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0 　引言

“十三五”期間，依托國家油氣專項等，通過持續(xù)攻關，研制了一批深井超深井重大裝備、關鍵工具、高端工作液和軟件，自動化鉆機、鉆—測—固—完一體化精細控壓技術、非平面齒鉆頭、抗高溫超高密度油基鉆井液、高強韌性水泥漿、深層連續(xù)管作業(yè)機、非常用井身結構優(yōu)化設計等多項技術取得了突破和新進展，很好地支撐了塔里木盆地山前、四川盆地海相碳酸鹽巖、準噶爾盆地南緣、柴達木盆地等重要增儲上產地區(qū)深層油氣超深層勘探開發(fā)，助推超深井邁上8 000 m新臺階。

隨著塔里木盆地克深、大北、博孜、順北等，四川盆地川西北、川中古隆起北斜坡、川東等，準噶爾盆地南緣等一批深層超深層大油氣田的發(fā)現(xiàn)，深層超深層依然是“十四五”及今后若干年增儲上產的重點。鉆完井依然面臨著深（埋藏深）、陡（地層傾角大）、窄（壓力窗口窄）、厚（礫石層、鹽層等復雜層段厚）、難（復雜多壓力系統(tǒng)、事故復雜多、可鉆性差等）、高（高溫、高壓、高酸性）等的嚴峻挑戰(zhàn)，井筒安全和完整性差、破巖效率低、提速提效裝備和工具適應性差，新技術儲備不足等急需攻關突破。

1 　“十三五”深井超深井鉆井技術進展

“十三五”期間，通過持續(xù)攻關，7 000 m自動化鉆機、精細控壓鉆井技術與裝備、抗高溫超高密度油基鉆井液、高強韌性水泥漿、深層連續(xù)管作業(yè)機、高效PDC鉆頭及鉆井提速系列工具、高性能膨脹管等多項技術取得突破和新進展^[1-13]，深井超深井鉆井數(shù)量快速增長，深井由“十三五”初期322口增加到2020年的1 038口，超深井從95口增加到2020年的204口，鉆完井能力邁上新臺階?！笆濉逼陂g我國年鉆超深井數(shù)量超過200口（圖1），2017年之后我國超深井鉆井數(shù)量超過美國，2020年鉆6 000 m以上超深井302口，5年累計完成8 000 m以上超深井接近50口。深井超深井關鍵裝備和工具國產化，現(xiàn)場試驗和應用見到良好效果，增強了核心競爭力，深井超深井優(yōu)快鉆完井配套技術不斷完善，事故復雜時效不斷下降，鉆井周期大幅縮短（圖2），助推超深井井深邁上8 000 m，打成、打快、打好了包括五探1井、中秋1井、克深21井、輪探1、高探1井、呼探1等一批標志性深井，創(chuàng)造了一批紀錄，塔里木輪探1井井深8 882 m，創(chuàng)亞洲最深井紀錄，青海堿探1井底實測井溫度達到235 ℃（井深6 343 m）。很好地支撐了塔里木盆地山前、四川盆地海相碳酸鹽巖、準格爾盆地南緣等重點地區(qū)深層超深層勘探開發(fā)。同時多項超前儲備技術取得重要進展。為油氣勘探不斷突破、開發(fā)高質量發(fā)展和工程技術業(yè)務提速提質提產提效提供了持續(xù)的技術支持與服務保障。

 “十三五”期間深井超深井鉆井能力持續(xù)提高， 中國石油4 500 m 以上深井，平均井深在5 475 m 左右，事故復雜時效不斷下降，平均鉆井周期逐年縮短， 較“十二五”縮短近20 d（圖3）；中國石油6 000 m 以上超深井，平均井深達到6 798 m，平均鉆井周期180 d 左右，機械鉆速逐年提高（圖4）；中國石油化工集團有限公司（以下簡稱中國石化）6 000 m 以上超深井，平均井深達到6 809 m，平均鉆井周期為126.4 d。強力支撐塔里木、川渝、新疆南緣等重點地區(qū)超深層油氣勘探突破和主營業(yè)務增儲上產，其中中國石油塔里木油田公司（以下簡稱塔里木油田）平均年鉆4 500 m 以上深井172 口，占中國石油31% ；平均年鉆6 000 m 以上超深井109 口，占中國石油79%，庫車山前平均井深逐步增加，鉆井周期大幅度縮短（圖5）。中國石油西南油氣田公司（以下簡稱西南油氣田）深井比例逐年提高，4 500 m 以上深井占其年總井數(shù)的80% 左右，深井超深井鉆井已成為塔里木油田和西南油氣田主體。

1.1 　井身結構拓展技術確保山前井多壓力體系安全鉆井

針對山前地區(qū)深井超深井地質條件復雜、同一裸眼段多壓力系統(tǒng)、必封點多、常規(guī)套管層次不足等問題^[3-7,11-19]，開展非常用井身結構優(yōu)化設計、膨脹管裸眼封堵、隨鉆擴眼等攻關，配套開發(fā)非API 標準規(guī)格的高抗擠套管、高強度鉆具、非標鉆頭和固井附件等，形成了適合塔里木盆地山前、川渝深層、準噶爾盆地南緣、青海等復雜深井超深井的井身結構拓展方案，打成了一批高難度井。

塔里木油田根據山前、塔北、塔中的不同地質特點、壓力體系等，形成了多套“塔標”井身結構（圖6），成功實現(xiàn)了庫車山前多套斷層、鹽層復雜地質條件的勘探目標，準噶爾盆地南緣正逐步形成“新標井身結構”，高101 井?508.0 mm+?339.7 mm+?244.5 mm+?139.7 mm 常規(guī)套管程序， 呼探1 井?508.0 mm+?365.1 mm+?273.1 mm+?219.1 mm+?139.7 mm、樂探1 井?508.0 mm+?365.1 mm+?273.1 mm+ ?219.1 mm+?139.7 mm+?114.3 mm、天安1 井和天灣1井?609.9 mm+?473.1 mm+?365.1 mm+?273.1 mm+?219.1 mm非常用套管程序。

研制出系列化高性能膨脹管材料，脹后沖擊韌性＞150 J，達到國外同等技術水平；形成固井和不固井2種裸眼封堵工藝技術，可提高地層承壓能力達35 MPa以上。在川渝地區(qū)寧209H33平臺2口井實施了膨脹管裸眼封堵韓家店組—石牛欄組低壓層，該平臺韓家店組—石牛欄組天然裂縫發(fā)育，承壓能力1.05～1.10 g/cm³，三開鉆進過程中寧209H33-3/H33-2井累計漏失鉆井液近6 000 m³，同時，無法滿足龍馬溪組井段承壓需求。首先把?215.9 mm井眼擴徑至?241.3 mm后，分別下入膨脹管756 m/685.8 m，內徑由172 mm膨脹到194 mm，脹后鋼級N80，抗內壓強度63.4 MPa，地層承壓能力達到1.78 g/cm³以上，實現(xiàn)了龍馬溪組造斜水平井段2 100～2 350 m、鉆井液密度1.55～1.60 g/cm³條件下的安全順利鉆進。證明膨脹管裸眼封堵技術是實現(xiàn)井身結構拓展的有效技術手段（圖7）。

在“十二五”精細控壓鉆井基礎上，經過持續(xù)攻關與試驗，形成了鉆—測—固—完全過程精細控壓鉆完井設計、鉆進、起下鉆、電測、固井、完井等技術，包括設計階段的精細控壓鉆井適應性評價技術，鉆進階段的地層安全密度窗口測定技術、井口套壓補償技術、連續(xù)循環(huán)控壓鉆井工藝、控壓參數(shù)優(yōu)化技術、邊漏邊點火邊鉆控壓鉆井工藝，起下鉆階段的重漿帽起下鉆工藝、起下鉆液柱壓力動態(tài)控制工藝、可泵送固體凝膠隔段起下鉆技術，電測階段的鉆柱傳輸測井動態(tài)壓力控制工藝、電纜測井井口密封技術，固井階段的控壓固井設計技術、水泥漿柱結構優(yōu)化技術、控壓固井井底壓力動態(tài)監(jiān)控技術，以及完井階段的完井管柱起下壓力動態(tài)控制技術等16項技術^{[12-13,16,18-21]}。中國石油集團川慶鉆探工程有限公司持續(xù)改進控壓鉆井系統(tǒng)，井口回壓實現(xiàn)全過程自動調控。中國石油集團工程技術研究院有限公司（以下簡稱工程院）持續(xù)完善精細控壓鉆井系統(tǒng)地面壓力控制裝置及自動控制軟件，井口控壓能力由7 MPa提升至12.5 MPa，在高壓窄窗口地層應用取得突破?？貕恒@井精度達到0.2 MPa，對提升川渝深層、塔里木塔中和庫車山前鹽層與目的層、新疆南緣、青海、渤海灣等復雜地質條件下鉆完井作業(yè)安全、質量、效率、效益的作用和成效顯著。

為解決復雜超深井尾管固井易漏失、易氣竄且固井質量無法保證等難題，川渝地區(qū)高—磨地區(qū)通過持續(xù)推進以環(huán)空動態(tài)當量密度精確控制為核心的精細控壓壓力平衡法固井技術（圖8），完善下套管激動壓力控制、動態(tài)參數(shù)實時計算及監(jiān)控、起鉆循環(huán)ECD 控制等技術，在近100 口井推廣應用，施工安全可靠，固井質量可預期，固井優(yōu)質率和合格率大幅度提高，電測固井質量平均合格率74.32%，同比提高23.6%，扭轉了多年來窄安全密度窗口地層“正注反擠”固井質量無法保證的被動局面。

針對庫車山前高壓鹽水、溢漏同層等難題，試驗精細控壓固井技術，在克深13-3、克深8-13 等井試驗推廣，成功實現(xiàn)一次上返，有效封固了高壓鹽水層，克深8-13 井裸眼段合格率100%?？松?3-3 井安全窗口只有0.03 g/cm³，漏失后回吐且鹽水結晶，有效封固難度大，該井以“不漏不溢不吐”為原則，5 200 ～ 6 400 m 井段注入2.70 g/cm³ 重漿壓穩(wěn)后起鉆后下套管，之后控壓0 ～ 1.8 MPa，把鉆井液密度由2.52 g/cm³ 降低到2.46 g/cm³，根據溢漏層壓力，以“穩(wěn)排量調套壓”的方式實施全程精細控壓（2.53 ～ 2.56 g/cm³），穩(wěn)定排量17 L/s，逐步把控壓值由1.8 MPa 降低至0.6 MPa，完成注替?？紤]抽吸作用，控壓7.0 ～ 8.5 MPa 起鉆12 柱，根據混漿排放情況，保持1.5 m³/min 排量不變，調節(jié)控壓值， 之后憋壓8.4 MPa 候凝。固井返速1.2 m/s，全程未漏未溢，裸眼段固井質量合格率45.1%。

1.3 　高端裝備自動化水平不斷提高

7 000 m 自動化鉆機等一批自動化技術與裝備^[1-4,22-25] 研發(fā)成功，取代進口，大幅度提升了鉆井自動化水平和作業(yè)效率，引領工程技術裝備與作業(yè)從“機械化、數(shù)字化”向“自動化、智能/ 智慧化” 轉變，促進石油裝備產業(yè)和工程技術服務產業(yè)走向高端，支撐高質量發(fā)展。

以自動排管系統(tǒng)為核心的第一代自動化鉆機（圖9）：采用“立足現(xiàn)有鉆機結構，提高配置、系統(tǒng)集成、強化參數(shù)”策略，攻克了液壓控制執(zhí)行單元、網絡通訊架構等關鍵核心技術，配備管柱自動化處理系統(tǒng)和井口機械化操作裝置，集成控制系統(tǒng)、電氣液一體化， 配備設備遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)等，實現(xiàn)了管柱作業(yè)全面自動化及遠程操作，在減人創(chuàng)效、改善作業(yè)環(huán)境、降低勞動強度、提高作業(yè)安全性等方面應用效果顯著。實現(xiàn)二層臺無人操作，鉆臺面和井場80% 以上的重體力勞動被機械替代，安全風險大幅降低。在新疆、西南、長慶等油田投入使用，實現(xiàn)井口井場自動化裝備的全面配置和二層臺無人值守，正常鉆井工況每班僅需3 ～ 4 人，每隊減少用工6 ～ 9 人， 維保工作量降低50% 以上，大幅度提高效率，減員增效成效顯著。

7 000 m 第二代自動化鉆機：配備獨立建立根系統(tǒng)，具備遠程在線監(jiān)測和故障診斷功能，可實現(xiàn)起下鉆等關鍵工藝一鍵式操作，可通過VR 虛擬培訓系統(tǒng)來提高司鉆水平。

針對強化鉆井參數(shù)要求，開發(fā)的新型大扭矩頂驅，驅動功率較常規(guī)頂驅提高了25% 以上，對多項硬、軟件進行了集成創(chuàng)新，已在川渝頁巖氣開發(fā)中配置新型頂驅及升級舊頂驅100余臺。配套的頂驅下套管裝置擁有集旋轉、提放及鉆井液循環(huán)一體化作業(yè)模式，成為保障復雜井、超深井、長水平井套管下放到位的利器，規(guī)模推廣應用100多井次。配套的扭擺減阻技術有效克服了水平段管柱與井壁間的摩阻，滑動定向段機械鉆速提升20%～66%，廣泛應用于川渝頁巖氣、新疆瑪湖致密油、長慶、渤海等多個區(qū)塊，已累計使用逾百井次。

交流變頻直驅頂驅使頂驅的“專業(yè)化、機械化、標準化、信息化”能力全面提升，實現(xiàn)不同工況頂驅“一鍵式”控制。能夠配套自動化鉆機，具備多項自動化創(chuàng)新功能：控制系統(tǒng)鉆井操作自動化，頂驅電機高精度控制，頂驅預防性維護維修，主電機相變散熱、大幅降低噪音等，實現(xiàn)主軸帶載旋轉定位誤差≤1°，在黏滑工況下扭矩波動減小30%，滑動定向工況下托壓減小50%，頂驅故障率降低30%，已成功應用于現(xiàn)場作業(yè)。

研制成功國內適應井深最大的連續(xù)管作業(yè)機（?50.8 mm×8 000 m），滾筒容量?50.8 mm—8 000 m（可擴容至8 300 m），大幅度提高深井作業(yè)效率。研發(fā)了連續(xù)管作業(yè)在線監(jiān)測和評估技術，打造了連續(xù)管作業(yè)協(xié)同工作平臺。裝備持續(xù)升級，類型不斷豐富，拓展研制了?60.3 mm—5 500、?66.7 mm—4 500兩種大管徑超大容量作業(yè)機，形成2 000 m以上水平段作業(yè)能力，是適應我國道路運輸?shù)氖澜缟贤裙軓阶畲蟮倪B續(xù)管裝備。形成CT70-CT130鋼級9種規(guī)格的連續(xù)管產品，4個系列90多種連續(xù)管井下工具產品。連續(xù)管作業(yè)機推廣應用100臺套，同比進口降低購置成本20%以上，年作業(yè)規(guī)模5 000井次以上，同比綜合效率提高40%以上。

1.4 　打造一批尖端工具利器支撐鉆井提速

鉆井提速工具的機械部件、控制系統(tǒng)等關鍵部件的國產化^[8-10,26-27]支撐了深井超深井鉆井提速。

渤海鉆探工程有限公司（以下簡稱渤海鉆探）持續(xù)完善BH-VDT系列垂直鉆井工具，BH-VDT 5000、BH-VDT 4000垂直鉆井工具國產化率達到100%，自主開發(fā)設計了BH-VDT 6000垂直鉆井工具，形成3種規(guī)格、8種尺寸工具系列，能夠滿足?215.9 mm～?558.8 mm井眼鉆井防斜打快需要，井斜能夠控制在1°以內，整體性能達到國外同類產品水平（表1）。在塔里木、青海等油田應用100余井次，總進尺12.73×10⁴ m，平均機械鉆速較鄰井提速1～2倍，井斜控制在0.2°以內，在大北101-2井創(chuàng)造泥巖地層單趟最高進尺2 047 m，博孜11井創(chuàng)造礫石層單趟最高進尺1 326 m，克深2-1-14井創(chuàng)造最高日進尺742 m，青海鄂探1井創(chuàng)造單趟鉆入井時間395.5 h的紀錄。解決了山前高陡構造和逆掩推覆體地層防斜打快難題，保障了井眼質量，為井筒完整性控制奠定了很好基礎。

中國石油集團西部鉆探工程有限公司（以下簡稱西部鉆探）自主研發(fā)的XZ-AVDS自動垂直鉆井系統(tǒng)，形成2種規(guī)格、5種尺寸系列產品，最大工作溫度150 ℃，井斜控制范圍小于1°，井斜控制精度0.3°，最大工作壓力138 MPa。在新疆、塔里木等油田應用31口井，累計進尺39 814 m，較常規(guī)鄰井提速1.90～3.58倍，井斜控制在1°以內。在庫車山前應用最大井深7 140 m，單趟最高進尺1 941 m，防斜提速效果突出。

“十三五”期間形成了從復合片材料到PDC鉆頭設計、加工一體化的PDC鉆頭專有技術，研制出非平面齒PDC鉆頭、PDC/牙輪復合鉆頭等系列鉆頭，解決了砂礫巖、火山巖、石灰?guī)r等難鉆地層提速瓶頸難題，在塔里木、新疆、西南、大慶等油氣田復雜難鉆地層現(xiàn)場應用1 000余井次，平均提速30%以上，在國內5大盆地創(chuàng)造多項新的鉆井紀錄。已建成PDC鉆頭6 000只/年、復合鉆頭500只/年的產能，市場份額逐步擴大。休斯敦中心研制的非平面齒PDC鉆頭，首創(chuàng)三維凸脊型非平面齒，抗沖擊性由300 J 提升至400 J 以上，脫鈷深度由400 ～ 600 μm 提升至800 ～ 1 200 μm，在塔里木博孜8 井礫石層應用，單只鉆頭進尺725 m，創(chuàng)單只鉆頭進尺區(qū)塊最高紀錄。

自主研發(fā)長壽命、大扭矩螺桿，突破了高性能橡膠材料配方和成型制造工藝，主要解決了傳統(tǒng)螺桿使用壽命短、高溫性能不穩(wěn)定、多介質適應性不足等突出問題。長壽命高性能螺桿具有高耐油、抗高溫、大扭矩、長壽命等特點，能夠有效減少起下鉆次數(shù)， 提高鉆井效率，提高“一趟鉆”占比，在川渝、新疆等重點區(qū)塊現(xiàn)場應用100 余井次，平均工作時間超200 h，最長工作時間達到482 h，整體達到國際先進水平。

大慶鉆探工程有限公司研制的DQY 系列液動旋沖工具能夠通過鉆井液提供動力，在周向產生高頻沖擊，在軸向產生水力脈沖，使鉆頭破巖方式由普通刮削轉變?yōu)闄C械沖擊與水力脈沖相結合的破巖方式， 有效提高PDC 鉆頭在深井硬地層中的剪切巖石效率， 在松遼盆地、塔里木盆地等100 多口井成功應用，提速幅度1 ～ 6 倍。

工程院研制的鉆井協(xié)同減振與破巖智能優(yōu)化系統(tǒng)獲得2020 年中國石油技術發(fā)明一等獎，該技術提供了一套全新的地表與井下協(xié)同控制井下有害振動的工作模式，實現(xiàn)了井下振動的地面監(jiān)測分析與量化評價、井下振動強度的實時測量、井下有害振動的隨鉆優(yōu)化控制（圖10）。當井下發(fā)生有害振動時， 系統(tǒng)通過對鉆井數(shù)據實時解釋分析、井下風險識別， 能夠根據能效和地層變化實時推薦鉆頭最優(yōu)工作參數(shù)，實時提示司鉆并告知井下鉆具振動狀態(tài)及鉆頭破巖狀態(tài)，通過鉆機協(xié)同控制優(yōu)化系統(tǒng)自動提示最優(yōu)破巖參數(shù)，緩解有害振動。同時，井下減振輔助破巖工具也會降低井下有害振動。

西部鉆探研制出井下隨鉆測量與安全監(jiān)控工具， 開發(fā)智能安全預警系統(tǒng)，可靠性和穩(wěn)定性顯著提升， 為復雜深層快速、安全鉆井提供支撐。建立了近鉆頭三軸振動、多向受力的數(shù)學分析方法及井下多數(shù)據傳輸?shù)募夹g方法，突破近鉆頭力學參數(shù)測量技術瓶頸， 實現(xiàn)數(shù)據采集傳輸精度大幅度提高，?172 mm 井下隨鉆測量與安全監(jiān)控工具實現(xiàn)定型，突破系統(tǒng)耐溫、耐壓技術難題，研制出?149.2 mm ～ ?168.3 mm 井眼用小尺寸井下安全監(jiān)控系統(tǒng)工具，實現(xiàn)耐溫175 ℃、耐壓150 MPa。

1.5 　核心助劑支撐深井超深井鉆完井工程提質增效

油基鉆井液取得突破，助力深層超深層提速?！笆濉逼陂g，研發(fā)了抗高溫高密度油基鉆井液核心處理劑，包括有機土、主/ 輔乳化劑、降濾失劑、納微米封堵劑和可膨脹堵漏材料等，油基鉆井液處理劑全部實現(xiàn)國產化^{[20-21,28-37]}。突破了固相和鹽水侵容量限，提升了抗高溫沉降穩(wěn)定性和強封堵性，抗45% 鹽水污染、抗溫大于220 ℃、密度2.60 g/cm³（表2），形成了高密度油基鉆井液封堵防塌技術、防漏堵漏技術、流形調控技術等，研制了抗高溫高密度油基鉆井液和強封堵白油/ 柴油基鉆井液，解決了高壓鹽水侵、破碎帶、大段泥巖的井壁失穩(wěn)問題，大幅度減少了井下復雜。在塔里木庫車山前、西南和新疆南緣深層超深層應用200 余井次，創(chuàng)造塔探1 井溫度最高（210 ℃）、博孜8 井井深最深（8 235 m）、樂探1 井密度最高（2.68 g/cm³）等多項紀錄，各項主要技術指標比肩國外產品，每立方米成本較進口材料降低20% 以上。提升了深井鉆井安全和效率，為復雜超深井安全打成、打快、打好提供了支撐保障。圖11 給出了塔里木山前鹽膏層使用水基鉆井液和油基鉆井液的效果對比。

研制出多種抗溫200 ℃的水基鉆井液關鍵材料，突破抗高溫新材料，形成了具有良好封堵性、抑制性和潤滑性的高性能水基鉆井液技術，以及抗高溫環(huán)保水基鉆井液。密度最高2.40 g/cm³ 、抗溫超過200 ℃、抗鹽超過15%。

針對柴達木盆地堿探1井超高溫（235 ℃）難題，開展抗高溫有機鹽聚胺水基鉆井液及配套堵漏技術研究，優(yōu)選超高溫降濾失劑、封堵防塌劑、超高溫潤滑劑、超高溫熱穩(wěn)定劑等，鉆井過程中抗高溫鉆井液性能穩(wěn)定，地層漏失可控，支撐了該井加深543 m、井溫235 ℃條件下順利完鉆，并取全取準地質資料。

針對深井超深井固井水泥漿存在超高溫調凝失效、失穩(wěn)嚴重、濾失失控及水泥石強度衰退等難題^[38-42]，突破高分子結構設計，研發(fā)配套高溫緩凝劑、降失水劑、懸浮穩(wěn)定劑、水泥石強度衰退抑制劑和力學改性材料等超高溫水泥漿系列外加劑，解決了水泥漿抗溫能力差、頂部水泥超緩凝等技術瓶頸，形成抗高溫、大溫差水泥漿體系添加劑及配套固井技術，抗溫能力200 ℃，適用溫差100 ℃，初步解決了青海、華北等230 ℃高溫油氣井固井難題，有效支撐高溫深井固井提質提效。

突破水泥石結構設計，開發(fā)出增強增韌材料，初步形成抗220 ℃高強度韌性水泥漿體系，抗壓強度大于50 MPa，楊氏模量同比降低30%，顯著提高水泥環(huán)的密封性能，滿足深井超深井固井需求。

針對低密度水泥漿存在水泥含量少、液固比高、強度發(fā)展慢、強度低等問題，依托緊密堆積和晶相結構優(yōu)化設計理論，低液固比設計，采用高抗壓空心玻璃微珠，開發(fā)了高/中低溫低密度高強度水泥漿體系，1.20～1.65 g/cm³水泥石抗壓強度大于14 MPa/48 h/35 ℃、18 MPa/48 h/160 ℃、25 MPa/72 h/160 ℃。

突破自愈合水泥漿體系關鍵技術，高純甲烷封隔能力達9.2 MPa/m，滿足高壓氣井固井要求。采用巖心驅替裝置，在70 ℃、恒壓差5 MPa和圍壓7.5 MPa下遇氣自愈合水泥石在高純甲烷中測試不同巖心的滲透率恢復值。遇氣自愈合材料在甲烷中的愈合能力(造縫后水泥石滲透率降低值)由40%～50%提升至75%～99%，解決了自愈合水泥遇甲烷難愈合的難題。在陽探1井、迪探2井等井應用，實現(xiàn)了有效封固。

1.6 　井筒完整性技術提升了深井超深井安全水平

“十三五”期間，隨著塔里木庫車山前、川中高—磨及川西北等氣區(qū)勘探開發(fā)節(jié)奏加快，面臨高溫（井口溫度超100 ℃）、高壓（生產油壓超100 MPa）、高產（最高產量超百萬立方米）、高含硫等嚴峻挑戰(zhàn)，井完整性面臨極大考驗^{[1-2,9-10,27]}，通過攻關，構建了高溫高壓高酸性介質油氣井井完整性標準體系，編制發(fā)布了《高溫高壓及高含硫井完整性設計準則》《高溫高壓及高含硫井完整性指南》《高溫高壓及高含硫井完整性管理規(guī)范》，參與了國際相關標準的制定；形成了覆蓋井屏障設計、建井質量控制和生產過程管控的全生命周期井完整性技術，包括風險評估及分級管控技術、油管柱完整性（三軸力學精細校核技術、油管應力腐蝕斷裂控制技術）、套管柱完整性（兩級屏障等強度設計技術、140 MPa芯軸式套管頭研制）、水泥環(huán)完整性（窄密度窗口固井技術、高溫水泥石強度穩(wěn)定技術）等；提出了高抗擠套管分級方法、特殊螺紋接頭套管密封可靠性分析方法、多約束條件下非標復合套管柱優(yōu)化設計方法，開發(fā)出高含硫深探井套管選材與套管柱設計系統(tǒng)；建立了固井水泥環(huán)密封完整性力學模型和氣密封失效判斷方法，配合控壓固井、預應力固井、大溫差超長封固段一次上返、封隔式尾管懸掛器、韌性微膨脹水泥漿體系及自動化固井等，形成了固井密封完整性控制技術?；谌芷诘母邏簹饩暾栽O計、控制和管理技術在三高井全面推廣應用，保障了塔里木、西南等大氣區(qū)安全平穩(wěn)生產，新井一年內井完整性完好率由67%提升至90%以上，橙色井比例從18.4%降至12.7%，風險全面受控（圖12）。西南油氣田2016—2020年集成應用井完整性評價與控制技術117口井，套管失效井減少52%（圖13）；塔里木油田庫車山前深井超深井套管失效井比例由2005—2015年的2.2%降低至2016—2020年的0.4%，減少82% ；新投產井投產一年內異常帶壓井比例由2012—2015 年的31.5% 降低至2016—2019 年的5.4%，減少82%。

2 　深井超深井鉆完井面臨的挑戰(zhàn)和對標分析

2.1 　深井超深井鉆完井面臨的挑戰(zhàn)

隨著勘探開發(fā)向深層超深層發(fā)展，深井超深井普遍存在壓力系統(tǒng)復雜且具有不確定性、地層巖性復雜、地層流體（天然氣、H₂S、水、高壓鹽水等）復雜、工程力學復雜等工程地質特征。隨井深不斷增加，高溫高壓更加尖銳，技術新挑戰(zhàn)不斷出現(xiàn)，鉆井工程面臨著復雜多壓力系統(tǒng)和井身結構層次不足、施工風險大、深部鉆井速度慢、井工程質量控制與保障難度大、井筒安全和完整性差、提速提效裝備和工具適應性差、新技術儲備不足等問題^[1,43-44]。在鉆井施工中表現(xiàn)為鉆井周期長、復雜情況和故障多、工程投資大， 甚至有些井難以鉆達目的層，不能實現(xiàn)地質目的等。

塔里木油田面臨高溫（190 ℃）、高壓（143 MPa）、高含硫（最高450 g/m³）、超高壓鹽水、超深（井深6 000 ～ 8 882 m）、高陡（高陡構造地層傾角87°）、極窄（窄壓力窗口0.01 ～ 0.02 g/cm³）、超低（低孔隙度4% ～ 8%、低滲透率0.01 ～ 0.1 mD）、巨厚（近6 000 m 巨厚礫石層和巨厚復合鹽膏層）等復雜地質環(huán)境的挑戰(zhàn)，應對3 套鹽層等超深復雜地層的井身結構還不成熟、博孜礫石集中發(fā)育區(qū)的鉆井提速難題尚未完全解決，窄壓力窗口地層安全鉆井系統(tǒng)解決方案還需進一步優(yōu)化完善、8 000 m 以深鉆完井配套技術不成熟等。

川渝深井超深井鉆井主要集中在川西北深層海相（井深6 500 ～ 7 500 m）、川東寒武系（井深 6 500 ～ 8 000 m）, 隨著川渝深層勘探開發(fā)領域從盆地中部往盆地外圍拓展，勘探對象由上二疊統(tǒng)—三疊系向更深的下二疊統(tǒng)—震旦系轉移，雷口坡組以下18 個海相油氣層（6 個主力產層）層層含硫，部分高含硫，鉆井試油面臨超深（大于7 000 m）、超高壓 （大于150 MPa）、超高溫（大于210 ℃）、極窄窗口（0.02 ～ 0.04 g/cm³）等挑戰(zhàn)。需要進一步拓展井身結構，持續(xù)攻關礫石層和高含石英巖的鉆井提速、超深小井眼鉆井與固井、涌漏同層的承壓堵漏和控壓鉆井、超深高溫高壓含硫井的井下工具和井筒工作液、井筒完整性等。

2.2 　對標分析

深井超深井鉆井總體技術水平不斷提升，與國外差距持續(xù)縮小^{[1-2,30,36,39-51]}。鉆井技術與裝備基本滿足勘探開發(fā)需要，以管柱自動排放為核心的7 000 m 自動化鉆機、頂驅、控壓鉆井、深層連續(xù)管作業(yè)機等基本國產化自給。陸地鉆機、頂驅、控壓鉆井、抗高溫油基鉆井液、韌性水泥漿等方面達到國際先進水平，但鉆井裝備自動化智能化、隨鉆測控、抗高溫元器件、數(shù)字化智能化技術等與國際先進水平有較大差距，井筒工作液在超高溫和極低密度、環(huán)保等方面需要進一步攻關。

國外：發(fā)展了1 000 ～ 15 000 m 系列鉆機、液壓鉆機、模塊化/ 個性化鉆機，形成了智能鉆井系統(tǒng)架構，智能化井控裝備、鉆井液實時監(jiān)測分析系統(tǒng)已商業(yè)化應用；頂驅產品型號齊全，實現(xiàn)系列化、自動化，承載能力2 250 ～ 13 500 kN，配備鉆井作業(yè)安全提升技術、扭矩智能控制、導向滑動控制等；在氣體/ 欠平衡/ 控壓鉆井裝備方面，旋轉防噴器、套管閥、節(jié)流閥等種類齊全，節(jié)流精度0.25 MPa。

中國石油：擁有1 000 ～ 12 000 m 系列鉆機及頂驅設備，頂驅載荷能力2 250 ～ 9 000 kN，配置鉆井作業(yè)安全提升技術、扭矩智能控制、導向滑動控制，主軸旋轉定位，遠程診斷；氣體/欠平衡/控壓鉆井裝備成熟配套。

對標分析：鉆機的設計與制造、壓力控制裝備、頂驅等核心技術達到國際先進，鉆機的自動化、智能化、可運移性等與國外有差距。

國外：PDC鉆頭、牙輪鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭等技術成熟，形成系列化，規(guī)模應用，混合結構、混合齒、360°齒等新型切削齒及鉆頭創(chuàng)新不斷。垂直鉆井工具、螺桿鉆具、渦輪鉆具、扭力沖擊器、減振工具、鉆井提速優(yōu)化系統(tǒng)等技術成熟，規(guī)模應用。

中國石油：常規(guī)鉆頭種類齊全、成熟應用，高端PDC復合片依賴進口，硬地層機械鉆速低、壽命短；形成系列化螺桿設計與制造能力，耐高溫、耐腐蝕、長壽命等方面與國外有差距；垂直鉆井工具、渦輪鉆具、扭力沖擊器、水力脈沖工具、衡扭矩工具、鉆井提速優(yōu)化系統(tǒng)等在鉆井提速中發(fā)揮了積極作用，但可靠性、地層適應性等方面還需要進一步攻關。

對標分析：PDC復合片、超硬材料、高溫井下動力鉆具、輔助破巖工具等核心技術與國外有差距，鉆頭設計與制造工藝有待提升。

國外：MWD、LWD隨鉆測量技術成熟應用，抗溫能力150 ℃，部分突破175 ℃。EMMWD、智能鉆桿商業(yè)應用，隨鉆測量儀可測量參數(shù)18個，地質導向、旋轉導向系統(tǒng)成熟配套，實現(xiàn)產品化、系列化，規(guī)模應用。

中國石油：MWD、LWD等實現(xiàn)工業(yè)化應用，抗溫能力125 ℃，部分達到150 ℃。近鉆頭地質導向系統(tǒng)等實現(xiàn)工業(yè)化應用，正在攻關旋轉導向系統(tǒng)。

對標分析：高溫隨鉆測量、旋轉導向、隨鉆前探等核心技術與國外差距明顯。

國外：高溫高密度水基鉆井液處理劑齊全、產品系列化，耐溫200 ℃以上。油基鉆井液處理劑齊全、產品系列化，耐溫好，性能優(yōu)良，規(guī)模應用（表3）。

中國石油：水基鉆井液技術成熟，體系齊全，耐溫性好，規(guī)模應用。油基鉆井液基本成熟，但防漏堵漏處理劑相對缺少。

對標分析：在體系配方設計與評價、水基鉆井液方面與國外基本相當，油基鉆井液大幅縮小了與國外差距，在關鍵處理劑和廢棄物處理等方面還需要攻關。

國際：固井工具品種齊全、性能可靠，耐溫260 ℃，耐壓120 MPa。韌性水泥、自愈合水泥、防漏水泥等成熟。正在開發(fā)樹脂水泥、彈性水泥，固井模擬軟件成熟配套（表4）。

中國石油：形成了11 大類100 多個品種水泥漿外加劑，滿足需要，韌性水泥、大溫差水泥、低密度水泥等成熟，高密度水泥達2.60 g/cm³。固井完井工藝成熟配套，正在完善抗高溫水泥、自愈合水泥等。

對標分析：體系配方設計與評價、大溫差固井、韌性水泥等達到國際先進，固井完井工具、超高溫水泥、智能完井等與國外有差距。

3 　深井超深井鉆完井技術發(fā)展趨勢與展望

3.1 　深井超深井鉆完井技術發(fā)展趨勢

未來陸上油氣勘探開發(fā)的重點依然在深層超深層， 井筒工程主體技術正向著鉆的更深、更快、更經濟、更清潔、更安全和更聰明的方向發(fā)展^{[1-4,8-9,21,23-25,30,36,39, 52-57]}。圍繞深井超深井鉆完井將發(fā)展一系列新裝備、新技術、新工藝、新工具和新材料，傳統(tǒng)技術將與信息化、大數(shù)據、智能化技術不斷融合發(fā)展。

深井超深井鉆井裝備向不斷自動化智能化方向發(fā)展，鉆機及配套裝備向高靈活性、高自動化、高安全性、多樣化發(fā)展，井口操作向自動化、智能化、遠程操控方向發(fā)展；破巖技術向復合鉆頭、異形齒PDC、自適應鉆頭、智能鉆頭以及電動鉆具、實時優(yōu)化、非接觸破巖等方向發(fā)展；控壓鉆井向控制壓力精度更高、自動化、智能化方向發(fā)展；隨鉆測量朝著高傳輸速率、耐溫高、多參數(shù)、前探方向發(fā)展， 旋轉導向鉆井向高造斜率、智能化方向發(fā)展，地質導向朝更深、更遠地層參數(shù)方向發(fā)展，逐步取代電纜測井，向測量、測井、錄井一體化方向發(fā)展；鉆井液技術向更高效能、全過程清潔環(huán)保、智能、可重復回收利用方向發(fā)展，超高溫、極低溫、納米、強化井壁材料和智能型處理劑將出現(xiàn)，溶洞/ 裂縫惡性漏失地層防漏堵漏綜合一體化，并向在線性能測控、自動化閉環(huán)固控與自動配漿系統(tǒng)發(fā)展；固井技術向固井過程操作自動化、信息化、智能化、全生命周期控制方向發(fā)展，固井材料向超高溫、功能性、安全環(huán)保、自適應，固井工具向復雜工藝工況條件下高穩(wěn)定性、高可靠性方向發(fā)展；鉆井軟件向地質工程一體化、實時化、大數(shù)據、云計算、可視化、人工智能方向發(fā)展；連續(xù)管作業(yè)向測井、固井、完井壓裂、井下作業(yè)一體化和深層超深層發(fā)展；連續(xù)管鉆井向隨鉆智能測控、閉環(huán)導向鉆井發(fā)展，鉆井工藝向老井重入、側鉆水平井分支井等應用發(fā)展。

3.2 　“十四五”深井超深井鉆完井技術發(fā)展展望

“十四五”及未來相當長一段時間內，一批影響深井超深井安全快速鉆井的關鍵核心技術卡點急需突破，實現(xiàn)高端裝備工具的自主可控；綠色低碳鉆井、清潔生產和本質安全是時代的主題和行業(yè)的遵循，已成剛性需求；提質增效、高質量發(fā)展需要數(shù)字化智能化技術支撐轉型發(fā)展^{[1,3-4,9,23-25,30,39,45,49-50,52-53]}。

圍繞深井超深井打成打快打好，重點研發(fā)深井自動化智能化鉆機及配套裝置、高效PDC鉆頭和智能化鉆頭、極端條件下深井超深井井筒工作液、隨鉆前探等尖端技術，研制智能控壓鉆井技術與裝備、井下故障復雜智能識別與早期診斷、井下多參數(shù)實時測量與智能優(yōu)化控制技術、數(shù)字化智能化建井技術等，發(fā)展耐高溫抗高壓的工具、儀器和井筒工作液材料，開發(fā)抗高溫大扭矩長壽命井下鉆具、隨鉆擴眼與膨脹管裸眼封堵等，持續(xù)提升傳統(tǒng)技術的可靠性，提高深井超深井安全優(yōu)快鉆井的能力，提升鉆井工程設計軟件及遠程技術支持水平，推進鉆井由傳統(tǒng)作業(yè)方式向實時決策支持作業(yè)方式轉變。

發(fā)展目標：緊密圍繞勘探開發(fā)主體技術需求和深井超深井打成打快打好面臨的關鍵技術瓶頸問題，持續(xù)開展鉆井技術攻關。高溫大溫差水泥和韌性水泥技術繼續(xù)保持國際領先水平，氣體和欠平衡鉆井技術、井筒壓力自適應控制、高溫高密度油基鉆井液和高性能水基鉆井液、連續(xù)管裝備與作業(yè)技術等繼續(xù)保持國際先進水平；自動化智能化鉆機、井下信息高速傳輸技術、隨鉆前探技術、電動鉆具鉆井系統(tǒng)、PDC高效鉆頭和材料等技術、隨鉆擴眼及膨脹管裸眼封堵技術、復雜深井救援等實現(xiàn)重大突破。掌握萬米超深井、特超深井鉆井技術，支撐超深層勘探開發(fā)，大幅度提高復雜井鉆探成功率和鉆井速度。

發(fā)展“第三代”自動化鉆機，攻關智能鉆井關鍵技術，隨鉆擴眼和膨脹管裸眼封堵、電動鉆具鉆井、智能控壓等取得重大突破，持續(xù)發(fā)展完善深井高速信息上傳系統(tǒng)，實現(xiàn)重大裝備的健康管理和遠程監(jiān)控維護。自動化鉆井裝備與高端工具、軟件方面，“十四五”重點開展第三代自動化鉆機、高性能井筒壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)、膨脹管裸眼封堵及井身結構拓展、井下復雜智能識別與診斷、數(shù)字孿生建井、高速信息傳輸、9 000 m連續(xù)管作業(yè)機、電動鉆具鉆井、高強輕質合金鉆桿等研究。   

突破超硬耐研磨材料，研制高性能智能鉆頭和復合鉆頭，持續(xù)完善耐油耐高溫長壽命螺桿鉆具，發(fā)展完善反循環(huán)鉆井、連續(xù)循環(huán)氣體鉆井等技術，探索新型破巖方法，發(fā)展電脈沖破巖工具等，支撐深層超深層難鉆地層有效提速。“十四五”重點發(fā)展自適應高效鉆頭、耐油耐高溫長壽命螺桿鉆具、密閉循環(huán)鉆井技術，以及電脈沖、激光等破巖新技術。

持續(xù)攻關惡性漏失一體化控制、智能鉆井液材料等難題，發(fā)展低成本、高效、綠色鉆完井液及廢棄物減量和處理技術，形成高溫高密度高鹽鉆完井液系列技術，實現(xiàn)鉆井液性能在線實時監(jiān)控。“十四五”重點發(fā)展高溫高密度高鹽鉆井液、惡性漏失控制技術、在線性能自動測控與自動化閉環(huán)固控與配漿系統(tǒng)、鉆井廢棄物環(huán)保利用及處理技術等。

保持特色水泥漿技術國際領先，突破抗220 ℃以上高溫水泥漿及高溫固井關鍵工具，形成超深井、特超深井等復雜條件下固井配套技術，完善發(fā)展固井仿真模擬自動監(jiān)控軟件和固井工程大數(shù)據平臺、自動水泥頭等關鍵技術，形成自動化監(jiān)控固井施工技術，推動固井施工向自動化發(fā)展，為復雜井、超深井提供固井質量保障?！笆奈濉敝攸c發(fā)展固井仿真監(jiān)控軟件和大數(shù)據平臺、抗240 ℃水泥漿及固井關鍵工具、高溫高壓完井封隔器等。

以人工智能等為代表的第四次工業(yè)革命已經到來，“十四五”及今后一段時間內鉆完井技術裝備將不斷向自動化、智能化方向發(fā)展，可實現(xiàn)超前探測、精準制導、閉環(huán)調控和智能決策，大幅提高深層超深層勘探發(fā)現(xiàn)和儲層鉆遇率，提高鉆井成功率和鉆遇率，實現(xiàn)安全高效經濟鉆完井。

4 　結論與建議

“十三五”期間我國深井超深井鉆井技術快速發(fā)展，在自動化鉆機、控壓鉆測固完技術、大扭矩頂驅、深井連續(xù)管作業(yè)機等高端裝備，垂直鉆井工具、非平面齒鉆頭、高強度膨脹管、抗高溫大扭矩長壽命螺桿、扭力沖擊工具、協(xié)同減震破巖、隨鉆測量和安全監(jiān)測工具等尖端工具，抗高溫高密度油基鉆井液、高性能水基鉆井液、韌性水泥漿、自愈合水泥漿等核心助劑，以及井筒完整性等方面取得突破，超深井數(shù)量首次超越美國，井深邁上8 000 m新臺階，對支撐深層勘探開發(fā)業(yè)務發(fā)展，提升鉆完井市場競爭力發(fā)揮了重要作用。

“十四五”深井超深井依然是我國油氣勘探開發(fā)的重點。圍繞深井超深井特深井打成打快打好，建議開展深井自動化智能化鉆井裝備、超高溫井筒工作液、隨鉆前探、數(shù)字孿生建井等關鍵核心技術攻關，實現(xiàn)傳統(tǒng)優(yōu)勢技術的迭代升級，提升深井超深井安全優(yōu)快鉆井的能力。