Research and Development Suggestions on Theory and Techniques in Ultra-Deep Well Engineering
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摘要:
超深井工程受到高温高压、复杂地层、超长井眼和腐蚀介质等多重因素约束，其安全高效作业面临全方位的技术挑战。为此，针对超深井工程的安全高效设计控制问题，介绍了该工程的发展概况与技术特点；选取井眼轨迹预测与防斜打快、钻柱振动特性分析与减振控制、钻井延伸极限预测与设计控制，以及套管失效风险评估与安全控制等几个重要理论与技术问题，介绍了国内外的相关研究进展及笔者团队的最新研究成果；然后，针对超深井工程提出了若干创新发展建议。研究结果表明，超深井工程理论与技术的发展整体呈现出体系化、科学化、多学科交叉、地质与工程一体化等基本特点。建议在基础理论问题、关键核心技术、技术协同关系、技术迭代模式和多学科交叉融合等方面加强创新研究，以持续推进超深井工程基础理论与关键技术创新发展。
Abstract:Ultra-deep well engineering is constrained by multiple factors such as high temperature and high pressure, complicated formations, ultra-long wellbores, and corrosive medium, resulting in all-around technical challenges for safe and efficient operations. Therefore, In view of the safe and efficient design control problems in ultra-deep well engineering was studied, the development overview and technical characteristics of ultra-deep well engineering were summarized.Several important theoretical and technical issues were introduced, including well trajectory prediction and fast drilling with deviation prevention, characteristic analysis and control technology of downhole drilling string vibration, prediction and design control techniques of drilling extension limit, and casing failure risk assessment and safety control, etc. In addition, research progress in China and abroad, and the latest research results of the authors’ team were introduced. Finally, some suggestions were put forward on innovative development for ultra-deep well engineering. The results suggest that the overall development of theory and techniques in ultra-deep well engineering have the typical characteristics of systematic, scientific, interdisciplinary and geology-engineering integration. Strengthening the innovative research on fundamental theoretical issues is recommended, along with key and core techniques, technological collaboration relationships, technological iteration modes, and interdisciplinary integration, so as to promote the continuous innovative development of basic theory and key techniques in ultra-deep well engineering.
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我国深层超深层油气资源潜力大，占全国油气资源总量的35%，是油气增储上产的重要领域之一[1]。大力发展深层超深层油气钻采工程理论与技术，不断突破超深层效益开发极限，对于油气工业持续发展与保障国家能源安全至关重要。同时，深层超深层科学钻探是获取地球深部地质资料的唯一直接手段，对于研究地球深部结构、地震活动机制、气候变迁规律及地层钻井特性等重要科学问题必不可少。这些都对深井超深井工程理论创新与技术进步提出了更高的要求[2]。
目前，关于深井超深井的定义尚未形成统一的标准，国内钻井界以钻井施工深度为主要划分标准，认为井深4 500～6 000 m的井为深井，井深6 000～9 000 m的井为超深井，井深超过9 000 m的井为特深井[3]。所谓超深井工程，是指围绕超深层地球科学研究与资源开发所实施的超深钻探与开采工程。相对于浅井和中深井，超深井工程受到高温高压、复杂地层、超长井眼、腐蚀介质等多重因素约束，其安全高效作业面临着更大的全方位技术挑战。如何有效应对超深层带来的严峻挑战，已成为钻采工程领域的重大课题之一。通过持续创新研究，我国超深井工程理论与技术已取得了长足进步，已基本形成8 000 m 超深井工程理论与技术体系，突破了9 000 m特深层难关，正在向万米深地进军[4]。本文针对超深井工程的安全高效设计控制问题，介绍了该工程的技术特点与发展概况，结合几个重要理论与技术问题介绍了国内外的相关研究进展及笔者团队的最新研究成果，并提出了若干相关创新发展建议，以期为持续推进超深井工程基础理论与关键技术创新发展提供参考。
1. 超深井工程发展概况与技术特点
1.1 超深井工程发展概况
国外超深井工程技术发展较早，特别是美国、俄罗斯等国家一直处于领先地位。美国于1949年钻成了世界第一口超深井，完钻井深达6 255 m；1972年又钻成世界第一口特深井，完钻井深9 159 m；后来在墨西哥湾的Knotty Head、Tiber等区块钻成了多口万米直井和定向井（含水深），其中3口井的垂深超过10 000 m。苏联于1993年钻成了万米科探井SG-3井，完钻井深达到12 262 m，目前仍为世界最深科探直井。德国于1994年在大陆深钻计划中钻成了一口完钻井深达9 101 m的科探井[3]。进入21世纪以来，俄罗斯萨哈林地区钻成多口万米大位移井，最大完钻井深已突破15 000 m，但垂深小于3 000 m [4]。
中国超深井工程开始于20世纪70年代，并从20世纪80年代以来取得了长足进步。中国于1976 年钻成第一口超深井（女基井，完钻井深6 011 m），1978年钻成第一口井深突破7 000 m的超深井（关基井，完钻井深7 175 m），2006年突破8 000 m井深（塔深1井，完钻井深8 408 m）[3,5]。近些年，中国超深井工程进入了发展快车道，2021年钻成第一口突破9 000 m的特深井（塔深5井，完钻井深9 017 m），2023年2月分别钻成亚洲最深直井（蓬深6井，垂深9 026 m）和亚洲最深水平井（果勒3C井，完钻井深9 396 m，垂深8 060 m，水平位移1 561 m），2023年10月又刷新了最深水平井纪录（跃进3-3XC井，完钻井深9 432 m，垂深大于7 100 m，水平位移超过3 400 m）[3–4]。目前，我国部署的2口万米科探井（深地塔科1井和深地川科1井）已分别在塔里木盆地和四川盆地开钻，超深钻探正在向万米深地进军[4–5]。
1.2 面临的主要挑战与技术特征
相对于浅井与中深井，超深井工程面临更多的技术挑战，每一项挑战都更加严苛，而且多项挑战之间相互牵连，导致其安全高效作业难度更大[6–7]。超深井工程面临的主要挑战包括：1）深层存在压力体系复杂、必封点多、安全密度窗口窄等问题，导致井身结构设计难；2）深部断层破碎带、复合盐膏层等复杂地层发育，漏失、缩径等井下复杂情况和故障频发，维持井壁稳定难；3）深部砂砾岩、石灰岩等难钻地层硬度高、研磨性强，钻头破岩效率低且进尺短，导致钻井提速难；4）深部山前高陡构造、逆掩推覆体等地层的自然造斜效应大，加之高温高压对井下测控工具的限制，导致防斜打快测控难；5）超长井眼中钻柱受力特征复杂，上部钻柱易拉断，下部钻具易疲劳失效，导致钻具优化设计控制难；6）超高温高压条件下工作液性能退化严重，井眼失稳、井眼不清洁等问题更加突出，井下动力钻具、随钻测量系统故障频发，导致井眼安全延伸难；7）深层富含硫化氢、二氧化碳等高酸性流体，套管强度与水泥环密封性退化快，保持井筒完整性困难。
聚焦超深井工程面临的各项挑战进行研究与实践，逐渐发展形成了一系列超深井工程技术体系，包括井身结构设计、精细控压、井壁稳定、钻井提速、防斜打快、高效钻头、高性能钻机和旋转导向钻具等相关理论与技术[8]。整体而言，超深井工程理论与技术的发展呈现出体系化、科学化、多学科交叉、地质与工程一体化等典型特征，具体表现在以下方面：首先，超深井工程面临的并非单一挑战，而是多种挑战并存，需要依赖众多理论方法和技术手段的协同配合才能实现设计目标，各类技术组合成为一个较完整的技术体系；其次，常规浅井与中深井工程技术进步较多注重经验摸索与工艺改进，而超深井工程关键技术创新发展则更依赖于基础理论研究与关键科学问题突破；再次，超深井工程涉及地质、力学、化学、材料、机电、信息、人工智能及工程等多学科，自动化钻机、旋转导向钻井系统等关键技术的突破都必须通过多学科交叉研究与跨行业融合才能实现，而且这种交叉融合趋势日益显著；另外，对深部地质环境的准确认识是超深井工程优化设计控制的前提，而超深井工程实践又会不断深化对地质环境的认识，从而不断加快地质认识与工程优化的迭代升级速率。
2. 超深井工程理论与技术若干研究进展
2.1 超深钻井井眼轨迹预测与防斜打快技术
早期钻井主要是钻直井，后来陆续出现了定向井、水平井、大位移井等各种复杂结构井及其井眼轨迹控制技术体系[9]。发展至今，直井防斜仍是钻井工程领域关注的重要课题之一。尤其对于深部高陡构造等易斜地层而言，强化钻井参数会导致井斜角超标，而严格限制钻井参数又会造成钻井效率过低，“防斜”与“打快”的矛盾非常突出[10]。因此，聚焦超深井工程开展井斜机理与主控因素研究，研究稳定可靠的防斜打快技术和配套工具，可为深部易斜地层的优快钻井提供理论依据与技术支持。
直井防斜与定向井井眼轨迹控制的理论研究主要包括底部钻具组合力学特性及钻头与地层相互作用模型。20世纪50年代，A. Lubinski [11]研究了直井中钻具受力与变形问题，发现钻具屈曲是导致井斜的原因之一；后来，A. Lubinski和H. B. Woods [12]认识到所钻地层的各向异性是导致井斜的客观因素，阐明了横观各向同性地层的2种自然造斜规律，进而构建了底部钻具组合二维分析与井眼轨迹预测的相关理论方法，为直井防斜与定向井井眼轨迹控制奠定了一个定量化的设计控制基础。K. Millheim等人[13]采用有限元方法求解底部钻具组合小挠度和大挠度变形问题，H. S. Ho [14–15]建立了一个钻头与横观各向同性地层相互作用的矢量模型，从而确定了钻进方向与钻头合力方向、钻头指向及地层法向之间的数学关系。
国内，白家祉等人[16]采用纵横弯曲法研究井斜控制问题；高德利等人[17]提出了有效钻力的新概念，构建了一套实钻地层正交各向异性钻井理论方法，并利用加权余量法求解底部钻具组合的三维变形控制方程；狄勤丰等人[18]研究了预弯曲钟摆钻具组合、垂直导向钻具组合的动力学行为，揭示了钻具组合、推靠力等参数对井斜控制的影响规律。另外，还有学者开展了钻具造斜率的定量预测研究[19]。发展至今，直井防斜的静力学研究比较成熟，已经比较全面地揭示了井斜产生的机理及其主控因素。然而，超深井工程中作业条件复杂，底部钻具组合通常处于复杂的运动状态，相关的动力学研究仍在不断进行与完善之中。
直井防斜技术主要包括被动式和主动式2类。其中，被动式防斜是指利用钻具自身结构产生的载荷与变形进行防斜纠斜作业。例如，钟摆钻具组合和塔式钻具组合是利用与井斜方向相反的钟摆力进行防斜与纠斜，但需要轻压吊打，导致机械钻速降低；刚性满眼钻具组合是利用自身大刚度、高稳定性的特点来抑制井斜角增大，但难以进行纠斜[20]。上述2种井斜控制技术都属于静力学防斜打直技术的范畴。为了进一步解放钻压、提高钻速，后续又发展了动力学防斜打直技术。例如，偏轴钻具组合防斜技术可以在大钻压下使底部钻具组合公转产生均匀切削力，以克服地层的造斜效应[21]；柔性钻具组合防斜技术通过安装柔性钻具来改变钻具组合的变形特征，使钻头倾角和侧向力转变为降斜因素[22]；导向马达钻具组合防斜技术是利用复合钻进模式进行稳斜作业，并利用定向钻进模式实现纠斜[23]。然而，被动式防斜技术的防斜纠斜能力相对较低，难以满足超深井工程中更高的井斜控制要求。
相对于被动式防斜，主动式防斜具有更加稳定可靠的防斜纠斜能力。主动式防斜是指利用井下闭环控制系统自动控制井斜，具体就是指垂直钻井系统[24]。根据垂直钻井系统的井斜控制原理，可分成推靠式和指向式2类模式。推靠式通过控制导向块推靠井壁而获得井斜控制力，以斯伦贝谢公司的Power V、哈里伯顿公司的V-Pilot为代表；指向式通过控制钻头指向井眼低边而实现井斜控制目标，以威德福公司的Revolution-V为代表。推靠式可产生较高的降斜率，但井眼轨迹波动较大；指向式能够克服不规则井眼约束的不利影响，但降斜率相对较低。然而，超深钻井存在高温高压、钻具振动等问题，导致垂直钻井系统难以有效工作，而且还要依赖被动式防斜技术。因此，如何有效应对高温高压、高陡构造等复杂地层挑战，仍是超深井防斜打快亟需解决的一个技术瓶颈问题。
笔者曾综合考虑钻头和地层的各向异性钻井特性（见图1），建立了钻头与地层的相互作用模型，确定了控制钻进方向的特征物理量和本构关系，发现正交各向异性地层可产生12种不同规律的井斜效应并提出了定量评估方法[17，25]；建立了底部钻具组合三维分析模型和优化算法，揭示了可控参量的作用规律及钻头匹配机理，提出了三维井眼轨迹定量预测方法并研发了相应的计算软件；之后，还提出了基于底部钻具组合涡动的“动力学防斜打快理论”，揭示了钻具涡动中动态轴向力的产生机制及其对降斜力的影响规律。近几年，笔者团队建立了基于零侧向钻速准则的钻具造斜率预测方法[26–27]，开发了一套融合大、小偏差纠斜策略的井眼轨迹智能控制算法，以解决三维井眼轨迹控制精度与光滑度难以兼顾的问题[28]。
2.2 超深井钻柱振动特性分析与减振控制技术
超深井钻井时，钻柱轴向延伸长、等效刚度低，加之井下作业工况复杂多变，导致钻柱振动剧烈且难以控制。钻柱剧烈振动不仅造成钻具的疲劳失效和摩擦磨损，缩短其使用寿命，还会消耗大量的钻井能量，导致破岩能量不足、钻进效率低等问题[29]。因此，开展超深井钻柱振动特性研究，揭示钻柱振动的力学机理与主控因素，研发行之有效的减振控制技术，对于降低超深井钻柱失效风险、提高钻井效率等具有重要作用。
20世纪60年代，I. Finnie等人[30]开始研究钻柱的轴向、扭转及横向振动问题。20世纪80年代以来，钻柱振动问题得到越来越多的关注，并取得了一些重要研究进展。例如，V. A. Dunayevsky等人[31]揭示了钻柱轴向振动激发横向振动的力学机理，认为钻头与地层、钻柱与井壁的相互作用是导致钻具振动的主要原因；J. D. Jansen[32]研究了带稳定器钻铤的涡动行为，得到了钻铤正向涡动和反向涡动的稳定解；K. K. Millheim等人[33]揭示了不同转速下钻具低等能量稳定、中等能量不稳定、高等能量不稳定和高等能量稳定等4种运动状态；后续学者[34–35]还研究了非线性摩擦力、稳定器类型等相关因素对钻柱振动的影响规律。钻柱振动是一个非常复杂的非线性动力学问题，仍需要开展深入的创新研究。
近些年，随着井下随钻测量技术的发展，机器学习技术开始应用于钻柱振动研究。T. Baumgartne[36]、Li Yafeng [37]等人利用高频存储式加速度传感器获取井下三轴振动数据，并基于贝叶斯分类器等多种机器学习算法进行钻柱振动模态判别。P. Okoli等人[38]、A. Alsaihati等人[39]和C. Hegde等人[40]采用机器学习算法对钻具振动剧烈程度进行了分类，结合振动等级评价方法与钻速预测模型进行钻井参数优化。整体而言，基于机器学习的振动识别技术还处于研究阶段，基于地面–井下多源数据融合的振动识别技术将是未来的重要发展方向之一。
减振技术是预防钻柱疲劳失效的关键技术之一，包括钻井参数优化、井下减振器和地面减振器等。钻井参数优化是指研究不同钻井参数下的钻柱振动特性，并通过优化钻井参数以降低钻柱振动程度；井下减振器包括水力脉冲振荡器、碟簧减振器、减振增压器等[41–42]，其中水力脉冲振荡器通过产生轴向冲击载荷来抑制或缓解钻柱粘滑振动，碟簧减振器利用碟簧组件内部的摩擦力来吸收和消耗钻具振动能量，减振增压器可将钻具振动能量转换为液压能量，产生高压喷射与钻具减振一体化的效应[43]。现场实践表明，不同作业条件下各类减振器的使用效果存在一定差异，因此要结合具体情况来优选减振器类型。
地面减振是指在地面处对钻柱进行减振控制。该方法根据地面实测数据而施加反馈控制，可以在较宽的振动频域范围内实现有效减振。J. D. Jansen等人[44]研究了人工阻尼作用下的钻柱粘滑振动特征，提出了一种主动式地面减振控制方法，一些企业根据这个原理研发了地面扭矩负反馈系统。W. R. Tucker等人[45] 和E. M. Navarro-López等人 [46]研究了用于减振的地面速度控制器和摩阻补偿器。然而，在超深井工程中，钻柱振动能量沿程损耗大，导致地面测量数据无法准确反映井底振动情况，地面减振控制也难以对底部钻具起作用。因此，将地面减振和井下减振有机结合，充分发挥二者的协同优势，是超深井钻井减振技术的重要发展方向之一。
笔者团队曾开展了钻柱运动特性研究，建立了正向、反向和无涡动条件下底部钻具组合自转与涡动角速度的定量关系（见图2），揭示了产生反向涡动的力学机理，提出了基于耗散能最小化原则的涡动模式判断方法[47]。之后，研究了底部钻具组合的轴向、横向与扭转振动问题，阐明了再生切削时滞效应对底部钻具组合运动特征的影响规律[48]。近些年，围绕钻柱振动减阻机理与控制方法开展了相关研究[49–51]，揭示了振动减阻效应下的钻柱非线性轴向振动与粘滑振动特征，阐明了钻柱振动减阻参数对钻井延伸极限的影响规律，建立了一套钻柱振动减阻器激励参数与安装参数的优化设计方法。
2.3 超深井钻井延伸极限预测与设计控制技术
在特定的主观和客观条件约束下，任何一口井的钻深都存着一个极限值，称之为钻井延伸极限。相对于浅层和中深层钻井而言，深层尤其是超深层钻井面临的客观条件更加复杂，影响因素的不确定性更大，导致钻井延伸受限问题更加突出[52]。开展超深钻井延伸极限的定量预测与影响规律研究，创新研发提升钻井延伸极限的设计控制技术，可为超深井钻井极限的不断突破提供理论依据与技术支持。
早期关于钻井延伸极限的研究以定性分析为主。R. Meertens等人[53]从井身结构设计和钻井风险的角度分析了大位移井的钻井延伸能力，T. E. Alfsen等人[54]研究了钻井装备和地层特性对钻井延伸极限的影响，其他学者也开展了相关研究[55–56]。后来，钻井延伸极限研究逐渐由定性分析转为定量预测计算，即通过建立数学模型来研究各类因素对钻井延伸极限的影响。2009年，笔者团队[57]首次系统提出了钻井延伸极限的基本理论，指出在大位移钻井工程中需要考虑裸眼延伸极限、机械延伸极限和水力延伸极限3种极限状态，并建立了裸眼延伸极限的预测模型等。其中，裸眼延伸极限是大位移井裸眼井底被压破或渗漏时的极限井深，机械延伸极限是钻井系统机械性能可以满足安全钻达要求的最大井深，水力延伸极限是在能够保持钻井流体正常循环与井眼清洁条件下的极限井深。后来，其他学者[58–59]研究了水力、机械延伸极限的定量预测问题。整体而言，现有钻井延伸极限研究大多聚焦于水平井和大位移井，针对深井超深井的研究比较少。
广义上，提升钻井延伸极限的控制技术涉及几乎所有的工程作业环节。狭义上，与钻井延伸极限密切相关的钻井技术才属于该范畴，包括降摩减阻、井眼清洁和井壁强化等[60–61]。以降摩减阻技术为例，其技术原理包括降低井下管柱有效重力、减小管柱摩阻系数、降低管柱弯曲附加接触力等。降低有效重力的措施包括采用低密度合金钻杆、进行管柱组合优化设计、进行管柱漂浮减重下入等，减小摩阻系数的措施包括安装减阻工具、优选钻井液体系、添加减阻剂等，降低附加接触力的措施包括井眼轨道优化设计、井眼轨迹光滑控制等。大量实践证明，上述技术措施可有效降低井下管柱运动摩阻，提高钻井机械延伸极限。
为了进一步挖掘井下管柱减阻潜力，基于主动激励的减阻技术获得越来越多的关注。现场实践证明，钻柱上安装振动减阻器可大幅度降低钻柱运动摩阻，缓解钻进中频繁托压的问题，从而有效提高机械钻速。截至目前，钻柱振动减阻技术的研究主要集中于振动减阻器的设计研制与合理使用方面。振动减阻器的工作原理是，通过控制钻井液过流面积或流动方向的变化来产生主动激励力，在周期性激励力的作用下钻柱不同位置处的摩擦力方向可能存在差异，方向相反的摩擦力相互抵消，使得钻柱摩阻大幅度降低。常用的振动减阻器有Agitator、FDR等[62–63]，国内企业也研发了多种类似的减阻工具[64–65]。目前，振动减阻器设计与使用方面仍存在一些不足和问题，如何设计激励载荷大、水力压耗小的振动减阻器，如何优化减阻器的个数与安放位置等，都是有待深入研究的内容。
近些年，笔者团队在井下管柱力学、井筒压力预测、环空岩屑运移等研究的基础上，综合考虑地面和井下各类主客观约束因素，建立了钻井延伸极限预测模型，系统揭示了浅层、中深层及深层超深层钻井延伸极限的“三段式”分布规律及其主控因素[66–68]（见图3）。将钻井延伸极限预测模型与风险评估理论相结合，建立了钻井作业风险定量评估方法，实现了“全井–井段–工况”多层次、“机械–水力–裸眼”多角度的工程作业风险定量评估与主控因素识别[69]，并研发了一套定向钻井作业风险评估与工程参数优化设计软件平台。
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2.4 超深井套管失效风险评估与安全控制技术
油气井全寿命服役周期内，井下套管受到各类主客观因素的作用而产生强度与完整性退化，甚至出现严重失效问题[70]。不同于浅层和中深层，深层超深层条件下高温高压、腐蚀介质等因素的影响更加显著，套管完整性失效问题更加严重。因此，开展超深井套管完整性失效机理研究，创新研发套管失效风险评估与安全控制技术，对于超深井套管优化设计与全寿命周期安全高效作业至关重要。
套管完整性失效的原因主要包括地质因素和工程因素2大类。地质因素方面，国内外学者系统研究了复杂地应力、地层蠕变、断层错动、高温高压和腐蚀介质等因素对套管完整性的影响规律。例如，泥岩水化膨胀会对套管施加局部外挤载荷，相关研究将局部载荷简化为线性分布载荷、抛物线形分布载荷等不同形式，并建立了局部载荷作用下套管失效风险的评估计算方法[71–72]。在腐蚀介质作用下，套管存在壁厚减小甚至穿孔的问题，相关学者从腐蚀机理、影响规律和工程对策等方面开展了大量研究[73]。工程因素方面，研究了磨损、酸化、射孔和压裂等因素对套管完整性的影响规律。以套管磨损为例，超深井钻井周期长，套管磨损失效问题比较突出。早期的研究主要局限于单月牙磨损模式与线性磨损效率的假设前提下，后来研究发现磨损效率是一个非线性变量，且磨损形状呈现复合月牙特征[74]。磨损后套管的强度会发生严重退化，目前已建立了多种考虑磨损缺陷的套管强度评价方法。例如，长槽模型将磨损区域视为矩形槽[75]，将偏心模型简化为几何偏心[76]，将等效缺陷模型近似为不均匀圆度或不均匀壁厚[77]。此外，套管自身的生产缺陷也会对套管强度造成一定影响。
预防套管失效的主要技术措施包括井身结构优化与套管强度设计、采用高强度耐腐蚀套管、注入缓蚀防腐剂、降低井眼狗腿度和提高固井质量等。以套管强度设计为例，其设计原则是套管强度与最大外载之比不小于安全系数。然而，超深条件下高温、腐蚀、磨损等因素导致套管强度退化严重，复杂地应力、地层蠕变等因素产生非均匀外载荷，加之受其他多种不确定性因素的影响，难以准确预测套管强度与最大外载荷，安全系数也需要重新认识。因此，基于现有套管强度设计理论与方法，发展一套适用于超深井条件下的套管强度设计标准，仍是一项必要的研究工作。
套管完整性失效后，需要利用修复技术恢复其完整性。对于轻微变形的套管，常用机械式整形修复技术[78]，通过膨胀/挤压套管使之恢复初始通径。如果套管变形较严重，则可采用爆炸式整形、取换套修复等技术。爆炸式整形是指利用井下爆炸产生的冲击波来修复套管，但存在二次失效的风险。取换套修复[79]是指取出破损段的套管、重新下入新套管以实现修复，然而存在施工周期长、作业成本高等缺点。对于存在腐蚀穿孔、裂纹等缺陷的套管，可采用补贴、堵漏剂等修复技术[80–81]。实际作业时需要综合考虑修复成本、作业周期、成功率等因素，优选出适用的套管修复技术。
近些年，笔者团队建立了基于全生命周期的套管受力计算模型，分析了水泥浆凝固、地层蠕变等因素产生的套管附加应力，揭示了各类缺陷因素对套管强度的影响规律[82–83]。此后，构建了复合模式下的深井套管磨损预测与剩余强度评估方法，率先发现了3类复合磨损模式，建立了套管磨损深度与形状的计算模型，实现了复合磨损效应下套管失效风险的定量评估。这些研究突破了经典单月牙模式的局限性[84–86]，具有更高的预测精度。基于套管磨损研究结果，进一步考虑机械–电化学双重作用，建立了磨损与腐蚀耦合效应下套管强度与服役寿命的预测方法[87–88]（见图4）。
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3. 超深井工程理论与技术创新发展建议
随着超深钻探不断向地层更深处进军，高温高压、复杂地层、超长井眼、酸性介质等客观约束条件更加严苛，超深井工程面临的技术挑战更加严峻，钻井极限问题也更加突出。为了实现超深井延伸极限的不断突破及工程作业的安全高效控制，需要保证基础理论与关键技术持续创新发展。笔者认为今后应在以下几个方面加强相关工作：
1）强化基础科学问题研究，创新超深井工程理论和方法。当今时代，科学技术一体化发展趋势日益显著，工程技术进步对基础理论创新的依赖度越来越大。例如，定向钻井延伸极限预测理论是以钻井延伸极限定量预测与设计控制为研究核心而构建的一套理论方法，是对现有复杂油气井钻井理论体系的重要补充。超深井钻井面临的主客观约束因素类型较多，导致钻井延伸受限问题非常突出，对超深井钻井延伸极限预测理论创新提出了更加迫切的实际需求。因此，建议强化基础理论问题研究，创新超深井工程理论和方法，为超深井工程技术创新发展提供必要的基础理论支撑。
2）加强关键核心技术攻关，发展超深井工程技术体系。超深井工程面临着众多的技术挑战，而每一项挑战都需要多项关键技术的有效配合才能应对，众多技术共同构成了超深井工程技术体系。例如，针对超深井管柱载荷大的挑战，需要重点发展超深作业钻机、高强度钻杆等；针对超高温高压条件的挑战，需要重点发展耐高温高压的随钻测量仪器、井筒工作液等；针对坚硬岩石难破碎的问题，需要重点发展高攻击耐磨损钻头、大扭矩长寿命钻具等。因此，建议加强关键核心技术攻关，重点攻克“卡脖子”技术难题，以推动超深井技术体系不断发展。
3）加强技术协同关系研究，挖掘超深井工程技术体系内在潜力。超深井工程技术体系包含诸多技术内容，每一项技术又由多项子技术组成，甚至可以进一步细分。技术与技术、技术与子技术以及子技术与子技术之间存在密切的联系，整体呈现出较复杂的结构体系。以超深井钻井中的井壁稳定、防斜打直、钻井提速等技术为例，井壁稳定是钻井提速的基础，钻井提速可缩短井眼裸露时间，从而有助于井壁稳定，2种技术存在协同效应；强化钻井参数可能导致井斜角超标问题，而严格控制井斜又可能导致钻井低效，2种技术存在一定冲突。因此，建议加强技术协同关系研究，注重发挥多项技术之间的协同优势，探索更加合理的技术配置关系，以充分释放超深井工程技术体系的内在潜力。
4）加强一体化迭代模式研究，推动超深井工程技术持续优化进步。钻完井地质与工程一体化是指以钻完井地质环境研究为基础，以钻完井设计方案与作业工艺优化为核心，通过地质认识与技术优化的快速迭代，达到安全高效钻完井作业的目的。尤其是对于超深层而言，其地质环境与浅层和中深层存在较大差异，钻前难以准确识别易漏、易塌等复杂地层，导致钻井方案设计和施工工艺优化存在一定的盲目性，钻井过程中易发生“遭遇战”。因此，建议加强地质与工程一体化迭代模式与技术方法研究，提升地质认识与工程技术的迭代速率，将被动的“遭遇战”变为主动的“歼灭战”，以推动工程技术的持续优化升级。
5）加强多学科深度交叉融合，推动超深井工程技术数智化转型。数字化、智能化已成为当今科学技术的重要发展趋势之一，智能钻完井技术也是油气工程领域的研究热点之一。智能钻完井技术融合了大数据、人工智能、机械、控制及工程等多学科领域的理论与技术，旨在实现钻完井实时测量传输与智能决策控制。然而，超深井智能钻完井技术整体还处于研究阶段，仅在井眼轨道优化、钻井参数优选等个别问题上有所突破，仍有诸多基础理论与关键技术需要创新发展。因此，建议加强多学科深度交叉融合，创新数据与机理融合驱动方法，研发智能钻完井关键技术与装备，推动超深井工程数智化转型。
4. 结束语
在全球能源供求格局不断演变和我国油气能源需求持续增长的背景下，加快深层超深层油气资源勘探开发步伐，着力提升超深井工程关键技术装备水平，对于保障国家能源安全具有重要的作用。目前，我国超深井工程技术装备应用已突破了9 000 m特深层难关，正在向万米深地进军。然而，随着油气储层埋深越来越深，涉及高温高压、高陡构造、不稳定岩层、酸性气层等诸多复杂地层，致使多层次复杂井身结构设计难，复杂工况井筒完整性保障难，井壁稳定、井眼轨迹控制、钻井提速提效等超深井钻井面临更大挑战，并对钻机等装备及管材、仪器、钻具等井下工具仪器提出了更高的要求。因此，建议在基础理论方法、关键核心技术、技术迭代升级模式、多学科交叉融合等方面加强攻关，不断提升超深井工程理论与技术水平，为我国油气资源开发不断向更深层领域拓展提供有力保障。
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