第4讲深井超深井..

三、发展深井超深井钻井技术的意义
深井超深井钻井技术是为勘探和开发地层深处的油气资源 而发展起来的。从我国的的情况来看，陆上石油资源储量为694 亿吨，目前探明172.8亿吨，探明率为25%；陆上天然气资源量 为30万亿立方米，目前探明1.2万亿立方米，探明率仅为4%。
西部地区（包括塔里木、准葛尔、土哈和柴达木四个盆地） 的石油资源量占全国总资源量的38%，探明率仅为9%，是我国石 油产量的主要接替地区。西部地区的石油资源量的 73%埋藏在深 部地层，所以要靠深井和超深井进行勘探开发。 东部地区是我国石油的主力产区，浅层和中深层的勘探程度 较高，深层较低，如渤海盆地石油资源的探明率为38%，且探明 的主要在浅层和中深层，深部地层尚有53亿吨的石油储量可供勘 探。 中部地区（包括陕甘宁、四川两大盆地）是天然气的集中区， 但探明率极低，有52%的天然气资源量在深部地层，所以中部地 区深井超深井的钻井工作量将大幅度增加。 深井超深井钻井技术在我国有广阔的前景。
第四讲 深井超深井钻井技术 Deep Well Drilling
主要内容
• • • • • • • 深井超深井的基本概念和特点 深井超深井发展概况 发展深井超深井钻井技术的意义 深井超深井钻井设备 提高深井超深井机械钻速的措施 深井超深井钻井液技术 深井超深井钻井设备发展预测
一、深井超深井的基本概念和特点
（二）国内
概况 在我国深井钻井的第一阶段 （1966--1975）是用经改造和加固的 3200米钻机和塔式井架，钻杆是从原苏 联进口的，钻头在上部地层用刮刀，下 部地层用滚动轴承三牙轮钻头。 从1976年开始，我国从罗马尼亚多 次批量进口6000米深井钻机，总数超过 100台，成为陆地钻深井的主力钻机。 从1985年起我国陆续引进了美国的 5000--9000米的电驱动钻机22台。90年 代中期我国自己研制成功了6000米深井 电驱动钻机，且达90年代的国际水平。 （目前我国共有各类钻机1000多台， 其中电驱动钻机近100台，可钻深井的 电驱动钻机24台，国产的仅有一台。）
二、深井超深井钻井技术发展概况
深井超深井钻井技术是为勘探和开发深部地层的 油气资源而发展起来的，开始于30年代末期，80年 代以来有大的发展，完井井深已超过10000米。在 世界上深井超深井钻井技术领先的国家有美国、俄 罗斯、德国、法国和意大利等。 1、国外发展概况 美国于1938年钻成世界上第一口4573米的深井， 1949年钻成6255米的超深井。 1984年前苏联创造 了12400米的世界超深井的记录。德国于1994年钻 成一口9107米的超深井。迄今为止，世界上已钻成 8000米以上的超深井11口，其中美国6口，前苏联2 口，挪威1口，奥地利1口，原民主德国1口。
2、深井超深井钻井液要解决的技术难题 （1）井愈深，井下温度压力愈高，钻井中泥浆在井下停留 和循环的时间愈长，使深井超深井泥浆的性能变化和稳定性 成为一个突出的问题。 （2）深井超深井裸眼井段长，地层压力系统复杂，泥浆密 度的合理确定和控制更为困难；使用重泥浆时，压差大，出 现井漏、井喷、井塌、压差卡钻以及由此而带来的井下复杂 问题的可能性增大。 （3）深井钻遇地层多而杂，地层中的油、气、水、盐、粘 土等的污染可能性增大，且会因高温作用对泥浆体系的影响 而加剧，从而增加了泥浆体系抗污的技术难度。 （4）泥浆对深部油层的损害，因高温而加剧。 （5）井深起下钻作业时间长，各种与泥浆性能有关的井下 事故更容易诱发和恶化。 （6）泥浆对钻具的腐蚀因高温而加剧。
3、SDD自动直井钻井系统（Straight-hple Drilling的AGIP公司和美国的Baker Hughes 公司合作，在VDS的基础上研制的 新一代自动直井钻井装置，更能满 足钻井作业的要求，它一投入现场 使用便获得较大成功。
五、提高深井超深井机械钻速的措施
3、其它钻井设备
钻杆 用耐高温（1500C以上），耐腐蚀 （H2S环境），高强度合金钢制成。 井控装置 美国研制了176MPa的防H2S 的常规防喷器和旋转防喷器。 井口装置 美国研制了用耐高温（2160C 以上），耐高压（工作压力达211MPa）， 耐腐蚀（H2S环境）的采油树。
钻头 钻头在深井超深井钻井中占有极重要的地位，钻 头的好坏对提高钻井速度，缩短钻井周期有直接影响。 美国和一些先进的国家不断研制新型高效钻头，用于深 井超深井钻井。 常用的钻头种类
（三）国外先进的钻井设备简 介 目前国外先进的钻井设 备主要有：自动化钻机、自动 垂直钻井系统。 1、自动化钻机 世界上第一 台自动化钻机（RA--D）由英 国于1991年研制成功，能自动 操作所有管具，最大限度地减 少人工操作，提高了安全性和 可靠性。
KTB钻机 KTB是德国超深井钻井计划的简称，于1989年开始，有12 家公司，300多名科学家参加，共进行100个项目的研究。KTB 钻机是由德国三家公司共同研制的用于项目计划的钻机，是目 前世界上最先进的钻机。 左图为KTB钻机 井架 高 83.17米; 最大负荷 800吨; 最大钻深 12000米; 设备自重 1300吨; 泥浆泵 三缸单作用泵 最高泵压 513kg/cm2 最大排量 5066L/min
六、深井超深井钻井液
对深井超深井，钻井液的性能钻井的成败尤为重要。 由于普通泥浆高温高压下会发生降解而失效，因此，钻深 井超深井必须使用专门的泥浆。 1、深井超深井钻井液应满足的要求： 具有高温稳定性、良好的 滑性和剪切稀释性；固相含量低； 高压失水量低；抗各种可溶性盐类和酸类气体的污染；有利于 处理、配制、维护和减轻地层污染。
国外超深井钻机基本技术参数
国 别 美国 钻机型号 2050-E 额定功率（HP） 4000 钻深范围（M） 6100-15250 最高泵压（kg/cm2） 421 最大排量 （L/min） 3459 美国 3000E 3000 5486-9150 351 美国 4000E 4000 15250 351 4447 美国 E3000 3000 9150 352 3126
（1）常规PDC钻头 适用于软--中硬的均质的地层。 （2）TSP（热稳聚晶金刚石）钻头 可钻中等研磨性砂岩、硬砂 岩夹层、碳酸盐岩等硬地层，且抗冲击能力强和耐高温。 （3）PDC+金刚石孕镶块混合钻头 适用于含坚硬夹层的地层或 磨性强的地层。 （4）PDC+TSP混合齿钻头 可钻中硬、硬和含硬夹层的地层， 如粉砂岩、石灰岩和白云岩等。 （5）大切削齿PDC钻头 总切削面积比普通PDC齿大35%左右， 切下来的岩屑量多3倍左右。 （6）金刚石强化镶齿牙轮钻头 适用于硬地层和研磨性地层。
勒4，却勒6，准噶尔南缘西5井、霍10井、霍001、霍002井，
玉门窿9井等一批高难度的复杂深井。创造了一批新的深井纪
录 井号 井深（m） 4580 5010 5053 钻井周期（天） 16.35 21.85 41.6
解放137 轮南26-5 牙哈23-1-5 5600 47.63 哈得8 6180 82.17 东河4-4-6 牙哈地区平均井深5238m，平均钻井周期61.3天 哈得地区直井平均井深5212m，平均钻井周期59.5天 哈得地区水平井平均井深5746m，平均钻井周期80.7天 轮古地区平均井深5667m，平均钻井周期71.9天
5、 用水射流钻井装置 如右图所示，水射流钻 井装置是完全靠水射流从击 破碎岩石。它可用于多种类 型的井眼（如直井、斜井和 水平井），还可用于取芯， 对固结和非固结地层都可大 大提高钻速。水射流钻井容 易控制井眼方向，减少井眼 漂移。 6、水力参数设计
深井钻井速度明显提高
★完成了如塔里木东秋8、迪那201、柯深101，却勒1，却
2、 国内发展概况
我国深井超深井钻井技术起步较晚，始于60年代末。 1966年7 月28日大庆油田完成一口4719米的深井， 揭开了我国深井钻井技 术发展的序幕。我国深井超深井钻井技术的发展大体分三个阶段： 第一阶段 1966年—1975年。 继大庆油田完成我国第一口 深井之 后又陆陆续续在大港、 胜利和江汉油田打成了4口超过5000米的深 井，初步积累了钻深井的经验。 第二阶段 1976年—1985年。 1976年4月30 日我国在四川地区完成 了第一口6011米的超深井。从1976年到1985年，完成了100多口深 井，10口超深井。其中四川的关基井7175米，一直是我国最深的井 新疆的固2井7002米。 直到2007年完成了塔深1井8408米，目前为亚洲最深。 第三阶段 1986年至今。 80年代末期以来，我国的深井超深井进 入大规模的应用阶段，1986至1997年我国共完成深井超深井688口， 其中超深井34口。
半自动钻杆操作系统 系统由钻杆机械手、绞车、铁钻工、双吊卡、钻杆自动排放 架、钻杆输送装置、液压大钳、控制板组成。 起下钻、接单根时， 操作人员在值班房里 通过控制面板给钻杆 操作系统发出各种指 令，由机械手、铁钻 工等自动完成各项操 作动作，完全替代了 钻工在钻台上操作， 节省了人力，减轻了 操作人员的劳动强度， 并大大提高作业质量， 缩短作业时间（起下 钻时间可减少30%）。
1、基本概念 深井 井深在4500—6000米的直井。 超深井 井深在6000—9000米的直井。 特超深井 井深超过9000米的直井。 2、特点 * 裸眼井段长，要钻穿多套地层 压力系统； * 井壁稳定性条件复杂； * 井温梯度和压力梯度高； * 深部地层岩石可钻性差； * 钻机负荷大。 深井超深井钻井是一项复杂的系统工 程，经济和技术上有很大的风险性。
四、深井超深井钻井设备
先进的钻井设备是钻成深井超深井的关键之一。 （一）国外 1、 概况 国外的深井超深井钻机分为6000米、7000米、8000 米、9000米、10000米和15000米的，钻机装备先进精良。美国是目 前拥有深井钻机最多的国家，估计世界上目前钻9000米以上的钻机 有90多台，而美国就占80多台，且其中钻10668米以上的8台，有1 台可钻深22860米。 2、 国外超深井钻机的特点 * 采用可控硅直流电机驱动，可使钻机在较大范围内调速，省 去了庞大昂贵的变速装置及传动装置，传动控制方便，提高传动总 效率（机械传动效率约为75%，电驱动传动效率为86%）；动力机 组与钻井设备可相互远离，布置安装方便，占地面积小，可避免噪 音。 * 配备大功率的三缸柱塞式泥浆泵，压力高，排量大。 * 配备大通径的转盘，8000米以上的钻机转盘通径为49.5英寸。
井下液体增压器
井下液体增压器是1993年美国的FlowDrill公司和美国天然气 研究联合研制的。它实质上是一种往复增压器型超高压泵。 增压器安装在钻头的上方，其尺寸与普通钻铤的尺寸相近。 使用时钻井液以常规的流量 和比常规泵压高10--14MPa的压 力泵入钻柱，流向增压器。增压 器把大约7%--15%的流体增压到 207Mpa以上，然后把这部分流体 通过钻头内的单独流道输出到钻 头的一个加长喷嘴，射向井底， 从而辅助钻井。 实践证明，该系统可提高钻 速1.5--2倍. 井底增压器的工作原理（略）
2、VDS自动垂直钻井系统（Vertical Drilling System） 自动垂直钻井系统是德国专 为KTB计划而设计的，1988年 到1992年，先后开发了5种型号 的VDS系统。在钻进过程中可 自动使井眼保持垂直。 在KTB项目中，VDS系统 共下井80多次，每次工作42小 时，最大使用井深达到7200米， 大部分的井井斜都小于10，最大 的2.50,对井斜的控制取得了显著 的效果。
1、运用井下动力钻具 井下动力钻具+PDC钻头已成为提高机械钻速的一项重 要措施。
动力钻具钻井的优点 （1）有利于提高机械钻速和减少钻头事故； 由于钻头没有活动部件，所以可有效地防止钻头事故； 在软--中硬地层中，比转盘钻井钻速可提高50--70%，甚至可 提高1--2倍。 （2）有利于减少钻具事故； 使用动力钻具钻柱不旋转，减少了钻具和套管的磨损， 延长钻杆寿命2--10倍。 （3）可有效地控制井斜； （4）有利于实现中筒取芯。 2、使用顶部驱动系统 顶部驱动系统用接立根代替了接单根，使接钻柱的时间 减少2/3；可进行倒划眼；起下钻时可不间断旋转钻杆和循环 泥浆。 3、使用欠平衡压力钻井 4、使用井下液体增压器