污水井超深井定義

㈠ 科學超深井難題

科學超深井的主要施工目標位：最大井深13000m；終孔直徑≥152mm，岩心直徑≥70mm；全孔取心比例為5%；地層初步按照6000m以淺為沉積岩、6000m以深按照結晶岩計算；最高井溫為400℃。

超深孔鑽探施工面臨一系列技術挑戰，其中孔底的高溫高壓環境、細長的鑽桿柱-孔壁復合系統是不可避免的難題。由於鑽桿柱超長會造成摩阻力和功率損耗巨大，往往會超過鑽探設備和鑽桿本身的極限能力，地表驅動方式的可行性和可靠性極差，因此，採用孔底動力驅動鑽進和取心方法是必然的選擇，主要難題及其成因分析如下。

1.1.1 超深井地表設備驅動可靠性差

超深井使用具有較大鉤載能力和驅動能力的超深井鑽機，其目的是提升具有大載荷的套管和鑽柱，並驅動鑽柱使地表能量傳遞到井底。超深井設備除解決卡瓦壓碎、較大的提升能力，以及輕質高強度鑽桿等問題外，地表的驅動難以通過鑽柱傳遞到井底也是一大問題。

在超深井工況下，原本剛性的鑽柱不再是剛體，而為彈性體，在軸向載荷的作用下產生軸向振動，而面對地表轉盤或頂驅的驅動使鑽柱成為扭簧，同時，鑽柱與井壁也會產生巨大的摩阻，地表的驅動能量在扭簧和摩阻的雙重消耗下難以到達井底，且產生較大的鑽頭動作延遲。

1.1.2 井底高溫高壓環境

一般情況下，隨著井深的增加，工作量大、施工時間長，井底逐漸出現高溫、高壓、出現氣體、腐蝕等問題，嚴重影響了鑽探與鑽井施工的進行。主要容易發生的問題如下：高溫下橡膠件、密封件出現高溫脫硫或高溫碳化、老化失效；高溫下管柱的溫度效應顯著，伸縮變形量大，發生應力斷裂；高壓下井下工具發生變形、破裂、斷裂；管柱受高壓作用及壓力波動的影響，發生漏失和脫扣；氣體侵入泥漿，壓縮性變強，改變密度，鑽井時引起循環井漏、停泵溢流，也容易造成井噴；高溫高壓下泥漿密度發生變化，處理不當，易引起失控；泥漿密度高、機械轉速低，造成套管磨損嚴重；高壓容易造成泄露，或者控制不當使套管憋爆。

因此，超深井井底的高溫高壓環境對深入孔底的鑽具（包括鑽頭、動力鑽具、鑽柱及其他部件）、泥漿、孔壁的穩定性與鑽孔安全等產生巨大的影響，對動力鑽具，其部件中含有的橡膠件和非金屬件將在高溫下產生嚴重的變形和損壞，高壓工況也會對動力鑽具局部部件的密封和強度產生較大影響。

㈡ 國內超深井井身結構的調研分析

我國超深井主要採用的井身結構為：Φ660.4 mm（Φ）、Φ444.5 mm（Φ339.7mm）、Φ311.15 mm（Φ244.5mm）、Φ215.9 mm（Φ177.8mm）、Φ149.2mm（Φ127mm）。

該套管結構包括5層套管：導管、表層套管、兩層技術套管和一層目的層尾管。鑽井實踐證明，在地質條件不復雜的地區該井身結構是適用的，但在復雜地質條件下，該井身結構及套管序列存在一定的局限性，不能完全滿足復雜地層超深井鑽井、完井要求。不足之處包括：

1）套管層次的限制。超深井地質條件復雜，井下存在多套壓力系統、高溫、高壓、井漏等復雜情況及其他不確定因素。而我國目前鑽井施工過程中普遍採用的套管程序中只具有兩層技術套管，可以封隔兩套不同壓力系統的地層，在遇到上述更多不同壓力系統的地層或復雜情況時，不得不提前下入套管，這不但給後期施工帶來較大風險，不能鑽達目的層，而且還會影響後期的完井和採油作業。如西部新區的董 1 井、庄 1 井和中石油施工的盆 2 井，都是因為出現上述情況被迫提前完鑽。

2）完井套管尺寸及環空間隙小。目前，我國超深井進行井身結構設計，普遍採用在Φ149.2mm的井眼內下入Φ127mm的套管，接箍處間隙小，只有 4.0mm。套管與井眼的間隙小，再加上井下復雜，下套管時常常發生遇阻現象。

3）復雜條件下超深井採用小尺寸井眼完井不利於鑽井、固井施工。超深井鑽井施工中，井身結構為滿足地質加深、取心等作業的要求，需要預留一級。特別是在深部地層鑽井施工危險性相對較大的情況下，鑽井施工也盡量要求使用Φ212.7mm～Φ241.3mm 的鑽頭，這樣可以採用 Φ127.0mm 的鑽桿鑽進，以減少鑽具事故的發生。但是，目前國內超深井施工中，普遍採用小尺寸鑽頭鑽進，下入 Φ127.0mm的尾管完井，這種井身結構下的小井眼不利於井下作業，也不利於安全鑽井。如中石化西北分公司的庫 1 井就存在該問題，未鑽到 K₁kp的底砂岩段被迫提前完鑽。

針對常規井身結構出現的實際問題，國內一些施工單位逐步採用了一些非常規井身結構。例如針對川東北地區地層特點，井身結構優化設計時，預留一層套管，形成以 Ф273.1mm 套管為主要技術套管的井身結構系列，並逐步應用於實踐，取得了較好的效果。

國內超深井常用井身結構見表4.2。

表4.2 國內超深井井身結構統計

續表

㈢ 什麼屬於超深井

你好~

現階段一般是指井（孔）深超過6 000～8 000米的鑽井

㈣ 國外超深井井身結構的調研分析

國外在施工超深井時，在設計井身結構與套管程序時，通常留有足夠的餘地，其超深井井身結構設計具有以下特點。

（1）導管和表層套管尺寸大

國外超深井鑽井常採用較大直徑鑽頭開孔，下入大尺寸導管和表層套管。大多數都採用較大尺寸的導管來封隔疏鬆表層，常用的導管尺寸范圍 Φ508mm～Φ1219.2mm。

上部井眼採用大尺寸套管結構的優點：

1）可以使用多層技術套管封隔多套不同壓力體系的復雜地層，確保安全鑽井。

2）給下部井段鑽頭及套管的選擇留有充分的餘地，在鑽遇井下復雜情況時有調整的空間。

3）下部井眼可採用較大尺寸鑽頭鑽進，有利於優化鑽井、打撈落魚、下套管固井施工及取心作業等。

採用大尺寸導管和表層套管的缺點是套管費用和鑽頭費用相對比較高。但國外鑽井實踐證明，在下入較大尺寸的導管和表層套管時，通常不會明顯增加綜合成本，這些費用在以後，特別是在較深部井眼的作業中能得到補償並受益若干倍。

（2）最終井眼尺寸較大

國外超深井完井常採用較大井眼尺寸。如得克薩斯 Magoun 1 井等最終井眼尺寸都為 Φ215.9mm，下入 Φ177.8mm 套管或尾管完井。

完井時採用較大井眼尺寸（Φ215.9mm 或更大）具有以下幾個顯著的優點：

1）全井均可使用 Φ127mm 或更大尺寸鑽桿鑽進，鑽井參數優化空間較大，鑽具事故大大減少。

2）有利於取心、打撈和生產測試等作業。

3）在鑽遇井下復雜情況時有調整的餘地。

（3）採用隨鑽擴眼、下入無接箍套管等技術增加套管層數

在有多個壓力系統存在的復雜地質條件下，保證鑽到目的層的基本手段是增多下入套管柱的層數，以封隔不同的壓力系統。但是，受地質條件、地面設備、管材及鑽井成本等限制，有時不能下入較大直徑的套管完井，因此，靠增大套管尺寸來增多套管柱層次的方法有時行不通。在這種情況下，國外在復雜深井超深井鑽井中，經常採用下入無接箍套管縮小相鄰套管柱間隙的辦法，達到增多下入的套管柱層數的目的。應用最多的典型方案：

1）在 Φ339.7mm和Φ244.5mm套管柱之間增下一層Φ298.45mm的無接箍中間尾管，使用 Φ241.3mm×Φ311.15mm×Φ355.6mm 偏心鑽頭鑽進 Φ298.45mm 套管井段，用Φ250.8mm×Φ311.15mm 偏心鑽頭鑽 Φ244.5mm 套管井段。

2）在 Φ244.5mm 和 Φ139.7mm 之間增下一層 Φ193.7mm 無接箍中間尾管。既增加了套管柱層數，又避免使用更大直徑的套管，大大降低了鑽井作業風險和成本。

（4）採用較小的套管/井眼間隙，縮小上部井眼，增大下部井眼。

鑽井實踐已證明，Φ212.7mm～Φ241.3mm 直徑是最理想的鑽頭尺寸。理由如下：

1）鑽頭的軸承相對較大，鑽頭壽命長。

2）可以使用標准鑽具組合提供足夠的鑽壓，獲得滿意的機械鑽速。

3）鑽柱與井眼之間的環空間隙比較合理，有利於提高鑽頭水功率和井眼凈化。

4）可以使用常規 Φ127mm 或更大的鑽桿及常用配套工具。

因此，在井身結構設計時，盡可能讓更多的井段使用Φ212.7mm～Φ241.3mm 鑽頭鑽進。

鑽小井眼（Φ152.4mm 以下）的目的之一是降低鑽井成本，但從現場實踐情況看，往往達不到預期的目的。其原因如下：

1）較小的牙輪鑽頭的軸承小，壽命低。

2）小井眼鑽具尺寸小（Φ73mm 或更小些）壁薄，強度低，容易斷。

3）小井眼鑽具組合的內徑小，水力摩阻損失大，鑽頭獲得的水功率小。

基於以上問題的考慮，國外在超深井鑽井中，採用小間隙的套管/井眼尺寸配合。採用較小的套管/井眼間隙配合，可明顯減小上部井眼尺寸和增大最終井眼尺寸，達到降低鑽井成本的目的。表4.1列出了國外通常採用的套管與井眼小間隙的配合關系。

國外井身結構的典型系列：

1）Φ660.4mm、Φ444.5mm、Φ311.1mm、Φ241.3mm、Φ165.1mm。該井身結構在美國西得克薩斯、俄克拉何馬州等地區使用，這種井身結構用Φ273mm 套管代替 Φ244.5mm 套管、Φ193.7mm 套管代替 Φ177.8mm 套管，優點是可在下部井段使用 API 推薦的較大尺寸的鑽頭，套管和井眼之間有合適的間隙。

2）Φ762mm、Φ660.4mm、Φ508mm、Φ406.4、Φ273mm、Φ193.7mm、Φ127mm。美國加利福尼亞州 943-29R 井採用了該井身結構，目的是全井均可使用 Φ127mm 鑽桿及較大尺寸鑽頭鑽進。與上述第一種套管結構相比，用 Φ406.4mm 套管代替 Φ339.7mm套管，使下部井眼的 Φ273.1mm 套管段可以用較大尺寸的鑽頭鑽進，有利於套管下入和提高固井質量；缺點是各層套管相應的鑽頭尺寸都是非標準的。

表4.1 國外常用的套管與井眼小間隙配合關系表

3）Φ762mm、Φ508mm、Φ406.4mm、Φ301.6mm、Φ250.8mm、Φ196.8mm、Φ139.7mm。該井身結構的主要特點是有四層技術套管，可以封隔四套不同壓力系統的地層，缺點是套管與井眼間隙較小，給下套管作業和固井施工增加了難度。

4）Φ914.4mm、Φ762mm、Φ609.6mm、Φ473.1mm、Φ339.7mm、Φ244.5mm、Φ177.8mm、Φ114.3mm。該井身結構的特點是套管層次多、套管尺寸大，可封隔多個復雜地層。沙特庫夫井採用該井身結構，成功封隔6個潛在漏失層和一個異常高壓水層，實現安全鑽井。

5）Φ609.6mm、Φ406.4mm、Φ339.7mm、Φ244.5mm、Φ193.7mm。德國 KTB 井採用該井身結構方案，有3層技術套管，可封隔3套復雜地層，且完鑽井眼較大，可以用 Φ215.9mm 鑽頭、Φ127mm 鑽桿鑽進。該井身結構的優點是預留一層套管；缺點是套管與井眼之間的間隙比較小。

㈤ 國內外科學鑽探及超深井取心現狀

1.1.1 科拉3井取心技術

前蘇聯在深部地質研究中十分重視科學深鑽的作用，執行了世界上最龐大的科學鑽探計劃，開鑽的6000m以上超深井就有10口左右，其中位於科拉半島的SG-3井以12262m的深度雄居世界深井之冠。因此，SG-3井是我國實施13000m科學超深井最具參考價值的科學鑽探井，其所獲得的地層信息和取心方法均值得我們借鑒。

1.1.1.1 鑽進碎岩方法

前蘇聯4000m以上科學鑽井的終孔直徑一般設計為216mm。該直徑進行取心鑽進屬於大直徑取心鑽進，採用的主要鑽進工具是牙輪鑽頭。在科拉、烏拉爾和薩阿特累超深井鑽進中，都進行過各種金剛石鑽頭與牙輪鑽頭使用的對比試驗，因為當時金剛石鑽頭技術水平尚差，結果證明後者為佳。如在烏拉爾超深井中，斯拉烏季契（一種金剛石燒結體）鑽頭的鑽進效率為0.2～0.3m/h、壽命30m；表鑲金剛石鑽頭效果更差；牙輪取心鑽頭的鑽進效率為1～1.5m/h、壽命為7～10m，已滿足一般回次長度的要求（8m左右）。

在SG-3井的片麻岩、角閃岩和花崗岩混合岩層中，採用216×60mm牙輪取心鑽頭的使用效果如下：1217個取心回次的平均鑽速為1.8m/h、平均回次進尺為7.6m，但用牙輪鑽頭取心對岩心採取率有非常不利的影響，雖採用「水力輸送岩心取樣器」大大減輕了此種影響，全孔岩心採取率也僅為40%。

1.1.1.2 回收岩心方式和取心工具

SG-3井施工盡管幾乎是全井取心，也還是通過提鑽回收岩心，沒有採用繩索取心，原因如下：①牙輪鑽頭的壽命只有10m左右，採用「水力輸送岩心取樣器」回次進尺可達8m左右，故採用繩索取心已無意義和必要；②採用繩索取心鑽進，岩心易堵塞，回次進尺長度僅能達到3～5m；③「水力輸送岩心取樣器」的岩心採取率要優於繩索取心。

1.1.1.3 水力輸送岩心取樣器

在結晶岩的構造應力帶，岩石破碎嚴重。尤其在超深井段，地應力釋放導致岩心片化，使岩心變成薄片和碎塊，因此，結晶岩超深井的取心是一大技術難題。加上牙輪鑽頭的取心效果本來就差，故一般的取心鑽具用於此種場合時岩心採取率非常低。通過逐步摸索和反復實踐，前蘇聯研製了一種「水力輸送岩心取樣器」，它可使鑽井液在井底實現局部反循環，促進岩心上行，將岩心輸送到一個下端封閉的岩心容納室中，進入此室中的岩心在提鑽過程中肯定不會脫落。該取心系統型號為MAT，已成系列，經改進、完善後效果很好，已在其他超深井施工中推廣使用。

1.1.2 中國大陸科學鑽探工程科鑽一井

CCSD-1井是我國實施最深的科學鑽探井，也是近期國際大陸科學鑽探實施的最深井，是在超高壓變質帶結晶岩地層中實施的全孔取心鑽探井。運用了螺桿馬達+液動錘驅動金剛石鑽頭回轉沖擊鑽進技術，該技術在堅硬結晶岩地層中取得了巨大成功，是我國現代取心鑽進技術水平的體現，這為實施13000m科學超深井奠定了技術基礎。

1.1.2.1 取心鑽頭的選擇

在硬岩中進行取心鑽進，可以選擇牙輪取心鑽頭或金剛石取心鑽頭。由於牙輪鑽頭與金剛石鑽頭在井底的運動特性各異，金剛石鑽頭鑽取的岩心質量較牙輪鑽頭好很多。

中空牙輪取心鑽頭在井底回轉破碎岩石時，其牙輪既繞鑽頭軸線公轉，又繞牙輪軸線自轉。由於鑽頭中心必須留有空間讓岩心通過，其牙輪的錐頂不可能布置在其公轉中心，因此，牙輪齒在井底岩石表面產生滾動的同時，還產生滑動。牙輪沿井底旋轉滾動時，當牙輪雙排齒接觸井底岩石時，牙輪的軸心位置最低；而當滾動到單排齒接觸井底時，牙輪的軸心便升到最高位置。牙輪在滾動過程中，軸心從最低位置到最高位置，又從最高位置到最低位置，如此反復交替，從而產生縱向振動。因此牙輪在自轉、公轉、滑動、軸向振動的復合作用下，產生滾動、滑動和沖擊振動，沖擊、壓碎、剪切、切削岩石。由於牙輪在孔底的滑動與振動，使得鑽取的岩心表面粗糙，即使在完整的岩層，岩心也很破碎，取心質量較差、採取率低。

金剛石鑽頭，特別是孕鑲金剛石鑽頭，由於其切削刃粒度小，切入岩石的深度有限，當其在孔底回轉時，不會像牙輪鑽頭那樣因切削工具本身的運動而產生振動。而且，鑽頭在高速旋轉時，會產生陀螺效應。因此金剛石鑽頭在井底轉動時，比牙輪鑽頭要穩定得多，因而所鑽取的岩心表面光滑、連續，岩心完整，取心質量好。

綜上所述，從岩心採取率和岩心質量考慮，為更好地滿足科學鑽探井的地學研究，CCSD-1井選擇了金剛石鑽頭取心鑽進。

1.1.2.2 岩心打撈方式的選擇

岩心打撈方式主要從繩索取心和提鑽取心中選擇。經過技術經濟的理論分析，如鑽頭壽命能遠大於提鑽取心回次進尺長度，則繩索取心當屬首選。但是，由於德國進口的繩索取心鑽桿存在嚴重質量問題，不得不採用了金剛石鑽頭提鑽取心鑽進方式。

1.1.2.3 取心鑽進方法的選擇

金剛石鑽頭線速度要求達到2m/s，故Φ157mm鑽頭的轉速需達243r/min。顯然，石油鑽機的轉盤轉速不能滿足金剛石鑽頭提鑽取心鑽進對轉速的要求。要提高轉速，解決的辦法有兩種：一是加裝高速頂部驅動系統，二是配備高速井底馬達。

井底馬達驅動方式具有能耗低，對井壁的擾動小的優點，因此，CCSD-1井採取了井底螺桿馬達驅動方式。但是，Φ157mm鑽孔直徑限制了螺桿馬達的直徑不能太大，因而其輸出功率受到限制。加之金剛石鑽進要求鑽頭轉速高，要滿足轉速的要求，螺桿馬達的輸出扭矩必然受到限制。要確保鑽井施工的正常進行，首先必須保證鑽頭能夠正常地回轉，這就意味著要犧牲一定的鑽壓。鑽壓的減少，必然導致鑽速的降低。為此，CCSD-1井在取心鑽具組合中加入了一套液動錘，在鑽頭上施加沖擊，使得鑽進時所需的鑽壓大大減少，施加的鑽壓只要能足以克服井底鑽具的反彈即可，破碎岩石主要依靠液動錘產生的沖擊力。

CCSD-1井取心鑽進總進尺5004.95m，其中使用螺桿馬達驅動的沖擊回轉金剛石鑽頭取心鑽進4042.73m，佔取心鑽進總進尺的80.770%，平均機械鑽速為1.134m/h，平均回次長度6.34m，平均岩心採取率達85.45%。結果表明，螺桿馬達+液動錘驅動的沖擊回轉取心鑽進方法，不僅能大大節省能源、減少鑽桿磨損，而且鑽進效率高，回次進尺長。

1.1.3 塔深1井超深井取心技術

塔深1井完井井深8408m，是中石化重點超深井，目的是為加快塔河油田油氣勘探步伐，探索下古生界寒武系大型建隆圈閉的含油氣性，實現新領域的導向性突破，從而完成「塔河之下找塔河」的油氣勘探目標。為了解目的層物性資料和儲層發育情況，該井設計了4段目的層取心。由於該井超深，且取心井段在該井側鑽後長斜裸眼中，岩性以白雲岩為主，裂縫發育、地層極破碎，取心施工難度非常大，雖取心段短，也遇到一些在超深井取心中的工藝技術難點。該井在超深井段取心總進尺18.70m，平均取心收獲率78.8%，取心深度達到8408m，為我國實施科學超深井提供了寶貴的經驗。

1.1.3.1 取心技術難點

除井超深，鑽具柔性強等超深井都將面臨的難題外，取心井段在該井側鑽後斜裸眼中（井斜6°～25°），斜裸眼段長（6859～8408m），取心段岩性為粉晶和微晶白雲岩，裂縫發育，岩性破碎（圖1.1）。因此，該井取心技術難點一是破碎岩心造成堵（卡）心，二是鑽具在超深、井斜井眼內失穩。在井斜14°～25°，側鑽後裸眼長600～1550m井段，取心鑽具穩定性非常差，失穩狀態下將造成鑽頭一側承受過大鑽壓，其受過壓部分的切削齒就會因超載和冷卻不良，過早磨損，甚至過燒，同時也造成鑽頭的旋轉中心偏離幾何中心的情況間歇發生，取心鑽頭未達到良好的工作狀態導致採取率降低，第3、4、5回次岩心採取率僅40.7%～71.6%。

圖1.1 高角度裂隙發育的岩心

1.1.3.2 取心鑽進方案措施

採用了川5-5型取心鑽具，取心鑽頭直徑Φ149mm。研究採用了精確的雙流道設計和低侵蝕聚晶金剛石鑽頭，有效地降低鑽頭底部沖刷岩心的流速，減小了鑽井液對破碎岩心的沖蝕。驅動方式採用地表轉盤單回轉，因此，雖地層可鑽性級別不高，機械鑽速也僅在1m/h左右，且至最後一回次（井深8408m）時，鑽速降至0.74m/h。

1.1.4 其他科學鑽探工程

1.1.4.1 德國KTB計劃主孔

KTB計劃主孔於1990年10月6日至1994年10月12日完成（9101m）施工。鑽孔剖面的主要岩石為片麻岩、角閃片麻岩、角閃岩、變質的輝長岩和大理岩等。主孔在4000m以淺不取心，但連續採取了岩屑樣品。4000m以深使用牙輪鑽頭和金剛石鑽頭僅累計取心83.34m，且8085.1m以深後期因技術問題未取心。深部、超深部取心比例小成為KTB計劃的一大遺憾。

1.1.4.2 松科一井（主井）

位於大慶油田的SK-1井，是國家「973」計劃項目「白堊系地球表層系統重大地質事件與溫室氣候變化」的所屬工程，是國際大陸科學鑽探計劃框架下的全球首例陸相白堊系科學鑽探工程。其科學目標之一，是通過厘米級樣品的取樣與分析，建立全球范圍內可對比的陸相白堊系綜合剖面，將傳統地質學的百萬年時間解析度提高到萬年尺度，使地質學研究能夠為預測未來全球環境變化提供更多的科學依據，因此，高質量地採取需研究地層的岩心實物，對該項目極為重要。

SK-1井（主井）完鑽井深1810m，164.77～1729m連續取心，鑽遇了鬆散砂岩、水敏泥岩、疏鬆砂岩、弱膠結礫岩、緻密泥頁岩等沉積岩地層。沿用的是CCSD-1井研製的KT140取心鑽具。為克服鬆散地層採取率低，軟泥岩地層泥包、抽吸作用，地層頻繁穿插變化，緻密地層機械鑽速低等困難，研發與選用硬質合金、PDC鑽頭、孕鑲金剛石3類多種結構形式的鑽頭和2種隔液保形單動雙管取心鑽具，採用轉盤單回轉與螺桿馬達+轉盤復合回轉鑽進工藝，取得了一系列沉積岩地層取心鑽進的成果。

1.1.4.3 WFSD工程

汶川地震斷裂帶科學鑽探工程（WFSD）的主要實施目的之一是連續獲取岩心，供地學研究地震斷裂發震機理。龍門山斷裂帶歷史上經歷了多次地震，地層主要是極其破碎，並含有部分極鬆散無膠結地層、強水敏性斷層泥岩地層。因此，如何在極破碎、鬆散地層中高效、優質地取心鑽進是WFSD鑽探施工的關鍵技術。針對WFSD工程復雜地層條件，採用了隔液、半隔液取心鑽進結構、半合管無損出心、轉盤+螺桿鑽復合回轉鑽進、轉盤+螺桿鑽+液動錘復合回轉沖擊鑽進等有效的技術手段。

WFSD工程取心鑽進所遇的最大難題是，幾個子工程均全孔破碎，堵（卡）心嚴重，這導致工程平均回次進尺短，雖採用了隔液、半隔液的鑽進結構，孔底動力驅動穩定取心鑽具等措施，平均回次仍難達到3m。岩心的原狀性對地震科學鑽探和環境科學鑽探都極其重要，SK-1井研發了水力出心裝置，WFSD工程採用了半合管技術，很好的確保的岩心的原狀出管。項目組在半合管加工工藝上不斷地突破，將半合管長度從最初的1.5～2m加長至6m。

1.1.5 超深井取心技術難點分析

分析以上國、內外已實施的科學鑽探井和石油天然氣鑽井的超深井取心，實施13000m科學超深井，取心鑽進所面臨的主要難點是：高強度、剛度、穩定性和單動可靠性高的取心鑽具及配套的取心鑽頭、擴孔器的設計；6000m以淺沉積岩地層的多變性，即存在難取心地層、又存在難鑽進地層；6000m以深結晶岩地層主要是如何實現快速、長回次的取心鑽進，解決超深部因應力釋放導致的破碎、片化地層堵（卡）心。

1.1.5.1 取心鑽具設計

超深部取心鑽進是在高溫、高圍壓、地應力釋放強烈的條件下進行，擬由地表與加沖擊器的孔底動力機聯合驅動。強度高、剛度、穩定性和單動可靠性好的取心鑽具及配套的鑽頭、擴孔器的結構設計，是安全、高效地滿足地學研究要求的岩心採取率與岩心質量的前提。在超深部取心，我國即沒有成熟的經驗，也無法模擬其惡劣的工況，各種形式的鑽具失效均有發生的可能。

高溫、高壓不僅是鑽井液、孔底動力鑽具使用的不利因素，也制約著取心鑽具單動結構的設計。單動雙管（或三管保形）取心鑽具是滿足科學鑽探岩心採取率及原狀性高要求的最佳選擇，而現有的單動結構多採用了密封軸承結構，在深孔高溫、高壓的惡劣工況下極易失效。

取心鑽具管材的選型決定鑽頭的環狀碎岩面積，這將直接影響取心鑽進效率。大壁厚的管材固然能增強鑽具的強度、剛度及穩定性，但也犧牲了機械鑽速，反之，薄壁鑽頭取心則安全度降低。石油天然氣鑽井因取心少，較少考慮提高取心鑽進機械鑽速；地質岩心鑽探以取心鑽進為主，多使用薄壁金剛石鑽進技術，以盡可能提高機械鑽速以達到較好的經濟效益。如何兼顧安全性和經濟性，是超深井取心鑽具設計的難點。

1.1.5.2 沉積岩地層取心技術

科學鑽探多在構造帶等地學意義重大的區域實施，地表手段難以准確預測將鑽穿的地層。從國內、外來已實施的科學鑽探工程來看看，都鑽遇了多種復雜地層和不同類型的難鑽進地層。13000m科學超深井按中、深部以淺井段（≤6000m）為沉積岩地層，超深井段（＞6000m）為結晶岩地層考慮。不同地層都須有相適應的取心鑽具、配套的取心鑽頭及相應的技術方法。

實施科學超深井是一項長期、高耗的系統工程，沉積岩地層鑽探是其第一階段，快速、高質量地完成6000m以淺沉積岩地層鑽探任務，可為超深部施工提供良好的井眼條件和自信心，也為系統工程節約大量的時間、經濟成本。我國已實施的SK-1井便是在淺層沉積岩地層實施的環境科學鑽探工程，石油天然氣鑽井也幾乎都是在沉積岩中完成，從經驗來看，在沉積岩地層取心鑽進，其難點主要為：

1）軟泥岩鑽頭易泥包、岩心膨脹，機械鑽速低、易膨脹堵心；

2）緻密泥頁岩中合金、PDC切削碎岩難以實現，其極低的研磨性和一定的塑性又致使磨削方式鑽頭打滑，鑽進效率低；

3）塑性軟泥岩中卡簧易失效，加上提鑽過程中強大的抽吸作用，易出心岩心整體或部分被拉出的情況。

受制於取心鑽頭結構和保護岩心的要求，取心鑽進不能像石油天然氣鑽井一樣採用水力碎岩方式和大鑽壓鑽進，所以，須設計適應深孔沉積岩地層的取心鑽具及配套的高效取心鑽頭。

1.1.5.3 結晶岩地層取心技術

結晶岩地層技術難點主要是兩方面：一方面是地層可鑽性級別很高；另一方面是超深部應力釋放導致的岩石片化、碎化。

我國已在CCSD-1井中成功的探索出了螺桿馬達+液動錘孔底動力聯合驅動取心鑽進系統，但在高溫、高壓的超深井段，尚無成功經驗。在超深井段，螺桿馬達和液動錘的橡膠件都易在高溫、高壓環境中失效，僅能使用無橡膠件的渦輪馬達高速回轉驅動金剛石取心鑽頭。所以，在超深部結晶岩地層快速、安全地取心鑽進是科學超深井面對的重大挑戰。

SG-3井、塔深1井經驗表明，在深井的構造應力帶，岩石破碎嚴重，尤其在超深井段，地應力釋放導致岩心片化，使岩心變成薄片和碎塊。即使在淺層破碎地層取心，堵心仍是目前難以解決的取心技術難題。由此可見，超深部井段結晶岩破碎地層取心是最大的技術難題之一。

1）取心鑽頭和鑽具的旋轉和振動，對本就破碎岩心有破壞作用，使其難以成柱狀順利進入鑽具內腔；

2）鑽進液對破碎岩心的沖蝕，會造成小顆粒的損失、破壞岩心的原狀性、降低採取率；

3）破碎岩心承載能力小，隨著進入內管岩心長度的增加，入管阻力在內管壁摩擦力和岩心自重的雙重阻力下逐漸增大，最終阻止岩心入管，造成採取率下降和回次進尺減少；

4）出心時，岩心受力狀態變化，強烈釋放的地應力使岩心進一步碎裂，阻礙岩心順利出管，原狀性易被破壞。

以上因素都會降低超深部地層岩心採取率、破壞岩心原狀性、降低取心鑽進效率。實施13000m超深井取心鑽進，回次進尺之於取心鑽進效率尤為重要，而深部地層堵心制約著回次進尺，這將隨著取心鑽進比率的增加，成為影響鑽井周期的關鍵因素。

㈥ 超深井鑽機

超深井由於其建井、鑽井和完井時間都比較長，而且普遍存在地層結構復雜的問題，因此對鑽井設備的要求是：①可靠性高；②過載能力大，能夠及時處理井下事故；③同時超深井鑽井還有一個特殊性，就是起下鑽所用的時間在整個鑽井過程中所佔的比重非常大，因此鑽井效率也是考核鑽機的一個非常重要的指標。

1.1.1 國外超深井鑽機技術現狀

為了適應勘探開發更深地層油氣藏的需要，深井石油鑽機趨向大型化，要求功率大、性能好、自動化程度高，可滿足和適應深井鑽井的多種需要。鑽機鑽深能力已達15000m，最大鉤載達12500kN。為了提高起升工作效率，絞車功率有進一步提高的趨勢，功率5220kW的絞車已經問世。另外，國外開始將交流變頻技術應用於大型超深井鑽機。

目前，美國鑽機技術水平代表著國際上石油鑽機的最高水平，其中以National Oilwell Varco公司為代表，其主要特點是：①鑽機趨向大型化、結構型式多樣化。如絞車功率可達4477kW，鑽井深度可達15000m，泥漿泵的水馬力達2350kW，車裝式、拖掛式、橇裝模塊式種類齊全。②電氣傳動技術的進步使得傳動更加簡單，特別是廣泛使用了交流變頻驅動技術。已開發出Wirth和Varco ADS齒輪傳動單軸絞車，還可以使用主電機能耗制動取代輔助剎車。③新型的一體化旋升式井架和底座、多節自升式井架的起放更安全，使鑽機在鑽井過程中更穩定，佔用井場面積更小。④盤式剎車、頂部驅動鑽井裝置、立根自動排放機構、鐵鑽工裝置的使用，使鑽井智能化、自動化成為現實，使科學鑽井成為可能。⑤鑽機移運性能不斷提高，快速搬遷能力成為鑽機的關鍵競爭力。⑥注重以人為本，更加適應HSE要求。

挪威MH公司研究開發Ramrig液壓驅動石油鑽機，鑽深15000m，額定載荷為9800kN。此外，前蘇聯烏拉爾重型機器製造廠、加拿大公司和德國德馬克公司等均生產了鑽井深度大於12000m的超深井鑽機。

（1）美國NOV公司（National Oilwell Varco，國民油井瓦科公司）

早年生產的超深井鑽機主要是直流電驅動，其代表產品主要有E3000/E3000-UDBE及4000-UDBE型，絞車功率分別為2237kW和2983kW，名義最大鑽深分別可達9144m和12192m，為內變速多速絞車，主剎車有帶式剎車和液壓盤式剎車，輔助剎車均為電磁渦流剎車。由於受直流調速范圍的限制及大功率鏈傳動的結構限制，這種內變速多速絞車的發展有一定的局限性。隨著交流變頻技術的發展，大功率變頻調速技術的成功應用，超深井鑽機目前以交流變頻驅動為主。

目前，美國NOV公司超深井鑽機配置的絞車有單速和雙速，基本都是齒輪傳動，絞車功率為2983～5220kW，各個級別都有產品，主剎車採用的是主電動機能耗剎車，輔助剎車採用的是液壓盤式剎車；配有 P型和 FC型鑽井泵，功率均為1641kW，壓力51.7MPa；配有的3種轉盤；有7350kN、9800kN的大鉤、水龍頭（工作壓力51.7MPa）。

國內進口有多台E3000型電驅動鑽機，該鑽機的主要技術參數見表1.1（紀人公等，1994）。

表1.1 美國NOV公司E3000型鑽機基本參數

（2）美國Rowan公司

美國Rowan公司是一家生產製造大型鑽井平台、特深井陸地鑽機和海洋陸地鑽井服務的上市公司，已生產製造了9 台 9000m和 3 台 12000m陸地特深井鑽機，改造了12000m鑽機2台。中國石化集團公司決定從Rowan公司購買一台12000m鑽機，鑽機基本參數見表1.2（孟祥卿等，2006）。

表1.2 美國Rowan公司12000m鑽機基本參數

（3）前蘇聯的烏拉爾機械-15000型鑽機

前蘇聯科拉超深井（СГ-3）於1970年5月開始鑽進，其目的任務：①研究科拉半島地區波羅的地盾太古宙結晶基底和含鎳的貝辰加雜岩的深部結構，查明包括成礦作用在內的地質作用的特點；②查明大陸地殼內地震界面的地質性質並取得有關地球內部熱狀態、深部水溶液和氣體的新資料；③獲得最充分的有關岩石物質成分及其物理狀態的信息，揭露和研究地殼花崗岩層和玄武岩層之間的邊界帶；④完善現有的和創立新的超深鑽進的技術和工藝，以及深部岩石和礦石的綜合地球物理研究方法（E.A.科茲洛夫斯基，1989）。

СГ-3井使用渦輪馬達和鋁合金鑽桿，進行超前孔裸眼鑽進，第一階段鑽進至7263m井深，採用烏拉爾機械-4З鑽機（表1.3），第二階段從7263m開始採用烏拉爾機械-15000鑽機（表1.3）。

表1.3 科拉超深井的鑽機技術參數

（4）德國的UTB-1型KTB鑽機

聯邦德國大陸深鑽計劃（KTB）是德國第一個國家的大規模地學研究計劃，以超深孔的施工為中心，達到「進行關於地殼較深部位的物理、化學狀態和過程的基礎調查和評價，以了解內陸地殼的結構、成分、動力學和演變」的目的。KTB主孔（設計深度14000m）的鑽機的研製、建造和操作運行是由UTB ULTRATIEF鑽探股份公司來完成的，該公司由德國深鑽有限公司（DEUTAG）、德國建井與深鑽有限公司（DST）和國際深鑽有限公司（ITAG）組成，鑽機的主要技術參數見表1.4。

表1.4 UTB-1型KTB鑽機技術參數

（5）德國Herrenknecht GmbH公司的InnovaRig鑽機

2007年德國Herrenknecht GmbH公司研製了深部鑽進和取心鑽機InnovaRig（圖1.1），該鑽機的主要技術參數如表1.5。

圖1.1 InnovaRig鑽機

表1.5 InnovaRig鑽機技術參數

1.1.2 國內超深井鑽機技術現狀

經過50年的努力，特別是改革開放後20多年的發展，目前國產石油鑽機已形成了比較完整的系列，在品種和質量上基本能夠滿足在國內不同地區、不同井深和不同環境條件下進行油氣資源勘探開發的需要。近年來，還有相當數量的國產鑽機在國外承擔鑽井服務和國內的反承包鑽井服務。從鑽機設備製造來看，近幾年已開發和生產了1000～7000m機械驅動鑽機，機電復合驅動鑽機和整拖式、輪式半拖掛整體移運式鑽機，研製生產了4000～7000m各種型號直流電驅動鑽機、交流變頻電驅動鑽機和3000m以下各種車裝及橇裝鑽機。鑽機製造廠家有寶雞石油機械有限責任公司、蘭州蘭石國民油井石油工程有限公司、四川宏華石油設備有限公司、河南中原總機廠石油設備有限公司、南陽石油機械廠、中國石化集團江漢石油管理局第四石油機械廠、上海三高石油設備有限公司、勝利油田石油機械廠等。在借鑒國外先進技術的基礎上，我國又相繼開發和應用了絞車液壓盤式剎車系統，集中控制司鑽房、組合式液壓站、全液壓套管扶正機、液壓貓頭、液壓絞車、各種型式的井口吊裝裝置，數顯防碰裝置、大功率柴油機、液力偶合器正車箱、直流電機、變頻電機等項新技術和新裝置。與此同時，各製造廠又結合國際市場的需要，在鑽機滿足要求方面也採取了新的措施，並在鑽井機械化、智能化方面取得了新的進展，從而使國產鑽機的設計、製造、配套技術和鑽機整機質量有了明顯的提高，大大縮短了與國外先進鑽機的差距，取得了顯著的成績（華偉棠，2005）。

超深井鑽機技術在國內近幾年才開始研究，2004年由蘭州蘭石國民油井石油工程有限公司和美國國民油井公司共同研製的9000m直流電驅動鑽機在科威特成套交貨，盡管關鍵件的總體設計和生產製造由美國國民油井公司掌握，但這也是我國在超深井鑽機研製方面邁出的第一步。國內由寶雞石油機械有限責任公司2005年自主研發的首台9000交流變頻電驅動鑽機目前正在油田進行工業性試驗。盡管該項目早在2001年就在國家經貿委立項，但由於受大功率變頻控制技術的成熟度和大功率齒輪傳動絞車可靠性等因素的影響，長期沒有明確的用戶，為此寶石機械公司進行了7000m交流變頻電驅動、齒輪傳動絞車鑽機的研製，2003年7月完成工業性試驗，為大功率交流變頻技術的應用以及自動送鑽技術的應用積累了一定的經驗。隨後，各個油田也看到了交流變頻技術的優勢，5000m、7000m交流變頻電驅動鑽機在國內市場的銷量大幅增長。隨著國際市場油價的升高，國內高難度井開采量的加大，超深井鑽機的需求也突現。2004年年底中國石油集團公司組織行業專家對方案進行了評審，同時將9000m交流變頻電驅動鑽機列為集團公司2005年重點科研項目，至此，9000m交流變頻電驅動鑽機的研發正式進入實施階段（羅超等，2007）。

目前，國內研製製造超深井鑽機的廠家有寶雞石油機械有限責任公司、蘭州蘭石國民油井石油工程有限公司、四川宏華石油設備有限公司和上海三高石油設備有限公司等。

1.1.2.1 寶雞石油機械有限責任公司

研製的ZJ90/6750DB超深井鑽機（圖1.2；表1.6）於2006年8月13日在新疆油田准噶爾盆地腹部莫索灣的莫深1井（設計井深7380m）開鑽使用，一開井徑Φ660.4mm。2006年11月22日二開以4463m井深完鑽，井徑Φ444.5mm；2006年12月1日，順利下入5000kN重、Φ339.7mm的技術套管4462.02m，一次性成功注入固井水泥300t。2007年3月以Φ311.1mm井徑三開開鑽，2007年7月24日以6406m井深完鑽；2007年7月26日，順利下入5106kN重、Φ244.5mm技術套管6403.37m。四開井徑Φ215.9mm，2007年11月23日順利鑽至設計井深7380m並繼續鑽進，最後莫深1井加深到7600m。

圖1.2 施工莫深1井的ZJ90/6750DB超深井鑽機

表1.6 寶雞石油機械有限責任公司9000m和12000m鑽機技術參數

12000m鑽機研製被列入國家863計劃，ZJ120/9000DB超深井鑽機的技術參數見表1.6，2007年11日出廠，在川科1井三開以後投入使用。川科1井位於川西坳陷孝泉構造（四川德陽市孝德鎮東利村1組），設計井深8875m，採用五開井身結構，完鑽井眼尺寸Φ215.9mm。2007年3月20日使用7000m鑽機開鑽，一開井徑Φ660.4mm、Φ508mm表層套管下深497.08m。二開井徑Φ444.5mm，2007年9月7日以3200m井深完鑽。二開完鑽後，2008年3月12日三開鑽進使用國產12000m超深井鑽機——ZJ120/9000DB（圖1.3）。

圖1.3 施工川科1井的ZJ120/9000DB超深井鑽機

1.1.2.2 蘭州蘭石國民油井石油工程有限公司

ZJ90/5850DZ直流電驅動鑽機（表1.7）性能特點：

1）採用以柴油機為動力，帶動交流發電機，經可控硅整流，由直流電動機驅動絞車、轉盤和泥漿泵的傳動方式，即AC-SCR-DC傳動。

2）電傳動系統採用全數字式交流模塊和全數字式DC直流模塊。PLC邏輯程序控制、觸摸顯示屏。支持計算機及其列印（運行工況表）功能。電器工程師筆記本電腦和專用軟體進行在線測試。系統具有對柴油機、發電機、SCR系統、直流電動機、斷路器及其他單元進行檢測、故障診斷、保護、運行工況定性和定量的顯示和對系統的控制功能。

3）絞車滾筒開槽；主剎車採用液壓盤式剎車，剎車力矩大，靈敏可靠。

盤剎操作手柄置於司鑽控制房內，改善了司鑽的工作環境，減輕了司鑽的勞動強度；絞車的輔助剎車為電機能耗制動和電磁渦流剎車；絞車配有過卷閥防碰天車裝置與智能游車位置控制系統，防止發生游車「上碰下砸」事故；絞車配有電機自動送鑽裝置，可實現恆鑽壓自動送鑽以及零速度懸停功能。

表1.7 蘭州蘭石國民油井石油工程有限公司9000m鑽機技術參數

4）轉盤獨立驅動裝置由直流電機經兩擋齒輪變速箱驅動轉盤；既可由轉盤電機經鏈條箱驅動轉盤，又可由絞車電機經鏈條傳動驅動轉盤，二者實現互濟，提高了鑽機的可靠性，充分滿足鑽井工藝需要。

5）配備大功率三缸單作用泥漿泵，由窄V帶驅動。

6）「H」型鋼製造的「K」型井架，利用絞車動力整體起升，視野開闊，運輸方便。

7）平行四邊形整體起升式底座，可實現鑽檯面設備和井架低位安裝，利用絞車動力整體起升。

8）鑽機的主要機械部件：天車、游車、大鉤、水龍頭、轉盤、井架、底座均符合API規范，打API會標。

ZJ90/5850DB交流變頻電驅動鑽機（表1.7）性能特點：

1）鑽機採用機、電、數字、通訊一體化設計，應用當代先進成熟的矢量控制技術、交流變頻技術、數字控制技術、匯流排通訊技術。

2）採用先進的全數字交流變頻PLC控制技術，通過觸摸屏及氣、電、液、鑽井參數的一體化設計，實現鑽機智能化司鑽控制。

3）單軸式交流變頻齒輪傳動絞車及速度數字化閉環控制，可合理利用功率，提高鑽井時效。

4）轉盤扭矩和泥漿泵泵壓的數字化限制控制，實現過扭矩或超泵壓保護。

5）智能游車位置控制，防止鑽機發生游車「上碰下砸」事故。

6）絞車主剎車採用電機能耗制動，通過計算機定量控制制動扭矩。

7）採用主電機自動送鑽，實現鑽井給進的自動化；智能化司鑽控制操作系統，使鑽機的操作由技能型變為智能型；鑽機採用網路控制系統，可實現設備信息共享、自動化控制、集中監視、生產管理和設備管理多種功能。

8）鑽台設備低位安裝，與井架一起整體起升。

9）全液壓套管扶正機自動化程度高。

10）鑽機的主要部機採用NOV（美國NOV公司）成熟技術並得到世界驗證。

1.1.2.3 上海三高石油設備有限公司

上海三高石油設備有限公司研製的9000m鑽機技術參數見表1.8。

表1.8 上海三高石油設備有限公司9000m鑽機技術參數

㈦ 請問什麼是：超大規模超深井金屬地下礦山

按照安全監管總局的會議紀要，產量超過1000萬噸，深度超過1200m的地下金屬礦山為超大規模超深井金屬地下礦山

㈧ 超深井為什麼要打直其背後的力學問題是什麼》

如果打斜了，短距離范圍內可能看不出來上部土壓力的作用，但是10m、20m，甚至50m以外，斜井的井壁承受的上部土壓力是很大的，這個對於側壁材料很不利，容易造成局部破壞...

㈨ 石油鑽井中超過多少米的井可以稱為深井

4500-6000米，深井
6000-9000米，超深井
9000米以上，特超深井

㈩ 科拉超深鑽孔是世界上最深的井，其井下黃金成堆，為何卻被當地政府封停

對於這個原因有很多種說法，有說是因為成本太高，收獲小於成本；也有說是因為出現了一些無法解釋的現象，也有說是因為蘇聯那時候的鑽孔技術已經超過了美國，沒有繼續下去的必要了。

我們知道俄羅斯是一個美麗的國家，但是很少人知道在俄羅斯有一口井，這口井是曾經人類鑽的最深的井了，這口井有多深呢？大家知道世界上最高的山峰珠穆朗瑪峰，有八千多米高，而這口井有足足一萬多米深，這口井被稱為科拉超深鑽孔。

還有說是俄羅斯鑽探到了地獄的入口，在俄羅斯鑽探的過程中，鑽井中傳出了奇怪的聲音，像人嚎叫求救的聲音，當時還有研究人員進行了實驗，把一個耐熱的話筒放進去，聽到了像地下的人求救的聲音，這是一種無法解釋的現象，所以停止了這項工程。

還有說是因為蘇聯在鑽孔方面的技術已經超過了美國，所以沒有進行下去的必要了，就停止了。