污水井超深井定义

㈠ 科学超深井难题

科学超深井的主要施工目标位：最大井深13000m；终孔直径≥152mm，岩心直径≥70mm；全孔取心比例为5%；地层初步按照6000m以浅为沉积岩、6000m以深按照结晶岩计算；最高井温为400℃。

超深孔钻探施工面临一系列技术挑战，其中孔底的高温高压环境、细长的钻杆柱-孔壁复合系统是不可避免的难题。由于钻杆柱超长会造成摩阻力和功率损耗巨大，往往会超过钻探设备和钻杆本身的极限能力，地表驱动方式的可行性和可靠性极差，因此，采用孔底动力驱动钻进和取心方法是必然的选择，主要难题及其成因分析如下。

1.1.1 超深井地表设备驱动可靠性差

超深井使用具有较大钩载能力和驱动能力的超深井钻机，其目的是提升具有大载荷的套管和钻柱，并驱动钻柱使地表能量传递到井底。超深井设备除解决卡瓦压碎、较大的提升能力，以及轻质高强度钻杆等问题外，地表的驱动难以通过钻柱传递到井底也是一大问题。

在超深井工况下，原本刚性的钻柱不再是刚体，而为弹性体，在轴向载荷的作用下产生轴向振动，而面对地表转盘或顶驱的驱动使钻柱成为扭簧，同时，钻柱与井壁也会产生巨大的摩阻，地表的驱动能量在扭簧和摩阻的双重消耗下难以到达井底，且产生较大的钻头动作延迟。

1.1.2 井底高温高压环境

一般情况下，随着井深的增加，工作量大、施工时间长，井底逐渐出现高温、高压、出现气体、腐蚀等问题，严重影响了钻探与钻井施工的进行。主要容易发生的问题如下：高温下橡胶件、密封件出现高温脱硫或高温碳化、老化失效；高温下管柱的温度效应显著，伸缩变形量大，发生应力断裂；高压下井下工具发生变形、破裂、断裂；管柱受高压作用及压力波动的影响，发生漏失和脱扣；气体侵入泥浆，压缩性变强，改变密度，钻井时引起循环井漏、停泵溢流，也容易造成井喷；高温高压下泥浆密度发生变化，处理不当，易引起失控；泥浆密度高、机械转速低，造成套管磨损严重；高压容易造成泄露，或者控制不当使套管憋爆。

因此，超深井井底的高温高压环境对深入孔底的钻具（包括钻头、动力钻具、钻柱及其他部件）、泥浆、孔壁的稳定性与钻孔安全等产生巨大的影响，对动力钻具，其部件中含有的橡胶件和非金属件将在高温下产生严重的变形和损坏，高压工况也会对动力钻具局部部件的密封和强度产生较大影响。

㈡ 国内超深井井身结构的调研分析

我国超深井主要采用的井身结构为：Φ660.4 mm（Φ）、Φ444.5 mm（Φ339.7mm）、Φ311.15 mm（Φ244.5mm）、Φ215.9 mm（Φ177.8mm）、Φ149.2mm（Φ127mm）。

该套管结构包括5层套管：导管、表层套管、两层技术套管和一层目的层尾管。钻井实践证明，在地质条件不复杂的地区该井身结构是适用的，但在复杂地质条件下，该井身结构及套管序列存在一定的局限性，不能完全满足复杂地层超深井钻井、完井要求。不足之处包括：

1）套管层次的限制。超深井地质条件复杂，井下存在多套压力系统、高温、高压、井漏等复杂情况及其他不确定因素。而我国目前钻井施工过程中普遍采用的套管程序中只具有两层技术套管，可以封隔两套不同压力系统的地层，在遇到上述更多不同压力系统的地层或复杂情况时，不得不提前下入套管，这不但给后期施工带来较大风险，不能钻达目的层，而且还会影响后期的完井和采油作业。如西部新区的董 1 井、庄 1 井和中石油施工的盆 2 井，都是因为出现上述情况被迫提前完钻。

2）完井套管尺寸及环空间隙小。目前，我国超深井进行井身结构设计，普遍采用在Φ149.2mm的井眼内下入Φ127mm的套管，接箍处间隙小，只有 4.0mm。套管与井眼的间隙小，再加上井下复杂，下套管时常常发生遇阻现象。

3）复杂条件下超深井采用小尺寸井眼完井不利于钻井、固井施工。超深井钻井施工中，井身结构为满足地质加深、取心等作业的要求，需要预留一级。特别是在深部地层钻井施工危险性相对较大的情况下，钻井施工也尽量要求使用Φ212.7mm～Φ241.3mm 的钻头，这样可以采用 Φ127.0mm 的钻杆钻进，以减少钻具事故的发生。但是，目前国内超深井施工中，普遍采用小尺寸钻头钻进，下入 Φ127.0mm的尾管完井，这种井身结构下的小井眼不利于井下作业，也不利于安全钻井。如中石化西北分公司的库 1 井就存在该问题，未钻到 K₁kp的底砂岩段被迫提前完钻。

针对常规井身结构出现的实际问题，国内一些施工单位逐步采用了一些非常规井身结构。例如针对川东北地区地层特点，井身结构优化设计时，预留一层套管，形成以 Ф273.1mm 套管为主要技术套管的井身结构系列，并逐步应用于实践，取得了较好的效果。

国内超深井常用井身结构见表4.2。

表4.2 国内超深井井身结构统计

续表

㈢ 什么属于超深井

你好~

现阶段一般是指井（孔）深超过6 000～8 000米的钻井

㈣ 国外超深井井身结构的调研分析

国外在施工超深井时，在设计井身结构与套管程序时，通常留有足够的余地，其超深井井身结构设计具有以下特点。

（1）导管和表层套管尺寸大

国外超深井钻井常采用较大直径钻头开孔，下入大尺寸导管和表层套管。大多数都采用较大尺寸的导管来封隔疏松表层，常用的导管尺寸范围 Φ508mm～Φ1219.2mm。

上部井眼采用大尺寸套管结构的优点：

1）可以使用多层技术套管封隔多套不同压力体系的复杂地层，确保安全钻井。

2）给下部井段钻头及套管的选择留有充分的余地，在钻遇井下复杂情况时有调整的空间。

3）下部井眼可采用较大尺寸钻头钻进，有利于优化钻井、打捞落鱼、下套管固井施工及取心作业等。

采用大尺寸导管和表层套管的缺点是套管费用和钻头费用相对比较高。但国外钻井实践证明，在下入较大尺寸的导管和表层套管时，通常不会明显增加综合成本，这些费用在以后，特别是在较深部井眼的作业中能得到补偿并受益若干倍。

（2）最终井眼尺寸较大

国外超深井完井常采用较大井眼尺寸。如得克萨斯 Magoun 1 井等最终井眼尺寸都为 Φ215.9mm，下入 Φ177.8mm 套管或尾管完井。

完井时采用较大井眼尺寸（Φ215.9mm 或更大）具有以下几个显著的优点：

1）全井均可使用 Φ127mm 或更大尺寸钻杆钻进，钻井参数优化空间较大，钻具事故大大减少。

2）有利于取心、打捞和生产测试等作业。

3）在钻遇井下复杂情况时有调整的余地。

（3）采用随钻扩眼、下入无接箍套管等技术增加套管层数

在有多个压力系统存在的复杂地质条件下，保证钻到目的层的基本手段是增多下入套管柱的层数，以封隔不同的压力系统。但是，受地质条件、地面设备、管材及钻井成本等限制，有时不能下入较大直径的套管完井，因此，靠增大套管尺寸来增多套管柱层次的方法有时行不通。在这种情况下，国外在复杂深井超深井钻井中，经常采用下入无接箍套管缩小相邻套管柱间隙的办法，达到增多下入的套管柱层数的目的。应用最多的典型方案：

1）在 Φ339.7mm和Φ244.5mm套管柱之间增下一层Φ298.45mm的无接箍中间尾管，使用 Φ241.3mm×Φ311.15mm×Φ355.6mm 偏心钻头钻进 Φ298.45mm 套管井段，用Φ250.8mm×Φ311.15mm 偏心钻头钻 Φ244.5mm 套管井段。

2）在 Φ244.5mm 和 Φ139.7mm 之间增下一层 Φ193.7mm 无接箍中间尾管。既增加了套管柱层数，又避免使用更大直径的套管，大大降低了钻井作业风险和成本。

（4）采用较小的套管/井眼间隙，缩小上部井眼，增大下部井眼。

钻井实践已证明，Φ212.7mm～Φ241.3mm 直径是最理想的钻头尺寸。理由如下：

1）钻头的轴承相对较大，钻头寿命长。

2）可以使用标准钻具组合提供足够的钻压，获得满意的机械钻速。

3）钻柱与井眼之间的环空间隙比较合理，有利于提高钻头水功率和井眼净化。

4）可以使用常规 Φ127mm 或更大的钻杆及常用配套工具。

因此，在井身结构设计时，尽可能让更多的井段使用Φ212.7mm～Φ241.3mm 钻头钻进。

钻小井眼（Φ152.4mm 以下）的目的之一是降低钻井成本，但从现场实践情况看，往往达不到预期的目的。其原因如下：

1）较小的牙轮钻头的轴承小，寿命低。

2）小井眼钻具尺寸小（Φ73mm 或更小些）壁薄，强度低，容易断。

3）小井眼钻具组合的内径小，水力摩阻损失大，钻头获得的水功率小。

基于以上问题的考虑，国外在超深井钻井中，采用小间隙的套管/井眼尺寸配合。采用较小的套管/井眼间隙配合，可明显减小上部井眼尺寸和增大最终井眼尺寸，达到降低钻井成本的目的。表4.1列出了国外通常采用的套管与井眼小间隙的配合关系。

国外井身结构的典型系列：

1）Φ660.4mm、Φ444.5mm、Φ311.1mm、Φ241.3mm、Φ165.1mm。该井身结构在美国西得克萨斯、俄克拉何马州等地区使用，这种井身结构用Φ273mm 套管代替 Φ244.5mm 套管、Φ193.7mm 套管代替 Φ177.8mm 套管，优点是可在下部井段使用 API 推荐的较大尺寸的钻头，套管和井眼之间有合适的间隙。

2）Φ762mm、Φ660.4mm、Φ508mm、Φ406.4、Φ273mm、Φ193.7mm、Φ127mm。美国加利福尼亚州 943-29R 井采用了该井身结构，目的是全井均可使用 Φ127mm 钻杆及较大尺寸钻头钻进。与上述第一种套管结构相比，用 Φ406.4mm 套管代替 Φ339.7mm套管，使下部井眼的 Φ273.1mm 套管段可以用较大尺寸的钻头钻进，有利于套管下入和提高固井质量；缺点是各层套管相应的钻头尺寸都是非标准的。

表4.1 国外常用的套管与井眼小间隙配合关系表

3）Φ762mm、Φ508mm、Φ406.4mm、Φ301.6mm、Φ250.8mm、Φ196.8mm、Φ139.7mm。该井身结构的主要特点是有四层技术套管，可以封隔四套不同压力系统的地层，缺点是套管与井眼间隙较小，给下套管作业和固井施工增加了难度。

4）Φ914.4mm、Φ762mm、Φ609.6mm、Φ473.1mm、Φ339.7mm、Φ244.5mm、Φ177.8mm、Φ114.3mm。该井身结构的特点是套管层次多、套管尺寸大，可封隔多个复杂地层。沙特库夫井采用该井身结构，成功封隔6个潜在漏失层和一个异常高压水层，实现安全钻井。

5）Φ609.6mm、Φ406.4mm、Φ339.7mm、Φ244.5mm、Φ193.7mm。德国 KTB 井采用该井身结构方案，有3层技术套管，可封隔3套复杂地层，且完钻井眼较大，可以用 Φ215.9mm 钻头、Φ127mm 钻杆钻进。该井身结构的优点是预留一层套管；缺点是套管与井眼之间的间隙比较小。

㈤ 国内外科学钻探及超深井取心现状

1.1.1 科拉3井取心技术

前苏联在深部地质研究中十分重视科学深钻的作用，执行了世界上最庞大的科学钻探计划，开钻的6000m以上超深井就有10口左右，其中位于科拉半岛的SG-3井以12262m的深度雄居世界深井之冠。因此，SG-3井是我国实施13000m科学超深井最具参考价值的科学钻探井，其所获得的地层信息和取心方法均值得我们借鉴。

1.1.1.1 钻进碎岩方法

前苏联4000m以上科学钻井的终孔直径一般设计为216mm。该直径进行取心钻进属于大直径取心钻进，采用的主要钻进工具是牙轮钻头。在科拉、乌拉尔和萨阿特累超深井钻进中，都进行过各种金刚石钻头与牙轮钻头使用的对比试验，因为当时金刚石钻头技术水平尚差，结果证明后者为佳。如在乌拉尔超深井中，斯拉乌季契（一种金刚石烧结体）钻头的钻进效率为0.2～0.3m/h、寿命30m；表镶金刚石钻头效果更差；牙轮取心钻头的钻进效率为1～1.5m/h、寿命为7～10m，已满足一般回次长度的要求（8m左右）。

在SG-3井的片麻岩、角闪岩和花岗岩混合岩层中，采用216×60mm牙轮取心钻头的使用效果如下：1217个取心回次的平均钻速为1.8m/h、平均回次进尺为7.6m，但用牙轮钻头取心对岩心采取率有非常不利的影响，虽采用“水力输送岩心取样器”大大减轻了此种影响，全孔岩心采取率也仅为40%。

1.1.1.2 回收岩心方式和取心工具

SG-3井施工尽管几乎是全井取心，也还是通过提钻回收岩心，没有采用绳索取心，原因如下：①牙轮钻头的寿命只有10m左右，采用“水力输送岩心取样器”回次进尺可达8m左右，故采用绳索取心已无意义和必要；②采用绳索取心钻进，岩心易堵塞，回次进尺长度仅能达到3～5m；③“水力输送岩心取样器”的岩心采取率要优于绳索取心。

1.1.1.3 水力输送岩心取样器

在结晶岩的构造应力带，岩石破碎严重。尤其在超深井段，地应力释放导致岩心片化，使岩心变成薄片和碎块，因此，结晶岩超深井的取心是一大技术难题。加上牙轮钻头的取心效果本来就差，故一般的取心钻具用于此种场合时岩心采取率非常低。通过逐步摸索和反复实践，前苏联研制了一种“水力输送岩心取样器”，它可使钻井液在井底实现局部反循环，促进岩心上行，将岩心输送到一个下端封闭的岩心容纳室中，进入此室中的岩心在提钻过程中肯定不会脱落。该取心系统型号为MAT，已成系列，经改进、完善后效果很好，已在其他超深井施工中推广使用。

1.1.2 中国大陆科学钻探工程科钻一井

CCSD-1井是我国实施最深的科学钻探井，也是近期国际大陆科学钻探实施的最深井，是在超高压变质带结晶岩地层中实施的全孔取心钻探井。运用了螺杆马达+液动锤驱动金刚石钻头回转冲击钻进技术，该技术在坚硬结晶岩地层中取得了巨大成功，是我国现代取心钻进技术水平的体现，这为实施13000m科学超深井奠定了技术基础。

1.1.2.1 取心钻头的选择

在硬岩中进行取心钻进，可以选择牙轮取心钻头或金刚石取心钻头。由于牙轮钻头与金刚石钻头在井底的运动特性各异，金刚石钻头钻取的岩心质量较牙轮钻头好很多。

中空牙轮取心钻头在井底回转破碎岩石时，其牙轮既绕钻头轴线公转，又绕牙轮轴线自转。由于钻头中心必须留有空间让岩心通过，其牙轮的锥顶不可能布置在其公转中心，因此，牙轮齿在井底岩石表面产生滚动的同时，还产生滑动。牙轮沿井底旋转滚动时，当牙轮双排齿接触井底岩石时，牙轮的轴心位置最低；而当滚动到单排齿接触井底时，牙轮的轴心便升到最高位置。牙轮在滚动过程中，轴心从最低位置到最高位置，又从最高位置到最低位置，如此反复交替，从而产生纵向振动。因此牙轮在自转、公转、滑动、轴向振动的复合作用下，产生滚动、滑动和冲击振动，冲击、压碎、剪切、切削岩石。由于牙轮在孔底的滑动与振动，使得钻取的岩心表面粗糙，即使在完整的岩层，岩心也很破碎，取心质量较差、采取率低。

金刚石钻头，特别是孕镶金刚石钻头，由于其切削刃粒度小，切入岩石的深度有限，当其在孔底回转时，不会像牙轮钻头那样因切削工具本身的运动而产生振动。而且，钻头在高速旋转时，会产生陀螺效应。因此金刚石钻头在井底转动时，比牙轮钻头要稳定得多，因而所钻取的岩心表面光滑、连续，岩心完整，取心质量好。

综上所述，从岩心采取率和岩心质量考虑，为更好地满足科学钻探井的地学研究，CCSD-1井选择了金刚石钻头取心钻进。

1.1.2.2 岩心打捞方式的选择

岩心打捞方式主要从绳索取心和提钻取心中选择。经过技术经济的理论分析，如钻头寿命能远大于提钻取心回次进尺长度，则绳索取心当属首选。但是，由于德国进口的绳索取心钻杆存在严重质量问题，不得不采用了金刚石钻头提钻取心钻进方式。

1.1.2.3 取心钻进方法的选择

金刚石钻头线速度要求达到2m/s，故Φ157mm钻头的转速需达243r/min。显然，石油钻机的转盘转速不能满足金刚石钻头提钻取心钻进对转速的要求。要提高转速，解决的办法有两种：一是加装高速顶部驱动系统，二是配备高速井底马达。

井底马达驱动方式具有能耗低，对井壁的扰动小的优点，因此，CCSD-1井采取了井底螺杆马达驱动方式。但是，Φ157mm钻孔直径限制了螺杆马达的直径不能太大，因而其输出功率受到限制。加之金刚石钻进要求钻头转速高，要满足转速的要求，螺杆马达的输出扭矩必然受到限制。要确保钻井施工的正常进行，首先必须保证钻头能够正常地回转，这就意味着要牺牲一定的钻压。钻压的减少，必然导致钻速的降低。为此，CCSD-1井在取心钻具组合中加入了一套液动锤，在钻头上施加冲击，使得钻进时所需的钻压大大减少，施加的钻压只要能足以克服井底钻具的反弹即可，破碎岩石主要依靠液动锤产生的冲击力。

CCSD-1井取心钻进总进尺5004.95m，其中使用螺杆马达驱动的冲击回转金刚石钻头取心钻进4042.73m，占取心钻进总进尺的80.770%，平均机械钻速为1.134m/h，平均回次长度6.34m，平均岩心采取率达85.45%。结果表明，螺杆马达+液动锤驱动的冲击回转取心钻进方法，不仅能大大节省能源、减少钻杆磨损，而且钻进效率高，回次进尺长。

1.1.3 塔深1井超深井取心技术

塔深1井完井井深8408m，是中石化重点超深井，目的是为加快塔河油田油气勘探步伐，探索下古生界寒武系大型建隆圈闭的含油气性，实现新领域的导向性突破，从而完成“塔河之下找塔河”的油气勘探目标。为了解目的层物性资料和储层发育情况，该井设计了4段目的层取心。由于该井超深，且取心井段在该井侧钻后长斜裸眼中，岩性以白云岩为主，裂缝发育、地层极破碎，取心施工难度非常大，虽取心段短，也遇到一些在超深井取心中的工艺技术难点。该井在超深井段取心总进尺18.70m，平均取心收获率78.8%，取心深度达到8408m，为我国实施科学超深井提供了宝贵的经验。

1.1.3.1 取心技术难点

除井超深，钻具柔性强等超深井都将面临的难题外，取心井段在该井侧钻后斜裸眼中（井斜6°～25°），斜裸眼段长（6859～8408m），取心段岩性为粉晶和微晶白云岩，裂缝发育，岩性破碎（图1.1）。因此，该井取心技术难点一是破碎岩心造成堵（卡）心，二是钻具在超深、井斜井眼内失稳。在井斜14°～25°，侧钻后裸眼长600～1550m井段，取心钻具稳定性非常差，失稳状态下将造成钻头一侧承受过大钻压，其受过压部分的切削齿就会因超载和冷却不良，过早磨损，甚至过烧，同时也造成钻头的旋转中心偏离几何中心的情况间歇发生，取心钻头未达到良好的工作状态导致采取率降低，第3、4、5回次岩心采取率仅40.7%～71.6%。

图1.1 高角度裂隙发育的岩心

1.1.3.2 取心钻进方案措施

采用了川5-5型取心钻具，取心钻头直径Φ149mm。研究采用了精确的双流道设计和低侵蚀聚晶金刚石钻头，有效地降低钻头底部冲刷岩心的流速，减小了钻井液对破碎岩心的冲蚀。驱动方式采用地表转盘单回转，因此，虽地层可钻性级别不高，机械钻速也仅在1m/h左右，且至最后一回次（井深8408m）时，钻速降至0.74m/h。

1.1.4 其他科学钻探工程

1.1.4.1 德国KTB计划主孔

KTB计划主孔于1990年10月6日至1994年10月12日完成（9101m）施工。钻孔剖面的主要岩石为片麻岩、角闪片麻岩、角闪岩、变质的辉长岩和大理岩等。主孔在4000m以浅不取心，但连续采取了岩屑样品。4000m以深使用牙轮钻头和金刚石钻头仅累计取心83.34m，且8085.1m以深后期因技术问题未取心。深部、超深部取心比例小成为KTB计划的一大遗憾。

1.1.4.2 松科一井（主井）

位于大庆油田的SK-1井，是国家“973”计划项目“白垩系地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”的所属工程，是国际大陆科学钻探计划框架下的全球首例陆相白垩系科学钻探工程。其科学目标之一，是通过厘米级样品的取样与分析，建立全球范围内可对比的陆相白垩系综合剖面，将传统地质学的百万年时间分辨率提高到万年尺度，使地质学研究能够为预测未来全球环境变化提供更多的科学依据，因此，高质量地采取需研究地层的岩心实物，对该项目极为重要。

SK-1井（主井）完钻井深1810m，164.77～1729m连续取心，钻遇了松散砂岩、水敏泥岩、疏松砂岩、弱胶结砾岩、致密泥页岩等沉积岩地层。沿用的是CCSD-1井研制的KT140取心钻具。为克服松散地层采取率低，软泥岩地层泥包、抽吸作用，地层频繁穿插变化，致密地层机械钻速低等困难，研发与选用硬质合金、PDC钻头、孕镶金刚石3类多种结构形式的钻头和2种隔液保形单动双管取心钻具，采用转盘单回转与螺杆马达+转盘复合回转钻进工艺，取得了一系列沉积岩地层取心钻进的成果。

1.1.4.3 WFSD工程

汶川地震断裂带科学钻探工程（WFSD）的主要实施目的之一是连续获取岩心，供地学研究地震断裂发震机理。龙门山断裂带历史上经历了多次地震，地层主要是极其破碎，并含有部分极松散无胶结地层、强水敏性断层泥岩地层。因此，如何在极破碎、松散地层中高效、优质地取心钻进是WFSD钻探施工的关键技术。针对WFSD工程复杂地层条件，采用了隔液、半隔液取心钻进结构、半合管无损出心、转盘+螺杆钻复合回转钻进、转盘+螺杆钻+液动锤复合回转冲击钻进等有效的技术手段。

WFSD工程取心钻进所遇的最大难题是，几个子工程均全孔破碎，堵（卡）心严重，这导致工程平均回次进尺短，虽采用了隔液、半隔液的钻进结构，孔底动力驱动稳定取心钻具等措施，平均回次仍难达到3m。岩心的原状性对地震科学钻探和环境科学钻探都极其重要，SK-1井研发了水力出心装置，WFSD工程采用了半合管技术，很好的确保的岩心的原状出管。项目组在半合管加工工艺上不断地突破，将半合管长度从最初的1.5～2m加长至6m。

1.1.5 超深井取心技术难点分析

分析以上国、内外已实施的科学钻探井和石油天然气钻井的超深井取心，实施13000m科学超深井，取心钻进所面临的主要难点是：高强度、刚度、稳定性和单动可靠性高的取心钻具及配套的取心钻头、扩孔器的设计；6000m以浅沉积岩地层的多变性，即存在难取心地层、又存在难钻进地层；6000m以深结晶岩地层主要是如何实现快速、长回次的取心钻进，解决超深部因应力释放导致的破碎、片化地层堵（卡）心。

1.1.5.1 取心钻具设计

超深部取心钻进是在高温、高围压、地应力释放强烈的条件下进行，拟由地表与加冲击器的孔底动力机联合驱动。强度高、刚度、稳定性和单动可靠性好的取心钻具及配套的钻头、扩孔器的结构设计，是安全、高效地满足地学研究要求的岩心采取率与岩心质量的前提。在超深部取心，我国即没有成熟的经验，也无法模拟其恶劣的工况，各种形式的钻具失效均有发生的可能。

高温、高压不仅是钻井液、孔底动力钻具使用的不利因素，也制约着取心钻具单动结构的设计。单动双管（或三管保形）取心钻具是满足科学钻探岩心采取率及原状性高要求的最佳选择，而现有的单动结构多采用了密封轴承结构，在深孔高温、高压的恶劣工况下极易失效。

取心钻具管材的选型决定钻头的环状碎岩面积，这将直接影响取心钻进效率。大壁厚的管材固然能增强钻具的强度、刚度及稳定性，但也牺牲了机械钻速，反之，薄壁钻头取心则安全度降低。石油天然气钻井因取心少，较少考虑提高取心钻进机械钻速；地质岩心钻探以取心钻进为主，多使用薄壁金刚石钻进技术，以尽可能提高机械钻速以达到较好的经济效益。如何兼顾安全性和经济性，是超深井取心钻具设计的难点。

1.1.5.2 沉积岩地层取心技术

科学钻探多在构造带等地学意义重大的区域实施，地表手段难以准确预测将钻穿的地层。从国内、外来已实施的科学钻探工程来看看，都钻遇了多种复杂地层和不同类型的难钻进地层。13000m科学超深井按中、深部以浅井段（≤6000m）为沉积岩地层，超深井段（＞6000m）为结晶岩地层考虑。不同地层都须有相适应的取心钻具、配套的取心钻头及相应的技术方法。

实施科学超深井是一项长期、高耗的系统工程，沉积岩地层钻探是其第一阶段，快速、高质量地完成6000m以浅沉积岩地层钻探任务，可为超深部施工提供良好的井眼条件和自信心，也为系统工程节约大量的时间、经济成本。我国已实施的SK-1井便是在浅层沉积岩地层实施的环境科学钻探工程，石油天然气钻井也几乎都是在沉积岩中完成，从经验来看，在沉积岩地层取心钻进，其难点主要为：

1）软泥岩钻头易泥包、岩心膨胀，机械钻速低、易膨胀堵心；

2）致密泥页岩中合金、PDC切削碎岩难以实现，其极低的研磨性和一定的塑性又致使磨削方式钻头打滑，钻进效率低；

3）塑性软泥岩中卡簧易失效，加上提钻过程中强大的抽吸作用，易出心岩心整体或部分被拉出的情况。

受制于取心钻头结构和保护岩心的要求，取心钻进不能像石油天然气钻井一样采用水力碎岩方式和大钻压钻进，所以，须设计适应深孔沉积岩地层的取心钻具及配套的高效取心钻头。

1.1.5.3 结晶岩地层取心技术

结晶岩地层技术难点主要是两方面：一方面是地层可钻性级别很高；另一方面是超深部应力释放导致的岩石片化、碎化。

我国已在CCSD-1井中成功的探索出了螺杆马达+液动锤孔底动力联合驱动取心钻进系统，但在高温、高压的超深井段，尚无成功经验。在超深井段，螺杆马达和液动锤的橡胶件都易在高温、高压环境中失效，仅能使用无橡胶件的涡轮马达高速回转驱动金刚石取心钻头。所以，在超深部结晶岩地层快速、安全地取心钻进是科学超深井面对的重大挑战。

SG-3井、塔深1井经验表明，在深井的构造应力带，岩石破碎严重，尤其在超深井段，地应力释放导致岩心片化，使岩心变成薄片和碎块。即使在浅层破碎地层取心，堵心仍是目前难以解决的取心技术难题。由此可见，超深部井段结晶岩破碎地层取心是最大的技术难题之一。

1）取心钻头和钻具的旋转和振动，对本就破碎岩心有破坏作用，使其难以成柱状顺利进入钻具内腔；

2）钻进液对破碎岩心的冲蚀，会造成小颗粒的损失、破坏岩心的原状性、降低采取率；

3）破碎岩心承载能力小，随着进入内管岩心长度的增加，入管阻力在内管壁摩擦力和岩心自重的双重阻力下逐渐增大，最终阻止岩心入管，造成采取率下降和回次进尺减少；

4）出心时，岩心受力状态变化，强烈释放的地应力使岩心进一步碎裂，阻碍岩心顺利出管，原状性易被破坏。

以上因素都会降低超深部地层岩心采取率、破坏岩心原状性、降低取心钻进效率。实施13000m超深井取心钻进，回次进尺之于取心钻进效率尤为重要，而深部地层堵心制约着回次进尺，这将随着取心钻进比率的增加，成为影响钻井周期的关键因素。

㈥ 超深井钻机

超深井由于其建井、钻井和完井时间都比较长，而且普遍存在地层结构复杂的问题，因此对钻井设备的要求是：①可靠性高；②过载能力大，能够及时处理井下事故；③同时超深井钻井还有一个特殊性，就是起下钻所用的时间在整个钻井过程中所占的比重非常大，因此钻井效率也是考核钻机的一个非常重要的指标。

1.1.1 国外超深井钻机技术现状

为了适应勘探开发更深地层油气藏的需要，深井石油钻机趋向大型化，要求功率大、性能好、自动化程度高，可满足和适应深井钻井的多种需要。钻机钻深能力已达15000m，最大钩载达12500kN。为了提高起升工作效率，绞车功率有进一步提高的趋势，功率5220kW的绞车已经问世。另外，国外开始将交流变频技术应用于大型超深井钻机。

目前，美国钻机技术水平代表着国际上石油钻机的最高水平，其中以National Oilwell Varco公司为代表，其主要特点是：①钻机趋向大型化、结构型式多样化。如绞车功率可达4477kW，钻井深度可达15000m，泥浆泵的水马力达2350kW，车装式、拖挂式、橇装模块式种类齐全。②电气传动技术的进步使得传动更加简单，特别是广泛使用了交流变频驱动技术。已开发出Wirth和Varco ADS齿轮传动单轴绞车，还可以使用主电机能耗制动取代辅助刹车。③新型的一体化旋升式井架和底座、多节自升式井架的起放更安全，使钻机在钻井过程中更稳定，占用井场面积更小。④盘式刹车、顶部驱动钻井装置、立根自动排放机构、铁钻工装置的使用，使钻井智能化、自动化成为现实，使科学钻井成为可能。⑤钻机移运性能不断提高，快速搬迁能力成为钻机的关键竞争力。⑥注重以人为本，更加适应HSE要求。

挪威MH公司研究开发Ramrig液压驱动石油钻机，钻深15000m，额定载荷为9800kN。此外，前苏联乌拉尔重型机器制造厂、加拿大公司和德国德马克公司等均生产了钻井深度大于12000m的超深井钻机。

（1）美国NOV公司（National Oilwell Varco，国民油井瓦科公司）

早年生产的超深井钻机主要是直流电驱动，其代表产品主要有E3000/E3000-UDBE及4000-UDBE型，绞车功率分别为2237kW和2983kW，名义最大钻深分别可达9144m和12192m，为内变速多速绞车，主刹车有带式刹车和液压盘式刹车，辅助刹车均为电磁涡流刹车。由于受直流调速范围的限制及大功率链传动的结构限制，这种内变速多速绞车的发展有一定的局限性。随着交流变频技术的发展，大功率变频调速技术的成功应用，超深井钻机目前以交流变频驱动为主。

目前，美国NOV公司超深井钻机配置的绞车有单速和双速，基本都是齿轮传动，绞车功率为2983～5220kW，各个级别都有产品，主刹车采用的是主电动机能耗刹车，辅助刹车采用的是液压盘式刹车；配有 P型和 FC型钻井泵，功率均为1641kW，压力51.7MPa；配有的3种转盘；有7350kN、9800kN的大钩、水龙头（工作压力51.7MPa）。

国内进口有多台E3000型电驱动钻机，该钻机的主要技术参数见表1.1（纪人公等，1994）。

表1.1 美国NOV公司E3000型钻机基本参数

（2）美国Rowan公司

美国Rowan公司是一家生产制造大型钻井平台、特深井陆地钻机和海洋陆地钻井服务的上市公司，已生产制造了9 台 9000m和 3 台 12000m陆地特深井钻机，改造了12000m钻机2台。中国石化集团公司决定从Rowan公司购买一台12000m钻机，钻机基本参数见表1.2（孟祥卿等，2006）。

表1.2 美国Rowan公司12000m钻机基本参数

（3）前苏联的乌拉尔机械-15000型钻机

前苏联科拉超深井（СГ-3）于1970年5月开始钻进，其目的任务：①研究科拉半岛地区波罗的地盾太古宙结晶基底和含镍的贝辰加杂岩的深部结构，查明包括成矿作用在内的地质作用的特点；②查明大陆地壳内地震界面的地质性质并取得有关地球内部热状态、深部水溶液和气体的新资料；③获得最充分的有关岩石物质成分及其物理状态的信息，揭露和研究地壳花岗岩层和玄武岩层之间的边界带；④完善现有的和创立新的超深钻进的技术和工艺，以及深部岩石和矿石的综合地球物理研究方法（E.A.科兹洛夫斯基，1989）。

СГ-3井使用涡轮马达和铝合金钻杆，进行超前孔裸眼钻进，第一阶段钻进至7263m井深，采用乌拉尔机械-4З钻机（表1.3），第二阶段从7263m开始采用乌拉尔机械-15000钻机（表1.3）。

表1.3 科拉超深井的钻机技术参数

（4）德国的UTB-1型KTB钻机

联邦德国大陆深钻计划（KTB）是德国第一个国家的大规模地学研究计划，以超深孔的施工为中心，达到“进行关于地壳较深部位的物理、化学状态和过程的基础调查和评价，以了解内陆地壳的结构、成分、动力学和演变”的目的。KTB主孔（设计深度14000m）的钻机的研制、建造和操作运行是由UTB ULTRATIEF钻探股份公司来完成的，该公司由德国深钻有限公司（DEUTAG）、德国建井与深钻有限公司（DST）和国际深钻有限公司（ITAG）组成，钻机的主要技术参数见表1.4。

表1.4 UTB-1型KTB钻机技术参数

（5）德国Herrenknecht GmbH公司的InnovaRig钻机

2007年德国Herrenknecht GmbH公司研制了深部钻进和取心钻机InnovaRig（图1.1），该钻机的主要技术参数如表1.5。

图1.1 InnovaRig钻机

表1.5 InnovaRig钻机技术参数

1.1.2 国内超深井钻机技术现状

经过50年的努力，特别是改革开放后20多年的发展，目前国产石油钻机已形成了比较完整的系列，在品种和质量上基本能够满足在国内不同地区、不同井深和不同环境条件下进行油气资源勘探开发的需要。近年来，还有相当数量的国产钻机在国外承担钻井服务和国内的反承包钻井服务。从钻机设备制造来看，近几年已开发和生产了1000～7000m机械驱动钻机，机电复合驱动钻机和整拖式、轮式半拖挂整体移运式钻机，研制生产了4000～7000m各种型号直流电驱动钻机、交流变频电驱动钻机和3000m以下各种车装及橇装钻机。钻机制造厂家有宝鸡石油机械有限责任公司、兰州兰石国民油井石油工程有限公司、四川宏华石油设备有限公司、河南中原总机厂石油设备有限公司、南阳石油机械厂、中国石化集团江汉石油管理局第四石油机械厂、上海三高石油设备有限公司、胜利油田石油机械厂等。在借鉴国外先进技术的基础上，我国又相继开发和应用了绞车液压盘式刹车系统，集中控制司钻房、组合式液压站、全液压套管扶正机、液压猫头、液压绞车、各种型式的井口吊装装置，数显防碰装置、大功率柴油机、液力偶合器正车箱、直流电机、变频电机等项新技术和新装置。与此同时，各制造厂又结合国际市场的需要，在钻机满足要求方面也采取了新的措施，并在钻井机械化、智能化方面取得了新的进展，从而使国产钻机的设计、制造、配套技术和钻机整机质量有了明显的提高，大大缩短了与国外先进钻机的差距，取得了显著的成绩（华伟棠，2005）。

超深井钻机技术在国内近几年才开始研究，2004年由兰州兰石国民油井石油工程有限公司和美国国民油井公司共同研制的9000m直流电驱动钻机在科威特成套交货，尽管关键件的总体设计和生产制造由美国国民油井公司掌握，但这也是我国在超深井钻机研制方面迈出的第一步。国内由宝鸡石油机械有限责任公司2005年自主研发的首台9000交流变频电驱动钻机目前正在油田进行工业性试验。尽管该项目早在2001年就在国家经贸委立项，但由于受大功率变频控制技术的成熟度和大功率齿轮传动绞车可靠性等因素的影响，长期没有明确的用户，为此宝石机械公司进行了7000m交流变频电驱动、齿轮传动绞车钻机的研制，2003年7月完成工业性试验，为大功率交流变频技术的应用以及自动送钻技术的应用积累了一定的经验。随后，各个油田也看到了交流变频技术的优势，5000m、7000m交流变频电驱动钻机在国内市场的销量大幅增长。随着国际市场油价的升高，国内高难度井开采量的加大，超深井钻机的需求也突现。2004年年底中国石油集团公司组织行业专家对方案进行了评审，同时将9000m交流变频电驱动钻机列为集团公司2005年重点科研项目，至此，9000m交流变频电驱动钻机的研发正式进入实施阶段（罗超等，2007）。

目前，国内研制制造超深井钻机的厂家有宝鸡石油机械有限责任公司、兰州兰石国民油井石油工程有限公司、四川宏华石油设备有限公司和上海三高石油设备有限公司等。

1.1.2.1 宝鸡石油机械有限责任公司

研制的ZJ90/6750DB超深井钻机（图1.2；表1.6）于2006年8月13日在新疆油田准噶尔盆地腹部莫索湾的莫深1井（设计井深7380m）开钻使用，一开井径Φ660.4mm。2006年11月22日二开以4463m井深完钻，井径Φ444.5mm；2006年12月1日，顺利下入5000kN重、Φ339.7mm的技术套管4462.02m，一次性成功注入固井水泥300t。2007年3月以Φ311.1mm井径三开开钻，2007年7月24日以6406m井深完钻；2007年7月26日，顺利下入5106kN重、Φ244.5mm技术套管6403.37m。四开井径Φ215.9mm，2007年11月23日顺利钻至设计井深7380m并继续钻进，最后莫深1井加深到7600m。

图1.2 施工莫深1井的ZJ90/6750DB超深井钻机

表1.6 宝鸡石油机械有限责任公司9000m和12000m钻机技术参数

12000m钻机研制被列入国家863计划，ZJ120/9000DB超深井钻机的技术参数见表1.6，2007年11日出厂，在川科1井三开以后投入使用。川科1井位于川西坳陷孝泉构造（四川德阳市孝德镇东利村1组），设计井深8875m，采用五开井身结构，完钻井眼尺寸Φ215.9mm。2007年3月20日使用7000m钻机开钻，一开井径Φ660.4mm、Φ508mm表层套管下深497.08m。二开井径Φ444.5mm，2007年9月7日以3200m井深完钻。二开完钻后，2008年3月12日三开钻进使用国产12000m超深井钻机——ZJ120/9000DB（图1.3）。

图1.3 施工川科1井的ZJ120/9000DB超深井钻机

1.1.2.2 兰州兰石国民油井石油工程有限公司

ZJ90/5850DZ直流电驱动钻机（表1.7）性能特点：

1）采用以柴油机为动力，带动交流发电机，经可控硅整流，由直流电动机驱动绞车、转盘和泥浆泵的传动方式，即AC-SCR-DC传动。

2）电传动系统采用全数字式交流模块和全数字式DC直流模块。PLC逻辑程序控制、触摸显示屏。支持计算机及其打印（运行工况表）功能。电器工程师笔记本电脑和专用软件进行在线测试。系统具有对柴油机、发电机、SCR系统、直流电动机、断路器及其他单元进行检测、故障诊断、保护、运行工况定性和定量的显示和对系统的控制功能。

3）绞车滚筒开槽；主刹车采用液压盘式刹车，刹车力矩大，灵敏可靠。

盘刹操作手柄置于司钻控制房内，改善了司钻的工作环境，减轻了司钻的劳动强度；绞车的辅助刹车为电机能耗制动和电磁涡流刹车；绞车配有过卷阀防碰天车装置与智能游车位置控制系统，防止发生游车“上碰下砸”事故；绞车配有电机自动送钻装置，可实现恒钻压自动送钻以及零速度悬停功能。

表1.7 兰州兰石国民油井石油工程有限公司9000m钻机技术参数

4）转盘独立驱动装置由直流电机经两挡齿轮变速箱驱动转盘；既可由转盘电机经链条箱驱动转盘，又可由绞车电机经链条传动驱动转盘，二者实现互济，提高了钻机的可靠性，充分满足钻井工艺需要。

5）配备大功率三缸单作用泥浆泵，由窄V带驱动。

6）“H”型钢制造的“K”型井架，利用绞车动力整体起升，视野开阔，运输方便。

7）平行四边形整体起升式底座，可实现钻台面设备和井架低位安装，利用绞车动力整体起升。

8）钻机的主要机械部件：天车、游车、大钩、水龙头、转盘、井架、底座均符合API规范，打API会标。

ZJ90/5850DB交流变频电驱动钻机（表1.7）性能特点：

1）钻机采用机、电、数字、通讯一体化设计，应用当代先进成熟的矢量控制技术、交流变频技术、数字控制技术、总线通讯技术。

2）采用先进的全数字交流变频PLC控制技术，通过触摸屏及气、电、液、钻井参数的一体化设计，实现钻机智能化司钻控制。

3）单轴式交流变频齿轮传动绞车及速度数字化闭环控制，可合理利用功率，提高钻井时效。

4）转盘扭矩和泥浆泵泵压的数字化限制控制，实现过扭矩或超泵压保护。

5）智能游车位置控制，防止钻机发生游车“上碰下砸”事故。

6）绞车主刹车采用电机能耗制动，通过计算机定量控制制动扭矩。

7）采用主电机自动送钻，实现钻井给进的自动化；智能化司钻控制操作系统，使钻机的操作由技能型变为智能型；钻机采用网络控制系统，可实现设备信息共享、自动化控制、集中监视、生产管理和设备管理多种功能。

8）钻台设备低位安装，与井架一起整体起升。

9）全液压套管扶正机自动化程度高。

10）钻机的主要部机采用NOV（美国NOV公司）成熟技术并得到世界验证。

1.1.2.3 上海三高石油设备有限公司

上海三高石油设备有限公司研制的9000m钻机技术参数见表1.8。

表1.8 上海三高石油设备有限公司9000m钻机技术参数

㈦ 请问什么是：超大规模超深井金属地下矿山

按照安全监管总局的会议纪要，产量超过1000万吨，深度超过1200m的地下金属矿山为超大规模超深井金属地下矿山

㈧ 超深井为什么要打直其背后的力学问题是什么》

如果打斜了，短距离范围内可能看不出来上部土压力的作用，但是10m、20m，甚至50m以外，斜井的井壁承受的上部土压力是很大的，这个对于侧壁材料很不利，容易造成局部破坏...

㈨ 石油钻井中超过多少米的井可以称为深井

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

㈩ 科拉超深钻孔是世界上最深的井，其井下黄金成堆，为何却被当地政府封停

对于这个原因有很多种说法，有说是因为成本太高，收获小于成本；也有说是因为出现了一些无法解释的现象，也有说是因为苏联那时候的钻孔技术已经超过了美国，没有继续下去的必要了。

我们知道俄罗斯是一个美丽的国家，但是很少人知道在俄罗斯有一口井，这口井是曾经人类钻的最深的井了，这口井有多深呢？大家知道世界上最高的山峰珠穆朗玛峰，有八千多米高，而这口井有足足一万多米深，这口井被称为科拉超深钻孔。

还有说是俄罗斯钻探到了地狱的入口，在俄罗斯钻探的过程中，钻井中传出了奇怪的声音，像人嚎叫求救的声音，当时还有研究人员进行了实验，把一个耐热的话筒放进去，听到了像地下的人求救的声音，这是一种无法解释的现象，所以停止了这项工程。

还有说是因为苏联在钻孔方面的技术已经超过了美国，所以没有进行下去的必要了，就停止了。