超深井鉆井技術進展研究

孫 鍵

（大慶鉆探工程公司鉆井四公司，吉林 松原 138000）

原油和天然氣通常是烴類、非烴類和其他微量元素的復雜混合物，它們通常儲存在深部地層的沉積巖中。自1895年從業者使用沖擊鉆井方法鉆出了第一口商業油井以來，鉆井技術已經取得了長足的進步。根據破巖方式，有兩種常用的鉆孔方法，即沖擊鉆孔法和旋轉鉆孔法，其中，旋轉鉆孔法是應用最廣泛的方法。為了進一步提高鉆井作業技術水平開發油氣藏，近年來發展了一些非常重要的鉆井方法，如垂直鉆井、定向鉆井和水平鉆井[1-2]。此外，隨著常規石油資源的逐步枯竭，非常規油氣資源的開發獲得了關注，如頁巖油氣、致密油氣、煤層氣等，為開發非常規石油資源，定向井、大斜度井、大位移井、水平井等非垂直井越來越多[3-5]。另一方面，超深層石油資源的開采也獲得了更多的關注，超深井鉆井技術是油氣資源勘探開發的關鍵技術之一，也是油氣資源開發的重要途徑。

目前超深井鉆井主要存在的問題有：①鉆井過程中液柱壓力和地層破裂壓力之間的差值；②鉆井設備在井下高溫環境中的可靠程度；③井下測量儀器的抗溫性；④深井鉆井過程中鉆柱的承受能力；⑤鉆頭的使用壽命。

為了更好的總結超深井鉆井技術及其進展，本文介紹了超深井鉆井的歷史發展情況、垂直鉆井系統、有線鉆桿技術和鉆頭技術的研究和應用情況。最后對超深井鉆井技術進行了簡要總結和展望。

1 超深井鉆井歷史

地球深部的巖石組成和結構只能通過地質鉆探獲得的間接數據來判斷，為了更好的了解地球的地質構造情況，地質學家需要通過深井、超深井鉆探技術來獲取相關數據。所以，近幾十年來，鉆井技術越來越多地被用作解決現代地質學問題的一種方法。近幾十年來，為了獲得海相沉積的地質資料和油氣資源，美國通過海上平臺鉆探了數百口深井，這些井穿過海底松散的沉積物深入到下面的玄武巖中。目前，在太平洋以南的哥斯達黎加海岸，海上平臺鉆探的最深井已經達到海底之下2105m。在陸上鉆井方面，美國在德克薩斯州和俄克拉荷馬州鉆探了深度6500～7000m 的井350 多口，深度超過7000m 的井50 口，深度超過9000m的井4 口。其中1973～1974 年勘探的最深井Berta Rogers 井的井深達到了9583m，但該井用時僅為502d。獲得如此高的鉆井速度一方面是由于美國強大的鉆井技術水平，另一方面也是由于該井的鉆探是在沒有取芯的情況下進行的。

1960～1962年前蘇聯制定并實施了第一個系統化的大陸超深井鉆探計劃。該計劃實施的第一口超深井是位于哈薩克斯坦北部的Aralsorskaya井，該井的完鉆井深達到5600m。隨后又在阿塞拜疆的Kura-Araks完成了Saatlinskaya 井（8200m），在西西伯利亞完成了烏倫戈斯克井（7800m）。1970年5月，科拉超深井在摩爾曼斯克地區北部開始鉆探，距扎波利亞爾諾耶市10km。其設計深度為15000m，最終完鉆深度為12263m。在接下來的幾年中，前蘇聯又鉆探了十幾口深度為4000～9000m的井。并與1986年成立了一個特殊的國家科學企業“雅羅斯拉夫爾”來執行超深井鉆探綜合研究計劃。蘇聯在超深井方面取得的成功刺激了德國、法國、美國等其他歐美發達國家對科學大陸鉆井計劃的關注。德國在拜仁（1990～1994年）鉆探了超深井KTB-Oberpfalz井，其深度達到了9101m。

科拉超深井目前已經成為該地區的主要旅游景點之一，該井以其12263m 的完鉆井深聞名于世，是世界上第一口萬米深井。該井是為數不多的一口為了純粹的科學目的，而不是為了勘探或生產而鉆探的井。在1970 為了進行科拉超深井的鉆井施工，前蘇聯成立了一個特殊的勘探探險隊（Kola GRES）。在距扎波利亞爾尼10km 處建造了鉆井平臺并布置了鉆機。井眼處于波羅的海，位于年齡約30億年的最古老的火成巖的表面。該井于1970 年5 月開鉆，第一階段的鉆探深度為7263m，最終于1983年創造了當時的世界紀錄，鉆井深度超過12000m，成為世界上最深的井之一。

科拉超深井的鉆探過程十分復雜，在鉆穿不同密度的傾斜層時，因為地層蠕動，導致井眼軌跡出現多次偏差，多次偏離軌道后鉆出新井眼。在1984 年9 月27日由于井下事故導致5000m 的鉆柱被埋與井下，最終只能從7000m 處重新進行側鉆。就科學意義而言，科拉超深井從地球內部提取的巖石樣本的意義不亞于從月球表面采集的樣本。研究表明月球土壤的巖石性質與從約3000m深度的科拉鉆孔中獲取的巖石性質幾乎完全一致。在該井的10000m深處，發現了14種古代生物的化石殘骸。該井在沒有沉積巖的深處鉆探期間，地層中還出現了甲烷，使碳氫化合物的純生物來源理論受到質疑。在科拉超深井鉆探過程中，渦輪鉆具作為一種新的鉆井方式被使用，該渦輪鉆具總長46m。鉆柱總重量約為200t，是由輕質合金制成的特殊鉆具。

2 超深井鉆探技術進展

2.1 垂直鉆井系統

垂直鉆井系統屬于定向工具的一種，主要用于糾斜和垂直快速鉆進，從而提高深井、超深井的機械鉆速。在深井鉆進過程中，如果頻繁地進行糾斜作業，會大量浪費鉆井時間。雖然通過偏心軸裝配、偏心剛柔裝配、可轉向裝配和預彎曲動力學等常規技術措施也可以糾斜，但是這些常規技術需要起鉆更換鉆具，而垂直鉆井系統可以自動保持鉆孔垂直度。垂直鉆井系統是由Baker Hughes Inteq開發的，1988年垂直鉆井系統被用于為德國KTB 計劃的大陸科學鉆井，在KTB 鉆井計劃的實施過程中，最大井傾角成功控制在0°～1°范圍內。在看到如此出色的鉆井效果后，鉆井承包商開始大力發展垂直鉆井工具。目前，典型的垂直鉆井工具有四種，包括Baker Hughes的Verti-Trak系統、Schlumberger 的Power-V 系統、Halliburton 的Sperry-sun V-Pilot系統和Smart Drilling的Gmbh ZBE系統。圖1為Baker Hughes 的Verti-Trak 系統，該系統可以自動保持井眼垂直，而不會影響關鍵的鉆井參數（鉆井液排量、泵壓、鉆壓和轉盤轉速等）。還可以保持較高的機械鉆速并避免由于糾斜帶來的鉆時消耗。垂直鉆井系統可以最大限度地減少由于井眼軌跡不規則帶來的摩阻和扭矩，并減少由此產生的井眼質量問題，減少鉆井液消耗和后續固井過程中的水泥漿消耗，也有利于提高單井開采壽命、降低修井成本，垂直鉆井系統還有助于減少地面井口的間距。垂直鉆井系統可用于8-1/2″至9-7/8″（6-3/4″工具）和12-1/4″至28″（9-1/2″工具）的井下作業。

圖1 貝克休斯Verti-Trak垂直鉆井系統

2.2 有線鉆桿

有線鉆桿又稱智能鉆桿。目前，有線鉆桿主要用于鉆井過程中將井下信息傳輸到地面，它可以以每秒57000 比特的速度傳輸地下數據。有線鉆桿項目由Novatek 公司和美國能源部共同贊助，發明于1997年。2006 年，第一根商用有線鉆桿（IntelliServ 公司的產品）在緬甸投入使用。有線鉆桿不但提供了井下到地面的高速信息傳輸通道，還可以將信息傳輸到井下工具以實現閉環控制。此外，測量節點還可沿鉆柱全長進行布置，便于作業人員沿井筒采集數據。可以測量所有的井下信息（如方向信息、鉆井工程信息和地層信息）。數據傳輸不再受鉆井液性質、地層性質和深度的影響。但是，有線鉆桿的價格相對昂貴，而且由于采用了串聯的連接方案，可靠性還需要進一步提高。

2.3 鉆頭技術

在石油和天然氣工業中，鉆頭是一種工具，鉆頭通過旋轉鉆井方法在地層中產生一個大致圓柱形的孔（井筒）。鉆頭所形成的鉆孔尺寸通常較小，約為3-1/2″至30″。鉆頭通過刮削、磨削或局部壓縮地層方式切削地層，根據切削機理，業界將鉆頭分為牙輪鉆頭、固定鉆頭和混合鉆頭。在超深井鉆探過程中，鉆頭的選用是鉆井成敗的關鍵環節之一。

2.3.1 牙輪鉆頭

牙輪鉆頭最常見的構造是三牙輪鉆頭，根據地層情況也有部分單牙輪、雙牙輪或四牙輪鉆頭的設計。牙輪鉆頭由本體、牙輪、軸承、密封件、齒和噴嘴組成。它主要通過在鉆頭旋轉時滾動穿過鉆孔表面的錐體上的“齒”來壓裂或壓碎巖石。根據牙輪鉆頭上齒的制造方式可以將牙輪鉆頭分為兩類：銑齒鉆頭和碳化鎢刀片（TCI）鉆頭。其中TCI 鉆頭是將燒結碳化鎢的成型齒壓入錐體的鉆孔中，將碳化鎢材料用作齒可以提高其耐用性。為了進一步提高鉆頭的耐用性，還開發了一些先進的材料，如蜂窩狀金剛石材料和雙硬質合金碳化鎢。牙輪鉆頭可適應低轉速、高轉速、高溫、高鉆壓等井下工況。牙輪鉆頭適用于高磨蝕地層、軟磨蝕地層和硬地層。耐高溫的牙輪鉆頭可專門設計用于長時間承受深井和地熱井等高溫鉆井環境，TCI 牙輪鉆頭的抗溫超過260°C。

2.3.2 PDC鉆頭

PDC 鉆頭是目前使用最為普遍的鉆頭，PDC 鉆頭具有機械鉆速高、壽命長等優點。PDC鉆頭由本體、刀具和噴嘴組成。PDC鉆頭的刀具（齒）是一種燒結碳化鎢圓柱體，表面涂有合成金剛石材料。刀具以交錯的方式排列在鉆頭的刀片上，金剛石涂層的刀具表面面向鉆頭旋轉方向，以提供對鉆孔底部的完全覆蓋。PDC 鉆頭主要應用于低鉆壓、高轉速和高溫的工作環境；PDC鉆頭的應用包括均質地層、軟地層和中硬度地層。

2.3.3 混合鉆頭

隨著PDC 鉆頭技術的推廣應用和不斷完善，PDC鉆頭在各種地層中有逐漸取代牙輪鉆頭的趨勢。但在硬度較高的地層和復雜的定向鉆井作業中，由于自身設計原因，PDC 鉆頭無法完全替代牙輪鉆頭。為了解決這個問題，從業者開發了混合型鉆頭，它結合了滾動刀具和固定刀具的特點，如圖2所示。有兩種設計，一種是小尺寸的雙翼雙錐鉆頭，另一種是尺寸稍大的四刀翼六刃PDC 鉆頭，副刀片被替換為圓錐。因此，鉆孔中心位置由PDC刀具完成破巖，而鉆孔周邊部分由刀具和刀片完成，破巖效果取決于錐體、刀片的配合程度。憑借牙輪的巖石破碎強度和穩定性，以及金剛石鉆頭的切削優勢和連續剪切作用，該技術在高度互層的地層中具有良好的工具面控制能力。在現場應用過程中可將機械鉆速提高62%，單只鉆頭的使用壽命提高200%以上。與牙輪鉆頭相比，混合鉆頭可以顯著提高機械鉆速，降低鉆壓，并減少鉆頭震動。與PDC 鉆頭相比，混合鉆頭在交互層地層的耐久性顯著提高，扭矩大幅度降低。在巴西的現場應用過程中，鉆井速度提高了90%。

圖2 混合鉆頭示意圖

3 結論及建議

（1）鉆孔技術已從電纜工具鉆井發展到先進的自動化鉆井。先進的技術是鉆井工程領域發展的動力。

（2）垂直鉆井系統可以最大限度地減少由于井眼軌跡不規則帶來的摩阻和扭矩，并減少由此產生的井眼質量問題，減少鉆井液消耗和后續固井過程中的水泥漿消耗，也有利于提高單井開采壽命、降低修井成本，垂直鉆井系統還有助于減少地面井口的間距。

（3）在超深井鉆探過程中，鉆頭的選用是鉆井成敗的關鍵環節之一。耐高溫的牙輪鉆頭可專門設計用于長時間承受超深井和地熱井等高溫鉆井環境，TCI牙輪鉆頭的抗溫能力已經超過260°C。

（4）超深井鉆井技術未來會向數字化、可視化、自動化、集成化和智能化方向發展。