān)測(cè)工具等尖端工具，抗高溫高密度油基鉆井液、高性能水基鉆井液、韌性水泥漿、自愈合水泥漿等核心助劑，以及井筒完整性等方面取得突破，超深井?dāng)?shù)量首次超越美國(guó)，井深邁上8 000 m新臺(tái)階，對(duì)支撐深層勘探開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)發(fā)展，提升鉆完井市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力發(fā)揮了重要作用。

“十四五”深井超深井依然是我國(guó)油氣勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。圍繞深井超深井特深井打成打快打好，建議開(kāi)展深井自動(dòng)化智能化鉆井裝備、超高溫井筒工作液、隨鉆前探、數(shù)字孿生建井等關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)技術(shù)的迭代升級(jí)，提升深井超深井安全優(yōu)快鉆井的能力。