论文标题：Advances in TK1 ultra-deep drilling technology

期刊：Frontiers of Engineering Management

作者：Qinghua WANG, Zhixiong XU, Haijun YANG, Chunsheng WANG

发表时间：15 Dec 2024

DOI： 10.1007/s42524-024-4304-3

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作者: 王清华，胥志雄，杨海军，王春生

单位：中国石油塔里木油田公司

项目法人单位：中国石油与天然气集团公司

总体设计单位：中国石油塔里木油田分公司

施工单位：中国石油西部钻探工程有限公司120001队

监理单位：中国石油塔里木油田分公司

引用：Qinghua WANG, Zhixiong XU, Haijun YANG, Chunsheng WANG. Advances in TK1 ultra-deep drilling technology. Frontiers of Engineering Management, 2024, 11(4): 772–776 https://doi.org/10.1007/s42524-024-4304-3

文章链接:

https://journal.hep.com.cn/fem/EN/10.1007/s42524-024-4304-3

https://link.springer.com/article/10.1007/s42524-024-4304-3

关键词：中国石油；塔里木盆地；万米深地工程；TK1井

1.项目简介

TK1井万米深地科探工程是落实“向地球深部进军”重要标志，是突破卡脖子技术，实现深地科技高水平自立自强的重要举措，是落实国家战略发挥核心作用、增强核心功能的重要典范。TK1井是我国首口万米科学探井，位于“死亡之海”新疆塔克拉玛干沙漠腹地，于2023年5月30日开钻，设计井深11100m（图1）。其钻探目的是揭示超深层高温高压油气成藏富集机理，探索超深层油气分布及规模勘探极限，形成万米深井钻完井、试油及改造等关键核心技术。井区内约20层楼高的钢铁塔架，稳稳矗立在流沙之上，重达2000多吨的钻头、钻杆、套管等将深入地下，成为探索地球深部的“望远镜”。

TK1井钻探工程无论是地质情况，还是技术复杂程度，均为世界级难题。TK1井自上而下发育13个层系，万米以深没有可参考地质资料，岩性、深度、温度、压力、流体预测难度极大，可能出现钻遇特殊岩性、卡层困难、高温高压等复杂情况。TK1井万米以深温度超过200℃、压力超过130MPa，钻井缺乏水基钻井液超高温超高压井况下的作业经验，牙轮/混合钻头、螺杆、MWD、随钻震击器等工具仪器在高温高压下均可能存在失效风险。面对史无前例的工程难题，科研团队致力于技术创新，攻关了地质工程一体化预测技术、新一代“两宽两高”地震装备技术、钻完井工程技术、测井采集、处理与解释技术、试油及储层改造等施工关键技术，在“死亡之海”打造了“中国深度”，取得了令世人瞩目的成果。

图1. TK1井施工作业现场

塔里木盆地是我国以超深层勘探为主导的含油气盆地，油气资源丰富，超深层探明油气储量当量达24亿吨，超深层油气产量当量突破2000万吨，已建成我国最大超深油气生产基地。TK1井作为我国实施的首口万米超深井，探索万米深部岩石和流体物化特征，揭示万米深层高温压条件下油气成藏与富集机理，填补万米油气地质理论认识空白，突破万米深井钻完井关键核心技术难题，发现万米深层油气战略接替领域，带动我国超深层油气勘探开发战略突破，提升工程技术支撑能力和核心竞争力。

2.技术进展

2.1地质理论技术进展

（1）万米深层地质理论突破进展

针对探索解决的重大科学问题，TK1井获取了万米深层资料，以解决超深层烃源岩富烃机理、超深层白云岩成储机制、生烃动力学、成藏机制、地质力学等基础地质理论问题。通过测录井获取岩性、电性、放射性、电成像、力学弹性、气测异常、VSP等资料，揭示了轮南-富满台缘带不同时期的台缘带沉积演化过程、多期立体复式成藏规律。获取万米深层速度场，解决塔里木盆地台盆区主力烃源岩的争议问题和储层发育下限、液态烃保存下限等基础地质问题。通过钻探过程中对流体、温度和压力的测定，探索解决超深层超高温高压下地质流体的赋存状态、相态与产能，揭示超深层地温场基本特征及地温梯度的变化规律，刻画超深层地层压力特征，建立超深层岩石力学本构理论关系，阐明岩体破裂变形机制。

经典石油地质理论，回答了中低温度（<160℃）有机质成烃和油气成藏动力机制等理论问题。但万米超深层领域是盆地深部，具有高温（＞240℃）、高压（＞100MPa）和超临界流体活跃的特点，其温-压场、流体场和地球化学环境明显不同于盆地浅部。万米超深领域生烃机理、规模有效储层成储与保持机制以及油气成藏与富集规律等属于认识盲区。通过TK1井钻探实施，阐明超深层油气成因机理与资源分布规律，为塔里木盆地超深层及中-新元古界的油气勘探潜力评价夯实理论基础。

（2）万米深层地球物理技术突破进展

地震勘探技术方面将形成万米超深白云岩地震资料处理与解释配套技术，包括超深层多次波识别与压制、超深层提高分辨率处理技术、超深层岩石物理建模技术、地震储层预测技术与VSP采集处理技术。地球物理测井方面将形成万米超深测井采集、处理与解释技术，包括13000米超长电缆耐拉耐压技术，15000米大容量绞车滚筒及动力绞盘技术，万米存储式成像测井技术，万米超深远探测声波测量技术，万米超深井白云岩储层参数建模与储层测井评价方法，特殊泥浆条件下水泥声阻抗反演固井质量评价技术。地质力学方面形成万米超深层地质力学解释与评价技术，包括超深层地层孔隙压力评价技术，地应力参数分析技术，万米级油气储层岩体地质力学建模技术。

2.2工程技术进展

（1）自主研发我国首部1.2万米自动化钻机

为满足TK1井钻井工程要求，中国石油自主研发了全球首台12000米自动化钻机。这部钻机配备了全套管柱自动化系统、推扶式管柱处理模式、双司钻集成控制系统（图2）、一键式起下钻操控，在减轻工人劳动强度的同时，大幅提升了安全标准。其连续提升最大钩载达900吨，可轻松吊起2架空客A380客机，有效解决了1200多节上下相连的钻杆与其他钻具带来的高负荷难题。

图2. 双钳头铁钻工

（2）地质工程一体化科学设计钻完井方案

TK1井在方案论证过程中，通过分析地震、测井数据与邻井资料，准确预测了特殊岩性、特殊流体、特殊温压场等复杂情况，科学确定了必封点和风险点（图3）。在清楚认识地层的基础上，采用高性能钻井液技术，使得长裸眼段岩石保持较为稳定状态。目前，施工进展顺利，区域首次实现一开22 1/2″井眼钻至1503米、二开17″井眼设计进入奥陶系至5856米、三开13 1/8″井眼安全钻进至奥陶系鹰山组至7856米。四开9 1/2″井眼首次钻进至10006米，突破万米大关。

图3. 地质工程一体化分析

（3）形成超600吨大载荷套管安全下入技术

TK1井二开365.12毫米套管长5856米，三开273.05毫米套管长7856米，均为国内同尺寸最长套管。如何下入超长、超重套管问题凸显。

通过研发140高钢级套管增加套管强度，开展套管及接箍的实物拉伸实验获得套管和接箍的屈服极限，确保套管在下入过程中不会发生变形。下入过程配套750吨吊卡、吊环、卡盘，首次使用上扣圈数仪和扭矩记录仪，实现套管上扣智能化控制，成功将二开580根、三开780根套管首尾连接送入到井底。二开365.12毫米套管浮重625吨，三开273.05毫米套管浮重589吨均安全下到位，未发生套管变形问题，创国内同尺寸套管下入最深、最重纪录（图4）。

图4. 套管下入过程模拟

（4）实施“一趟钻”技术，三开上部平均每趟钻进尺超过800米

TK1井上部大尺寸钻头需要钻进至更深、更坚硬地层，下部超深地层更是面临可钻性差的难题。在施工过程中基于地层岩石力学实验和邻井测井资料研究，定量评价地层可钻性特征，综合考虑攻击性、耐冲击性、稳定性、安全性等各项指标，定制系列个性化PDC钻头（图5），系统配套每一趟钻的进尺目标、钻头、提速工具与钻进参数，实现每趟钻最大行程钻速。并结合地层特征进行个性钻头设计，使用高效异形齿复合片，实现高效破岩的同时提高钻头在多套地层的适应性。前三开钻头全部实现国产化，共9趟钻完成进尺7856米，平均机械钻速8.3米每小时。四开深部难钻地层平均机械钻速2.05m/h，机速较同区邻井提高47%。

图5. 个性化PDC钻头设计

（5）全面升级钻工具、研究柱动力学机理，保障万米特深层钻进

前苏联SG-3井，完钻井深12262m，发生27次断钻具事故，表明系统升级钻工具性能是确保万米特深井安全钻探的必要条件。TK1井对钻工具进行了全面升级，定制高强度、高韧性5 7/8″V150钢级钻杆，抗拉强度由440t提升至500t，7″钻铤螺纹优化为双台肩，抗扭强度提升了40%，同时改进卡瓦牙板，咬痕深度由0.23mm下降至0.12mm，从源头提升了钻具安全。钻探过程中，发明一种底部钻具冲击扭矩监测方法，获取井下钻柱扭矩真实分布，以指导钻具螺纹设计，制定超深井螺纹使用及维护规范。

井深超9000m后，长钻柱横向震动严重超标，振动最大值显示624.6g，出井钻头出现“环切”现象、钻具短时间多起低周疲劳裂纹，井下高频振动异常，突破现有钻柱动力学理论认识。正在研究的特深井超柔多挠度钻柱动力学机理，通过构建超“长细比” 钻柱动力学模型，以指导钻井参数和钻具组合优化，保障钻具井下动态稳定性。

3.结论

（1）TK1井将在塔里木盆地首次获取万米超深层地质资料，开展系统实验分析与综合地质研究，回答万米深层领域的油气地质重大科学问题，阐明万米超深层油气资源、伴生资源勘探潜力与规模，提升我国战略资源保障能力。

（2）目前井深突破10000米，在确保实现地质目标前提下，优化井位和轨迹，尽量避开复杂地层，采用工程技术措施实现多套地层合打，工程上避免井口套管与卡瓦、卡盘之间的作用力导致套管进入塑性变形，造成套管损伤、强度下降，升级、研发140高钢级套管解决万米深层套管下入及变形问题，确保该井钻探成功。

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