超深井鉆井技術(shù)進(jìn)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(fù)雜混合物，它們通常儲(chǔ)存在深部地層的沉積巖中。自1895年從業(yè)者使用沖擊鉆井方法鉆出了第一口商業(yè)油井以來，鉆井技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。根據(jù)破巖方式，有兩種常用的鉆孔方法，即沖擊鉆孔法和旋轉(zhuǎn)鉆孔法，其中，旋轉(zhuǎn)鉆孔法是應(yīng)用最廣泛的方法。為了進(jìn)一步提高鉆井作業(yè)技術(shù)水平開發(fā)油氣藏，近年來發(fā)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(guī)石油資源的逐步枯竭，非常規(guī)油氣資源的開發(fā)獲得了關(guān)注，如頁巖油氣、致密油氣、煤層氣等，為開發(fā)非常規(guī)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(guān)注，超深井鉆井技術(shù)是油氣資源勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是油氣資源開發(fā)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(shè)備在井下高溫環(huán)境中的可靠程度；③井下測(cè)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(jié)超深井鉆井技術(shù)及其進(jìn)展，本文介紹了超深井鉆井的歷史發(fā)展情況、垂直鉆井系統(tǒng)、有線鉆桿技術(shù)和鉆頭技術(shù)的研究和應(yīng)用情況。最后對(duì)超深井鉆井技術(shù)進(jìn)行了簡要總結(jié)和展望。

1 超深井鉆井歷史

地球深部的巖石組成和結(jié)構(gòu)只能通過地質(zhì)鉆探獲得的間接數(shù)據(jù)來判斷，為了更好的了解地球的地質(zhì)構(gòu)造情況，地質(zhì)學(xué)家需要通過深井、超深井鉆探技術(shù)來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。所以，近幾十年來，鉆井技術(shù)越來越多地被用作解決現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)問題的一種方法。近幾十年來，為了獲得海相沉積的地質(zhì)資料和油氣資源，美國通過海上平臺(tái)鉆探了數(shù)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(dá)黎加海岸，海上平臺(tái)鉆探的最深井已經(jīng)達(dá)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(dá)到了9583m，但該井用時(shí)僅為502d。獲得如此高的鉆井速度一方面是由于美國強(qiáng)大的鉆井技術(shù)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(jìn)行的。

1960～1962年前蘇聯(lián)制定并實(shí)施了第一個(gè)系統(tǒng)化的大陸超深井鉆探計(jì)劃。該計(jì)劃實(shí)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(dá)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(qū)北部開始鉆探，距扎波利亞爾諾耶市10km。其設(shè)計(jì)深度為15000m，最終完鉆深度為12263m。在接下來的幾年中，前蘇聯(lián)又鉆探了十幾口深度為4000～9000m的井。并與1986年成立了一個(gè)特殊的國家科學(xué)企業(yè)“雅羅斯拉夫爾”來執(zhí)行超深井鉆探綜合研究計(jì)劃。蘇聯(lián)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(fā)達(dá)國家對(duì)科學(xué)大陸鉆井計(jì)劃的關(guān)注。德國在拜仁（1990～1994年）鉆探了超深井KTB-Oberpfalz井，其深度達(dá)到了9101m。

科拉超深井目前已經(jīng)成為該地區(qū)的主要旅游景點(diǎn)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(shù)不多的一口為了純粹的科學(xué)目的，而不是為了勘探或生產(chǎn)而鉆探的井。在1970 為了進(jìn)行科拉超深井的鉆井施工，前蘇聯(lián)成立了一個(gè)特殊的勘探探險(xiǎn)隊(duì)（Kola GRES）。在距扎波利亞爾尼10km 處建造了鉆井平臺(tái)并布置了鉆機(jī)。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(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的世界紀(jì)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(fù)雜，在鉆穿不同密度的傾斜層時(shí)，因?yàn)榈貙尤鋭?dòng)，導(dǎo)致井眼軌跡出現(xiàn)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(dǎo)致5000m 的鉆柱被埋與井下，最終只能從7000m 處重新進(jìn)行側(cè)鉆。就科學(xué)意義而言，科拉超深井從地球內(nèi)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(zhì)與從約3000m深度的科拉鉆孔中獲取的巖石性質(zhì)幾乎完全一致。在該井的10000m深處，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)了甲烷，使碳?xì)浠衔锏募兩飦碓蠢碚撌艿劫|(zhì)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(zhì)合金制成的特殊鉆具。

2 超深井鉆探技術(shù)進(jìn)展

2.1 垂直鉆井系統(tǒng)

垂直鉆井系統(tǒng)屬于定向工具的一種，主要用于糾斜和垂直快速鉆進(jìn)，從而提高深井、超深井的機(jī)械鉆速。在深井鉆進(jìn)過程中，如果頻繁地進(jìn)行糾斜作業(yè)，會(huì)大量浪費(fèi)鉆井時(shí)間。雖然通過偏心軸裝配、偏心剛?cè)嵫b配、可轉(zhuǎn)向裝配和預(yù)彎曲動(dòng)力學(xué)等常規(guī)技術(shù)措施也可以糾斜，但是這些常規(guī)技術(shù)需要起鉆更換鉆具，而垂直鉆井系統(tǒng)可以自動(dòng)保持鉆孔垂直度。垂直鉆井系統(tǒng)是由Baker Hughes Inteq開發(fā)的，1988年垂直鉆井系統(tǒng)被用于為德國KTB 計(jì)劃的大陸科學(xué)鉆井，在KTB 鉆井計(jì)劃的實(shí)施過程中，最大井傾角成功控制在0°～1°范圍內(nèi)。在看到如此出色的鉆井效果后，鉆井承包商開始大力發(fā)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(tǒng)、Schlumberger 的Power-V 系統(tǒng)、Halliburton 的Sperry-sun V-Pilot系統(tǒng)和Smart Drilling的Gmbh ZBE系統(tǒng)。圖1為Baker Hughes 的Verti-Trak 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動(dòng)保持井眼垂直，而不會(huì)影響關(guān)鍵的鉆井參數(shù)（鉆井液排量、泵壓、鉆壓和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速等）。還可以保持較高的機(jī)械鉆速并避免由于糾斜帶來的鉆時(shí)消耗。垂直鉆井系統(tǒng)可以最大限度地減少由于井眼軌跡不規(guī)則帶來的摩阻和扭矩，并減少由此產(chǎn)生的井眼質(zhì)量問題，減少鉆井液消耗和后續(xù)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(tǒng)還有助于減少地面井口的間距。垂直鉆井系統(tǒng)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(yè)。

圖1 貝克休斯Verti-Trak垂直鉆井系統(tǒng)

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?shù)降孛?，它可以以每?7000 比特的速度傳輸?shù)叵聰?shù)據(jù)。有線鉆桿項(xiàng)目由Novatek 公司和美國能源部共同贊助，發(fā)明于1997年。2006 年，第一根商用有線鉆桿（IntelliServ 公司的產(chǎn)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?shù)骄鹿ぞ咭詫?shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。此外，測(cè)量節(jié)點(diǎn)還可沿鉆柱全長進(jìn)行布置，便于作業(yè)人員沿井筒采集數(shù)據(jù)。可以測(cè)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(shù)據(jù)傳輸不再受鉆井液性質(zhì)、地層性質(zhì)和深度的影響。但是，有線鉆桿的價(jià)格相對(duì)昂貴，而且由于采用了串聯(lián)的連接方案，可靠性還需要進(jìn)一步提高。

2.3 鉆頭技術(shù)

在石油和天然氣工業(yè)中，鉆頭是一種工具，鉆頭通過旋轉(zhuǎn)鉆井方法在地層中產(chǎn)生一個(gè)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(jù)切削機(jī)理，業(yè)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(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

2.3.1 牙輪鉆頭

牙輪鉆頭最常見的構(gòu)造是三牙輪鉆頭，根據(jù)地層情況也有部分單牙輪、雙牙輪或四牙輪鉆頭的設(shè)計(jì)。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(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)穿過鉆孔表面的錐體上的“齒”來壓裂或壓碎巖石。根據(jù)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(jié)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(jìn)一步提高鉆頭的耐用性，還開發(fā)了一些先進(jìn)的材料，如蜂窩狀金剛石材料和雙硬質(zhì)合金碳化鎢。牙輪鉆頭可適應(yīng)低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)用于長時(shí)間承受深井和地?zé)峋雀邷劂@井環(huán)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(jī)械鉆速高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。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(jié)碳化鎢圓柱體，表面涂有合成金剛石材料。刀具以交錯(cuò)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(zhuǎn)方向，以提供對(duì)鉆孔底部的完全覆蓋。PDC 鉆頭主要應(yīng)用于低鉆壓、高轉(zhuǎn)速和高溫的工作環(huán)境；PDC鉆頭的應(yīng)用包括均質(zhì)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(shù)的推廣應(yīng)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(shì)。但在硬度較高的地層和復(fù)雜的定向鉆井作業(yè)中，由于自身設(shè)計(jì)原因，PDC 鉆頭無法完全替代牙輪鉆頭。為了解決這個(gè)問題，從業(yè)者開發(fā)了混合型鉆頭，它結(jié)合了滾動(dòng)刀具和固定刀具的特點(diǎn)，如圖2所示。有兩種設(shè)計(jì)，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(qiáng)度和穩(wěn)定性，以及金剛石鉆頭的切削優(yōu)勢(shì)和連續(xù)剪切作用，該技術(shù)在高度互層的地層中具有良好的工具面控制能力。在現(xiàn)場應(yīng)用過程中可將機(jī)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(jī)械鉆速，降低鉆壓，并減少鉆頭震動(dòng)。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(xiàn)場應(yīng)用過程中，鉆井速度提高了90%。

圖2 混合鉆頭示意圖

3 結(jié)論及建議

（1）鉆孔技術(shù)已從電纜工具鉆井發(fā)展到先進(jìn)的自動(dòng)化鉆井。先進(jìn)的技術(shù)是鉆井工程領(lǐng)域發(fā)展的動(dòng)力。

（2）垂直鉆井系統(tǒng)可以最大限度地減少由于井眼軌跡不規(guī)則帶來的摩阻和扭矩，并減少由此產(chǎn)生的井眼質(zhì)量問題，減少鉆井液消耗和后續(xù)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(tǒng)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(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。耐高溫的牙輪鉆頭可專門設(shè)計(jì)用于長時(shí)間承受超深井和地?zé)峋雀邷劂@井環(huán)境，TCI牙輪鉆頭的抗溫能力已經(jīng)超過260°C。

（4）超深井鉆井技術(shù)未來會(huì)向數(shù)字化、可視化、自動(dòng)化、集成化和智能化方向發(fā)展。