高溫高壓鉆井技術(shù)的探索與認識

苗典遠，孫長利，初德軍，劉英偉，李允智

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津塘沽 300452）

高溫高壓鉆井技術(shù)的探索與認識

苗典遠，孫長利，初德軍，劉英偉，李允智

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津塘沽 300452）

高溫高壓鉆井作業(yè)過程中面臨諸多的困難和挑戰(zhàn)，為了保障高溫高壓鉆井作業(yè)的安全、減少復雜情況，提高作業(yè)效率，分析了高溫高壓鉆井所面臨的主要挑戰(zhàn)，結(jié)合國內(nèi)外的成功經(jīng)驗，提出了相應的應對措施。指出了高溫高壓鉆井除面臨壓高溫高壓之外，還要克服地層可鉆性差、鉆井周期長、鉆具易發(fā)生疲勞破壞、部分地層含硫化氫等酸性氣體等對鉆井作業(yè)所帶來的一系列影響；研究認為科學選擇鉆井裝備、鉆井工藝和配套技術(shù)，加強現(xiàn)場組織管理對高溫高壓鉆井作業(yè)的成功至關(guān)重要。高溫高壓鉆井技術(shù)是一項系統(tǒng)工程，要不斷積累經(jīng)驗、做好技術(shù)沉淀，完善相關(guān)技術(shù)標準和規(guī)范，為今后高溫高壓井的作業(yè)提供借鑒和參考。

高溫高壓；井身結(jié)構(gòu)；鉆井設(shè)備；鉆井液；固井

隨著石油工業(yè)的不斷發(fā)展，石油勘探開發(fā)的難度不斷加大，鉆井的深度越來越深，高溫高壓鉆井不斷的發(fā)展起來，各大石油公司開始研究和儲備高溫高壓鉆井相關(guān)的技術(shù)。通常將井底溫度大于150 ℃，地層孔隙壓力大于68.9 MPa（10 000 psi）的井定義為高溫高壓井。隨著鉆遇地層壓力和溫度的不斷提高，部分石油公司將高溫高壓井的類別分的更細，進一步細分為：高溫高壓、超高溫高壓、極高溫高壓，超高壓/高溫，極高壓/高溫等[1]。隨著高溫高壓鉆井作業(yè)數(shù)量的增加，發(fā)現(xiàn)的困難也越來越多，相應的鉆井工具和配套工藝也逐漸完善，高溫高壓鉆井工具的研發(fā)被各大油田技術(shù)服務公司作為其技術(shù)能力的一個象征。

1 高溫高壓鉆井面臨的主要挑戰(zhàn)

1.1 高溫高壓對鉆井設(shè)備的要求

按照行業(yè)標準的要求，高溫高壓井的井口裝置以及防噴器均要選擇壓力級別至少為15 000 psi（103.4 MPa）的防噴器。防噴器組的配置（數(shù)量和類型）、阻流、壓井管匯等也都有相應的要求[2]。為了安全起見，通常要求至少配置四個閘板（必須有一個可變徑閘板，一個至少可以剪切244.5 mm套管的剪切閘板），雙壓井雙阻流管線，部分作業(yè)者還要求配備超級剪切，可以剪切直徑為339.725 mm的套管；壓井阻流管匯的壓力級別也應該和防噴器組的壓力級別相匹配。高溫高壓井的井深普遍在5 000 m以上，井身結(jié)構(gòu)復雜，套管層次多，井眼尺寸大，表層導管的直徑通常都可以達到或超過812.8 mm（32 in），下深也較深，因此要求鉆機必須配備開孔直徑為1 257.3 mm（49.5 in）轉(zhuǎn)盤。鉆機能力提升了，泥漿泵和固井泵等配套設(shè)備的工作能力也相對較高。如果有些井含有硫化氫，還要安裝硫化氫防護及監(jiān)測裝置。大部分海上自升式鉆井平臺在進行高溫高壓井鉆井作業(yè)之前都要根據(jù)作業(yè)者提出的要求進行升級改造，包括鉆井設(shè)備、船體、防噴器、鉆具以及安全等方面，甚至還會包括鉆井液冷卻系統(tǒng)?？傊?，高溫高壓井對鉆井裝備、井控設(shè)備及其他配套設(shè)備的要求都很高。

1.2 鉆井液

鉆井液體系和性能的優(yōu)選以及現(xiàn)場維護對一口高溫高壓井的作業(yè)成敗起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)高溫高壓井的定義，溫度超過150℃，壓力超過10 000 psi，因此高溫高壓井所使用的鉆井液密度也較高，最高的可能會達到2.4 g/cm3，有時候可能會使用鈦鐵礦粉、四氧化錳、赤鐵礦粉等作為加重材料[3-5]，相應鉆井液中所含的固相含量也會很高，因此對井下工具的要求也會很高，導致很多常規(guī)井下工具不能在高溫高壓井中使用。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，大多數(shù)高溫高壓井都含有硫化氫、二氧化碳或者二者同時存在，為了保證井下鉆具以及作業(yè)的安全，必須維持鉆井液的良好性能，所以還必須在鉆井液配方中充分考慮這些酸性氣體的處理措施，來防止硫化氫等酸性氣體的侵入。

由于高溫高壓井的高投入、高風險，為了提高勘探的成功率，在選擇鉆井液體系時還要考慮儲層保護措施，鉆井液添加劑（尤其是加重材料）對目的層的污染等問題不容忽視。使用油基泥漿可以有效的提高鉆井液在高溫條件下的性能穩(wěn)定性、潤滑性，減少對油氣層的污染等問題，但是油基泥漿也存在一些諸如氣體的溶解，氣體侵入后不能及時發(fā)現(xiàn)，以及環(huán)保（有些國家和地區(qū)禁止使用油基泥漿）等方面的問題。因此在選擇鉆井液體系時，應充分考慮當?shù)氐淖鳂I(yè)環(huán)境、地層特性、井下工具對鉆井液的適應能力、作業(yè)成本等各方面的要求。

1.3 固井

由于大部分高溫高壓井的井身結(jié)構(gòu)比較復雜，有時候還會使用非標準的井眼尺寸并配合非標準尺寸的套管，套管與井眼的環(huán)空間隙小，同時鉆井液密度窗口也比較窄，因此對固井作業(yè)提出了很高的要求[6]，水泥漿要具有很好的流變性、防氣竄性、堵漏能力、高強度等特點。通常高溫高壓井的表層套管尺寸較大（508 mm、609.6 mm，甚至更大），下深超過1 000 m，甚至達到2 000 m，整個固井作業(yè)所要求的固井材料以及水泥漿的體積較大，固井作業(yè)時間長，有的超過10個小時，對固井泵以及作業(yè)人員也是一個嚴峻的考驗。為了保證固井的順利實施，盡可能的采取雙級固井，這樣可以避免一次連續(xù)作業(yè)時間過長，便于水泥漿柱的設(shè)計，也可以利用兩級固井的間隙補充固井材料，提高作業(yè)的安全性。

1.4 井控

井控工作在高溫高壓井鉆井的整個作業(yè)過程中是最為關(guān)鍵、難度最大的一項工作之一。一旦在井控方面出現(xiàn)問題，不能及時有效的處理和應對，將會造成很大的影響，如果發(fā)生井噴失控事故，后果將會不堪設(shè)想。2010年美國墨西哥灣發(fā)生的井噴失控事故就是一個很好的教訓。

高溫高壓井的防噴器壓力級別選擇：井控設(shè)備，必須從設(shè)計階段重視起來，做好地層壓力的預測，根據(jù)預測的最大地層壓力結(jié)合預計最大井口壓力選取井口裝置和防噴器組，保證所選用的防噴器額定工作壓力大于后期作業(yè)過程中的最大井口壓力。為了安全起見，井控裝置還要考慮一定的冗余。

防噴器的配備：確定了防噴器的壓力級別以后，還要考慮防噴器的具體配置，包括尺寸和數(shù)量。根據(jù)目前高溫高壓井的作業(yè)實踐，對于15 000 psi的防噴器組，通常包括一個萬能防噴器，一個剪切防噴器，一個可變閘板、兩個半封閘板；有時還配備超級剪切，一般深水鉆井平臺會配備上下兩個萬能防噴器和分流器。壓力級別在15 000 psi以上的防噴器組通常都安裝兩條壓井管線和兩條防噴管線。防噴器的通徑多為476.25 mm。

1.5 其他方面

高溫高壓井的鉆井除了面臨在鉆井裝備和井下工具、鉆井液、固井工藝和技術(shù)、井控設(shè)計等幾個方面的挑戰(zhàn)以外，以下幾個方面的問題也需要引起關(guān)注：

（1）環(huán)空壓力聚集[7-8]的影響：由于高溫高壓井的井底溫度較高，井段較長，地面溫度和井筒循環(huán)時的溫度差很大，套管環(huán)空很容易在井筒高溫的影響下產(chǎn)生壓力聚集，也即環(huán)空壓力聚集（APB，Annular Pressure Buildup ），尤其是在鉆井作業(yè)的后期和測試作業(yè)時，嚴重時可能會發(fā)生套管擠毀。深水環(huán)境下，環(huán)空壓力聚集的影響更為明顯，通常采取在套管外增加可壓縮泡沫、破裂盤、氮氣水泥漿等技術(shù)來應對該問題。

（2）水合物[9-11]的影響，在高溫高壓氣井的測試或者處理氣井井噴時，氣體由井底流向井口或者節(jié)流管匯等處時，氣體體積不斷膨脹，溫度不斷降低，一旦達到水合物的形成條件，便形成水合物，堵塞井口或者管匯，如果是水下防噴器，會影響鉆井作業(yè)及防噴器的開關(guān)等。水合物的影響在深水鉆井過程中尤其明顯，很多高溫高壓井處于深水環(huán)境，因此對于一些特殊的高溫高壓井，還要考慮水合物的風險，可以采取諸如加熱、除水、加注化學藥劑等方法來抑制水合物的生成，從而保證作業(yè)的安全。

（3）通常高溫高壓井所鉆遇的地層較老，可鉆性差，機械鉆速低（每小時不足1 m），鉆井周期長，有時長達幾個月，套管的磨損不容忽視，必須在設(shè)計階段做好預測和模擬，采取相應的防磨措施或者防護措施，作業(yè)過程中還要做好相應的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時采取措施。

（4）現(xiàn)場作業(yè)的應急預案和組織管理對整個項目的運行也具有至關(guān)重要的影響，作業(yè)前要盡可能的讓所有即將參與作業(yè)的人員熟悉井的風險所在，應對措施，作業(yè)的困難和挑戰(zhàn)，關(guān)鍵工具和設(shè)備的使用方法，整個項目的應急響應計劃，溝通匯報流程等。除此之外，還需要一個強有力的、技術(shù)精湛的技術(shù)支持團隊和一個優(yōu)秀的管理團隊，才能保證項目的順利實施。

2 高溫高壓鉆井的對策

鑒于高溫高壓井存在的諸多困難和挑戰(zhàn)，如何進行科學合理的鉆井設(shè)計，規(guī)避和降低鉆井作業(yè)風險，優(yōu)化現(xiàn)場作業(yè)程序，盡可能的避免或者減少作業(yè)過程中出現(xiàn)的復雜情況，提高鉆井作業(yè)效率，成為了高溫高壓鉆井技術(shù)人員必須考慮的問題。實踐證明，可以從鉆頭的優(yōu)選、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、鉆井工藝和技術(shù)的選擇、現(xiàn)場組織和管理等幾個方面進行研究和制定對策。

2.1 鉆頭的優(yōu)選

在進行高溫高壓井的鉆井設(shè)計之前，首先要搜集盡可能全的鄰井資料，整理并分析鄰井的地層信息，作業(yè)過程中所出現(xiàn)的井下復雜情況、地層溫度和壓力信息、漏失情況、是否發(fā)生過溢流、溢流的規(guī)模、所使用的鉆井工藝、鉆井液體系和性能、固井工藝和技術(shù)。通過對以上信息的收集和分析，可以了解本地區(qū)鉆井的困難和挑戰(zhàn)，有哪些技術(shù)難點是已經(jīng)攻克了的，還有哪些沒有攻克，需要開展專題研究和技術(shù)攻關(guān)，可以及早的開展。尤其是地層可鉆性分析方面，要充分的消化吸收鄰井資料，如果是新區(qū)探井，必須要進行地層巖石力學研究和分析，根據(jù)研究結(jié)果結(jié)合鄰井實鉆情況，進行鉆頭選型和設(shè)計。機械鉆速直接影響到一口井的成本，而鉆頭的機械鉆速除與地層的可鉆性有關(guān)以外，還受到鉆頭的水力學設(shè)計、類型、鉆井參數(shù)等的影響，所以要想控制好鉆井成本，必須在初期就摸清楚地層的特性，選擇合適的鉆頭類型。

2.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

科學合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，是保證鉆井作業(yè)順利進行的基礎(chǔ)。高溫高壓井的井身結(jié)構(gòu)普遍都比較復雜，應急技術(shù)套管、隨鉆擴眼、偏心鉆頭、雙極固井和應急尾管等都是普遍采用的。圖1 是某高溫高壓井的實際井身結(jié)構(gòu)示意圖，該井由于地層復雜，存在嚴重漏失層、高壓鹽水層、硬質(zhì)石膏層以及地層含硫化氫等，造成井身結(jié)構(gòu)設(shè)計比較復雜，分別使用了直徑為711.2 mm（28 in）、558.8 mm（22 in）、406.4 mm（16 in）等非常規(guī)尺寸的井眼。

圖1 XX-1井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

2.3 鉆井工藝和技術(shù)的選擇

有了科學合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，還要選擇可靠成熟的鉆井工藝，包括鉆井液的體系和配方，固井水泥漿體系和配方，高溫高壓完井及測試技術(shù)等[12-14]；井下工具的選擇，包括隨鉆測井技術(shù)（LWD，logging while drilling）、隨鉆測斜儀器（MWD，measurement while drilling ）、隨鉆擴眼器、偏心鉆頭、隨鉆壓力檢測系統(tǒng)（PWD，pressure while drilling）、渦輪鉆具、超級馬達、隨鉆地層壓力監(jiān)測技術(shù)、隨鉆堵漏技術(shù)等井下工具和儀器等均需考慮高溫高壓環(huán)境的影響，常規(guī)的電子元件可以承受的溫度級別主要為70 ℃，85 ℃，125 ℃[15-16]，遠遠低于高溫高壓的條件。新技術(shù)新工藝不斷涌現(xiàn)，在選擇新的鉆井工藝和技術(shù)前要進行適應性評估，結(jié)合具體的地質(zhì)條件進行可靠性評價，包括井下安全，溫度壓力的承受能力，發(fā)生溢流時是否會影響壓井和井噴事件的處理以及環(huán)保等方面。合理的水力參數(shù)設(shè)計[17]也很關(guān)鍵，可以使用目前較為成熟的軟件進行模擬計算，將模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場作業(yè)緊密結(jié)合，可以協(xié)助現(xiàn)場技術(shù)人員判斷井下情況，指導現(xiàn)場作業(yè)，減少復雜情況的發(fā)生。

2.4 現(xiàn)場組織和管理

掌握了地層的信息，選擇了合適的鉆頭，有了科學合理的鉆井設(shè)計，尤其是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時也使用了配套的鉆井裝備以及先進的鉆井工藝和技術(shù)，最后還需要一個優(yōu)秀的現(xiàn)場管理團隊以及良好的交流和溝通。現(xiàn)場監(jiān)督組在開鉆前必須要熟悉和掌握鉆井設(shè)計的思路和依據(jù)，充分了解設(shè)計的每一個作業(yè)流程和步驟。理解每一項作業(yè)的難點和風險點，制定好相應的風險應對措施，使所有風險都處于可控范圍之內(nèi)。監(jiān)督組要與各承包商保持良好的交流和溝通，在每一項關(guān)鍵作業(yè)之前，要對現(xiàn)場的所有相關(guān)承包商進行技術(shù)交底，明確每一道工序和流程，分工明確，責任落實到每一個人。鉆井作業(yè)材料和工具的動復原需要做好計劃，動員的時間直接影響到現(xiàn)場的作業(yè)費用，如果是海上作業(yè)還會涉及到交通工具的調(diào)動等，必須做好現(xiàn)場作業(yè)的計劃和進度預測，合理協(xié)調(diào)和調(diào)度，避免組織停工和設(shè)備工具的長時間待命，降低作業(yè)費用。為了保證現(xiàn)場的作業(yè)安全，現(xiàn)場必須組織好各種應急演習，尤其是一些含有硫化氫的井。通過演習來增強現(xiàn)場人員的安全意識，真正熟悉應急反應流程，盡可能地避免井噴、硫化氫泄露等事件的發(fā)生。一旦發(fā)生事故，有相應的應急處置方案。

3 結(jié)論與認識

隨著高溫高壓油氣田開發(fā)項目的增多，高溫高壓鉆井所面臨的困難和挑戰(zhàn)也會不斷增多，對高溫高壓鉆井配套技術(shù)和工具的需求也會越來越大。要想戰(zhàn)勝高溫高壓鉆井所面臨的一系列問題，需要從以下幾個方面著手：

（1）加強對地層的認識和研究，包括鄰井資料的收集和消化以及地層壓力體系的預測等，依據(jù)相應的鉆井標準和規(guī)范以及國外成熟的經(jīng)驗或者良好的作業(yè)實踐，進行科學合理的鉆井設(shè)計。

（2）選擇合適的鉆井裝備、工藝和技術(shù)，制定完善的預防措施，有效地應對井下各種復雜情況，從而減少非生產(chǎn)時間，提高鉆井作業(yè)時效。

（3）安全第一，嚴格遵守作業(yè)標準和規(guī)范，做好風險識別和分析，制定有效的應對措施，尤其是井控方面的相關(guān)規(guī)范。

（4）現(xiàn)場選擇具有高溫高壓鉆井經(jīng)驗的技術(shù)人員和管理人員，精心組織好現(xiàn)場作業(yè)，做好與各承包商之間的溝通和技術(shù)交底。

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Exploration and Understanding of High Pressure High Temperature Drilling

MIAO Dianyuan, SUN Changli, CHU Dejun, LIU Yingwei, LI Yunzhi
（CNOOC Energy Tech-Drilling & Production Co., Tianjin Tanggu 300452, China）

There are lots of diffculties and challenges during high pressure and high temperature drilling. In order to ensure the safety and improve the operation effciency of high temperature and high pressure drilling, the main problems of high pressure drilling are analyzed in this paper. Combined with the successful experience at home and abroad, some corresponding measures were presented. For High temperature and high pressure drilling, except high pressure and high temperature, there are lots of diffculties, such as the poor drill ability, long term drilling, fatigue failure of drilling tools, infuence of hydrogen sulfde and other acidic gases on drilling operation. It is very important for the success of the high temperature and high pressure drilling operation to strengthen the management at well site by selecting suitable drilling equipment, drilling technology and supporting technology. High temperature and high pressure drilling technology is a systematic project, it is necessary to continue accumulating experience, improve the relevant technical standards and regulations in order to provide reliable support and reference for high pressure and high temperature drilling in the future.

high pressure and high temperature; well structure; drilling equipment; drilling fuid; cementing

TE24

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.01.085

1008-2336（2017）01-0085-05

2016-08-22；改回日期：2016-11-15

苗典遠，男，1983年生，高級工程師，2004年畢業(yè)于石油大學（華東）石油工程學院石油工程專業(yè)，主要從事鉆井技術(shù)研究及現(xiàn)場作業(yè)管理工作。E-mail：miaody@cnooc.com.cn。