TK1井萬米深地工程技術(shù)進(jìn)展

1.

項目簡介

TK1井萬米深地科探工程是落實“向地球深部進(jìn)軍”重要標(biāo)志，是突破卡脖子技術(shù)，實現(xiàn)深地科技高水平自立自強(qiáng)的重要舉措，是落實國家戰(zhàn)略發(fā)揮核心作用、增強(qiáng)核心功能的重要典范。TK1井是我國首口萬米科學(xué)探井，位于“死亡之海”新疆塔克拉瑪干沙漠腹地，于2023年5月30日開鉆，設(shè)計井深11100m（圖1）。其鉆探目的是揭示超深層高溫高壓油氣成藏富集機(jī)理，探索超深層油氣分布及規(guī)?？碧綐O限，形成萬米深井鉆完井、試油及改造等關(guān)鍵核心技術(shù)。井區(qū)內(nèi)約20層樓高的鋼鐵塔架，穩(wěn)穩(wěn)矗立在流沙之上，重達(dá)2000多噸的鉆頭、鉆桿、套管等將深入地下，成為探索地球深部的“望遠(yuǎn)鏡”。

TK1井鉆探工程無論是地質(zhì)情況，還是技術(shù)復(fù)雜程度，均為世界級難題。TK1井自上而下發(fā)育13個層系，萬米以深沒有可參考地質(zhì)資料，巖性、深度、溫度、壓力、流體預(yù)測難度極大，可能出現(xiàn)鉆遇特殊巖性、卡層困難、高溫高壓等復(fù)雜情況。TK1井萬米以深溫度超過200℃、壓力超過130MPa，鉆井缺乏水基鉆井液超高溫超高壓井況下的作業(yè)經(jīng)驗，牙輪/混合鉆頭、螺桿、MWD、隨鉆震擊器等工具儀器在高溫高壓下均可能存在失效風(fēng)險。面對史無前例的工程難題，科研團(tuán)隊致力于技術(shù)創(chuàng)新，攻關(guān)了地質(zhì)工程一體化預(yù)測技術(shù)、新一代“兩寬兩高”地震裝備技術(shù)、鉆完井工程技術(shù)、測井采集、處理與解釋技術(shù)、試油及儲層改造等施工關(guān)鍵技術(shù)，在“死亡之海”打造了“中國深度”，取得了令世人矚目的成果。

圖1. TK1井施工作業(yè)現(xiàn)場

塔里木盆地是我國以超深層勘探為主導(dǎo)的含油氣盆地，油氣資源豐富，超深層探明油氣儲量當(dāng)量達(dá)24億噸，超深層油氣產(chǎn)量當(dāng)量突破2000萬噸，已建成我國最大超深油氣生產(chǎn)基地。TK1井作為我國實施的首口萬米超深井，探索萬米深部巖石和流體物化特征，揭示萬米深層高溫壓條件下油氣成藏與富集機(jī)理，填補(bǔ)萬米油氣地質(zhì)理論認(rèn)識空白，突破萬米深井鉆完井關(guān)鍵核心技術(shù)難題，發(fā)現(xiàn)萬米深層油氣戰(zhàn)略接替領(lǐng)域，帶動我國超深層油氣勘探開發(fā)戰(zhàn)略突破，提升工程技術(shù)支撐能力和核心競爭力。

2.

技術(shù)進(jìn)展

2.1地質(zhì)理論技術(shù)進(jìn)展

（1）萬米深層地質(zhì)理論突破進(jìn)展

針對探索解決的重大科學(xué)問題，TK1井獲取了萬米深層資料，以解決超深層烴源巖富烴機(jī)理、超深層白云巖成儲機(jī)制、生烴動力學(xué)、成藏機(jī)制、地質(zhì)力學(xué)等基礎(chǔ)地質(zhì)理論問題。通過測錄井獲取巖性、電性、放射性、電成像、力學(xué)彈性、氣測異常、VSP等資料，揭示了輪南-富滿臺緣帶不同時期的臺緣帶沉積演化過程、多期立體復(fù)式成藏規(guī)律。獲取萬米深層速度場，解決塔里木盆地臺盆區(qū)主力烴源巖的爭議問題和儲層發(fā)育下限、液態(tài)烴保存下限等基礎(chǔ)地質(zhì)問題。通過鉆探過程中對流體、溫度和壓力的測定，探索解決超深層超高溫高壓下地質(zhì)流體的賦存狀態(tài)、相態(tài)與產(chǎn)能，揭示超深層地溫場基本特征及地溫梯度的變化規(guī)律，刻畫超深層地層壓力特征，建立超深層巖石力學(xué)本構(gòu)理論關(guān)系，闡明巖體破裂變形機(jī)制。

經(jīng)典石油地質(zhì)理論，回答了中低溫度（<160℃）有機(jī)質(zhì)成烴和油氣成藏動力機(jī)制等理論問題。但萬米超深層領(lǐng)域是盆地深部，具有高溫（＞240℃）、高壓（＞100MPa）和超臨界流體活躍的特點，其溫-壓場、流體場和地球化學(xué)環(huán)境明顯不同于盆地淺部。萬米超深領(lǐng)域生烴機(jī)理、規(guī)模有效儲層成儲與保持機(jī)制以及油氣成藏與富集規(guī)律等屬于認(rèn)識盲區(qū)。通過TK1井鉆探實施，闡明超深層油氣成因機(jī)理與資源分布規(guī)律，為塔里木盆地超深層及中-新元古界的油氣勘探潛力評價夯實理論基礎(chǔ)。

（2）萬米深層地球物理技術(shù)突破進(jìn)展

地震勘探技術(shù)方面將形成萬米超深白云巖地震資料處理與解釋配套技術(shù)，包括超深層多次波識別與壓制、超深層提高分辨率處理技術(shù)、超深層巖石物理建模技術(shù)、地震儲層預(yù)測技術(shù)與VSP采集處理技術(shù)。地球物理測井方面將形成萬米超深測井采集、處理與解釋技術(shù)，包括13000米超長電纜耐拉耐壓技術(shù)，15000米大容量絞車滾筒及動力絞盤技術(shù)，萬米存儲式成像測井技術(shù)，萬米超深遠(yuǎn)探測聲波測量技術(shù)，萬米超深井白云巖儲層參數(shù)建模與儲層測井評價方法，特殊泥漿條件下水泥聲阻抗反演固井質(zhì)量評價技術(shù)。地質(zhì)力學(xué)方面形成萬米超深層地質(zhì)力學(xué)解釋與評價技術(shù)，包括超深層地層孔隙壓力評價技術(shù)，地應(yīng)力參數(shù)分析技術(shù)，萬米級油氣儲層巖體地質(zhì)力學(xué)建模技術(shù)。

2.2工程技術(shù)進(jìn)展

（1）自主研發(fā)我國首部1.2萬米自動化鉆機(jī)

為滿足TK1井鉆井工程要求，中國石油自主研發(fā)了全球首臺12000米自動化鉆機(jī)。這部鉆機(jī)配備了全套管柱自動化系統(tǒng)、推扶式管柱處理模式、雙司鉆集成控制系統(tǒng)（圖2）、一鍵式起下鉆操控，在減輕工人勞動強(qiáng)度的同時，大幅提升了安全標(biāo)準(zhǔn)。其連續(xù)提升最大鉤載達(dá)900噸，可輕松吊起2架空客A380客機(jī)，有效解決了1200多節(jié)上下相連的鉆桿與其他鉆具帶來的高負(fù)荷難題。

圖2. 雙鉗頭鐵鉆工

（2）地質(zhì)工程一體化科學(xué)設(shè)計鉆完井方案

TK1井在方案論證過程中，通過分析地震、測井?dāng)?shù)據(jù)與鄰井資料，準(zhǔn)確預(yù)測了特殊巖性、特殊流體、特殊溫壓場等復(fù)雜情況，科學(xué)確定了必封點和風(fēng)險點（圖3）。在清楚認(rèn)識地層的基礎(chǔ)上，采用高性能鉆井液技術(shù)，使得長裸眼段巖石保持較為穩(wěn)定狀態(tài)。目前，施工進(jìn)展順利，區(qū)域首次實現(xiàn)一開22 1/2″井眼鉆至1503米、二開17″井眼設(shè)計進(jìn)入奧陶系至5856米、三開13 1/8″井眼安全鉆進(jìn)至奧陶系鷹山組至7856米。四開9 1/2″井眼首次鉆進(jìn)至10006米，突破萬米大關(guān)。

圖3. 地質(zhì)工程一體化分析

（3）形成超600噸大載荷套管安全下入技術(shù)

TK1井二開365.12毫米套管長5856米，三開273.05毫米套管長7856米，均為國內(nèi)同尺寸最長套管。如何下入超長、超重套管問題凸顯。

通過研發(fā)140高鋼級套管增加套管強(qiáng)度，開展套管及接箍的實物拉伸實驗獲得套管和接箍的屈服極限，確保套管在下入過程中不會發(fā)生變形。下入過程配套750噸吊卡、吊環(huán)、卡盤，首次使用上扣圈數(shù)儀和扭矩記錄儀，實現(xiàn)套管上扣智能化控制，成功將二開580根、三開780根套管首尾連接送入到井底。二開365.12毫米套管浮重625噸，三開273.05毫米套管浮重589噸均安全下到位，未發(fā)生套管變形問題，創(chuàng)國內(nèi)同尺寸套管下入最深、最重紀(jì)錄（圖4）。

圖4. 套管下入過程模擬

（4）實施“一趟鉆”技術(shù)，三開上部平均每趟鉆進(jìn)尺超過800米

TK1井上部大尺寸鉆頭需要鉆進(jìn)至更深、更堅硬地層，下部超深地層更是面臨可鉆性差的難題。在施工過程中基于地層巖石力學(xué)實驗和鄰井測井資料研究，定量評價地層可鉆性特征，綜合考慮攻擊性、耐沖擊性、穩(wěn)定性、安全性等各項指標(biāo)，定制系列個性化PDC鉆頭（圖5），系統(tǒng)配套每一趟鉆的進(jìn)尺目標(biāo)、鉆頭、提速工具與鉆進(jìn)參數(shù)，實現(xiàn)每趟鉆最大行程鉆速。并結(jié)合地層特征進(jìn)行個性鉆頭設(shè)計，使用高效異形齒復(fù)合片，實現(xiàn)高效破巖的同時提高鉆頭在多套地層的適應(yīng)性。前三開鉆頭全部實現(xiàn)國產(chǎn)化，共9趟鉆完成進(jìn)尺7856米，平均機(jī)械鉆速8.3米每小時。四開深部難鉆地層平均機(jī)械鉆速2.05m/h，機(jī)速較同區(qū)鄰井提高47%。

圖5. 個性化PDC鉆頭設(shè)計

（5）全面升級鉆工具、研究柱動力學(xué)機(jī)理，保障萬米特深層鉆進(jìn)

前蘇聯(lián)SG-3井，完鉆井深12262m，發(fā)生27次斷鉆具事故，表明系統(tǒng)升級鉆工具性能是確保萬米特深井安全鉆探的必要條件。TK1井對鉆工具進(jìn)行了全面升級，定制高強(qiáng)度、高韌性5 7/8″V150鋼級鉆桿，抗拉強(qiáng)度由440t提升至500t，7″鉆鋌螺紋優(yōu)化為雙臺肩，抗扭強(qiáng)度提升了40%，同時改進(jìn)卡瓦牙板，咬痕深度由0.23mm下降至0.12mm，從源頭提升了鉆具安全。鉆探過程中，發(fā)明一種底部鉆具沖擊扭矩監(jiān)測方法，獲取井下鉆柱扭矩真實分布，以指導(dǎo)鉆具螺紋設(shè)計，制定超深井螺紋使用及維護(hù)規(guī)范。

井深超9000m后，長鉆柱橫向震動嚴(yán)重超標(biāo)，振動最大值顯示624.6g，出井鉆頭出現(xiàn)“環(huán)切”現(xiàn)象、鉆具短時間多起低周疲勞裂紋，井下高頻振動異常，突破現(xiàn)有鉆柱動力學(xué)理論認(rèn)識。正在研究的特深井超柔多撓度鉆柱動力學(xué)機(jī)理，通過構(gòu)建超“長細(xì)比” 鉆柱動力學(xué)模型，以指導(dǎo)鉆井參數(shù)和鉆具組合優(yōu)化，保障鉆具井下動態(tài)穩(wěn)定性。

3.

結(jié)論

（1）TK1井將在塔里木盆地首次獲取萬米超深層地質(zhì)資料，開展系統(tǒng)實驗分析與綜合地質(zhì)研究，回答萬米深層領(lǐng)域的油氣地質(zhì)重大科學(xué)問題，闡明萬米超深層油氣資源、伴生資源勘探潛力與規(guī)模，提升我國戰(zhàn)略資源保障能力。

（2）目前井深突破10000米，在確保實現(xiàn)地質(zhì)目標(biāo)前提下，優(yōu)化井位和軌跡，盡量避開復(fù)雜地層，采用工程技術(shù)措施實現(xiàn)多套地層合打，工程上避免井口套管與卡瓦、卡盤之間的作用力導(dǎo)致套管進(jìn)入塑性變形，造成套管損傷、強(qiáng)度下降，升級、研發(fā)140高鋼級套管解決萬米深層套管下入及變形問題，確保該井鉆探成功。