大陸科學(xué)鉆探工程技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)及趨勢分析

薛倩冰，梁楠，韓麗麗，馬莎莎，汪凱麗

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037）

0 引言

地球深部既蘊(yùn)含著豐富的資源，又是重要的戰(zhàn)略空間，也是重大地質(zhì)災(zāi)害的策源地［1］。鉆探是目前唯一能直接獲取地下實(shí)物資料并提供測量通道的技術(shù)方法?？茖W(xué)鉆探被譽(yù)為“觀測地球內(nèi)部的望遠(yuǎn)鏡”，通過科學(xué)鉆探這一重要手段，可以解決人類所面臨的資源、災(zāi)害及環(huán)境等重大問題。大陸科學(xué)鉆探自開展以來，在全球許多領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就，人們也越來越認(rèn)識到，通過科學(xué)鉆探來直接觀察地球，深入認(rèn)識地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及動(dòng)力學(xué)過程，是充分開發(fā)、利用及有效地保護(hù)地下資源、減輕地質(zhì)災(zāi)害極為有效的科學(xué)途徑［2-6］。本文簡要回顧了大陸科學(xué)鉆探技術(shù)與裝備發(fā)展概況，通過對大陸科學(xué)鉆探新技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)前沿問題及發(fā)展路線進(jìn)行調(diào)研，梳理總結(jié)了大陸科學(xué)鉆探工程面臨的主要技術(shù)難題，并提出了我國特深科學(xué)鉆探井發(fā)展趨勢路線圖，為我國大陸科學(xué)鉆探工程進(jìn)一步發(fā)展及組織實(shí)施提供參考。

1 大陸科學(xué)鉆探工程國內(nèi)外發(fā)展概況

1968年由美國等多個(gè)國家啟動(dòng)的深海鉆探計(jì)劃、國際大洋鉆探計(jì)劃、綜合大洋鉆探計(jì)劃及正在實(shí)施的國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃是地球科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)迄今規(guī)模最大、影響最深、歷時(shí)最久的大型國際合作研究計(jì)劃［7-10］。與大洋鉆探相比，大陸科學(xué)鉆探起步較晚，始于20世紀(jì)70年代的蘇聯(lián)，其中最深也是最著名的為SG-3井，終孔最深達(dá)到12262 m。德國于1987—1994年間，在德國中部進(jìn)行了舉世聞名的KTB科學(xué)鉆探項(xiàng)目，終孔孔深約為9101 m。1996年2月26日ICDP宣告成立，中國、美國和德國亦成為ICDP的3個(gè)發(fā)起國。1999年，國家計(jì)委批準(zhǔn)了“中國大陸科學(xué)鉆探工程”項(xiàng)目建議書。2005年，中國完成了第一口超過5000 m的科學(xué)深井，在具有全球地學(xué)意義的大別-蘇魯超高壓變質(zhì)帶東部（江蘇省東?？h），完鉆井深約為5158 m。中國白堊紀(jì)大陸科學(xué)鉆探工程——松遼盆地國際大陸科學(xué)鉆探工程是由SK-1、SK-2和SK-3井組成的系統(tǒng)工程，通過獲取的巖心實(shí)物資料，用于古環(huán)境、古氣候變化和大規(guī)模烴源巖成因機(jī)制研究、建立白堊系陸相地層標(biāo)準(zhǔn)，以及通過深孔科學(xué)鉆探工程推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。SK-1井自2006年8月19日—2007年10月29日，完鉆 井 深1811.18 m；SK-2井 自2014年4月13日—2018年5月16日，完鉆井深7018 m；SK-3井自2020年9月24日開鉆，設(shè)計(jì)井深為3600 m。SK-1井和SK-2井相繼成為我國地質(zhì)鉆探史上具有里程碑意義的標(biāo)志性工程。SK-3井的開工，也預(yù)示著在全球?qū)⑹状潍@得整個(gè)白堊紀(jì)連續(xù)完整的陸相地質(zhì)記錄［11-14］。

2 科學(xué)鉆探工程關(guān)鍵技術(shù)難題

科學(xué)鉆探在技術(shù)上必須克服的關(guān)鍵技術(shù)問題包括：地質(zhì)條件復(fù)雜（高溫、高壓、高地應(yīng)力）、井斜、取心、鉆井器材對超長井深的適應(yīng)性、裝備等難題［15-23］。

（1）高溫：地殼的平均地溫梯度為3℃/100 m，萬米以深的科學(xué)超深井的預(yù)計(jì)井底溫度為300℃以上，這種溫度條件下將使孔底馬達(dá)、震擊器、減震器、測井儀器等的絕緣材料、電子元器件、橡膠密封等失效。同時(shí)，高溫對鉆井液及固井水泥帶來影響，當(dāng)溫度達(dá)到一定極限后攜帶巖屑能力降低、失效從而對井壁的穩(wěn)定產(chǎn)生重大影響。

（2）高壓：往往在地質(zhì)條件越復(fù)雜的地區(qū)存在越復(fù)雜的壓力系統(tǒng)，地層壓力系數(shù)高，更易造成深井或超深井井下測量工具的失效。

（3）高地應(yīng)力：高地應(yīng)力會(huì)誘發(fā)井壁失穩(wěn)導(dǎo)致井壁垮塌、縮徑、漏失、卡鉆等一系列復(fù)雜情況，地應(yīng)力隨著井深加大而增高，取心越困難、井壁失穩(wěn)的可能越大。

（4）井斜問題：井斜是不可避免的，隨著鉆井深度加大，井斜一般也會(huì)加大。井斜加大后，會(huì)給鉆井施工帶來很多困難，諸如：因?yàn)槟Σ炼鴮?dǎo)致過高的磨阻及扭矩；在下入和提出測量儀器時(shí)遇阻；下套管困難；套管及鉆具、特別是穩(wěn)定器及鉆頭出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損；鉆進(jìn)施工中往往采用低鉆壓來防斜，其結(jié)果導(dǎo)致低的施工效率；井斜加大后，實(shí)現(xiàn)鉆井目標(biāo)的深度加大，施工難度加大。

（5）取心問題：深井或超深井鉆探取心技術(shù)難題主要有2個(gè)方面：一是隨著井深加大，地應(yīng)力相應(yīng)加大，井壁巖石失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)加大，同時(shí)巖心采取率顯著降低且易發(fā)生巖心堵塞，使回次進(jìn)尺及施工效率受到影響；二是由井深不斷加大及頻繁取心帶來的井壁穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)管理風(fēng)險(xiǎn)。

（6）超長鉆桿柱：超長鉆桿柱是深井或超深井鉆探技術(shù)的核心與關(guān)鍵，鉆桿柱將在鉆進(jìn)中承受拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)等各項(xiàng)載荷和溫度載荷的復(fù)合作用，復(fù)雜工況致使其失效是施工過程中最為常見且代價(jià)昂貴的孔內(nèi)事故，當(dāng)鉆井超過特定深度后，即使采用目前強(qiáng)度最高的鋼級，鋼鉆桿的自重仍然能將自身拉斷，現(xiàn)有的鋁合金鉆桿存在耐溫、抗腐蝕能力不足等問題。

3 科學(xué)鉆探工程關(guān)鍵技術(shù)對策

自20世紀(jì)70年代以蘇聯(lián)SG-3井為代表的國際大陸科學(xué)鉆探實(shí)施以來，國內(nèi)外大陸科學(xué)鉆探工程技術(shù)專家在解決科學(xué)鉆探關(guān)鍵工程問題上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，形成了大量的研究成果，在應(yīng)對以上工程關(guān)鍵技術(shù)難題上也提出了新的認(rèn)識。

3.1 高溫對策

（1）研制耐高溫有機(jī)材料如螺桿馬達(dá)定子、各類井下鉆具密封件、抗高溫聚合物泥漿材料及高溫穩(wěn)定劑等，研制金屬密封件、螺桿馬達(dá)金屬定子或者全金屬低速大扭矩渦輪鉆具等高溫硬巖降本增效器具；

（2）研制耐高溫電子器件，當(dāng)前晶體管、電阻、電容等原件的最高使用溫度約為225℃，普通絕緣層失效溫度約為200℃，因此需要研制出耐300℃以上的電子器件，以滿足萬米科學(xué)鉆探的需求；

（3）降溫，采用低溫泥漿循環(huán)鉆井系統(tǒng)降低井底溫度，提高井底動(dòng)力鉆具的使用壽命。KTB主孔的施工經(jīng)驗(yàn)表明，在8000 m井深條件下，低溫泥漿循環(huán)可使井底鉆具內(nèi)的溫度降低80～100℃［24］；低溫泥漿循環(huán)鉆井系統(tǒng)由中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所共和盆地干熱巖鉆探工程示范團(tuán)隊(duì)研制成功，并在共和盆地干熱巖鉆探中取得了很好的應(yīng)用效果，井底循環(huán)溫度遠(yuǎn)低于常規(guī)電子元器件、聚合物材料的耐溫極限。

3.2 高壓對策

需要著重解決鉆具、儀器的密封及外殼的承壓能力，解決鉆井液體系在高壓下的流變性問題［16］。

3.3 高地應(yīng)力對策

需要著重解決井身結(jié)構(gòu)問題，超深井地質(zhì)構(gòu)造、地層壓力體系復(fù)雜，地層層序和壓力預(yù)測精度差，同時(shí)隨著井深的增加，井下復(fù)雜情況多，不可預(yù)見因素多，給井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來極大的難度。尤其是山前高陡構(gòu)造帶超深井鉆井，幾乎集中了所有的超深井鉆井技術(shù)難點(diǎn)，地層層序預(yù)測誤差大，復(fù)雜地層井段難于確定，因此需要采用大直徑的井身結(jié)構(gòu)，逐級進(jìn)行套管隔離，減少裸眼井段，避免因處理井內(nèi)事故或者側(cè)鉆增加的井內(nèi)安全隱患和鉆井成本的風(fēng)險(xiǎn)。此外，應(yīng)采用封堵效果好的鉆井液或者采用膨脹套管技術(shù)，但目前國內(nèi)膨脹套管技術(shù)在深井超深井應(yīng)用方面還不成熟。

3.4 井斜對策

一是采用自動(dòng)垂鉆系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)式防斜，但是由于井比較深，垂直鉆井系統(tǒng)參數(shù)的要求與地面設(shè)備的能力及打撈工具不完全匹配，因此，垂直鉆井系統(tǒng)對深部大傾角地層的適應(yīng)性還有待于提高。二是采用被動(dòng)防斜技術(shù)即井底動(dòng)力馬達(dá)+液動(dòng)錘，研制抗高溫井底馬達(dá)及高壓高能射流液動(dòng)潛孔錘。

3.5 取心對策

為解決極破碎地層巖心采取率低的問題，應(yīng)改進(jìn)取心鉆具，采用井底局部反循環(huán)的取心方法。科拉超深井的實(shí)踐證明了該措施的有效性［25］。此外，由中國大陸科學(xué)鉆探工程SK-2井形成的大口徑同徑取心與長鉆程鉆進(jìn)系統(tǒng)也取得了顯著的成果。

3.6 超長鉆桿柱對策

由于目前鋼鉆桿強(qiáng)度及自重問題以及鋁合金鉆桿耐溫能力不夠等，還不能滿足萬米超萬米特深科學(xué)鉆井施工的要求，因此可開發(fā)應(yīng)用具有耐腐蝕、耐高溫、抗疲勞、質(zhì)量輕、彈性好、強(qiáng)度高的鈦合金鉆桿。

4 前沿發(fā)展趨勢

科學(xué)鉆探工程技術(shù)的發(fā)展在未來將以高度集成化、智能化的綠色鉆探技術(shù)為方向。

需要?jiǎng)?chuàng)新特深科學(xué)鉆探工程技術(shù)及管理頂層設(shè)計(jì)，研發(fā)智能化特深科學(xué)鉆探裝備及配套的高效環(huán)保鉆探工藝技術(shù)，構(gòu)建15000 m特深科學(xué)鉆探技術(shù)與裝備。

4.1 特深科學(xué)鉆探頂層技術(shù)設(shè)計(jì)

針對15000 m特深科學(xué)鉆井基礎(chǔ)準(zhǔn)則與依據(jù)缺失，油氣鉆井與地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)均無法直接應(yīng)用，需將2項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合，制定鉆進(jìn)工藝、井身結(jié)構(gòu)、鉆具級配、裝備配置等技術(shù)規(guī)范，補(bǔ)充完善特深科學(xué)鉆探頂層技術(shù)設(shè)計(jì)。

4.2 特深科學(xué)鉆探地面裝備

針對特深科學(xué)鉆井連續(xù)取心、頻繁起下鉆、鉆井周期長等特點(diǎn)，開展快速起下鉆系統(tǒng)、連續(xù)循環(huán)鉆進(jìn)系統(tǒng)等裝備關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，創(chuàng)新研制特深井智能鉆機(jī)（具有15000 m鉆深能力）、井口作業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、鉆場全流程一體化控制系統(tǒng)、智能鉆進(jìn)控制系統(tǒng)等關(guān)鍵裝備，構(gòu)建特深科學(xué)鉆井裝備體系。地面裝備總體機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地面裝備總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall layout of the surface equipment

4.3 智能鉆探技術(shù)及儀器

研制智能鉆探設(shè)備主要包括：基于多元信息融合的信息采集系統(tǒng)、井下信息（實(shí)時(shí)在線與巖心快速測試信息）數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、鉆場智能監(jiān)測控制系統(tǒng)等；研制井下智能鉆探鉆具，主要包括：超高溫參數(shù)測量存儲系統(tǒng)（頂角、振動(dòng)、角速度、溫度、壓降、巖心堵塞等）、耐高溫?cái)?shù)據(jù)信息傳輸系統(tǒng)，基于智能鉆桿、泥漿脈沖和巖心信息的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)；超高溫垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)及高精度井斜控制工藝技術(shù)，包括：基于光纖陀螺隨鉆測斜技術(shù)、糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閉環(huán)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。

4.4 特深科學(xué)鉆探井下機(jī)具

研制多工藝高效系列鉆具解決特深科學(xué)鉆探井超長鉆桿柱、井斜、復(fù)雜地層巖心易卡堵脫落、鉆進(jìn)效率低，井壁摩阻大、地表動(dòng)力傳遞衰減大等問題，開展大深度繩索取心鉆具、高效井底動(dòng)力鉆具和鉆頭、高精度垂鉆系統(tǒng)研究，解決取心鉆具卡堵脫落、組合鉆具參數(shù)匹配，協(xié)調(diào)優(yōu)化動(dòng)力鉆具容積效率與機(jī)械效率，降低取心成本、提高取心質(zhì)量與作業(yè)效率。高效孔底動(dòng)力取心鉆具方面包括：超高溫螺桿和全金屬動(dòng)力鉆具設(shè)計(jì)理論研究及新型減震穩(wěn)扭/旋沖/扭沖工具等提速工具開發(fā)，超高溫高壓密封及可靠性研究，水力部件設(shè)計(jì)與流固耦合仿真研究，減速器、支承系統(tǒng)等關(guān)鍵部件研制，配套單動(dòng)雙管取心、強(qiáng)制取心系統(tǒng)等研制。

4.5 綠色環(huán)保鉆井液體系與廢漿處理技術(shù)

針對特深科學(xué)鉆探井超高溫高壓等苛刻工況條件下，面臨的復(fù)雜地層井壁失穩(wěn)、壓力平衡、護(hù)心困難等問題，開展環(huán)保鉆井液體系與井壁安全研究，實(shí)現(xiàn)循環(huán)泥漿過程的綠色環(huán)保和無害化處理、保障孔壁穩(wěn)定與安全。

5 發(fā)展路線圖

未來，大陸科學(xué)鉆探工程技術(shù)與裝備發(fā)展應(yīng)以高度集成化、智能化的綠色鉆探技術(shù)研發(fā)為主要方向，重點(diǎn)是根據(jù)國家需求形成萬米以深科學(xué)鉆探技術(shù)與裝備體系，主要應(yīng)包括特深科學(xué)鉆井頂層技術(shù)設(shè)計(jì)、地面鉆探裝備、井內(nèi)機(jī)具、取心工藝等部分，具體研究內(nèi)容則是瞄準(zhǔn)關(guān)鍵裝備、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，既考慮到技術(shù)的創(chuàng)新性，又考慮到可行性、實(shí)效性［25-27］。特深科學(xué)鉆井技術(shù)與裝備發(fā)展路線圖如圖2所示。

圖2 特深科學(xué)鉆井技術(shù)與裝備發(fā)展路線圖Fig.2 Development roadmap of extra-deep scientific drilling technology and equipment

6 結(jié)語

（1）科學(xué)鉆探工程是帶動(dòng)當(dāng)今地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的大科學(xué)工程，雖然目前國內(nèi)取得了顯著的成果，但受當(dāng)前材料工藝、加工制造工藝、設(shè)計(jì)理念的限制，還沒有形成滿足超萬米級特深科學(xué)鉆探工程的理論、裝備、技術(shù)的儲備。

（2）未來，大陸科學(xué)鉆探工程技術(shù)與裝備發(fā)展應(yīng)以高度集成化、智能化的綠色鉆探技術(shù)研發(fā)為主要方向。重點(diǎn)是根據(jù)國家需求形成萬米以深科學(xué)鉆探技術(shù)與裝備體系。同時(shí)，培養(yǎng)具有全球視野的頂級科學(xué)團(tuán)隊(duì)及學(xué)科帶頭人。