石油，这种工业生产最重要的燃料资源之一，长期以来被誉为现代工业的“血液”。石油像水一样具有流动性，但又不像水那样以河流、湖泊、海洋等形式存在，而是吸附和储存在地下几千米深处细如牛毛的岩石孔隙里。那么我们常从电视上看到的滚滚涌出的油气，是如何从地下来到地面的呢？答案就是钻井。

　　为了寻找油气资源，把找到的油气资源开采出来，就需要一个个从地面直达目的层的深孔。深孔钻探施工的过程就叫油气钻井，所钻的细长井眼即是油气井。一口井从开钻到完井，要经历施工前准备、钻进施工、阶段完井等工序，其间穿插着为完成施工所必需的辅助作业。这就像盖房子一样，既需要挖地基打基础、一步步搭建主体框架、浇筑水泥封顶等多道工序，又需要准备物料、搭建脚手架等辅助工作。

　　深井超深井钻完井的难点是什么？技术上取得了哪些突破？与国外超深层特深层钻完井项目相比，国内的有哪些不同之处？中国石油报本期“向地球深部进军”系列科普聚焦深层超深层油气勘探开发中的钻井环节。敬请关注。

　　科普问答

　　问：为什么说深井超深井钻完井难？

　　答：深层油气勘探是一项系统工程，深井超深井钻完井是勘探开发石油资源最为重要的环节之一。

　　以我国深层油气最富集的大型沉积盆地——塔里木盆地为例，几代石油人经历了“五下六上”的艰苦征程，通过深井超深井钻完井装备和技术的不断突破和发展，终于找到了打开深层油气资源宝库的“金钥匙”。库车山前是塔里木盆地天然气主产区，也是西气东输的主力气源地，地质储量超万亿立方米。然而，历经多期构造挤压运动导致地质条件极其复杂，总体来说可概括为“一深三高二厚一窄”：埋藏深（5000—8000米），温度高（100—200摄氏度）、压力高（100—190兆帕）、地应力高，砾石层（5500米）、盐膏层（4500米）巨厚，钻井液的密度范围窄。在这种条件下，钻井就如同在钢丝绳上行走，风险大、难度高，稍有不慎就难以实现地质目标。

　　问：与常规浅中层钻完井相比，超深层特深层钻完井取得了哪些技术突破？

　　答：“十三五”期间，中国石油的8000米钻完井技术取得突破，7000米钻完井技术基本成熟。

　　“十四五”开局以来，8000米以深超深井钻探数量快速增长，正在向着万米深度进发。钻机及配套装备得到系统提升，创新研制了1.2万米自动化钻机，额定起升能力达900吨，配套70兆帕高压循环系统，有效解决了大尺寸超重套管柱安全下入与超深层循环压耗过大、现有循环系统额定压力不足等难题；研发了高性能随钻扩眼技术、大尺寸高钢级膨胀管技术等井身结构优化与拓展技术；形成了抗高温高性能水基、油基钻井液体系，耐高温固井水泥浆体系等抗高温井筒工作液体系。

　　此外，针对超深特深井高效破岩提速、井控及复杂工况预防处理、随钻测控、试油完井等方面难题，形成了平面/异形齿PDC钻头、抗高温螺杆钻具、系列化精细控压钻井装备、一键式自动化关井系统与井控远程监控平台、耐高温垂钻工具、耐高温随钻参数测量工具、超高温低伤害压裂液体系等一系列突破与技术成果，多项技术打破国外垄断，引领了行业进步。

　　问：与国外超深层特深层钻完井项目相比，国内的超深层特深层钻完井有哪些不同之处？

　　答：国外超深层特深层钻完井项目起步较早，陆上超深特深井钻探以科学探索为主，海上钻探以油气勘探为主。国外针对超深、特深井管柱超重、超高温超高压等实际问题，研发了垂直钻井工具、抗高温动力钻具、轻质钻杆、耐高温井筒工作液等特深井钻完井主体技术装备，为超深特深井钻探提供有力支撑。

　　我国超深层特深层钻探比欧美发达国家起步晚，以油气勘探为主。2000年以后，我国钻探技术迅速发展，特别是“十三五”以来，8000米以深超深井完钻数量倍增。今年，西南油气田蓬深6井完钻，完钻井深9026米，刷新亚洲最深直井纪录。国内超深井钻井技术经过数十年的发展，研发形成了1.2万米钻机及配套装备、大扭矩顶驱、垂直钻井工具、系列化精细控压钻井装备、高效PDC钻头、膨胀管、高性能钻井液、高强韧性水泥浆等多项核心技术，为万米特深层钻探奠定了坚实的基础。

　　问：与以往的深井超深井项目相比，近年来超深井特深井钻完井取得了哪些技术进步？

　　答：钻机及配套装备作业能力与性能得到大幅度提升，自动化程度明显提高。超深井井身结构实现三至七开次有效封隔复杂层系，加紧探索八开八完井身结构应对多套盐层断层难题。同时，高钢级膨胀管井身结构拓展技术不断刷新膨胀管封堵作业长度、应用深度与温度等关键条件的国内纪录。抗高温高性能水基钻井液抗温性能由190摄氏度提高至240摄氏度，抗高温高性能油基钻井液抗温性能由220摄氏度提高至260摄氏度，全井筒防漏堵漏工艺技术成体系配套，正反向承压由不足5兆帕提高至20兆帕以上。耐高温固井水泥浆体系抗温达220摄氏度，系列化精细控压钻井装备的控制精度达±0.2兆帕，金刚石复合片钻头、高温螺杆钻具、垂直钻井工具等破岩提速工具的性能明显提升，钻完井系统装备技术取得长足进步。

　　案例分析

　　通常钻探一口井前期需要充分的论证，明确钻探目的、研究地层难点、梳理邻井情况、确定施工风险、制定工程方案、预测周期成本等多个阶段，各阶段环环相扣，缺一不可。正所谓十年磨一剑，为了打开塔里木盆地库车山前超深层油气资源宝库，2017年，中国石油部署了当时亚洲陆上垂深最深井——克深21井。该井充分考虑施工风险，总共分五个阶段完成，每个阶段即为“一开次”，设计井深8000余米。

　　经过前期井位论证、道路修建、井场修建、设备安装等准备工作，伴随着嘹亮而悠远的一声长鸣笛，钻塔悬挂着笔直的钻具，携带水缸般大小的钻头，在发动机隆隆的驱动下将钻具缓缓探下钻台，向着库车山前8000米以深“地下珠峰”迈进。克深21井的地表是厚厚的砂砾岩，地层松散，容易发生井漏、垮塌等井下复杂情况，前期准备时提前下入3根10米左右的无缝钢管作为导管，起到加固井口、防止钻井液循环时冲垮基础的作用。

　　第一阶段施工：开直井眼

　　司钻像驾驶员一般，操作钻机控制钻柱一步步从地面一直延伸到井底，井口用四方形巨型铅笔一样的方钻杆与转盘配合，把机械动力传递到钻头上。钻进时，钻柱带动钻头旋转，下放钻柱，把部分钻柱的重力加到钻头上作为钻压，破碎岩石。由于地表大段砾石的存在，钻进过程中钻头在井底工作不平稳，使钻柱产生明显纵向振动，严重的时候整个井架都会随着钻柱振动而不停地摇晃，发出咯啦咯啦的响声。开直井眼要保证井眼与钻台面中心线垂直误差小于10毫米。钻柱组合（钻杆、钻铤、井下工具、钻头等）下到距离井底1米左右时，打开钻井泵，泥浆像欢快的精灵从钻头喷嘴激射出来，打在导管壁上，溅起层层浆花，很快充满了井眼。钻进50米以后，为了保证井眼垂直，增强钻具的稳定性，减少振动，就需要将钻柱起出井筒，在钻柱组合中加入两个与钻头尺寸相仿的扶正器，再下到井底恢复钻进。

　　第一阶段预计周期是4天。作业班组顶着钻井液的喷涌，团结协作，大约用2天时间就可完成200米进尺，第一阶段施工进入中完阶段。中完的工序比较复杂，使用钻进时的钻柱组合通井，钻头到井底后，充分循环，清洗井底，保证岩屑循环干净、井眼畅通。接着起钻下套管，套管柱由引鞋、中间套管、扶箍组成，引鞋和扶箍都是单流阀结构。大尺寸套管每下入一根，都需要及时向套管内空间灌入钻井液，保持套管内外压力平衡，防止套管像船一样飘飘摇摇上下浮动。套管下到位后，先将钻井液灌满，连接好循环管线与循环头，开泵循环，一边将下套管时井壁掉落的岩屑清洗循环出来，一边保证井壁与套管的环空畅通，为固井注水泥浆提供通道。

　　第一阶段的固井，需要在套管中下入连接了固井插入头的钻柱组合，这样能控制水泥浆在套管内循环时，与钻井液不发生或少发生混浆，保证水泥浆体系稳定，提高固井质量。插入头像个大飞镖，尾部的四个翼在套管内起居中作用，顶端设置两道密封圈，使循环时不侧漏。

　　固井施工的时间很短。用钻井人的话说：“固井是一锤子买卖，不容有失。”水泥浆需要完全填充井壁与套管构建的环空，直至返出井口。确定地面返出一定量的水泥浆后，注水泥浆工序就结束了。停泵后上提钻具，拔出插入头，检查套管内钻井液，确认液面稳定，将注水泥钻柱起出，等待水泥浆凝固24小时以上，进行下一步的切割套管、安装套管头及井控装备、全套井控装置试压等工作。试压合格后，紧接着组合钻具，下钻探水泥塞，将套管内多余的水泥钻掉，保证套管内畅通。钻探水泥塞到距离套管最下端10米左右时，按标准要求对套管试压，再钻完剩余的水泥塞，就可以进入第二阶段施工了。

　　第二阶段施工：稳固基础

　　二开施工，首先利用钻塞钻具组合钻进30—50米，为安装扶正器留足空间，起钻调整钻柱组合。地表疏松层以下都是坚硬的岩石，地层层序杂乱无章，一般情况下伴随着井深的增加，地层硬度也随之增强。克深21井二开钻进主要面对距今160万年以前的新近系地层，地层上部仍然以砂砾石为主；中部泥岩夹杂着砂砾岩，这一段层很长；下部细砂岩、泥岩、含砾细砂岩频繁交替，地层倾斜角度超过10度。尽管如此，为保证地层下部施工顺利，仍然要求实钻井眼倾斜角控制在4度以内。为保证井眼达标，需要在钻柱组合中加入垂直钻井工具。垂直钻井工具的扶正块像一个个手掌不停地推靠井壁，使井斜角始终控制在1度以内。钻压是影响钻井钻速最直接也是最显著的因素之一。钻进时，需要用足够的钻压将钻头压入井底岩石上，使钻头的刃部吃入地层。钻压太低，钻速会很慢，而过大的钻压容易造成井斜角失控。钻柱在井筒内旋转也会产生各种形式的振动，剧烈的振动像锤子敲击岩石一样，通过钻头频繁地作用于井底，实现破岩。合适的振动有利于钻头破碎岩石，如果振动波动过大，同样不利于岩石破碎，甚至会引起钻头的冲击破坏。不论钻压与振动大小对钻头是否造成直接损坏，钻头工作一段时间后，由于自然磨损，也都需要更换。为了更换磨损的钻头，需要将全部钻柱从井中取出，换上新的钻头再重新下到井底，恢复钻进作业。

　　一口超深井要用很多支钻头，所以起下钻的次数也很多。为了提高效率，起下钻时不是以单根钻杆为单位进行接卸，而大多是3根钻杆为一个接卸单位，称为立根（或立柱）。克深21井二开使用9支钻头，累计13趟钻，用时68天，使用垂直钻井工具使钻压得到有效释放，钻井速度提高3倍以上。二开中完也同样需要通井、下套管、固井施工、候凝装井口等常规作业。与一开中完不同，二开下套管前为录取地层资料，增加地质认识，需要进行测井作业。测井作业就好像用照相机连续为井筒拍照，记录地层的井斜、方位、井眼尺寸、地层岩性等一系列信息数据，为将来的钻井提供指导。

　　由于本开次井眼长度较长，固井时水泥浆一次上返到地面比较困难，也考虑到复杂多变的地层容易发生井漏，克深21井采用分段注水泥浆的方式固井，这类固井方式叫“双级固井”。所谓双级固井，是在下套管时，在套管柱中间位置安装一个分级箍，将固井井段分成两段，先注水泥浆封固下部井段，凝固8小时后，水泥起了强度再进行剩余井段的固井作业。

　　第三阶段施工：快速挟岩

　　随着钻井深度的不断增加，钻柱随之逐渐增长，超长的钻柱在井眼中像面条一样，柔软而有韧性。钻井过程中，这根又长又细的“大动脉”承担着传递动力的使命，要求“血管”有足够的强度。通过对钻柱材质、结构和工作过程进行力学行为分析，可有效提高其整体强度，确保“血液循环”过程中管柱的安全。井底岩石被钻头破碎成细小钻屑，融入钻井液中参与循环；钻井液经钻杆内孔注入，从钻头水眼流出，清洗钻头并将钻屑冲离井底；钻屑随钻井液一同进入井壁与钻柱之间的环形空间，向地面返升，直到被挟带至地面。钻屑挟带不及时，就会像血栓一样在井下堆积，造成井眼堵塞，甚至酿成井下事故。所以，及时将钻屑从井底清除掉，保持循环通道畅通，是钻井液最为重要的任务之一。钻屑在地面上从钻井液中分离出来并被清除掉，清除了钻屑的钻井液通过钻井泵连续工作再次被泵送入井，保证钻井液不间断地重复循环使用。

　　三开中完固井作业与前两个阶段不同。由于完钻井深达7000余米，一次下入套管重量太大，施工风险也非常高。为了施工安全与提高固井质量，施工队伍采用先悬挂尾管，再回接上部套管的方式分段完成。悬挂在技术套管下的尾管称为钻井尾管。尾管悬挂器通过高强度卡瓦，像楔子一样紧紧卡住上层技术套管，并与上层技术套管配置200米重合段，保证钻井尾管挂得稳。利用尾管悬挂的方式可以有效减少一次下入套管的数量，缩短下套管时间，降低施工风险，提高封固质量，降低钻井成本。尾管悬挂器顶部设计有回接筒，方便套管回接。悬挂尾管固井候凝，紧接着钻水泥塞至悬挂器位置，利用专用工具清理回接筒，组接套管回接管柱，套管回接管柱最下端安装带密封的回接插入头。回接套管下到位，需要先试插，憋压8兆帕检查回接筒的密封性；确认密封完好，将套管柱提离回接筒1—2米，充分循环固井注水泥，水泥返出地面，下放套管柱与回接筒实现对接，完成套管回接主体施工。候凝装井口，准备下一个阶段施工。

　　第四阶段施工：盐层应对

　　复合盐膏层是制约库车山前超深井钻井的“拦路虎”。克深21井盐膏层埋藏深度刷新了库车山前埋深纪录。面对超深巨厚复合盐膏层，科研与工程技术人员早有准备，采用油基钻井液体系，让地层中的盐不发生溶解，同时增强井壁的润滑性，让钻柱组合像坐滑梯一样顺利通向井底。

　　为了更好地适应极端环境，科研人员还升级了油基钻井液体系，重点建立起油包水乳状液多点吸附理论；围绕高性能乳化剂等核心材料，研发了单链多团高效乳化剂。基于创新理论和核心处理剂的研发，采用不饱和脂肪酸开环接枝酰胺化反应，使单个分子具有9个活性基团，单位质量乳化效率提高18倍。这样能够让钻井液有更多的“袋子”存储地层的高压盐水，而自身的流变性、润滑性不受影响，大大提高了油基钻井液抗盐水污染能力。

　　同时，超高压盐水发育、盐间存在薄弱层等因素导致窄密度窗口极端环境，采用常规钻井方法，平衡高压盐水层需要较高的钻井液密度。再加上循环过程中的压力损耗，就好像给已经充满气的气球继续充气，这样极易引发严重的井漏或地层破裂，造成井下情况更加复杂的局面。如果压力能够自由控制，想高就高，想低就低，那就能轻松应对这样极端的问题了。

　　面对摆在面前的难题，科研与工程技术团队采用针对复合盐膏层最新升级的精细控压钻井技术。这项技术通过精准的水力学模型计算，利用双级节流为特征的高精度井筒压力控制钻井装备，实现0—7兆帕与7—14兆帕双级高精度压力自动控制，同时配备了双流量计校核验证，井底压力控制精度达到±0.2兆帕。这项技术在克深9-2井试验取得成功，一举解决了克深9-2井高压盐水导致49天无进尺的难题，11天安全钻穿高压盐水层。科研与工程技术团队共同组织，装备调运、安装调试、设备试运转，仅用2天时间就完成了使用前的准备工作。通过应用最新升级的精细控压钻井技术，有效改善了井下作业环境，钻井液漏失量由使用前的每天20立方米下降至基本无漏失；通过高性能油基钻井液与精细控压钻井技术的组合应用，有效解决了巨厚复合盐膏层高压盐水窄密度窗口安全钻井难题。最后，这项技术得以在克深21井应用。

　　四开钻井过程中遇到的复杂难题，在完井作业过程中依然存在。针对复杂盐膏层井漏、高压盐水、窄密度窗口等难题，科研与工程技术团队制定了优化水泥浆结构、调整施工排量等应对措施，采用“控压扩眼+控压固井”工艺，扩大环空间隙，优化套管选型，提高管柱居中度，保障套管安全下入，降低固井循环压耗，提高水泥浆顶替效率，有效提升全井段固井质量，盐膏层一次固井合格，保证了固井质量满足下一步施工要求。

　　第五阶段施工：钻揭气藏

　　第五阶段施工面对的是距今6500万年以上的白垩系致密砂岩。白垩系地层有着像磨石板一样坚硬的质地，在超强地应力的作用下，裂缝发育明显。致密的砂岩孔隙和裂缝中储存着我们需要的天然气，复杂的超深井钻井的目的也正在于此。超深超高温超高压的环境储存着的丰富的天然气资源，在井底像活跃的“精灵”。可一旦控制不好，“精灵”就会变成“魔鬼”，从而造成灾难性事故。

　　为了安全平稳地把“精灵”请出来，为人类服务，最重要的是做好压力平衡。为控制井底的高压，科研与工程技术团队采用将钻井液密度调整至设计密度的上限、钻开油气层的方式，再逐渐降低钻井液密度，最终调整到比地层压力略高的范围内，以便安全钻进。本开次固井同样采用悬挂尾管的方式完成，施工的重点是水泥浆注替过程中压稳地层和固井候凝过程中的压力控制。为实现更高的固井质量，水泥浆注替完成后，要采用憋压候凝的方式让水泥浆在受控的状态下凝固。

　　钻井过程各阶段，还要开展综合录井、地球物理测井、地层测试等作业。一口井一旦开钻，如果没有特殊情况，就要按照施工设计正常施工，直至钻达设计深度，完井后方可交井。但是，探井也会根据地下出现的新情况，或继续加深，或提前完钻。克深21井钻进至设计完钻井深时，地球物理测井分析解释结果认为储层还没有完全揭开，便继续加深钻进；地层岩性发生明显变化，地球物理测井分析解释结果也支持实现了地质目标，便提前完钻了。

　　随着超深井勘探开发进程的不断深入，针对难点问题的新工艺、新技术不断突破，装备、工具不断升级换代，科研与工程技术人员的通力配合，库车山前的钻井工程实现了由“打不成、打不好”到“打得成、打得好”的大步跨越，为我国超深层油气勘探开发树立了立体化、可复制的钻完井工程标杆。

　　特深井自动化钻机组成

　　天车

　　安装在钻机井架顶部的定滑轮组。

　　游车

　　在井架内部上下做往复运动的动滑轮组。

　　钻井泵

　　钻机的“心脏”。

　　顶驱

　　产生扭矩，驱动钻头破碎岩石。

　　管柱自动化工具

　　在钻井过程中协同完成钻具的自动化输送、连接和排放作业。

　　转盘

　　在正常钻进时，水龙头悬挂钻柱，由转盘驱动方钻杆旋转钻进。

　　绞车

　　承担钻机起下钻具和下套管, 以及钻头钻进过程中控制钻压、处理事故、提取岩芯筒、试油等作业。

（文字：李牧、郝围围、郭凯杰、耿莉、马香、李晓斌、李亚辉）

（技术支持：工程技术研究院、宝石机械公司）