耐高溫鉆頭鉆具：在萬米深地破巖探井

來源：科技日報

創(chuàng)新是引領發(fā)展的第一動力，產品是科技創(chuàng)新的鮮活載體。今日起，本報開設“創(chuàng)新中國·重點新產品”專欄，集中展示各行各業(yè)具有代表性、引領性、突破性的重點新產品，深入挖掘產品背后從技術攻關、研制開發(fā)到成果轉化的創(chuàng)新全過程，展現(xiàn)新時代神州大地的創(chuàng)新活力。

科技日報記者 吳純新 通訊員 胡佩

近日，在塔克拉瑪干沙漠腹地，石化機械江鉆公司（以下簡稱“江鉆公司”）耐高溫長壽命深地鉆頭鉆具，助力一口超深井僅用62天完鉆7906米，刷新該深度最快完鉆紀錄。近年來，在國家重點超深井鉆探項目中，江鉆公司接連創(chuàng)下全國單日進尺2618米、單趟鉆最長進尺5848.26米等指標紀錄，并助力我國首口超萬米科探井勝利完鉆10910米。耐高溫長壽命深地鉆頭鉆具成為穿越萬米的功勛產品。

挑戰(zhàn)深地復雜地質構造

當鉆井深度超過6000米時，井下溫度與壓力可分別達到150℃、70兆帕（MPa）以上，這對鉆頭鉆具的耐高溫、耐高壓性能提出了極端嚴苛的要求。普通鉆頭鉆具在這種環(huán)境下極易失效，使用壽命也會大幅縮短。

塔里木盆地埋深超過6000米的石油和天然氣分別占全國的83%和63%，是我國最大的深地油氣富集區(qū)，也是江鉆公司深地鉆頭鉆具的主要應用場景。

由于塔里木盆地地質構造復雜，往地層深處每前進1米，都要面臨溫度更高、地層壓力更大、地層巖性更復雜的環(huán)境。尤其在突破萬米之后，每向下1米，鉆井難度都以幾何倍數(shù)增長，堪稱世界級挑戰(zhàn)。

為此，江鉆公司成功研制出耐高溫長壽命深地油氣開發(fā)用鉆頭鉆具，破解超高溫、超高壓、超復雜等萬米深地鉆探世界級難題，為向地球深部進軍提供了關鍵裝備。

其中，耐高溫鉆頭采用混合破巖設計，融合牙輪與聚晶金剛石復合片（PDC）優(yōu)勢，能在極限環(huán)境中保持強勁鉆進能力。耐高溫螺桿鉆具則是一種井下動力工具，能將鉆井液的水力能量轉化為機械能，驅動鉆頭旋轉，猶如給鉆頭裝上井下電動機，提高鉆井效率。

順北油氣田順北10斜井全井段采用江鉆公司鉆頭，完鉆井深8591米，鉆井周期縮短20%。在亞洲第三口特深井順中1斜井，耐超高溫螺桿鉆具累計循環(huán)使用102小時，創(chuàng)國內螺桿鉆具靜止溫度190℃以上（循環(huán)溫度180℃以上）最長使用時間紀錄。

在深地塔科1井的最后10米，超高溫鉆頭在207℃環(huán)境下累計工作超70小時，創(chuàng)國內牙輪鉆頭最高溫度使用紀錄和鉆頭鉆達最深井深紀錄。

目前，江鉆公司深地鉆頭鉆具，在超8000米的深地工程中已累計服務超360口井，刷新各類高優(yōu)指標400余項，12次創(chuàng)造亞洲及世界工程紀錄。

地下萬米攻克世界難題

深地塔科1井是我國首口超萬米科探井，其完鉆深度10910米，是亞洲第一、世界第二的垂直深度井。深地塔科1井井下最高溫度220℃，最高壓力145MPa，相當于指甲蓋大小的面積承受超過1.4噸重量。

常規(guī)鉆頭鉆具的密封元件和金屬材料在高溫下性能急劇衰減，極易造成損壞或失效。頻繁起下鉆更換工具不僅大幅增加作業(yè)成本，還嚴重影響鉆井效率和安全。

面對上述情況，研制耐高溫鉆頭鉆具迫在眉睫，但當時國內并沒有成功案例可以借鑒。尤其是在螺桿鉆具領域，當時江鉆公司螺桿鉆具僅可耐溫190℃，而國內其他廠家的螺桿鉆具耐溫普遍為150℃。“螺桿鉆具的耐溫性能主要取決于橡膠，其關鍵材料技術掌握在國外廠家手中，且產品開發(fā)周期長、價格高。”江鉆公司基礎技術研究所主任師張玲說。

既然前方沒有路，那就踏出一條路來。江鉆公司研發(fā)團隊每天在國內外文獻、專利等學術資料庫里找思路，并到實驗室研究不同行業(yè)橡膠的配方技術。

研發(fā)之初，團隊面臨一道左右為難的選擇題：究竟是選用新型膠種重構整套工藝，還是突破現(xiàn)有材料耐溫極限、另尋技術路徑？

一次跨界技術的碰撞，成為項目突破的關鍵轉機。在廣泛研讀各行業(yè)材料熱阻、導熱等前沿技術資料時，研發(fā)團隊跳出單一提升材料耐溫性能的傳統(tǒng)思路，轉而以系統(tǒng)思維統(tǒng)籌材料自身屬性與外部工況影響，形成全新研發(fā)理念：突破耐溫極限，不僅要讓材料更“扛熱”，更要通過結構與配方設計讓材料承受更少熱負荷。

正是半導體行業(yè)的高效導熱技術，為團隊打開了破解螺桿定子橡膠耐溫瓶頸的新思路——從“只強化材料單向耐溫”轉向“內外協(xié)同、多因素互補”的系統(tǒng)解決方案，打通了耐高溫橡膠材料的研發(fā)路徑。

產品迭代、技術升級，是攻堅戰(zhàn)，也是持久戰(zhàn)。

江鉆公司錨定耐高溫長壽命目標，從材料研究到導熱技術，再到產品設計與力學分析，闖過一道道關卡，成功攻克耐245℃密封橡膠材料、動力橡膠納米導熱技術及三級梯次混合破巖等核心技術，創(chuàng)新研制出耐245℃高承載混合鉆頭、耐215℃長壽命螺桿鉆具等系列產品。

“江鉆公司的耐高溫鉆頭鉆具系列產品打破國外技術壟斷，成功穿越萬米深井，實現(xiàn)了安全、高效、持久的作業(yè)。”中石化石油機械股份有限公司（以下簡稱“石化機械”）鉆完井工具領域高級專家涂關富說。

一流裝備服務油氣開發(fā)

隨著我國淺層油氣資源日益減少，進軍萬米深地成為關乎國家能源安全、科技進步與深地探索的戰(zhàn)略需求。

近年來，國內油氣勘探正加速向“兩深一非一老”領域拓展，超8000米乃至萬米以下的超深地層，已成為能源開發(fā)主戰(zhàn)場。江鉆公司緊跟油氣勘探開發(fā)需求，集中力量攻關深地鉆頭鉆具，為“中國深度”挺進萬米提供利器。

面對深地復雜難鉆地層鉆井提速需求，江鉆公司從創(chuàng)新產品結構到突破材料瓶頸、從實驗室測試到工業(yè)化應用，成功攻克深地鉆頭鉆具“卡脖子”難題，正向著8.5吉帕（GPa）金剛石復合片、耐特高溫特高壓橡膠材料等技術發(fā)起沖鋒，推動深地鉆頭鉆具挺進地心更深處。

江鉆公司是首批國家知識產權示范企業(yè)、制造業(yè)單項冠軍，同時是國內牙輪鉆頭、金剛石鉆頭、螺桿鉆具、提速工具一體化服務規(guī)模最大、水平最高的綜合制造服務商。其持續(xù)深耕鉆井工程領域，在國內油氣勘探開發(fā)主要區(qū)域創(chuàng)下指標紀錄，在北美、中東等國際高端市場也獲得廣泛認可，以過硬品質與先進技術服務全球油氣勘探開發(fā)。

江鉆公司為石化機械下屬單位，深地鉆頭鉆具是石化機械打造“鉆頭鉆具+提速工具+完井工具”井底鉆柱組合解決方案的重要一環(huán)。

石化機械作為中國石化唯一的油氣裝備研發(fā)制造服務中心、氫能裝備制造基地，經過幾十年技術積淀，形成了超高壓結構、超高硬材料、超高能控制、超高精制造“四超”系列核心技術，其核心產品固井壓裂裝備、牙輪鉆頭、油氣井封層橋塞先后獲評國家制造業(yè)單項冠軍，旗下裝備檢測機構被認定為專精特新“小巨人”企業(yè)。目前，它正朝著打造一流綜合能源裝備公司奮勇前進，為建設能源強國、推進中國式現(xiàn)代化貢獻更大力量。