“地下珠峰”钻探有了“金刚钻”——记山东省科技进步一等奖深层油气开采优快钻井关键技术装备及工业化应用

　　中国石化前不久宣布塔里木油田“深地一号”跃进3-3井钻探井深达到9432米，相当于在地下打出了一座“珠穆朗玛峰”。助力“地下珠峰”壮举的深地钻井工艺技术就来自中国石油大学(华东)管志川教授完成的深层油气开釆优快钻井关键技术装备及工业化应用成果。近日，该成果获山东省科技进步一等奖。

　　向突破“地下珠峰”进军

　　上天、下海、入地，是人类探索自然的三大壮举。作为“入地”的重要手段之一，超深钻井被称为“深入地球内部的望远镜”。

　　位于塔里木盆地中西部的油藏，是世界陆上最深的商业开发油气田之一。然而，与世界其他盆地地质条件完全不同，56万平方千米的塔里木盆地油气藏普遍具有超深、高温、高压、高含硫、高含蜡的特征，油气藏埋深大于4500米的探明储量占总储量74.9%，勘探开发难度极大。

　　管志川说，深层油气井筒构建过程中钻遇的坚硬地层破岩效率低、高陡构造轨迹控制难、复杂压力系统井喷预防与控制难度大，导致钻井速度慢、周期长及事故多，成为制约深层油气高效勘探开发的瓶颈。

　　如塔里木油田库车山前地下上层的巨厚砾石层硬过“金刚石”，最厚可达5000米，中层软得像橡皮糖的复合盐膏层最厚达2000米，底部的致密砂岩好比磨刀石。塔里木超深井钻井之难，还表现在井底高温、高压和高地应力的共同叠加，近200℃的高温和近200兆帕的高压，让坚硬的钻井工具柔软如“面条”。创新钻井装备及技术、突破深层钻井瓶颈迫在眉睫。

　　为克服储层超深、超高压、高温等多个极限难题，自2010年开始，管志川团队与中国石油、中国石化等企业合作开展了系列技术攻关，提出协同弱化地层抗钻能力、强化井底破岩攻击能力等优快钻井理念及技术方法，取得了深层优快钻井技术的新突破。

　　正是借助该技术，塔里木油田钻成了“轮探1井”，实现了重大勘探发现。在地下构造最复杂的库车山前，深井平均建井周期由成果应用前的2年缩短至200多天，实现了从“打不成”到难钻地层“打得快”、复杂地质“钻得深”、极端工况“靠得住”的重大跨越，突破了工程技术“深度极限”。

　　练就突破瓶颈“金刚钻”

　　管志川团队提出协同弱化地层抗钻能力、强化井底破岩攻击能力等4种技术方法，形成了4类关键工具装备及配套技术，为我国深层油气资源高效勘探开发提供了关键技术支撑。

　　一是以弱化地层抗钻能力为特色的差压步进破岩方法与高效钻头。针对岩石硬度高、耐磨性强导致的钻头破岩效率低的问题，该成果探明了地层抗钻能力随井底形状的变化规律以及步进式钻进提高破岩效率的机理，发明了降低地层抗钻能力的差压步进式钻头。现场试验表明，与常规钻头相比，该钻头在含砾地层钻速最大提高274.89%。

　　二是以强化井底破岩攻击能力为目标的长寿命旋转冲击提速工具。针对深层钻进井底钻头破岩能量不足导致的钻速慢问题，该成果揭示了冲击对破岩的影响机制及特性，建立了冲击参数优选方法，研制了高效冲击破岩储能机构，形成了大功率长寿命冲击提速工具，在深井超深井硬地层较传统钻井方式提高钻进效率30%～70%，降低钻进成本20%～30%。

　　三是以防斜打快为核心的自动垂直钻井装置。针对直井段穿越砾石和高陡构造地层井斜控制难的问题，该成果提出了协同侧向推靠力与钻头指向控制钻进趋势的理念，研制了滑动推靠式垂直钻井装置，配套了钻具组合，打造了自动垂直钻井国产利器，打破了国外公司的技术与市场垄断，迫使其服务价格下降超50%。

　　四是以快速响应和高安全保障等级为优势的井控关键装备。针对深层高压气井地层压力高且复杂、溢漏监测滞后导致井控风险大的问题，该成果揭示了多源监测信息对溢流井漏的响应规律以及极限工况下井控装备的失效机理，发明了全工况溢漏精准监测与自动控压系统，研发了高性能耐冲蚀的井控关键装备，溢漏监测精度提高20%，节流管汇抗冲蚀能力提升30%。

　　实现深层技术新突破

　　鉴定专家组认为：该成果总体达到国际先进水平，其中差压步进破岩方法、四翼滑动推靠垂直钻井技术达到国际领先水平。

　　管志川介绍，基于上述装备形成了深层油气开采优快钻井关键技术，核心技术包括由41项发明专利形成的专利群及行标1项、企业标准3项。截至目前，该成果已在胜利、塔里木及西南等22个油田区块推广，在泰国、厄瓜多尔及中东等9个国家应用，累计应用2870余井次，创收和节支共26.79亿元。

　　在中国工程院院士罗平亚、中国科学院院士高德利看来，塔里木深地复杂油气藏钻完井技术引领了全球陆上井筒完整性技术发展，实现了规模应用，证明我国深地钻井工艺技术已跨入世界前列。

　　多年来，管志川所带领的井下过程控制研究团队，致力于深部复杂地层高效破岩方法与提速技术、定向井轨道设计与轨迹控制理论与方法、钻井工程风险预测与控制、井筒完整性评价等方向的研究。他们取得了一系列原创性成果，多次打破西方国家的技术封锁，获得国外发明专利60余项，发表高水平论文300余篇，获得国家级及省部级科研教学成果奖10余项，在深地复杂油气藏钻井工程领域形成了重要影响力。