精细控压钻井技术在超深井中的有效应用

摘要：随着现代化社会的发展，钢铁需求量持续增加，浅层铁矿资源相对匮乏，地下千米铁矿的开采成为必然趋势。然而，超深井工程中，由于其地质环境特殊，具有高地应力、高井温等特点，增加了矿产资源开采难度，难以保证开采人员安全。传统钻井技术下，难以精准平衡地层压力，可能引发卡钻、井漏、气体泄漏等安全事故，增加钻井风险及成本。文章通过分析精细控压钻井技术在超深井中的应用，包括地应力-孔隙压力协同监测技术、双梯度压力控制技术、岩屑-气体同步处理技术等，提出构建动态压力耦合调控体系、融合运用多介质协同技术、发挥智能化控压装备的作用等方案，进一步发挥精细控压钻井技术优势，为深部矿产资源开发提供技术支撑。

关键词：超深井；精细控压钻井技术；铁矿；应用价值

在地下千米铁矿开采中，需要面临极端复杂的地质环境，高地应力下，井壁极易发生岩爆、坍塌等事故；高井温下，会降低钻井液性能稳定性，复杂裂隙还会加剧钻井液漏失风险；同时，钻井过程中还会有有害气体逸出，严重威胁到开采人员生命财产安全。通过精细控压钻井技术的应用，有利于实时监控、调节井筒压力，进一步降低安全风险，为铁矿资源安全开产提供技术支撑，推动矿业产业可持续发展。因此，有必要深入探究精细控压钻井技术与工艺，结合一系列技术优化措施，为超深井工程提供有力支持，实现矿业行业高质量发展。

1  精细控压钻井技术在超深井中的应用价值

超深井工程中，通过引入精细控压钻井技术，能够更好地适应复杂地质条件，有利于提高钻井效率，保证铁矿勘探、开采安全性，推动矿业产业转型升级。一是适应超深地质环境，传统超深井工程中，需要面对窄密度窗口、高地应力等问题，难以良好平衡地层压力，导致井涌、井漏等事故多发。通过使用精细控压钻井技术，有利于实时监测、主动调节井筒压力，有效避免施工风险，为超深井铁矿资源开发提供支持[1]。二是提高钻井效率，精细控压钻井技术下，通过优化压力参数，有利于减少钻头振动，进而提高机械钻速，间接缩短非生产时间，提高钻井效率的同时，增加超深井工程经济效益。三是促进产业绿色化转型，精细控压钻井技术下，有利于精准控制有害气体排放，减少钻井液漏失量，进而减少对地下水、大气的污染，推动矿山建设绿色发展。

2  超深井中的精细控压钻井技术类型

2.1 地应力-孔隙压力协同监测技术

1）部署多维度传感器。钻井过程中，利用分布式光纤传感器，实时监测地应力分布，再利用井下压力计采集孔隙压力数据，构建“地应力-孔隙压力”双参数监控网络，能够实时捕捉井周岩土应力变化[2]。

2）构建数据耦合模型。基于AI算法，将采集到的地应力、孔隙压力、岩性数据等进行耦合，形成三维压力预测模型，当相关参数超出阈值，比如地应力＞10MPa/h或孔隙压力系数＞1.2，系统会自动预警，提示岩爆或井涌风险，有效保障开采人员安全性。

3）设置动态化阈值。超深井工程中，需要基于地层风险严重程度，合理设置压力调控阈值。比如，在高应力矿层中，地应力采集数据接近岩体抗压强度的80%时，会自动触发警报，提示开采人员及时调整钻井液密度。

4）反馈调控。地应力-孔隙压力监测数据可实时传输会地面控制系统，根据控压策略，自动调整井口回压与钻井液性能，将压力波动控制在±0.3MPa内，提高事故预警准确率。

2.2 双梯度压力控制技术

1）压力识别与分段。对于超深井多压力系统共存问题，可利用随钻测井数据，高效识别上部低压含水层、下部高压铁矿层，将井眼分为上下两段，上部采用低密度钻井液防漏，下部采用高密度钻井液稳壁。

2）旋转控制头密封。在上下部分段界面区域使用旋转控制头，确保上、下环空压力隔离；借助地面系统，分别调控上下两段环空压力，让上部维持微负压，比如压差-0.5MPa，有效避免压漏含水层；下部保持正压，如压差+1.2MPa，由此平衡铁矿层孔隙压力。

3）动态切换钻井液。引入双密度钻井液，利用中间罐调配系统，可实现钻井液的实时切换。当钻井到分段界面区域时，系统可自动关闭低密度泵组，打开高密度泵组，实现压力的平稳过渡，降低压力波动，使得事故发生率下降。

4）优化岩屑返速。基于上下两段的压力差，应合理调整钻井液排量，保证岩屑返速符合携屑要求，避免返速不足，导致沉砂卡钻。

2.3 岩屑-气体同步处理技术

超深井作业中，硬岩屑与有害气体共存，影响到钻井效率及安全性，基于岩屑-气体同步处理技术，可实现钻屑高效返排，更高效、安全地处置有害气体[3]。

1）实时分析岩屑激光粒度。在振动筛出口，可安装高精度的激光粒度仪，实时检测岩屑粒径分布，当铁磁性粗颗粒占比＞30%时，会自动开启除砂器，有效吸附、分离铁屑，减少对钻井泵的磨损，进而保证超深井工程有序进行。

2）在线监测有害气体。超深井作业中，应在循环罐上方安装多气体检测仪，实时检测CO、H2S等有害气体浓度，当气体浓度超过一定值，会触发恒压分离器，通过负压来有效抽提有害气体，导入至燃烧装置，由此快速处理有害气体。

3）重复利用钻井液。将岩屑分离后的钻井液输入离心机，能够有效去除细微颗粒，调整其性能参数，由此实现钻井液的净化与重复利用，增强超深井工程经济效益。

4）智能排渣。使用螺旋输送机，将分离后的岩屑运输至封闭储渣罐，结合称重传感器实时监控渣量变化，实现智能排渣。

3  精细控压钻井技术在超深井中的创新策略

3.1 构建动态压力耦合调控体系

超深井工程施工中，为更好地运用精细控压钻井技术，应当构建动态压力耦合调控体系，高效分析井底压力，及时发现钻井风险，保证超深井施工安全进行。第一，在钻井液循环系统内，企业应部署各种高精度传感器，包括压力、温度传感器与岩屑粒度分析仪等，实时采集井底参数，比如压力、环空温度、岩屑返速等。同时，还需利用光纤光栅传感器，监控井周岩体应力变化，搭建多物理场监控网络，实现全井段数据全覆盖，为技术应用提供有效依据。第二，作业人员应利用卷积神经网络算法，高效分析历史施工数据，构建更智能的压力波动预测模型，能够提前预警井涌等风险，提高钻井安全性。第三，作业人员应引入纳米级高分子材料，可有效调节流体弹性模量，在不同井段中，高效匹配地层应力环境，降低钻头振动频率。

3.2 融合运用多介质协同技术

企业应当融合运用多介质协同技术，引入新型技术与工艺，与精细控压钻井技术形成联合效应，更好地适用于超深井钻井中。首先，在钻井过程中，作业人员应引入三相混合循环系统，在窄密度窗口段注入氮气，有效降低环空当量密度，并使用固相岩屑填充微裂隙，由此提高井壁稳定性，提高技术应用安全性。其次，企业应探索研发纳米封堵剂，在配置钻井液时，合理添加纳米封堵剂与应力缓释剂，既可快速填充岩石微裂缝，又能降低井周应力集中系数，从而规避岩爆风险。再次，企业应设计自动化流体切换装置，集成密度、黏度、气液比等数据，再利用伽马测井数据识别地层界面，在一定时间内完成介质的自主切换，由此降低压力波动[4]。最后，精细控压钻井技术应用中，可在上部地层引入低密度泡沫钻井液，由此降低环空静液柱压力。

3.3 发挥智能化控压装备的作用

精细控压钻井技术在超深井的应用中，应当发挥智能化控压装备的作用，实现装备升级，由此提高超深井压力控制精度。其一，企业应引入高速节流阀，根据压力波动实时调整过流面积，通过实时压力反馈信号，自动调节阀口开度，实现对井口回压的精准控制，有效抑制压力尖峰波动。其二，企业应引入液压或涡轮驱动的井下压力调控工具，通过感知环空压力变化，自动调整工具外径或节流孔径，补偿环空摩阻损失或平衡地层压力，由此提升井壁稳定性[5]。其三，企业应采用抗高温、抗磁干扰的随钻测量技术，再结合旋转导向系统，集成高精度压力传感器、光纤陀螺仪等组件，实现井斜、方位、井底压力等参数的实时测量，为压力调控提供实时数据支撑。其四，企业应基于工业互联网，开发更高效、智慧的控压钻井智能平台，整合多源数据，构建实时数字孪生模型，通过AI算法自动分析压力趋势，并生成调控策略。

4  精细控压钻井技术在超深井中的应用案例

在准噶尔南缘勘探钻井过程中，引入了精细控压钻井技术，借助随钻测试绘制安全压力窗口、当量钻井液密度检测、微流量动态控制环空压力、抗压参数优化、起下钻变密度井底压力恒定等工艺，为超深井高压复杂地层的勘探开发提供新技术。通过精细控压钻井技术的应用，有效解决了CT2井上部4914m高压气水层外溢、井底5830m低压层漏失等问题，同时提高地层承受压力，为超深井勘探、开采等活动，提供更有效的技术工艺支撑。

5  结束语

综上所述，在超深井工程中，通过运用精细控压钻井技术，有利于高效调节井内压力，精准预测井涌等风险，保证超深井勘探、开采活动安全性。精细控压钻井技术中，包括地应力-孔隙压力协同监测技术、双梯度压力控制技术、岩屑-气体同步处理技术等工艺，文章通过分析精细控压钻井技术在超深井中的应用，提出构建动态压力耦合调控体系、融合运用多介质协同技术、发挥智能化控压装备的作用等措施，从多方面进行优化，推动铁矿资源高效利用。

参考文献：

[1]白云鹏,石峥,阎磊,等.系列化精细控压钻井设备研究[J].中国设备工程,2025,(02):95-97.

[2]周英操,郭庆丰,蔡骁,等.精细控压钻井技术及装备研究进展[J].钻采工艺,2024,47(04):94-104.

[3]胡弼文,江迎军,买买提吐尔逊·塔里甫,等.精细控压排气降密度技术在蓬莱气区的实践[J].钻采工艺,2024,47(03):42-48.

[4]张茂林,周玉东,高新,等.精细控压钻井技术在准噶尔南缘超深井的应用[J].复杂油气藏,2024,17(04):461-466+485.

作者简介：张柏荣 1990年06月06日 男 辽宁省海城市 汉 本科 生产副矿长 中级采矿工程师 中级注册安全工程师 本溪龙新矿业有限公司 研究方向: 超深井大规模开采 超深井空场嗣后充填采矿