通过数千米甚至是超万米的大陆科学钻探，可为深部矿产资源评价提供科技支撑，储备深部资源开发技术，同时还可以揭露地球深部流体结构、地热结构和地震活动，研究气候变化及环境变迁，提升防灾减灾能力。
本文通过调研分析当前科学钻探的发展现状，阐述万米科学超深井钻完井面临的挑战，并展望可能适用于万米科学超深井钻完井的关键技术。
科学钻探钻完井现状
- 中国科学钻探项目钻完井现状
1）中国大陆科学钻探工程
中国在2001年开始实施中国大陆科学钻探工程，历时4年，实施了1口5158m深的连续取心钻井，该工程的目的是研究大别-苏鲁超高压变质带的折返机制，采用螺杆 液动锤井底驱动取心钻井工艺。
2）青海湖环境科学钻探工程
该工程是中国环境科学钻探工程的重要组成部分，也是国际大陆科学钻探项目。该工程的目的是为研究青海湖地区环境的形成演化、生态环境的退化治理与重建、环境承载能力提高和未来环境预测提供重要的数据和理论。
3）汶川地震断裂带科学钻探工程
在地震断裂带上实施科学钻探，特别是在发生大地震之后，可为了解地震的机制提供支撑。2008年10月，中国在汶川地区组织实施了5口科学钻探井，施工地点在龙门山断裂带，该地区曾发生过多次地震，地层极度破碎、无胶结或者弱胶结。5口钻都遇到井壁缩径、断钻具、施工周期长、钻井速度慢等问题，钻进施工异常艰难，远超预期。
4）松辽盆地资源与环境科学钻探工程
该工程主要包含2个项目，其中松科2井于2014年4月13日开钻，历时4年，完钻井深7018m，采用超前裸眼钻进方法。松科2井揭示了松辽盆地深部地质构造特征，为松辽盆地成因及对深层油气勘探的再认识提供了理论指导，也为之后超深井工程的开展提供了技术支撑。
- 国外科学钻探项目钻完井现状
1）美国
美国是第1个提出“莫霍面钻探计划”的国家。“深海钻探计划”（DSDP）最初由美国单独执行，后来陆续有11个国家加入。海洋科学钻探的开展为深海资源勘探开发、环境预测和防震减灾工作的开展提供了重要支撑，但花费巨大，这个计划最终没有继续下去。
此后美国开展了多项大陆科学钻探项目，如卡洪山口项目，主要目的是研究断层的热流和地应力之间的关系和断层动力学，采用全面钻进，点取心的方式，完井深度为3510 m。
此外还实施了几个湖泊科学钻探项目，采用的大多是绳索取芯工艺。
2）苏联
苏联是世界上最早开展科学钻探活动的国家之一，实施了举世瞩目的科拉超深井钻井项目。科拉超深井设计井深15000 m，采用超前裸眼钻进方法，在开钻钻至稳定基岩层后，下入第1层套管固井后，下入1层可以回收的活动套管，继续下一开次的钻进，若遇到井下复杂情况须进行下套管处理，可将活动套管拔出，固井后在其内部再下入一层活动套管继续钻进。这种钻井方式有利于控制整体的施工成本。
科拉超深井出现了多次钻具断裂等井下事故，被迫停止，井深12262 m，这是目前世界上最深的科学钻探井。
此外还实施了乌拉尔超深井、萨阿特雷超深井、秋明超深井、克里沃罗格超深井等。
3）德国
联邦德国实施的大陆深钻计划（KTB）目的是了解内陆地壳的结构、成分、动力学和演变。KTB计划采用的是先导井和主井双施工方案，先导井井深4000 m，主井井深9101 m，先导井参照了苏联的“超前裸眼钻进方法”。主井为了保证井眼的垂直度，使用了自动垂直钻井系统，采用全面钻进，点取心的方式。
4）日本
为了解火山结构、成长历史和岩浆的喷出机制，日本联合美国科学家共同申请了综合大洋钻探计划（ICDP）项目，进行了2期科学钻探，第1期科学钻探钻深为1800 m，未钻到预想的岩浆通道。
第2期科学钻探钻深为1995 m，在深度1500 m处钻遇了岩浆通道，实测井底温度远低于预测值，科学家们解释是地下流体剧烈活动使火山通道快速冷却。
5）冰岛
冰岛科学钻探项目（IDDP）计划钻进深度是4000~5000 m。在钻至2104 m时，发现了玻璃质物质和深色的黑曜岩，分析得出这些玻璃物质是钻井液同地下高温岩浆急速淬火产生的，且地下岩浆的深度超过4000 m，因此不得不停止钻进。IDDP计划对该处的地热能进行了利用，同时检验了此井同周围其他井的连通性，为研究活的岩浆提供了独特机遇。
综上，超过万米的目前只有苏联的科拉钻井工程，且钻进深度未达预期；中国虽然顺利实施了松科2井项目，但可供万米科学钻探学习和借鉴的经验不多，还须开展技术攻关。
万米科学超深井钻完井面临的挑战
- 地质条件复杂
万米超深井科学钻探在钻进的过程中可能遇到山前构造、高陡构造、复合盐膏层等复杂情况，出现应力集中、井壁坍塌、井壁缩颈等问题，不仅增加了设计合理井身结构的困难程度，同时还要解决机械钻速不高，井眼稳定性差，钻井液大量漏失等一系列难题。
- 地层温度高
万米科学超深井的井底温度预计超过300 ℃，在高温环境下许多钻井工具的稳定性和寿命都会受到影响，钻井液的密度、流变性和稳定性也会改变，携岩能力和护壁能力明显降低。高温还会对固井质量造成严重影响，诱发套管挤毁事故。这是制约中国科学超深井钻探能否顺利实施的关键因素。
- 钻井周期长
万米科学超深井钻井施工过程中存在许多影响钻井效率和施工周期的因素。
1）上部井眼尺寸大、井段长，可选钻头类型较少，钻井效率低。
2）深部地层岩性致密，硬度高，研磨性强，可钻性差，常规的牙轮钻头和聚晶金刚石复合片钻头无法进行快速钻进。
3）高温限制了井下动力工具的使用，虽然可用涡轮钻具来提速增效，但其扭矩小、寿命低，无法长时间使用，且使用费用很高。
此外地层漏失、坍塌、卡钻等现象也会对钻进周期造成很大影响。
- 井斜控制难
随着钻井深度的增加，井斜不可避免地增大，给钻井施工带来许多困难。为了控制井斜，通常采用防斜钻具组合和井下动力钻具进行防斜和纠斜，采取轻压掉打的方式钻进，有一定效果，但钻进速度慢、周期长，要反复进行滑动钻进纠斜，井眼轨迹控制不理想。
- 超长钻杆柱适应性问题
在钻井过程中钻杆柱受到多种载荷的复合作用，对万米科学超深井钻井而言，如果使用单一的钢钻杆可能会因为自重就发生拉断，此外还要承受多种载荷、高温以及酸性流体的腐蚀作用，因此超长钻杆柱设计是非常关键的一环。
- 井身结构设计困难
万米科学超深井钻井钻遇地层压力体系多，同时存在易漏失、易垮塌、异常高压等复杂情况，必封点多，钻井液密度窗口窄，井身结构设计和安全钻进难度大，易发生井喷、井漏、卡钻等多种井下事故，使井身结构设计无法符合要求。
万米科学超深井钻完井关键技术展望
- 地质工程一体化钻井技术
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，对钻井方案进行及时调整和优化。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。
- 高效破岩技术
加快高适应性超硬、热稳定性钻头的研发，同时加强非标钻头的研发，为处理地层复杂情况下入多层套管留下余地。针对井下动力钻具，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。
- 高温钻井液技术
针对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，二是采用钻井液强制冷却技术降低循环钻井液温度。
- 高温固井技术
在固井方面，首先要研发耐温能力更强的水泥浆体系，其次要加大固井套管材料的研发力度。另外还要加大固井工艺技术的研究，如精细控压固井技术、预应力固井技术、预压固井技术等。
- 井身结构设计优化技术
万米科学超深井钻井不确定地质因素较多，如果采用常规的井身结构设计无法对可能遇见的复杂层段进行完全封隔，而超前裸眼钻进井身结构设计方法可增加套管层序，实现井身结构优化设计，最大限度地保障深部钻井的安全性。
- 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，可有效降低井壁坍塌、井涌和井漏的问题，在高压窄口地层应用具有很大成效。目前，该技术在石油钻井中应用较广泛。
- 复合钻柱设计
使用单一的钢钻杆无法完成万米超深井钻井工作，须对钻柱进行复合设计，使用不同规格、不同壁厚和不同钢级的钢钻杆，同时使用铝合金钻杆以减轻重量，但考虑到铝合金材料的耐温能力和耐腐蚀性，未来须大力开发耐温、耐腐蚀、质量更轻、强度更高的钛合金钻杆。
- 膨胀套管技术
面对井壁坍塌掉块、地层裂缝性漏失问题，在温度、裂隙大小、地下水等条件的制约下，膨胀套管成了最好的选择。膨胀套管不仅能解决泥浆护壁堵漏的耐温问题，还能在此基础上实现等井径钻进，减少大直径套管的下入，降低钻井费用，提高作业安全性。
- 井斜控制技术
1）自动垂直钻井系统是防斜快打非常有效的手段，可在井下自动控制井斜，在大倾角地层能把井斜控制为几乎垂直。未来须加大科研攻关力度，进一步提升其抗高温能力。
2）旋转导向系统能全过程实现复合钻进，及时进行纠斜，但其使用费用较高。
3）预弯曲动力学防斜快打技术结合了滑动导向钻进和旋转钻进，通过增加钻头的降斜力大小，达到降斜的目的。
- 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，主要通过高能激光直接使岩石发生爆裂和碎化。该技术通过实验验证是可行的，未来或给钻完井工程带来一次深刻的革命。
- 钻井工程自动化及信息集成技术
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等。
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，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。
- 钻井工程智能化技术
1）地面钻井设备智能化，实现不间断钻进，具备智能井控和智能控压钻井能力。
2）井下智能化，研发超级钻头或智能钻头，具有高效的破岩效率，并能对钻井工程参数、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，地层适应性更强，具备自主稳定护壁、堵漏等功能；研发井下实时、高速、大容量信道；研发井下智能导向钻井系统，实现三维导向钻井，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，实现远程智能控制钻井。
- 钻井工程无人化技术
钻井现场配备人工智能机器人，具有自主学习、记忆和判断的能力，以及自主决策和自主操作等功能，可完全替代现场人工操作。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等。
论文作者：王志刚，王稳石，张立烨，席正，安迪，尹浩，王文，闫家
作者简介：王志刚，中国地质科学院勘探技术研究所，工程师，研究方向为水合物、页岩气、干热岩、科学超深井钻井与开发。
论文全文发表于《科技导报》2022年第13期
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