張金成，牛新明，張進(jìn)雙

(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101)

1 超深井鉆井鉆遇的主要難題

近幾年來(lái)，隨著我國(guó)向深層油氣資源勘探開(kāi)發(fā)步伐的加快，尤其是中國(guó)石化加快對(duì)四川盆地、塔里木盆地超深層油氣勘探開(kāi)發(fā)的步伐，對(duì)超深井鉆井技術(shù)的需要越來(lái)越迫切，對(duì)超深井鉆井技術(shù)提出了更高的要求。然而超深井鉆井工程地質(zhì)環(huán)境極為復(fù)雜，鉆遇了諸多世界級(jí)鉆井技術(shù)難題，給“優(yōu)質(zhì)、安全、高效”鉆井帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)區(qū)域地質(zhì)條件極為復(fù)雜。西北地區(qū)地層時(shí)代古老、演化程度高、構(gòu)造活動(dòng)期次多，古近系/石炭系發(fā)育大段鹽膏層、二疊系火山巖可鉆性差、奧陶系碳酸鹽巖地層漏噴共存;元壩地區(qū)陸相地層膠結(jié)致密、存在厚礫石層，海相發(fā)育高壓鹽水層，地層壓力系數(shù)達(dá)到2.4以上，儲(chǔ)層高含酸性流體，二氧化碳含量3.33% ～15.51%，硫化氫含量3.71% ～6.87%。

(2)多套壓力系統(tǒng)下的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難。川東北和西北地區(qū)縱向上分布?jí)毫ο到y(tǒng)多，同時(shí)受低承壓層、破碎帶等影響，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)難度大;超深井上部套管尺寸較大、下深較深，套管抗擠與抗內(nèi)壓強(qiáng)度往往達(dá)不到要求。

(3)地層埋藏較深，巖石強(qiáng)度高、地層堅(jiān)硬、研磨性強(qiáng)、可鉆性差，機(jī)械鉆速低。川東北元壩地區(qū)上部陸相地層自流井須家河、西北麥蓋提地區(qū)開(kāi)派茲雷克組玄武巖地層硬度一般在2000～5000 MPa之間，可鉆性級(jí)值6～10級(jí)。

(4)高溫條件下鉆井液粘土分散、絮凝、鈍化，超高密度鉆井液體系流變性和穩(wěn)定性變差，裂縫發(fā)育地層在高密度鉆井液條件下易引發(fā)漏失問(wèn)題。

(5)川東北天然氣儲(chǔ)層埋藏深、地層壓力高、高含硫化氫和二氧化碳、縱向上分布多套壓力體系，固井壓穩(wěn)防氣竄、水泥石防腐蝕難度大。

(6)超深水平井面臨儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、變化大、定向軌跡控制困難、井下工具儀器工作環(huán)境惡劣。

上述問(wèn)題的存在嚴(yán)重制約了超深井安全優(yōu)快鉆井，迫切需要針對(duì)區(qū)域復(fù)雜地質(zhì)條件下的超深井鉆井技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)研究，解決復(fù)雜地質(zhì)條件下地應(yīng)力精確預(yù)測(cè)、異常地質(zhì)條件下井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、深部硬地層提速提效、高溫高密度鉆井液、井筒強(qiáng)化技術(shù)、高酸性氣田防氣竄固井、超深水平井井眼軌跡控制技術(shù)等技術(shù)難題，為超深油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2 超深井鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究

2005年以來(lái)，中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院聯(lián)合中國(guó)石油大學(xué)(華東)、中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司、中國(guó)石油化工股份有限公司勘探南方分公司、中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司等油田企業(yè)組成“產(chǎn)—學(xué)—研”攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，針對(duì)川東北、西北等超深層油氣勘探開(kāi)發(fā)需求，在國(guó)家“863”項(xiàng)目“超深井鉆井技術(shù)研究”，中國(guó)石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“元壩地區(qū)優(yōu)質(zhì)快速鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究”、“麥蓋提區(qū)塊提高鉆井速度關(guān)鍵技術(shù)研究”、“元壩超深水平井鉆完井配套技術(shù)研究”等項(xiàng)目的資助下，以中國(guó)石化在川東北、塔里木盆地超深層油氣勘探開(kāi)發(fā)為依托，緊密?chē)@“優(yōu)質(zhì)、安全、高效”攻關(guān)目標(biāo)，強(qiáng)化室內(nèi)模擬和理論分析，加強(qiáng)以新型工具和新材料為載體的技術(shù)攻關(guān)，強(qiáng)化技術(shù)集成應(yīng)用，形成了一套較完善的超深井高效鉆井配套技術(shù)。

2．1 多信息綜合反演鉆井地質(zhì)環(huán)境因素精細(xì)描述技術(shù)

(1)形成了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和利用地層物理參數(shù)反演超深地層可鉆性等巖石工程力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)模式。

在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展了模擬6000 m以深地層環(huán)境條件下的巖石力學(xué)特性與聲學(xué)特性的測(cè)定試驗(yàn)工作;依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法獲取了一套地層抗鉆信息，并建立起川東北地區(qū)白堊系—二疊系地層的巖石工程力學(xué)特性參數(shù)剖面。建立起一套利用地層物理參數(shù)求取巖石工程力學(xué)特性參數(shù)和利用巖石硬度預(yù)測(cè)牙輪鉆頭可鉆性及PDC鉆頭可鉆性的數(shù)學(xué)模型。所有預(yù)測(cè)模式的預(yù)測(cè)精度均達(dá)到80%以上，平均達(dá)到88.1%，最高達(dá)到96%。

(2)建立了基于井壁坍塌信息和成像測(cè)井資料最優(yōu)化反演井眼周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)的模型，并實(shí)現(xiàn)了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的可視化顯示。

建立了能夠考慮井斜、地層傾角、地層原始地應(yīng)力、地層各向異性等因素的計(jì)算井眼周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)的理論公式?；诰蹜?yīng)力狀態(tài)分析，建立起地應(yīng)力、巖石強(qiáng)度及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系模型，基于常規(guī)測(cè)井資料，結(jié)合最優(yōu)化分析技術(shù)反演地應(yīng)力大小，操作靈活簡(jiǎn)便，地應(yīng)力求取精度較高。川東北地區(qū)地應(yīng)力反演精度＞92.2%。通過(guò)對(duì)井眼應(yīng)力崩落力學(xué)機(jī)理的深入分析，根據(jù)井壁垮塌的程度與鉆井條件、巖石力學(xué)性質(zhì)、井筒液柱壓力、地應(yīng)力狀態(tài)等信息的密切相關(guān)性，充分利用成像測(cè)井、地層傾角測(cè)井結(jié)合常規(guī)測(cè)井資料，同時(shí)反演地應(yīng)力方位和大小，形成了一套地應(yīng)力反演技術(shù)，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆井施工具有重要意義。川東北元壩區(qū)塊地應(yīng)力反演結(jié)果和實(shí)際鉆探情況符合程度達(dá)到85%以上。通過(guò)分析研究，建立了三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化方法，根據(jù)三維空間視角的不同變化進(jìn)行一系列復(fù)雜的數(shù)據(jù)變換處理，應(yīng)用可視化開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)了三維可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域地層壓力體的三維可視化。

(3)基于地震反演和測(cè)井資料反演實(shí)現(xiàn)了三維地層壓力預(yù)測(cè)，形成了壓差系數(shù)法地層孔隙壓力預(yù)測(cè)方法、鹽膏層蠕變規(guī)律計(jì)算方法，并探索了應(yīng)用縱橫波速度比計(jì)算海相碳酸鹽巖地層孔隙壓力的計(jì)算模型。

運(yùn)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析工具將井點(diǎn)信息和地震信息有機(jī)結(jié)合起來(lái)，根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)規(guī)律和巖石力學(xué)原理，建立區(qū)域油田地應(yīng)力、地層壓力等鉆井地質(zhì)參數(shù)的三維模型，在國(guó)內(nèi)鉆井工程領(lǐng)域具有創(chuàng)新性與先進(jìn)性，地應(yīng)力預(yù)測(cè)精度達(dá)90%以上。綜合利用地震和測(cè)井資料，經(jīng)過(guò)地震反演把界面型的地震信息轉(zhuǎn)換為巖層型的巖石物理數(shù)據(jù)，建立起適用于鉆井工程的地質(zhì)和巖石力學(xué)模型，以地震反演得到巖石物理模型為基礎(chǔ)，結(jié)合具有較強(qiáng)理論基礎(chǔ)的有效應(yīng)力模型，進(jìn)行三維地層孔隙壓力預(yù)測(cè)。在地震反演成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)反演波阻抗和巖石力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，運(yùn)用人工智能建模分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆前預(yù)測(cè)待鉆井的坍塌壓力和破裂壓力，為鉆井工程設(shè)計(jì)和施工提供了有效的技術(shù)指導(dǎo)。根據(jù)地震屬性和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)之間存在的非線(xiàn)性關(guān)系，在對(duì)地震屬性進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，建立工區(qū)內(nèi)地震屬性與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)之間的分層映射關(guān)系模型，利用其隨鉆監(jiān)測(cè)鉆頭下方地層的坍塌壓力和破裂壓力，準(zhǔn)確性和科學(xué)性更高，具有良好的實(shí)時(shí)操作性能，和傳統(tǒng)方法相比創(chuàng)新力度大。川東北河壩101井鉆前壓力預(yù)測(cè)精度89.7%，塔河油田TP24井隨鉆壓力監(jiān)測(cè)精度87.8%。應(yīng)用縱橫波速度比對(duì)孔隙壓力的變化敏感性，建立了適合于海相碳酸鹽巖地層孔隙壓力的計(jì)算模型。在優(yōu)選鹽膏層蠕變模型的基礎(chǔ)上，建立了適用于鉆井工程的鹽膏層蠕動(dòng)模型，通過(guò)反演求取鹽膏層蠕動(dòng)壓力參數(shù)，提高預(yù)測(cè)的精度與可操作性，形成一套切實(shí)可行、科學(xué)合理的鹽膏層蠕動(dòng)規(guī)律預(yù)測(cè)方法。塔河油田9口井和秋南1井的蠕變參數(shù)反演結(jié)果符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

2．2 基于鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

針對(duì)超深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在地層信息不確定性、鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)知性差的問(wèn)題，提出了地層壓力可信度的概念，建立了含可信度的安全鉆井液密度窗口確定方法、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法、油氣井套管柱安全可靠性分析方法。形成了復(fù)雜地質(zhì)條件下超深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)。推薦出了適合于四川盆地和塔里木盆地超深井鉆井的井身結(jié)構(gòu)系列方案，并得到了廣泛的推廣應(yīng)用。

(1)建立了地層信息不確定條件下含可信度的地層孔隙壓力、地層破裂壓力和坍塌壓力的預(yù)測(cè)及描述方法。

合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和正確的施工措施所依賴(lài)的關(guān)鍵基礎(chǔ)資料之一是準(zhǔn)確的地層壓力剖面(包括地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力或漏失壓力)。在超深井鉆井中，由于基礎(chǔ)資料獲取困難和分析技術(shù)的制約，用現(xiàn)有理論和技術(shù)手段還難以給出準(zhǔn)確的地層壓力剖面，對(duì)地層壓力信息的認(rèn)知還存在不確定性。為此，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有地層壓力預(yù)測(cè)模型進(jìn)行多因素不確定性分析，提出了含可信度的地層壓力剖面的概念，并應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)理論，建立了地層信息不確定條件下含可信度的地層孔隙壓力、地層破裂壓力和坍塌壓力的預(yù)測(cè)及描述方法。按照該方法建立的壓力剖面不再是一條單值的壓力曲線(xiàn)，而是根據(jù)可信度要求不同由壓力上下邊界線(xiàn)組成的壓力帶(如圖1所示)。在含可信度地層壓力剖面的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了安全鉆井井筒壓力平衡約束條件，建立了含可信度的鉆井液安全密度窗口建立方法(如圖2所示)。

圖1 可信度為90%的地層孔隙壓力剖面

(2)在含可信度地層壓力剖面和鉆井液安全密度窗口建立的基礎(chǔ)上，建立了自下而上和自上而下的套管層次及下入深度的確定方法。

根據(jù)井筒壓力平衡準(zhǔn)則，提出了井涌、井壁坍塌、鉆進(jìn)井漏、壓差卡鉆、發(fā)生井涌后的關(guān)井井漏等5種鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)別的評(píng)判方法和基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論的風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)方法。利用該方法可以評(píng)價(jià)不同井身結(jié)構(gòu)方案在實(shí)施過(guò)程中某種工程風(fēng)險(xiǎn)可能在某一井深發(fā)生的概率大小，從而為井身結(jié)構(gòu)方案的決策和鉆井施工措施的制定提供依據(jù)。

(3)提出了適合不同區(qū)塊的超深井井身結(jié)構(gòu)推薦方案。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)各地區(qū)不同區(qū)塊地層特點(diǎn)、鉆井復(fù)雜情況特點(diǎn)的分析，結(jié)合研究區(qū)塊的鉆井實(shí)踐，給出了適合四川盆地、塔里木盆地等不同區(qū)塊的7套井身結(jié)構(gòu)的推薦方案(見(jiàn)表1)，完成了64口超深井的設(shè)計(jì)工作，對(duì)國(guó)內(nèi)后續(xù)的超深井鉆井工程設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)作用。

表1 推薦的套管程序方案

(4)根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠性理論和隨機(jī)理論，建立了套管抗外擠強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，可得出不同載荷條件下套管失效概率，以及安全系數(shù)與套管失效概率之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，可為套管柱設(shè)計(jì)安全系數(shù)的選取提供依據(jù)。

2．3 大尺寸井眼氣體鉆井及流體安全轉(zhuǎn)換技術(shù)

2．3．1 開(kāi)發(fā)了26 in井眼強(qiáng)攜巖攜水可循環(huán)空氣泡沫鉆井技術(shù)

26 in井眼空氣泡沫鉆井技術(shù)在元壩氣田15井進(jìn)行了應(yīng)用，平均應(yīng)用井段長(zhǎng)597.8 m，平均機(jī)械鉆速由常規(guī)鉆井液鉆井的0.81 m/h提高到4.29 m/h，提高了4.3倍，其中元壩222井泡沫鉆井平均機(jī)械鉆速高達(dá)7.52 m/h。597.8 m長(zhǎng)的26 in井眼采用泡沫鉆井技術(shù)平均施工周期9.16 d，若采用常規(guī)鉆井液鉆井需要47.93 d，節(jié)約鉆井周期38.77 d，提速提效十分明顯，該技術(shù)已經(jīng)成為元壩超深井26 in井眼鉆井的主打技術(shù)。

建立了元壩地區(qū)空氣鉆井地層適應(yīng)性評(píng)價(jià)模型:

當(dāng)量應(yīng)力≤地層巖石的綜合強(qiáng)度時(shí)，空氣鉆井中井壁不發(fā)生失穩(wěn)。

2．3．3 開(kāi)發(fā)了復(fù)合疏水旋轉(zhuǎn)噴淋預(yù)處理氣液轉(zhuǎn)換技術(shù)

針對(duì)氣體鉆井后存在的井壁易失穩(wěn)、氣液轉(zhuǎn)化困難等問(wèn)題，基于改變巖石表面性質(zhì)，建立人工水鎖效應(yīng)阻止水化穩(wěn)定井壁的技術(shù)原理，研發(fā)了復(fù)合疏水預(yù)處理技術(shù)，高相容性的強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵高效防塌水基鉆井液體系，以及轉(zhuǎn)化及替漿工藝技術(shù)，有效地解決了體系轉(zhuǎn)化中的井壁垮塌、阻卡難題，提高了作業(yè)時(shí)效，形成了氣液安全轉(zhuǎn)換技術(shù)。該技術(shù)在元壩地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了較好的效果，鉆井液體系轉(zhuǎn)化施工順利，井壁穩(wěn)定，井下無(wú)異常，下鉆通井無(wú)阻卡，氣液轉(zhuǎn)換施工時(shí)間由原來(lái)的6.8 d縮短為3.66 d，時(shí)效提高46.2%以上。

2．4 超深井新型高效破巖技術(shù)

針對(duì)超深井鉆遇地層堅(jiān)硬、復(fù)雜，破巖效率低，機(jī)械鉆速慢等難題，成功研制了液動(dòng)射流式?jīng)_擊器、井底增壓器，形成了系列新型工具高效破巖理論，建立了高效破巖參數(shù)的匹配方法;開(kāi)發(fā)了孕鑲金剛石鉆頭，配套形成了超深井渦輪鉆井、扭力沖擊器輔助破巖等高效鉆井技術(shù)。高效破巖工具創(chuàng)下應(yīng)用井深6912 m、單次應(yīng)用時(shí)間 273 h、鉆速最高提高159.62%、使用鉆井液密度達(dá)2.0 g/cm3等多項(xiàng)記錄。

2．4．1 形成了深井超深井旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井破巖方式

率先對(duì)旋沖鉆井技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，分析了旋沖破巖特點(diǎn)及理論，通過(guò)對(duì)巖石受軸向力和剪切力作用下的力學(xué)模型及巖石受沖擊動(dòng)載作用下的力學(xué)模型的研究，建立了旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井破巖力學(xué)模型，形成了一套旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井破巖理論及旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井破巖參數(shù)的匹配方法，最終形成了全新的深井超深井旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井破巖方式。形成了射流式?jīng)_擊器的設(shè)計(jì)方法，建立了射流式?jīng)_擊器的工作理論。成功研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的旋沖鉆井破巖工具——射流式液動(dòng)沖擊器。將旋沖鉆井成功地應(yīng)用于石油深井超深井鉆井中，并在國(guó)內(nèi)外推廣應(yīng)用60余井次。YSC－178型射流式?jīng)_擊器正常使用壽命可達(dá)100 h以上，實(shí)現(xiàn)了在硬脆性地層中提高機(jī)械鉆速40%以上。射流沖擊器+PDC鉆頭旋沖鉆井技術(shù)在新疆塔河取得了成功應(yīng)用，最大應(yīng)用井深達(dá)6912 m。

2．4．2 研制了孕鑲金剛石鉆頭，配合渦輪/螺桿推廣了復(fù)合鉆井技術(shù)

針對(duì)元壩地區(qū)自流井組、須家河組地層研磨性強(qiáng)、可鉆性差、機(jī)械鉆速低的難題，研制了系列孕鑲金剛石鉆頭，首次嘗試與中高速螺桿動(dòng)力鉆具配合使用，擴(kuò)展了“孕鑲金剛石鉆頭+渦輪/螺桿鉆具”復(fù)合鉆井技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。該技術(shù)將鉆井液的水力能量通過(guò)動(dòng)力鉆具轉(zhuǎn)換成高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能量，通過(guò)孕鑲金剛石鉆頭切削、刨犁破巖，具有工具壽命長(zhǎng)、高轉(zhuǎn)速及單趟進(jìn)尺長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，顯著提高了強(qiáng)研磨性砂巖、礫巖、火成巖地層中機(jī)械鉆速。

截至到2013年2月，該技術(shù)共在元壩地區(qū)試驗(yàn)應(yīng)用了18口井，總進(jìn)尺8504.21 m，平均機(jī)械鉆速1.50 m/h，與自流井組、須家河組地層常規(guī)鉆井液鉆井的平均機(jī)械鉆速 0.69 m/h相比，提高了117.39%，取得了很好的提速效果。在元壩地區(qū)應(yīng)用成功以后，推廣到了川西、新疆、東北等地區(qū)的高研磨性硬地層，均取得了明顯的提速效果。

2．4．3 引進(jìn)完善了“PDC鉆頭+扭力沖擊發(fā)生器”復(fù)合鉆井技術(shù)

阿特拉扭力沖擊器由上下兩個(gè)渦輪組動(dòng)力站驅(qū)動(dòng)帶有偏心錘的心軸做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將鉆井液的流體能量同時(shí)在鉆頭上轉(zhuǎn)換成扭向和徑向上的高頻沖擊力，沖擊、剪切破碎巖石，不但能提高機(jī)械鉆速，而且還能延長(zhǎng)鉆頭及下部鉆柱的壽命。該技術(shù)是針對(duì)元壩氣田下部陸相地層巖石堅(jiān)硬、研磨性強(qiáng)、機(jī)械鉆速低而首次引進(jìn)的一種鉆井提速新技術(shù)。截至到2013年2月，該技術(shù)共在元壩氣田試驗(yàn)應(yīng)用了18口井。其中，在311.1 mm井眼試驗(yàn)應(yīng)用了8口井(10井次)，單趟鉆平均進(jìn)尺245 m，平均機(jī)械鉆速2.83 m/h，與未用阿特拉扭力沖擊器的平均機(jī)械鉆速相比提高了172.12%。繼元壩地區(qū)以后，將該技術(shù)也推廣應(yīng)用到了其他油氣田，其中在塔河油田215.9 mm井眼試驗(yàn)應(yīng)用了11口井(14井次)，應(yīng)用地層為卡拉沙依組及巴楚組，單趟鉆平均進(jìn)尺615 m，平均機(jī)械鉆速6.50 m/h，與未用阿特拉扭力沖擊器的平均機(jī)械鉆速相比提高了91.18%。

2．4．4 優(yōu)化了“PDC鉆頭+螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù)

基于巖石可鉆性描述成果結(jié)合概率算法優(yōu)選了國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口鉆頭，優(yōu)選了耐高溫大功率螺桿，國(guó)產(chǎn)螺桿包括5LZ185、5LZ197，進(jìn)口螺桿包括197 mm國(guó)民油井螺桿775－45－53、172 mm貝克休斯螺桿X－TREMELS。通過(guò)優(yōu)化該項(xiàng)技術(shù)，元壩地區(qū)雷口坡、嘉陵江及飛仙關(guān)組復(fù)合鉆井機(jī)械鉆速較開(kāi)發(fā)初期分別提高了17.57%、36.9%和41.38%。平均單趟鉆進(jìn)尺從245 m提高到306 m，提高了24.9%，元壩124井復(fù)合鉆單趟鉆進(jìn)尺創(chuàng)最高紀(jì)錄834.4 m。

2．5 基于常規(guī)導(dǎo)向的超深水平井井眼軌跡控制技術(shù)

針對(duì)元壩超深水平井高溫高壓高含硫、地層可鉆性差、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、定向難度高、軌跡控制困難、井下工具儀器工作環(huán)境惡劣等重大鉆井技術(shù)問(wèn)題，提出了基于地層可鉆性和鉆具側(cè)鉆力分析的側(cè)鉆鉆具組合設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了超深井軌跡控制鉆具組合和操作方法，優(yōu)化了高溫隨鉆測(cè)量程序，完善了超深水平井摩阻扭矩預(yù)測(cè)模型，開(kāi)發(fā)了超深水平井安全鉆井評(píng)價(jià)軟件，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超深水平井井眼軌跡控制配套技術(shù)，創(chuàng)造了元壩101－1H井井深7971 m的世界最深記錄及元壩121H井完鉆垂深6991 m的水平井垂深最深世界紀(jì)錄。改變了元壩氣田開(kāi)發(fā)對(duì)國(guó)外定向鉆井技術(shù)服務(wù)公司的依賴(lài)，對(duì)高難度超深井水平井鉆井技術(shù)的自主化起到了重要引導(dǎo)作用。

高校是我國(guó)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的主要陣地，其教學(xué)理念、教學(xué)方法及教學(xué)體制都會(huì)影響大學(xué)生的成長(zhǎng)和發(fā)展。思想政治教育是高校教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，是提高學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的有效途徑，有利于學(xué)生健全人格的塑造，幫助學(xué)生樹(shù)立正確的價(jià)值觀，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，基層黨建是開(kāi)展高校思想政治教育的主要部門(mén)，充分發(fā)揮基層黨建的教學(xué)價(jià)值，是現(xiàn)代基層黨建工作的重要職責(zé)。

2．5．1 形成了超深水平井工具面穩(wěn)定控制技術(shù)

綜合分析了超深水平井摩阻扭矩、鉆具振動(dòng)及鉆具結(jié)構(gòu)相互耦合作用規(guī)律及對(duì)工具面穩(wěn)定性的影響規(guī)律，創(chuàng)造性了提出了一套以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)、摩阻扭矩控制、振動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制、低摩阻鉆井液等為核心的井眼軌跡控制技術(shù)，有效提升了滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井工具面可控性。形成的工具面穩(wěn)定控制技術(shù)方案在元壩1－1H、101－1H等井進(jìn)行了推廣應(yīng)用，工具面穩(wěn)定性有了較大改善。

2．5．2 開(kāi)發(fā)了超深水平井摩阻扭矩控制技術(shù)

分析了鉆具屈曲變形對(duì)接觸力影響，試驗(yàn)精確測(cè)定了不同巖性不同鉆井液體系下的摩阻系數(shù)，修正了摩阻扭矩計(jì)算模型，編制了超深水平井摩阻扭矩預(yù)測(cè)軟件模塊，計(jì)算準(zhǔn)確度高于95%。揭示了超深水平井摩阻扭矩主要分布規(guī)律，提出了上部直井段防斜打直，井身剖面與鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)、配套減摩降扭工具、應(yīng)用低摩阻鉆井液體系等摩阻扭矩控制方案，實(shí)現(xiàn)了摩阻扭矩的有效控制。已完鉆超深水平井摩阻控制在190 kN以?xún)?nèi)，扭矩控制在18 kN·m以?xún)?nèi)。

2．5．3 配套形成了高溫MWD隨鉆測(cè)量技術(shù)

根據(jù)導(dǎo)向鉆具組合振動(dòng)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了低振動(dòng)強(qiáng)度的雙扶鉆具組合，同時(shí)配套了分段循環(huán)降溫方案，配套了耐高溫175℃、耐高壓172.4 MPa的HTHP MWD儀器，在井底溫度最高157℃、井底壓力最高140.4 MPa的環(huán)境下確保了施工的順利進(jìn)行。2013年完鉆的元壩1－1H井和101－1H井高溫定向工具失效率大幅降低，滿(mǎn)足了元壩超深水平井定向鉆井需求。

2．5．4 形成了超深硬地層裸眼側(cè)鉆技術(shù)

分析了鉆具持續(xù)側(cè)鉆能力低是造成元壩超深地層側(cè)鉆成功率低的原因，設(shè)計(jì)了以提高鉆具持續(xù)側(cè)鉆能力為目標(biāo)的硬地層鉆具組合設(shè)計(jì)方案，側(cè)鉆成功率提高到100%，并創(chuàng)造了超深地層、大斜度井段、165 mm井眼側(cè)鉆施工先例，為元壩超深水平井側(cè)鉆施工提供了有效方法。元壩272H井165.1 mm井眼斜井段側(cè)鉆成功，創(chuàng)元壩工區(qū)施工周期最短紀(jì)錄。

2．5．5 開(kāi)發(fā)了超深水平井安全評(píng)價(jià)技術(shù)

綜合管柱安全、循環(huán)設(shè)備安全、地層安全等多個(gè)方面建立了超深水平井安全鉆井評(píng)價(jià)模型，配套了PWD隨鉆壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備，為超深水平井安全鉆進(jìn)提供了一套較全面的安全評(píng)價(jià)方法及軟件。

2．6 超高溫、超高密度水基鉆井液技術(shù)

針對(duì)超高溫、超高壓地層和超深長(zhǎng)裸眼水平井施工中存在的鉆井液流變性、濾失量、沉降穩(wěn)定性難以控制，抗鹽鈣、鉆屑污染能力低，摩阻扭矩大等難題，采用分子設(shè)計(jì)原理，引入抗高溫抗鹽基團(tuán)，控制鏈長(zhǎng)和分散度等，研制了具備抗溫260℃、抗鹽達(dá)飽和的降濾失劑、分散稀釋劑，形成的超高溫鉆井液體系，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最高溫度236℃。采用極壓元素摩擦化學(xué)反應(yīng)在鉆具表面生成厚潤(rùn)滑膜原理，研制了高效潤(rùn)滑劑，并優(yōu)化重晶石粒度級(jí)配，形成了超高溫、超高密度下流變性、潤(rùn)滑性、沉降穩(wěn)定性良好、低失水、抗污染能力強(qiáng)的鉆井液體系及配套技術(shù)，滿(mǎn)足了超深井等鉆井液高性能的需求，鉆井液最大密度可達(dá)3.0 g/cm3，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最高達(dá)到2.87 g/cm3。

2．6．1 形成了超高密度鉆井液加重材料優(yōu)選技術(shù)

為了降低超高密度鉆井液體系的固相含量，從液相和固相加重材料兩方面考慮，進(jìn)行液相加重材料、固相加重材料的優(yōu)選和復(fù)合加重技術(shù)研究，在無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)鹽提高液相密度的基礎(chǔ)上采用液相和固相復(fù)合加重，考察液相和固相材料的適應(yīng)性、復(fù)合比例等，并通過(guò)優(yōu)化粒徑級(jí)配，兼顧固相比表面積、體系懸浮穩(wěn)定性，采用重晶石加重，形成了超高密度鉆井液加重技術(shù)。

2．6．2 研制了關(guān)鍵處理劑，形成了最高抗260℃超高溫水基鉆井液體系和最大密度達(dá)3.0 g/cm3的超高密度水基鉆井液體系

針對(duì)超高溫、超高壓地層和超深長(zhǎng)裸眼水平井施工中存在的鉆井液流變性、濾失量、沉降穩(wěn)定性難以控制，抗鹽鈣、鉆屑污染能力低，摩阻扭矩大等難題，采用分子設(shè)計(jì)原理，引入抗高溫抗鹽基團(tuán)，控制鏈長(zhǎng)和分散度等，研制了最高抗溫能力可達(dá)260℃、抗鹽達(dá)飽和的降濾失劑、分散稀釋劑。采用極壓元素摩擦化學(xué)反應(yīng)在鉆具表面生成厚潤(rùn)滑膜原理，研制了高效潤(rùn)滑劑，并優(yōu)化重晶石粒度級(jí)配，形成了超高溫、超高密度下流變性、潤(rùn)滑性、沉降穩(wěn)定性良好、低失水、抗污染能力強(qiáng)的鉆井液體系及配套技術(shù)，滿(mǎn)足了超深井等鉆井液高性能的需求，采用重晶石加重，成功解決了超高密度鉆井液體系流變性與沉降穩(wěn)定性的世界性技術(shù)難題，鉆井液最高密度可達(dá)3.0 g/cm3。

2．6．3 形成了超高密度鉆井液流變性控制技術(shù)

通過(guò)穩(wěn)定劑及潤(rùn)滑劑等處理劑的優(yōu)選及評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)超高密度鉆井液配方，對(duì)不同配方的鉆井液進(jìn)行熱穩(wěn)定性、防塌、潤(rùn)滑性、抗污染能力、懸浮穩(wěn)定性、流變性實(shí)驗(yàn)，并在研究的基礎(chǔ)上形成了具有良好流變性的超高密度鉆井液。

2．6．4 開(kāi)發(fā)了超深水平井高密度鉆井液降摩減阻技術(shù)

針對(duì)高密度鉆井液固相含量高，自由水少，處理劑效果降低或失去作用，易導(dǎo)致粘切升高，摩阻增大，流變性、沉降穩(wěn)定性、高溫高壓濾失不易協(xié)調(diào)和控制，兼顧高效和改善流變性，研制了相應(yīng)的高效潤(rùn)滑劑，能夠在鉆具上形成一定厚度、抗壓能力強(qiáng)的疏水性隔離膜，不易被外力和加重劑顆粒破壞，能夠起到持續(xù)減摩的作用，且對(duì)鉆井液流變性影響小，有助于減小流動(dòng)阻力，鉆井液密度2.26 g/cm3，溫度130℃條件下，鉆井液潤(rùn)滑系數(shù)達(dá)到0.12，有效地解決了元壩地區(qū)超深長(zhǎng)裸眼水平井的摩阻控制問(wèn)題。

2．7 酸性氣田超深井抗高溫防氣竄固井水泥漿體系

針對(duì)酸性氣藏、高溫復(fù)雜超深井，開(kāi)發(fā)了抗高溫、耐高壓、耐腐蝕、防氣竄固井水泥漿體系和超低密度水泥漿體系。

2．7．1 研制開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的抗高溫、耐腐蝕、防氣竄膠乳水泥漿體系

系統(tǒng)地開(kāi)展了高溫高壓下CO2、H2S腐蝕水泥石機(jī)理及防治固井技術(shù)研究，建立了CO2和H2S腐蝕水泥石實(shí)驗(yàn)室，確定了腐蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，得到了酸性氣體腐蝕水泥石的機(jī)理和控制方法。在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了CO2、H2S及CO2、H2S共存條件下水泥石腐蝕研究，對(duì)CO2、H2S及CO2、H2S共存條件下水泥石腐蝕的形、態(tài)、貌有了較清楚的了解，系統(tǒng)地研究了CO2、H2S及CO2、H2S共存條件下水泥石的腐蝕機(jī)理與腐蝕規(guī)律研究;找出了H2S、CO2共存條件下水泥石的腐蝕控制因素，研制出了具有較好性能的水泥漿體系的抗CO2、H2S腐蝕的新型DC206外加劑，并在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用3口高溫高壓氣井固井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，固井質(zhì)量合格率為100%，申請(qǐng)了兩項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。研制開(kāi)發(fā)成功了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DC200膠乳抗高溫防氣竄水泥漿體系。研制開(kāi)發(fā)了新型抗高溫丁苯膠乳、膠乳穩(wěn)定劑和配套的外加劑，掌握了膠乳水泥漿護(hù)膠等技術(shù)關(guān)鍵，解決了膠乳水泥漿敏感性強(qiáng)和適應(yīng)性差等一系列技術(shù)難題，性能優(yōu)于國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品。水泥漿抗 API失水量≥50 mL，防氣竄性能系數(shù)＜2，高溫高壓24 h抗壓強(qiáng)度＞14 MPa，并形成了穩(wěn)定的產(chǎn)品，在四川和新疆共完成了10井次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，固井合格率100%，優(yōu)良率90%。

2．7．2 形成了水泥漿密度達(dá)到3.0 g/cm3的超高密度水泥漿體系及密度為1.2 g/cm3的超低密度水泥漿體系

通過(guò)優(yōu)化級(jí)配模型，建立了超高密度和超低密度水泥漿體系設(shè)計(jì)方法。研制開(kāi)發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的抗高溫水泥漿外加劑抗高溫降失水劑DC600和高溫緩凝劑DH100。DC600溫度適應(yīng)性好，從中溫至180℃高溫，其具有良好的控制失水能力，在3.0%～6.0%加量范圍內(nèi)水泥漿API失水量＜50 mL，并具有良好的流變性，不影響水泥石強(qiáng)度發(fā)展，24 h水泥石強(qiáng)度達(dá)19 MPa以上，并與分散劑等外加劑具有良好的配伍性。高溫緩凝劑DH100具有溫度適用范圍廣、較好的分散性能、良好的緩凝效果等特點(diǎn)，在180℃高溫下水泥漿稠化時(shí)間可達(dá)300 min以上，24 h水泥石抗壓強(qiáng)度可達(dá)到21 MPa以上，完全可以滿(mǎn)足高溫井對(duì)水泥漿稠化時(shí)間和強(qiáng)度的固井要求。

以自主研制開(kāi)發(fā)的高溫防氣竄降失水劑DC600與高溫緩凝劑DH100為基礎(chǔ)，完成了超高密度和超低密度水泥漿體系設(shè)計(jì)，研究出了水泥漿密度達(dá)到3.0 g/cm3的超高密度水泥漿體系，24 h水泥石強(qiáng)度＞14 MPa，水泥漿沉降穩(wěn)定性＜0.03 g/cm3，水泥漿防氣竄性能系數(shù)SPN值＜3，現(xiàn)場(chǎng)完成了10井次固井應(yīng)用，在官深1井創(chuàng)造了平均入井水泥漿密度為2.78 g/cm3，最高2.82 g/cm3的石油工程新紀(jì)錄，固井合格率100%。

以抗高壓空心玻璃微珠為減輕劑，研制開(kāi)發(fā)了適合超深井固井的密度為1.2 g/cm3的超低密度水泥漿體系，24 h水泥石強(qiáng)度＞14 MPa，水泥漿沉降穩(wěn)定性＜0.03 g/cm3;以精細(xì)研磨的粉煤灰和微硅作為復(fù)合低密度材料，研制開(kāi)發(fā)了密度適合超深井固井的密度為1.5 g/cm3的低密度水泥漿體系，固井合格率100%。

該技術(shù)成果在元壩氣田和塔河油田得到了推廣應(yīng)用，并取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，形成了一套完整的超深井高溫高壓復(fù)雜條件固井技術(shù)。在元壩等海相探區(qū)，2006年以來(lái)，負(fù)責(zé)完成南方海相勘探所有34口探井固井技術(shù)支持工作，保證了南方海相探井固井質(zhì)量穩(wěn)步提高。2006年以來(lái)，探井固井一次合格率達(dá)到96.4%。在新疆塔河油田進(jìn)行了多口井的應(yīng)用研究，固井質(zhì)量合格率100%，優(yōu)良率達(dá)80%，較好地解決了塔河地區(qū)高壓氣井固井后環(huán)空防氣竄和超深井低密度固井技術(shù)難題。

3 超深井鉆井技術(shù)的應(yīng)用

3．1 在元壩地區(qū)的應(yīng)用

在元壩地區(qū)超深直井共應(yīng)用17口，平均井深7058.0 m，平均鉆井周期由應(yīng)用前的513.62 d縮短到400.18 d，鉆井周期縮短113.44 d，平均鉆井周期縮短了22.09%，直井機(jī)械鉆速提高20.25%;超深水平井共應(yīng)用12口，平均井深7595.12 m，水平段平均長(zhǎng)度783.83 m，平均鉆井周期由應(yīng)用前的511.73 d縮短到393.40 d，平均鉆井周期縮短128.33 d，縮短了25.3%，平均機(jī)械鉆速提高了35.8%，并創(chuàng)造了超深水平井井深最深(元壩101－1H井7971.00 m)和垂深最深(元壩121H井垂深6991.19 m)兩項(xiàng)世界紀(jì)錄。圓滿(mǎn)實(shí)現(xiàn)了中石化高難度水平井自主實(shí)施的目標(biāo)，為元壩氣田高效開(kāi)發(fā)提供了重要技術(shù)支持。加快了元壩地區(qū)的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程，帶來(lái)了較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3．2 在塔河油田及外圍的應(yīng)用

在塔河、麥蓋提、托甫臺(tái)、躍進(jìn)等地區(qū)推廣應(yīng)用96口井，平均井深 6574.76 m，平均鉆速提高29.5%，鉆井周期下降23.4%(縮短20 d)。其中麥蓋提地區(qū)應(yīng)用12口井，平均井深6201.08 m，平均機(jī)械鉆速提高10.6%，平均鉆井周期縮短34.6%。躍進(jìn)2－12井完鉆井深7210 m，鉆井周期僅78.83 d。近年塔河托普臺(tái)區(qū)塊鉆井機(jī)械鉆速和鉆井周期分別見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 塔河托普臺(tái)區(qū)塊機(jī)械鉆速變化曲線(xiàn)

圖4 塔河托普臺(tái)區(qū)塊鉆井周期變化曲線(xiàn)

3．3 在中國(guó)石化的總體應(yīng)用情況

8年來(lái)，中國(guó)石化超深井完鉆井?dāng)?shù)量不斷增加，2006—2013年累計(jì)完成1052口，完成超深井?dāng)?shù)量占國(guó)內(nèi)陸上完鉆超深井的69.61%。其中，完成7000 m以上超深井140口，占國(guó)內(nèi)完成井?dāng)?shù)量的65.73%。從2006—2013年，中國(guó)石化超深井鉆井周期不斷縮短，累計(jì)縮短了51.8%，機(jī)械鉆速不斷提高，累計(jì)提高了29.3%。見(jiàn)圖5和表2所示。

圖5 中國(guó)石化歷年超深井完井?dāng)?shù)量與機(jī)械鉆速變化曲線(xiàn)

表2 中國(guó)石化8年來(lái)超深井鉆井技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

8年來(lái)，中石化不但成功完成了一批高難度超深井，還打破了一系列國(guó)內(nèi)外鉆井紀(jì)錄:

(1)塔深1井井深8408 m——亞洲最深井;

(2)勝科1井7026 m(235℃)——東部最深、溫度最高井;

(3)川科1井7560 m——四川盆地最深井;

(4)元壩101－1H井7971 m——國(guó)內(nèi)最深超深水平井;

(5)元壩121H井垂深6991 m——世界水平井垂深最深;

(6)創(chuàng)造了“鉆井液密度2.87 g/cm3”的國(guó)內(nèi)外石油工程新紀(jì)錄;

(7)官深1井創(chuàng)造了入井水泥漿平均密度2.78 g/cm3的石油工程新紀(jì)錄;

(9)超高溫鉆井液體系，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最高溫度236℃。

4 結(jié)論與建議

(1)依靠超深井鉆井技術(shù)發(fā)現(xiàn)并高效開(kāi)發(fā)了元壩超深層高酸性氣田、西北塔河油田及外圍麥蓋提區(qū)塊，為超深油氣資源勘探開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)突破做出了重要貢獻(xiàn)，推動(dòng)了我國(guó)石油行業(yè)超深井鉆井技術(shù)的發(fā)展。

(2)超深水平井鉆井技術(shù)突破了元壩超深層高酸性氣田開(kāi)發(fā)對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴(lài)，規(guī)模開(kāi)發(fā)了元壩超深、低滲透、高酸性氣田，開(kāi)創(chuàng)了應(yīng)用超深水平井規(guī)模開(kāi)發(fā)超深層油氣的世界先例。

(3)研究成果的成功應(yīng)用不斷提升了我國(guó)超深井鉆井技術(shù)水平，加快了超深油氣資源勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程，為國(guó)家超深油氣資源經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

(4)雖然我國(guó)的超深井鉆井技術(shù)已跨入世界先進(jìn)行列，但與以美國(guó)為代表的西方先進(jìn)國(guó)家相比還有一定的差距，我國(guó)到現(xiàn)在還沒(méi)有鉆成9000 m以深的特超深井。建議繼續(xù)加大對(duì)超深井鉆井技術(shù)研究的資金投入，早日開(kāi)展9000 m以深特超深井鉆井技術(shù)的攻關(guān)研究，并實(shí)施一口井，以使我國(guó)超深井鉆井技術(shù)水平達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

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