一、地质工程一体化钻井技术

　　万米科学超深井钻井是一个复杂的系统工程， 需要将地质与工程结合在一起，以地质研究为基 础，明确可能带来工程复杂和困难的地质条件，建 立不同尺度和维度的地质和地质力学模型，根据万 米科学超深井钻井施工过程中钻遇的地层，对钻井 方案及时进行调整和优化，主要调整优化的内容有 井眼轨迹、钻具组合、高效钻头、井身结构、井壁稳 定与强化举措、人工智能辅助和钻井液密度与性 能，通过将地质模型与钻柱-井壁-钻头-岩石系统 动力学行为、岩石破碎机理、高效钻头研发、钻井参 数智能化控制等相结合，实现高效钻井;将地质模 型与储层岩石力学特征、钻柱-井壁系统动力学行 为、井眼轨迹、井壁稳定和强化举措、钻井液密度和 性能相融合，实现安全钻井;同时应用测井、录井、钻井参数等数据对地质模型进行修正，最终形成地 质工程一体化安全高效钻井方案，为万米科学超深 井钻井的顺利实施提供保障。

　　二、高效破岩技术

　　钻头是直接碎岩的工具，针对万米科学超深井钻井地层温度高、可钻性差、可选钻头类型少的问题，加快研发高适应性超硬、热稳定性钻头成为必由之路。国外在高温、高适应性钻头研究方面取得了一定的进展，如斯伦贝谢研发的锥型齿 PDC 钻头、Kymera Mach 4 钻头和Dynamus 钻头，ReedHy⁃ calog 推出的超硬热稳定性钻头，史密斯公司研发的Kinetic 孕镶金刚石钻头。此外许多新的材料被应用到了钻头设计中，如通过陶瓷涂层来提升钻头的耐温性能，通过纤维材料来提高钻头的耐冲击性。同时还应该加强非标钻头的研发设计工作，进而为处理地层复杂情况下入多层套管留下余地，确保万米科学超深井钻井工程的顺利实施。

　　井下动力钻具是提速增效必不可少的工具，主要包含螺杆钻具、涡轮钻具、液动锤、旋转导向钻具、扭力冲击器等，其中螺杆钻具、液动锤、旋转导向钻具、随钻测量系统耐温能力都未超过200℃，涡轮钻具和扭力冲击器虽然耐温能力可以达到300℃，但是现场应用少，因此常规井下动力钻具在万米科学超深井深部钻井过程中是无法使用的，必须加大“高温钻头+高温随钻测量系统+高温井下动力钻具”的研究力度。

　　三、高温钻井液技术

　　钻井液主要包含2 种类型：水基钻井液和油基钻井液。目前水基钻井液的最高耐温能力在240~ 260℃ ，油基钻井液的最高耐温能力在 265℃[23-27]。在高温的影响下，钻井液的性能会发生改变，为了 满足万米科学超深井钻井的需求，可从2 方面入手解决钻井液耐温能力问题：一是继续研发耐温能力 更强的油基和水基钻井液体系，使其在高温环境下 仍然保持良好的性能，进而为万米科学超深井钻井 的顺利实施提供支撑;二是采用钻井液强制冷却技 术降低循环钻井液温度，维持钻井液性能。该项技 术在陆域冻土天然气水合物钻探和青海干热岩钻 探中得到了成功的应用，取得了良好的效果。

　　四、高温固井技术

　　高温固井也是万米科学超深井钻井需要解决 的难题，在温度的影响下，固井水泥和套管的性能 将会发生改变，进而对固井质量产生影响。目前国内外的水泥浆体系耐温能力普遍不高于260℃，为此在固井方面首选需要研发耐温能力更强的水泥 浆体系，其次还需要加大固井套管材料的研发力 度，提升套管的各项性能，进而满足高温固井需求。另外还要加大固井工艺技术的研究，比如精细控压 固井技术、预应力固井技术、预压固井技术、震动固 井技术、多压力系统一次上返固井技术、尾管正反 注固井技术。

　　五、井身结构设计优化技术

　　针对万米科学超深井钻井不确定地质因素较多，无法准确预测地层压力和流体性质，存在多个工程地质问题，可能出现设计与实钻不符，钻井复杂和井下事故频发，危害钻井安全等问题。如果采用常规的井身结构设计无法对可能预见的复杂层段进行完全的封隔，超前裸眼钻进井身结构设计方法可以最大限度的保障深部钻井的安全性。采用该种方法可以在上部井段采用非标准钻头进行小井眼钻进，在遇到复杂情况时采用非标准扩孔钻头进行扩孔，下入套管护壁，进而增加了套管层序，实现了井身结构优化设计，解决了套管层次不足问题，提高了钻井的安全性。

　　六、精细控压钻井技术

　　精细控压钻井技术是依靠控压钻井系统实现对井口回压进行全过程自动调控的钻井技术，控压精度可以达到 0.2 MPa，在高压窄口地层应用具有很大的成效，通过对井口压力的控制实现欠平衡钻 井，进而有效降低井壁坍塌、井涌和井漏的问题，在 一定程度上提高钻井速度，控制钻井成本。根据精 细控压钻井技术的优点，可以将该技术作为一个重 要的技术措施应用到万米科学超深井钻井过程中， 该技术目前在石油钻井中应用较为广泛，并且已经 发展形成了钻-测-固-完全过程精细控压钻完井 设计、钻进、起下钻、电测、固井、完井等技术。

　　七、复合钻柱设计

　　钻杆柱设计是万米科学超深井钻井非常关键的一环，根据前苏联科拉超深井施工经验，单纯使用单一的钢钻杆无法完成万米超深井钻井工作，需要对钻柱进行复合设计，不仅要使用不同规格、不同壁厚和不同钢级的钢钻杆，同时还要使用铝合金钻杆以减轻重量，但考虑到铝合金钻杆耐温能力和耐腐蚀性不强，未来需要大力开发耐温、耐腐蚀、质量更轻、强度更高的钛合金钻杆，多类型钻杆复合设计使用，进而满足万米科学超深井钻井需求。

　　八、膨胀套管技术

　　万米科学超深井钻井过程中不可避免地需要解决井壁坍塌掉块、地层裂缝性漏失问题，受到温 度、裂隙大小和地下水的影响，泥浆护壁堵漏效果 无法保障。套管护壁堵漏是非常有效的一种技术 举措，但是受到井身结构设计和钻井深度的限制， 常规套管护壁堵漏并不能得到广泛的应用。膨胀 套管成为了最好的选择，膨胀套管不仅可以解决泥 浆护壁堵漏的耐温问题，同时在此基础上还可以实 现等井径钻进，不仅减少了大直径套管的下入，降 低了钻井费用，同时提高了作业安全性。

　　九、井斜控制技术

　　自动垂直钻井系统是防斜快打非常有效的技 术手段，主要包含电源系统、测控系统和执行系统， 是集成电液一体化的井下闭环系统，可在井下自动 控制井斜，在大倾角地层能够把井斜控制在几乎垂 直的状态，受到耐温能力的限制，在万米科学超深 井上部井段钻井过程可使用该系统，以提高井眼垂 直度，未来需要加大科研攻关力度，进一步提升其 抗高温能力;旋转导向系统可以全过程实现复合钻 进，进而及时进行纠斜，但其使用费用较高;预弯曲 动力学防斜快打技术可以实现滑动导向钻进和旋 转钻进的结合，通过增加钻头的降斜力大小，达到 降斜的目的，这3 种井斜控制技术可以根据万米科学超深井钻井实际情况进行选择性的使用。

　　十、激光钻井技术

　　激光钻井技术具有高速度、低成本、高安全和低伤害等优点，主要是通过利用高能激光直接作用于岩石，使岩石发生爆裂和碎化进行钻井[32]。该技术通过实验验证是可行的，但商业化应用还需要加大科研攻关力度，如果未来能够在万米科学超深井钻完井中得到应用，将给钻完井工程带来一次深刻的革命。

　　十一、钻井工程自动化及信息集成技术

　　围绕万米科学超深井打成打快打好的原则，需 要重点研发深井自动化、智能化钻机和配套装置， 攻关智能识别和判断井下故障装置、井下多参数实 时测量和智能控制装置、数字化智能建井技术、井 下信息高速传输技术、随钻前探技术、随钻成像测 井技术、电动钻具钻井系统等[33-34]。同时提升钻井工程软件及远程技术支持水平，建立一体化钻井数 据库，将钻井工程设计和钻、测、录施工数据集成到 统一平台，提高信息传输效率和信息数据的实时 性，提供远程监督、技术分析和专家决策支持，实现 万米科学超深井钻完井的实时决策作业，为万米科 学超深井钻完井的顺利实施提供保障。

　　十二、钻井工程智能化技术

　　钻井工程智能化是钻井技术发展的趋势，主要包含地面钻井设备智能化、井下智能化和智能钻井专家系统。(1)地面钻井设备智能化，可实现不间断钻进，无需停钻和停泵，作业效率显著提高，具备 智能井控和智能控压钻井能力。(2)井下智能化， 研发超级钻头或者是智能钻头，不仅具有高效的破 岩效率且可以对钻井工程参数、钻头工况和钻进的 地层进行实时监测;研发智能钻井液系统，具备地 层适应性更强，自主稳定护壁、堵漏等功能，可以更 好的保护井壁;研发井下实时、高速、大容量信道， 提高井下数据传输速率;研发井下智能导向钻井系 统，实现三维导向钻井，可以自动引导钻头朝靶点钻进;(3)智能钻井专家系统，具备高智能化的学习、记忆和自主决策能力，可实现远程智能控制钻 井，大幅提高万米科学超深井钻井效率和安全性。

　　十三、钻井工程无人化技术

　　随着机器人技术、智能信息技术、智能远程控制技术的发展，钻井工程将朝着无人化方向发展。钻井现场配备人工智能机器人，不仅具有自主学习、记忆和判断的能力，同时具有自主决策和自主操作等功能，可以完全替代现场人工操作，实现无人化钻井。同时结合人工智能技术，实现无人自主钻井优化设计、无人自主钻井参数优化、无人自主钻井井眼轨迹控制、无人自主井筒完整性监控、无人自主控制钻进、无人自主钻井风险识别、无人自主钻井程序决策及风险应对。钻井工程无人化技术的发展将为万米科学超深井安全、高效的完成提供支撑。

来源：《万米科学超深井钻完井现状与展望》