【奋进2025】全井反循环气体钻井技术的“万里长征”

1月11日，农历新年正在临近，连日阴霾的雨城雅安迎来了难得的阳光。位于雅安市的温泉1号井反循环气体钻井试验现场，钻采院空气钻井技术作业队员以及技术研发组成员们从去年12月中旬起就驻扎在这里；此刻，迎着温暖的阳光他们击掌相庆，随着此次直径480毫米大尺寸井眼全井反循环气体钻井试验的成功，悬在大家心头多日的巨石终于落了地。

地处海拔约873米的温泉1号井，在构造上它位于马渡断裂上盘、大河斜冲断裂下盘；地质资料显示，该区域地层岩性为砂、泥岩互层，地层特征为软硬交错，并夹有数个破碎带，漏失、出水与垮塌同存——这是常规钻井的噩梦，却成为反循环气体钻井技术大显身手的战场。三天前，该井成功突破井深320米，这是此项技术进入正式试验阶段迄今钻达的最深纪录，它的成功更为反循环钻井技术的推广应用奠定了坚实基础。

这条名为“全井反循环气体钻井技术研发”的漫长跋涉之路，历时10年，这一刻真正迎来了曙光。 

困难重重的开局

在石油人漫长的钻探史上，正循环钻井一直是主流“打法”，钻井流体通过钻杆中心水眼从地面输送到井底，再从井底经过井眼环空上返至地表——而反循环钻井则刚好相反，它是通过采用双壁钻具（即常规钻杆内部再插入一根中心管，形成双层管结构），将流体从双壁钻具内、外管环隙注入，到达井底后，在专用反循环钻头的流场作用下，进入双壁钻具内管，然后经由内管上返至地表。

从单层变双层，由正到反，一字之差，变化却天翻地覆。作为一项前瞻性技术，它是中国石油集团经济技术研究院列出的未来10年极具发展潜力的20项钻井前沿技术之一，不仅可有效解决444.5毫米及以上大尺寸井眼携砂难题和因携砂困难导致的井下复杂、时效低等问题，也可以解决常规气体钻井面临的井漏、高速流体扰动失稳、不规则井眼携砂等技术瓶颈，采用“工程机+反循环气体钻井”模式，还能够进一步提高非常规资源表层批量化作业钻井效率和效益，实现非常规开发高效批量钻井，解放大钻机生产力。不仅如此，同等条件下，采用“轻量化工程机+反循环气体钻井”钻井模式，其设备能耗较常规钻井还能减少70%以上，大幅节约水资源，也更加节能环保。

可就是这样一项既能解决大尺寸井眼携砂、井壁扰动等难题，又具有巨大环保潜力的梦想技术，开局所面对的，竟是无先例、无资料甚至无实验条件的困局。

2007年，在时任钻采院副院长韩烈祥带领下设立了一个院级项目，专门研究5英寸双壁钻具和444.5毫米反循环空气锤。但这项技术的研发却始终停留在理论层面，加之应用条件存在一定局限性，也一直没有找到合适的试验机会，一度成为“压箱底”的技术。

“一般来说，一个课题通常研究一种工具，而反循环气体钻井却是一整套系统，除了本身技术工艺，还涉及跨专业的多种工具、钻具、地面装备配套，别说摸着石头过河，连水深水浅都不晓得。”该院科技研发中心二级工程师范黎明也是最早参与该项目的科研人员之一，如今已是项目课题长。2011年，地质资源与地质工程科班毕业的他来到钻采院博士后工作站，研制了660.2毫米井眼用单体反循环空气锤，这是反循环气体钻井的核心工具之一，也是当时国内石油行业第一只单体反循环空气锤。

彼时，国、内外地勘、岩土工程领域关于“反循环”钻井虽有很多门类，包括泵吸反循环、气举反循环等，但大尺寸井眼全井反循环气体钻井技术却与上述门类截然不同：一方面，大尺寸井眼的反循环很难建立；另一方面，现有常规反循环技术对破碎、漏失大尺寸井眼无能为力，而通过专用反循环钻头（如PDC钻头）的强劲反循环能力，能够在井筒液面很低时解决大尺寸井眼、破碎带、漏失层面临的携砂难题，同时也能解决井壁扰动带来的井壁失稳问题。

技术设想是美好的，理论上也没有问题，可关于它的一切都是一张白纸：没有成功先例，没有可供借鉴资料，且牵涉多专业、多学科配合，难以动用巨大的人力物力来开展这样跨专业的研发。不仅如此，能够等到的现场试验机会少之又少，平均一年半才有一次试验机会，且不保证能进行充分试验。“这么庞大的系统，面临的不确定因素又多，如果不能进行充分试验，那就得不到我们想要的结果、也无法更好地进行改良。”无数个加班的夜晚，范黎明经常望着一张张设计图纸陷入沉思，如果一项技术始终停留在纸面上，它就永远只能是书本里完美的概念模型。 

“看不到光”的征途

一正一反，一字之差，是对常规钻井工艺的彻底颠覆。但在常规钻井能够覆盖当前几乎所有钻探业务的形势下，开展这样的研发似乎既缺乏性价比，又有点自讨苦吃。

可对于研发人员来说，“反循环气体钻井”虽是条荆棘遍布的道路，但考虑到未来钻探中必将面对的表层大尺寸井眼携砂难、漏失、能耗和综合成本高、节能减排、环保等问题，它又是势在必行的长征。

没有先例、没有资料，那就自己完成。

围绕“如何让井下流体和岩屑通过钻头进入到钻具内部而不跑到井眼环空去？”“如何预防和处理卡钻埋钻问题？”等技术瓶颈，漫长的研发时间里，他们克服重重困难，不断探索这条河流的深浅，并一次次尝试摸着石头过河。

2017年，反循环技术研究（一期）院级项目启动，研发了伸缩式防卡反循环钎头、改造了444.5毫米井眼用反循环空气锤，并利用原有5英寸双壁钻杆在内江某井进行了实钻试验；因内江沙溪庙地层稳定，成功完成功能性实钻试验，气量不到正循环气体钻井的20%。

2020年底至2021年初，在内江某井对随钻动态封隔器进行试验，大幅提高了反循环建立的效果，取得阶段性进展。

2022年，为提高反循环技术对顶驱钻机的适配性，自主研发了反循环顶驱适配器，但并未得到试验机会。

等待试验的时光是漫长的，因此好不容易得来一次试验，他们都格外珍惜，一定要将需要验证的参数做成to do list然后一条条画勾，确保每一次现场试验都能验证大量思路、取得一次进步。

2023年12月，贵州某煤矿，研发团队配合井队XSL1000履带式钻机（小型工程机）开展试验，这是难得的上井试验机会，受到该院上下的高度关注。但因地层适配性原因，反循环空气锤钎头频繁堵塞，444.5毫米反循环PDC在进尺7.5米后便结束了试验，进尺太短，单根都没接上，更别提其他关键参数的验证了。“真是至暗时刻，踌躇满志上去，结果灰头土脸地回来，上班看到关注的领导专家们都恨不得躲着走。”范黎明对当时的狼狈记忆犹新。

“搞了这么多年都没搞出来，到底行不行？”

“有这个时间，不如好生打几口井。”

不仅是被重创的士气，还有更多质疑的声音接踵而至。那个年，团队成员们都觉得格外难过。

“以后，这项技术一定是一个不怕垮、不怕漏、综合成本低、还很环保的钻井技术！不仅能解决今后万米深井大尺寸井眼的携砂难题，还能为以后表层提供更加环保、安全、经济的钻井手段，无论从社会效益还是经济效益都是可观的，技术手段也是革命性的！” 看不到光亮的时刻，范黎明和团队成员们总是一次次地想起研发之初韩烈祥专家对大家说的话。“暗夜行军，看不到光是暂时的，走过去，就好了。”

痛定思痛，这口井试验结束后，大家对整个工艺措施和关键工具进行反复讨论分析，同时邀请院内各专业领域的专家一起头脑风暴，查摆问题。平均每周2次碰头会，“每次讨论就像吵架”。但大家明白，技术就应当集百家之长，广泛倾听不同意见，才能去伪存真挖掘出有价值的线索。

终于，在反复复盘中，他们惊喜地发现，虽然整体上看这次试验效果不好，但自研的反循环PDC钻头却在其中展现了非常优秀的反循环能力，且PDC与过去采用的空气锤相比，结构简单、更可靠，且预防卡钻能力及对付塑性地层效果都更强——这为大家指出了一条切实可行的研发方向。

好像有一束光照了进来。

而大家也逐渐发现，即便是这样一条“看不到光”的长征路，却有越来越多的人参与进来。过去，每次集体讨论都只有寥寥几名核心人员“吵来吵去”，现在不仅有研发中心的多学科专家、气体钻井领域的大牛，有专攻精细控压技术、PDC钻头制造技术、定向井钻井技术的专家，有工程地质领域的精英，后来还有了大数据领域信息化数字化专家。

如今，每一次会都有新的架要吵，但总能头脑风暴出更多点子，碰撞出更多思路。

近一步、再近一步

真正的转机出现在2024年。

针对此前贵州试验出现的问题，团队对封隔器和空气锤钎头进行优化，同时进行了第二代反循环PDC钻头的研发。当年12月26日，他们带着最新研发成果前往雅安温泉1号井，这口井是他们“决定命运的一战”。

来自该院空气钻井技术服务公司的作业队长杨超已与反循环技术打了快10年交道，每次反循环现场试验都是他带队开展作业。为了确保作业成功，他在司钻房、井口、返出口等几个关键位置跑上跑下，严格落实试验措施，积极研判问题并提出整改建议。操作员王卫东、赵鹏无论晴天雨天值守司钻房做好数据记录；李金和全面负责反循环试验新增安全风险控制；研发中心技术员王磊、刘天宇则进行钻具力学校核、井下液面监测，在大后方全力保障的同志们更是24小时待命；经验丰富的空气钻井技术服务公司经理邓柯、副经理刘殿琛也全程守在井场，白天黑夜倒班坚守，积极动员，有力组织，高效决策。

新年之初突然的降温，让本就阴雨连绵的雨城愈发寒冷。为了确保技术万无一失，年逾60的专家韩烈祥也同年轻队员们一道守在设备旁，一起一次又一次开会复盘、搓手等待，也一起体会因压力带来的失眠。12月31日夜晚，正是钻遇破碎带的时刻，他担心破碎带伴随漏失会导致出口失返，于是冒雨打着手电守在反循环排砂出口，只为第一时间发现出口返出的异常情况，确保大家能及时采取控制措施顺利穿过破碎带。

这次现场试验，他们解决了“大尺寸井眼在液位很低的情况下反循环很难建立”“不使用钻机顶驱也能实现流线型有压管道排砂”“井壁扰动性失稳”“大尺寸井眼‘大肚子’等不规则井壁携岩困难”“因携砂困难导致的井下复杂、时效低”等四大难题，并一举达成数个“第一次”——第一次仅用1台空压机加1台小水泵的超精干配置、第一次连续作业、第一次在穿越破碎带和漏层、第一次突破100米且不扰动井壁，完成480毫米井眼300余米进尺。

“它的优势瞬间就凸显出来了。”范黎明说。若采用正循环方式，不仅需要很高的排量（泥浆钻井需要约60-70升每秒的排量，气体钻井需要约210-240方每分钟的气量），且面临如此破碎和漏失的地层，不仅带砂难度大，还存在漏失风险。现场井队、业主方全程看着都觉得很不可思议，连连称赞并对试验团队表示高度赞扬。“认为我们真是个干实事的企业。”

而更让大家自豪地是，这项技术以其利用井筒地层水循环带砂的优势显示了常规钻井所不及的环保能力。

曙光将至

“我们一直研究的全井反循环钻井技术终于可以打井了，可以用最少的设备使用量顺利完成常规正循环很难完成的井！”开年迎来的试验大捷为研发团队注入了一针强心剂。这项开局便困难重重的“万里长征”，一路走来，有过高光、但更多徘徊在低谷，终于在此刻迎来了胜利的曙光。

此次试验的胜利，充分验证了该工艺建立循环、高效携砂、打钻及连续作业能力，证明了反循环钻头、封隔器、顶驱适配器等关键工具功能的先进性及反循环钻井系统与工程作业机配合作业的可行性，让关键工具、地面装备、工艺措施的问题进一步暴露，为后续完善配套并进行部分井推广应用打下了坚实基础，更意味着一条新的创效之路即将走通。

由于该技术对水资源需求很低，且可以利用地层水实施钻进，对于某些缺水或对水资源污染有严格要求的地区，该技术有着明显优势；而在节能环保方面，除恶性漏失以外，可避免大部分渗透性漏失风险，且由于燃油动力设备能节省约70%、水资源用量能减少约80%，除工程作业机以外，反循环所需空压机、水泵均可使用电动设备，还能有效避免噪音污染，环保效益也特别好，采用这项技术批量开展表层业务，无疑是一种安全、经济、环保的方式；与此同时，由于一开始便是独立摸索，团队成员们还可以骄傲地说，该技术涉及的封隔器、反循环PDC、适配器等核心部件都是咱们自主研发的。

从现场返回后，团队马不停蹄，立即对本次试验进行全面总结分析。“从提高工具可靠性到提高作业时效，从优化工艺流程到规范操作规程等，全面梳理，我们要做的还有很多。”对团队来说，未来，反循环气体钻井或还将融合使用各类反循环技术，配套研究大尺寸井眼跟管钻进、冲击挤密钻进、螺旋钻进等第四系破碎堆覆体高效成井技术，最终形成不怕垮、不怕漏、经济又环保的多工艺表层大尺寸井眼复合钻井技术与配套装备。“一旦大规模投入使用，不惟石油市场，还能在矿山开采、道路桥梁、应急救援等领域一展所长！”(钻采院/吴玲瑶   范黎明）