国内外深井、超深井井下工具简介

国内外深井、超深井井下工具简介
按照我们国家对深井、超深井的界定，深井是指井深大于4500m 的井，超深井是指井深6000m以上的井。

迄今，世界上最深的井为前苏联的SC-3井，井深12869m。

目前，美国深井、超深井的钻井水平大致为：5000m的井完井周期3个月，6000m的井完井周期6个月，7000m的井完井周期12个月。

深井、超深井对钻井的方方面面都是一个极为严峻的挑战，其关键技术包括：先进的地震技术以及对地震资料的准确判读与分析；对邻井钻井资料的全面采集、处理和利用；功率、功能强大且易于控制的钻机设备；先进的数据采集、分析系统和先进的用于不同目的的井下工具；科学合理的钻井设计；成熟的钻井工艺技术；高温高压泥浆体系；科学、强化的生产技术管理等。

随着世界范围内深井、超深井钻井数量与钻井难度的逐年递增，国内外各大石油公司近几年先后开发研制出了用于深井、超深井防斜打直、提高钻速、井眼轨迹和井下参数测量与控制、井眼扩大规整、刚体膨胀管补救、深井扩孔等先进的井下工具，现一一简单介绍如下：
1、井下动力钻具---用于提高机械钻速
●国产螺杆钻具耐温低，仅能用于上部井段；
●BakerHughes INTEQ的高速螺杆钻具采用新的橡胶定子制造
工艺，耐温190℃，且转速与排量成正比，输出功率是涡轮
钻具的两倍多；
●俄罗斯的带齿轮减速箱新型涡轮钻具耐温可达250℃∽
300℃；
●美国Manurer公司为钻高温地热井研制的齿轮减速涡轮钻具
成功钻成了温度高达316℃的地热井；
2、旋冲钻井工具---用于提高机械钻速
●国内：厂家众多，成熟较少，究其原因，主要有三：一是寿
命短，二是无匹配之钻头，三是无深部极硬之地层，故效果
不明显。

现场应用最好当属江苏东海的科钻1井，但该井具
以下特点：连续取心，工具一次下井工作时间短；钻头为孕
镶式天然金刚石取心钻头，抗冲击能力强；地层为非沉质岩
地层，硬度高、可钻性差、研磨性强，故应用效果明显；
●国外有适合于地层、同时也适合于工具的专用钻头，如图1。

图1 旋冲钻井工具专用钻头
但国外应用情况不清。

3、偏轴接头（短节）、弯轴接头（短节）、偏重钻铤等----用于防斜
最早由前苏联开发研制。

国内在川东和其它地区用过，但效果不佳。

4、自动垂直钻井系统----用于防斜
●德国的VDS（Vertical Drilling System）垂直钻井系统。

其工
作原理为：当钻井过程中井眼偏离垂直状态时，内部的井斜
传感器发出井斜信号，同时通过电磁阀控制4个活塞液缸内
的压力，推动4个可伸展翼肋，使其支撑井壁，借助井壁的
反作用力迫使钻头沿与井斜相反的方向钻进；
●德国的VERTICALIXX（highly accurate automatic vertical
drilling system）自动垂直钻井系统；
●Agip&BakerHughes INTEQ的SDD(straighthole drilling device)
垂直钻井系统，它是一种外壳带有偏置装置的改进型井下马
达；
●美国ANDERGAUGE公司开发研制的高温高压随钻井斜测
量装置---ANDERDRIFT，使用时直接连在钻铤上，通过开泵
时泵压脉冲显示井斜。

从而实现对井斜随时监测、解放钻压、
提高机械钻速的目的；国内已有这方面的研究，具体进展情
况不详。

5、井底增压泵---用于提高机械钻速
●国内尚无成熟产品；
●国外已经进行了大量的室内试验与现场应用试验，井底压力
可达30000psi（207Mpa），ROP增加50-60%。

但寿命一般较
短，室内试验平均40个小时，现场应用多为9-17个小时。

6、减震器、悬浮器---用于延长钻头、钻具寿命
钻具结构、钻进参数和地层岩性等因素均可导致“跳钻”，不仅会影响到ROP、钻头和钻具寿命，而且不利于安全钻井。

减震器、悬浮器可较好地解决这一问题。

7、扩孔工具---用于改变设计井身结构、提高固井质量
近几年，国外一些石油公司投入了大量的人力物力致力于石油钻井扩孔工具的研发。

由最初的双心扩孔钻头发展至现在已达到商业化水平的系列扩孔工具，如Bake Hughes的RWD系列随钻扩孔器、DPI 的SR系列扩孔器以及Security DBS的NBR系列扩孔工具等。

工具性能日臻完善，尺寸规格渐成系列。

此外，石油钻井扩孔技术的应用领域也由初始的直井扩孔发展到今天的定向井、水平井扩孔和作为分支井、超短半径和刚体膨胀管施工井支持技术的扩孔等等。

几年来，胜利扩孔工具也已由2000年的单一类型、单一尺寸的一种工具发展到今天的多种类型、多种尺寸系列扩孔工具，先后有200余套各型工具投入现场使用，并先后成功应用于新疆塔河油田5400m以下奥陶系灰岩地层扩孔、4500m以下的盐膏层扩孔、胜利和中原油田的套管开窗侧钻定向井扩孔、胜利油田的超短半径井大尺寸扩孔、膨胀管应用井扩孔、胜利油田孤东8—平3井的水平井扩孔等，较好地解决了钻井生产过程中的一些技术问题，其综合孔孔速度、效果、适应范围均达到了国外同类产品的水平，但尚需研发适合于极硬地层的新型工具。

对深井、超深井而言，其主要用途有：
●配合刚体膨胀管技术处理井下严重漏失层、坍塌层等目前其
它钻井技术尚不能解决的疑难层段问题；
●配合刚体膨胀管技术减缓井身结构“锥形化”程度，必要时，
可改变井身结构，确保最终钻达设计井深；
●蠕变地层（如深井、超深井中的巨厚盐层）扩孔和深部小井
眼扩孔，以确保安全钻井和固井质量；
●改变常规井深，提高机械钻速，节约钻井成本
扩孔可以实现减小套管柱之间的间隙，能够有效降低钻井成本，这在国外的一些钻井实践中已得到证实。

并被称之为RCCPs即Reduced Clearance Casing Programs。

据国外资料报道，一口井深为4878m的井，采用RCCPs比用普通套管程序节约钻井成本27%。

目前，国内现有的深井的套管程序设计（图2），套管柱之间的间隙大，存在导管尺寸过大，而生产套管尺寸小的弊端，钻井成本高、机械钻速慢。

如果采用随钻扩孔技术而应用小间隙套管程序（图3），则可以减小导管尺寸，增加了生产套管尺寸，并能增加套管层次，具有明显的技术价值和经济意义。

例如采用这种技术，新疆和田区块的胜和1井的井身结构的导管尺寸由∅720mm降为∅508mm，生产套管尺寸由∅177.8mm增大为∅193.7mm，可以大大提高钻井速度，降低钻井成本，有利于后期采油作业和加深钻井，技术和经济效益显著。

图2 常规的深井套管程序设计 图3 深井小间隙套管程序设计 8、10″、11″大尺寸钻铤---强化钻井参数
按照目前8-1/2″或12-1/4″钻头的常规比钻压20KN/in 计，17-1/2″钻头所需的总钻压应为350KN 。

但是，由于国内普遍缺乏10″、11″大尺寸钻铤，造成钻压太低，钻头破岩能量不足，严重制约了机械钻速的进一步提高。

9、井眼扩大规整工具---扩大规整井眼
深井、超深井的深部硬与极硬地层往往具有极高的研摸性和极差的可钻性，现有钻头保径不能完全满足保径要求，将造成井眼出现分段锥形化，这不仅影响井眼质量，而且对足尺寸新钻头下井极为不利并相当危险，因此，必须对钻头钻出的井眼进行随钻扩大、规整。

国内江苏东海科钻1井所用该类工具全部由胜利钻井院设计加工，自2001年至今，共用87套，在变质岩、火成岩地层中应用效果非常理想；国外有SMITH SERVICE 公司的DEI （Diamond Enhanced Insert ），
主要用于下套管前对造斜段进行规整，另外，由于其特殊的几何形状，它可有效清除井下台阶与欠尺寸井眼段。

10、绳索取心与侧壁补心工具---提高钻井效率
●德国拥有深井、超深井的绳索取心工具，已有少量现场应用；
●国内仅有适合于浅井的绳索取心工具。

江苏东海科钻1井有
此研究课题，由成都理工大学承揽，目前进展情况不详；
●为取全取准地质资料，科钻1井的另一个研究课题是侧壁补
心，委托中国地质大学研制开发，要求螺杆马达驱动、可实
现绳索取心、岩心直径不低于30mm、硬地层取心长度大于
200mm、耐温200℃等，目前进展情况不详。

11、地质导向、闭环钻井和耐高温井下测量工具---轨迹控制（略）
12、减扭防磨工具---用于降低扭矩、套管防磨
●国外此类工具由于结构问题，尽管效果良好，但经常发生落
井事故。

如东海平湖7井使用的威德福的减磨接头当磨损到
一定程度时，接头会脱落掉井。

见图4与图5。

图4 威德福减磨接头下井前
图5 威德福减磨接头磨损后
●国内由胜利钻井院研制开发的具有TC滑动轴承的减磨减扭
接头尺寸系列、结构性能与安全可靠性已达到或超过世界先
进水平。

自2002年投入现场应用以来，已成功下井近1500
套，未发生任何问题。

13、滚轮式钻具扶正器---减少BHA扭矩
该工具不仅可以大大减少BHA扭矩，有利钻井安全，而且可以辅助规则井眼。

国内牡丹江已有成熟产品。