“三超”油氣井井控技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策

牛新明， 張進(jìn)雙， 周號(hào)博

(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101)

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“三超”油氣井井控技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策

牛新明， 張進(jìn)雙， 周號(hào)博

(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101)

“三超”油氣井的超深、超高溫和超高壓特點(diǎn)給井控裝備配套和井控安全帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，在鉆井過程中發(fā)生井涌溢流的概率較大，需要對(duì)其井控技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策進(jìn)行探討分析。在給出“三超”油氣井定義的基礎(chǔ)上，介紹了國(guó)內(nèi)典型“三超”油氣井的鉆井情況，論述了“三超”油氣井在地層壓力預(yù)測(cè)、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、溢流監(jiān)測(cè)與井底壓力確定等方面存在的主要問題，從井控裝備配套、提高套管強(qiáng)度和溢流早期監(jiān)測(cè)等方面提出了技術(shù)對(duì)策，并結(jié)合“三超”油氣井井控特征提出了一種動(dòng)態(tài)變參數(shù)壓井方法，即設(shè)計(jì)采用不同密度的壓井液進(jìn)行壓井，壓井過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整壓井液排量、分段泵入不同密度的壓井液，實(shí)現(xiàn)套壓的快速降低，提高一次壓井成功率。研究結(jié)果為今后“三超”油氣井的井控關(guān)鍵技術(shù)研究及井控裝備配套提供了技術(shù)參考。

“三超”油氣井；井控；壓井；氣侵；監(jiān)測(cè)；井底壓力

目前，我國(guó)油氣勘探開發(fā)逐步向四川盆地、塔里木盆地等深部復(fù)雜地層推進(jìn)。這些地區(qū)油氣資源埋藏超深、井底壓力和溫度超高，導(dǎo)致了一系列的鉆井難題，尤其是井控安全問題突出[1]。統(tǒng)計(jì)表明，高溫高壓深井發(fā)生井涌或井噴的頻率較常規(guī)淺井增加20%以上，非生產(chǎn)時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本增加3倍以上[2]。我國(guó)塔里木盆地順南、順托地區(qū)的目的層埋深6 000.00～8 000.00 m，地層壓力系數(shù)高達(dá)2.20以上，井底溫度超過200 ℃，導(dǎo)致該地區(qū)鉆井施工難度大、井下復(fù)雜問題多和井控風(fēng)險(xiǎn)高，給安全鉆井帶來了極大挑戰(zhàn)。

近年來，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)井控基礎(chǔ)理論的研究較為深入[3-14]，但對(duì)于高溫高壓超深井的壓井工藝研究較少。隨著我國(guó)高溫高壓超深井的日益增多，尤其是“三超”(即井深超深、地層壓力超高和井底溫度超高)油氣井?dāng)?shù)量的增多，井涌溢流出現(xiàn)的概率增大。為了實(shí)現(xiàn)超深層油氣資源安全高效開發(fā)，提高超深井鉆井成功率，筆者針對(duì)當(dāng)前深井超深井鉆井過程中溢流監(jiān)測(cè)與壓井工藝技術(shù)存在的諸多問題，分析了“三超”油氣井井控技術(shù)難點(diǎn)，并提出了井控技術(shù)對(duì)策。

1 “三超”油氣井定義與鉆井概況

1.1 “三超”油氣井的定義

“三超”油氣井指井深超深、地層壓力超高和井底溫度超高的油氣井。2012年發(fā)布的《石油天然氣鉆井工程術(shù)語》給出了明確的深井、超深井分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即將垂深4 500.00～6 000.00 m的井定義為深井，垂深不小于6 000.00 m的井定義為超深井[15]。2000年以來，國(guó)內(nèi)外各大油氣服務(wù)公司、工程作業(yè)公司和儀器設(shè)備公司針對(duì)各自行業(yè)的情況對(duì)高溫高壓提出了相應(yīng)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16-19]，但由于各公司的關(guān)注點(diǎn)不同，導(dǎo)致其定義的高溫高壓分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有所差別，如鉆井液服務(wù)公司主要關(guān)注鉆井液性能失穩(wěn)的邊界溫度、壓力條件，而工具公司則關(guān)注井下工具能夠正常工作的極限條件[17]。斯倫貝謝公司將地層壓力69.0～138.0 MPa、井底溫度150～205 ℃定義為高溫高壓；地層壓力138.0～241.0 MPa、井底溫度205～260 ℃為超高溫高壓；地層壓力240.0～280.0 MPa、井底溫度260～315 ℃為極高溫高壓。貝克休斯公司將井底溫度大于175 ℃、地層壓力高于103.5 MPa定義為高溫高壓；井底溫度高于232 ℃，地層壓力高于138.0 MPa定義為超高溫高壓；井底溫度高于260 ℃、地層壓力大于207.0 MPa定義為極高溫高壓。英國(guó)健康和安全委員會(huì)將井底溫度大于150 ℃、井底壓力大于70.0 MPa或地層壓力系數(shù)大于1.80定義為高溫高壓。

張福祥等人[20]根據(jù)塔里木盆地庫(kù)車山前克深、大北地區(qū)的鉆井情況，提出了“三超”油氣井的概念，并給出了相應(yīng)的井深、溫度及壓力邊界。筆者根據(jù)國(guó)際上常用的溫壓分類標(biāo)準(zhǔn)及當(dāng)前鉆井技術(shù)水平，將“三超”油氣井定義為垂深≥6 000.00 m、地層壓力≥140.0 MPa和井底溫度≥200 ℃的油氣井。

1.2 典型“三超”油氣井鉆井情況

美國(guó)分別于1949年和1972年鉆成了世界上第一口超深井和特深井，我國(guó)超深井鉆井起步較晚，1976年成的女基井井深達(dá)6 011.00 m，開啟了我國(guó)超深鉆井的序幕[21-22]。20世紀(jì)90年代末，隨著塔里木盆地、四川盆地油氣探勘開發(fā)力度增大，超深井?dāng)?shù)量越來越多，2010年后，我國(guó)超深井鉆井均在200口以上。我國(guó)“三超”油氣井主要分布在塔里木盆地庫(kù)車山前帶、塔中北坡順南順托地區(qū)及川東北地區(qū)。如塔里木油田克深7井井深8 023.00 m，井底溫度186.0 ℃，實(shí)鉆鉆井液密度高達(dá)2.55 kg/L；西北油田順托1井井深7 874.01 m，預(yù)測(cè)井底溫度186.4 ℃，井底壓力169.0 MPa[23]。

目前，國(guó)內(nèi)“三超”油氣井在鉆井過程中多次出現(xiàn)氣侵溢流等井下復(fù)雜情況。順南5井采用密度1.78 kg/L鉆井液鉆至井深7 209.80 m時(shí)發(fā)生溢流，關(guān)井立壓11.5 MPa，套壓28.3 MPa，折算地層壓力系數(shù)1.94，采用密度2.05 kg/L壓井液壓井成功后起鉆發(fā)生阻卡，再次發(fā)生溢流，最終泄壓放噴；順托1井采用密度1.92 kg/L鉆井液鉆至井深7 874.01 m處發(fā)生溢流，關(guān)井立壓21.3 MPa，折算地層壓力系數(shù)2.20，壓井過程中發(fā)生鉆具脫落事故，并因此泄壓放噴。

上述國(guó)內(nèi)“三超”油氣井鉆井情況可以看出，深井、超深井鉆井過程中井控安全問題凸顯，氣侵溢流事故時(shí)有發(fā)生，亟需開展“三超”油氣井井控關(guān)鍵技術(shù)與對(duì)策研究，以確保鉆井過程中的井控安全。

2 “三超”油氣井井控技術(shù)難點(diǎn)

“三超”油氣井的井底溫度和壓力高、井筒長(zhǎng)、鉆井液與管柱性能受井筒環(huán)境影響大，鉆井工程中面臨著諸多技術(shù)難點(diǎn)。

2.1 地層壓力預(yù)測(cè)難度大

中國(guó)石化的四川和新疆重點(diǎn)探區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，存在安全密度窗口窄、壓力敏感和多壓力體系等難點(diǎn)，特別是海相碳酸鹽巖裂縫性油氣藏的地層壓力預(yù)測(cè)難度大。傳統(tǒng)地層壓力預(yù)測(cè)方法——正常壓實(shí)趨勢(shì)線法是基于孔隙度與孔隙壓力關(guān)系建立的，僅適用于泥頁巖地層。碳酸鹽巖硬度比泥頁巖大，且地層孔隙壓力與孔隙度的相關(guān)性較弱，應(yīng)用正常壓實(shí)趨勢(shì)線法不能預(yù)測(cè)地層孔隙壓力。隨著勘探深度的不斷增大，深部地層勘探程度低、可利用工程地質(zhì)資料少，進(jìn)一步增大了地層壓力預(yù)測(cè)難度，易造成較大的地層壓力預(yù)測(cè)誤差。例如，根據(jù)區(qū)域物探資料和順南4井的實(shí)測(cè)資料，順托1井預(yù)測(cè)地層壓力系數(shù)為1.21～1.25，設(shè)計(jì)采用密度1.30～1.40 kg/L鉆井液鉆進(jìn)，但該井采用密度1.92 kg/L鉆井液鉆進(jìn)時(shí)，由于發(fā)生溢流關(guān)井，據(jù)關(guān)井壓力測(cè)算地層壓力系數(shù)為2.20，地層壓力與鉆井液液柱壓力相差21.3 MPa。新疆順南順托區(qū)塊5口井設(shè)計(jì)及實(shí)鉆鉆井液密度對(duì)比情況如表1所示，可以看出設(shè)計(jì)鉆井液密度與實(shí)鉆鉆井液密度差異較大。

表1 新疆順南順托區(qū)塊5口井設(shè)計(jì)及實(shí)鉆鉆井液密度對(duì)比

Table 1 Densities of designed and practical drilling fluids of 5 wells in Shunnan & Shuntuo Block,Xinjiang

井號(hào)鉆井液密度/(kg·L-1)設(shè)計(jì)實(shí)鉆順南4井122148順南5井122178順南5?1井151156順南6井151183順托1井140192

2.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及井眼完整性面臨挑戰(zhàn)

超深井常會(huì)鉆遇多套地層，巖性和地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，一般需要5～6個(gè)開次才能確保安全順利鉆至設(shè)計(jì)井深[23-24]。塔里木克深區(qū)塊超深井井身結(jié)構(gòu)為φ660.4 mm鉆頭×200.00 m+φ444.5 mm鉆頭×1 802.00 m+φ333.4 mm鉆頭×4 802.00 m+φ241.3 mm鉆頭×6 622.00 m+φ168.3 mm鉆頭×6 950.00 m；套管程序?yàn)棣?08.0 mm套管×200.00 m+φ365.1 mm套管×1 800.00 m+φ273.1 mm套管×4 800.00 m+φ196.9/206.4 mm套管×6 620.00 m+φ139.7 mm套管×(6 400.00～6 948.00 m)[22]。順托區(qū)塊超深井井身結(jié)構(gòu)為φ660.4 mm鉆頭×601.00 m+φ444.5 mm鉆頭×4 200.00 m+φ333.4 mm鉆頭×6 200.00 m+φ241.3 mm鉆頭×7 669.52 m+φ165.1 mm鉆頭×7 874.01 m；套管程序?yàn)棣?08.0 mm套管×598.00 m+φ365.1 mm套管×4 198.00 m+φ273.1 mm套管×6 198.00 m+φ219.1/φ206.4/φ193.7 mm套管×7 636.00 m+φ165.1 mm裸眼?？梢钥闯?，我國(guó)典型超深井三開多下入φ273.1 mm技術(shù)套管，四開完鉆后先在井下掛接φ193.7 mm尾管、然后根據(jù)具體情況采用φ193.7 mm套管先回接至井口后進(jìn)行五開鉆進(jìn)，或者待五開完鉆后將φ193.7 mm套管回接至井口。我國(guó)寶鋼生產(chǎn)的鋼級(jí)110S、壁厚13.8 mm的常規(guī)φ273.1 mm套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度為67.3 MPa，不能滿足超深氣井全掏空狀態(tài)下安全關(guān)井的要求。若采取生產(chǎn)套管先期回接方式，將面臨鉆具強(qiáng)度低、抗拉余量小、循環(huán)壓耗高和氣體溢流上升快等問題。

假設(shè)某超深井地層壓力系數(shù)2.20，鉆井液密度1.90 kg/L，井深8 000.00 m，φ273.1 mm技術(shù)套管下深6 000.00 m，采用φ193.7 mm生產(chǎn)套管，保持井底壓力不變條件下，筆者以保持井底壓力恒定為目標(biāo)對(duì)不同氣侵體積進(jìn)行循環(huán)排溢時(shí)，對(duì)不同回接方式氣頂循環(huán)至井口時(shí)的氣侵特征(套壓和氣侵段長(zhǎng)度)進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果如圖1所示。計(jì)算過程中，套管后期回接采用φ139.7 mm鉆桿×3 600.00 m+φ127.0 mm鉆桿×2 400.00 m+φ101.6 mm鉆桿×2 000.00 m鉆具組合進(jìn)行計(jì)算；先期回接采用φ114.3 mm鉆桿×5 550.00 m+φ101.6 mm鉆桿×2 450.00 m鉆具組合進(jìn)行計(jì)算。

圖1 超深井生產(chǎn)套管先期回接與后期回接氣侵特征分析Fig.1 Gas kick characteristics analysis of casing tieback in ultra-deep well

由圖1可以看出，在同樣氣侵體積下，當(dāng)氣頂運(yùn)移至井口時(shí)，與后期回接相比，先期回接井眼內(nèi)氣侵段長(zhǎng)度要長(zhǎng)得多。這主要是因?yàn)橄绕诨亟雍缶箔h(huán)空截面積變小，在相同氣侵體積下，氣侵流體所占井筒長(zhǎng)度會(huì)更長(zhǎng)。此外，先期回接的套壓要高于后期回接，且氣侵量越大，套壓越高。

采用廣義水力參數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算分析了生產(chǎn)套管先期回接與后期回接的水力參數(shù)[23]，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，先期回接的泵壓和環(huán)空壓降明顯高于后期回接，在鉆井液密度為2.20 kg/L、排量10 L/s條件下，先期回接的泵壓高達(dá)28.5 MPa，環(huán)空壓降較后期回接升高近50%。

圖2 生產(chǎn)套管先期回接與后期回接水力參數(shù)對(duì)比Fig.2 Hydraulics analysis of casing tieback

套管先期回接與否不但對(duì)溢流壓井套壓和泵壓影響較大，而且對(duì)鉆井速度、井筒完整性和鉆具安全性等均有一定的影響。因此，在進(jìn)行“三超”油氣井鉆井工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)生產(chǎn)套管先期回接與否進(jìn)行充分論證，綜合考慮多種因素進(jìn)行決策。

2.3 氣侵溢流及時(shí)發(fā)現(xiàn)難度大

早期發(fā)現(xiàn)氣侵溢流并有效關(guān)井，是確保井控安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在常規(guī)鉆井中，主要依賴泵壓、鉆井液返出量及鉆井液池液量變化等進(jìn)行氣侵溢流的早期檢測(cè)。但在“三超”油氣井鉆井中，通過傳統(tǒng)的高架槽、循環(huán)罐液面監(jiān)測(cè)氣侵溢流比淺井相對(duì)滯后，給井控安全帶來了更大挑戰(zhàn)。如西北地區(qū)某井鉆井中曾發(fā)生2次溢流，第一次溢流發(fā)生時(shí)，地面監(jiān)測(cè)溢流量1.50 m3后關(guān)井，后經(jīng)綜合計(jì)算分析，氣侵量高達(dá)10.35 m3；第二次地面監(jiān)測(cè)氣侵溢流量3.00 m3后關(guān)井，后根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算分析，總溢流量達(dá)15.12 m3。由此可以看出，“三超”油氣井氣侵溢流及時(shí)發(fā)現(xiàn)難度大，需要對(duì)氣侵溢流的早期監(jiān)測(cè)進(jìn)行進(jìn)一步研究，提高氣侵溢流發(fā)現(xiàn)能力與準(zhǔn)確度，以保證鉆井安全。

2.4 鉆井過程中井底壓力變化大

2.4.1 井筒靜液柱壓力確定困難

由于“三超”油氣井井底溫度高、壓力大，鉆井液密度會(huì)隨溫度升高而降低、隨壓力增大而升高，導(dǎo)致井筒內(nèi)鉆井液密度隨井深而變化。因此，不能簡(jiǎn)單采用地面所測(cè)量的鉆井液密度來計(jì)算井筒內(nèi)的當(dāng)量靜態(tài)密度剖面，需要結(jié)合井筒溫度壓力及鉆井液中油相、水相和固相體積分?jǐn)?shù)來計(jì)算井筒內(nèi)各點(diǎn)的鉆井液密度，進(jìn)而確定井筒內(nèi)當(dāng)量靜態(tài)密度剖面[25]。不同地溫梯度下，不同密度鉆井液在井深8 000.00 m油氣井中的井筒當(dāng)量靜態(tài)密度變化情況如圖3所示。

圖3 不同地溫梯度下超深井井筒內(nèi)ESD變化情況Fig.3 Wellbore ESD changes in ultra-deep wells under different temperature gradient

從圖3可以看出，井筒內(nèi)當(dāng)量靜態(tài)密度受到溫度和壓力的綜合影響，不同密度鉆井液在井筒內(nèi)的當(dāng)量靜態(tài)密度變化規(guī)律不同。在相同井筒溫度場(chǎng)情況下，密度1.90 kg/L鉆井液的井底當(dāng)量靜態(tài)密度高于地面鉆井液密度，而密度2.20 kg/L鉆井液的井底當(dāng)量靜態(tài)密度低于地面鉆井液密度。這主要由于密度2.20 kg/L鉆井液的固相含量大，導(dǎo)致鉆井液受高溫影響的膨脹起主導(dǎo)作用。從圖3還可看出，地溫梯度越高，井底當(dāng)量靜態(tài)密度越小，這主要是溫度越高，鉆井液受高溫膨脹影響越顯著。

2.4.2 高溫高壓流變參數(shù)對(duì)環(huán)空壓力影響明顯

“三超”油氣井的超高溫高壓不但對(duì)井筒內(nèi)鉆井液密度有較大影響，同時(shí)對(duì)鉆井液流變性影響明顯，井筒內(nèi)鉆井液流變參數(shù)值與地面測(cè)量值不再相等，而是隨井筒溫度壓力變化而變化。假設(shè)油基鉆井液油水比為90/10，密度為1.85 kg/L，應(yīng)用常規(guī)六速黏度計(jì)測(cè)量的屈服應(yīng)力為4.1 Pa，塑性黏度31.0 mPa·s，采用文獻(xiàn)[26]中的高溫高壓流變參數(shù)計(jì)算模型，計(jì)算得到了該鉆井液流變參數(shù)隨井深的變化曲線，并分別計(jì)算了不考慮流變參數(shù)變化與考慮流變參數(shù)變化時(shí)不同排量下的環(huán)空壓降變化情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 “三超”油氣井井筒內(nèi)鉆井液流變性變化與環(huán)空壓降計(jì)算結(jié)果Fig.4 Changes in rheological properties of drilling fluids and annular pressure losses in boreholes of wells with ultra-high depths,temperatures and temperatures

由圖4(a)可以看出，“三超”油氣井鉆井液流變參數(shù)在井筒內(nèi)不是恒定不變的，而是隨井深變化而變化；由圖4(b)可以看出，高溫高壓流變參數(shù)變化對(duì)環(huán)空壓降的影響較大。因此，為了準(zhǔn)確獲得“三超”油氣井井筒壓力，必須考慮高溫高壓對(duì)鉆井液流變參數(shù)的影響。

3 “三超”油氣井井控技術(shù)對(duì)策

3.1 研發(fā)可靠性高的配套井控裝備

雖然“三超”油氣井?dāng)?shù)量不斷增多，但國(guó)內(nèi)高壓力級(jí)別井控裝備配套仍不完善。首先，國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)通用高壓油氣井井控裝備最高壓力級(jí)別為105 MPa，壓力級(jí)別140 MPa的井控裝備處于研制試驗(yàn)階段，還未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[27]；其次，“三超”油氣井多采用高密度鉆井液鉆井，常規(guī)節(jié)流管匯閥件性能可靠性差，長(zhǎng)期受高密度鉆井液沖蝕極易發(fā)生刺漏現(xiàn)象；第三，鉆具止回閥、方鉆桿旋塞閥等內(nèi)防噴工具可靠性差，鉆井過程中易失效，進(jìn)行特殊作業(yè)時(shí)不能發(fā)揮應(yīng)有的作用?，F(xiàn)場(chǎng)資料統(tǒng)計(jì)表明，2013—2014年西北某區(qū)塊油氣井鉆井過程中出現(xiàn)溢流關(guān)井后，內(nèi)防噴工具累計(jì)失效17次，占溢流關(guān)井總數(shù)的32.7%。

因此，為滿足“三超”油氣井井控安全要求，應(yīng)進(jìn)一步配套完善140 MPa井控裝備，研發(fā)并推廣高抗沖蝕節(jié)流管匯，開發(fā)抗高壓可靠性高的內(nèi)防噴工具，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)化針對(duì)性功能測(cè)試，以提高其可靠性。

3.2 提高套管力學(xué)性能

“三超”油氣井的生產(chǎn)條件惡劣，對(duì)套管的綜合力學(xué)性能提出了更高的要求，必須具有更高的抗內(nèi)壓和抗外擠強(qiáng)度，同時(shí)具有較好的韌性。大量試驗(yàn)和理論研究證明，影響套管力學(xué)性能的主要因素有壁厚、管體幾何缺陷、鋼質(zhì)純凈度、金相組織和殘余應(yīng)力等。這些因素相互影響，無法單獨(dú)控制，需要對(duì)煉鋼、軋制、熱處理和精整加工等石油套管主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制和技術(shù)創(chuàng)新[28]：1)優(yōu)化套管材料的化學(xué)成分，適當(dāng)增加鉻、鉬合金含量，保證高可淬透性；2)控制純凈鋼冶煉工藝，最大限度減少S、P等有害元素及超大氧化物含量；3)優(yōu)化套管軋制工藝和熱處理工藝(淬火+高溫回火)，獲得細(xì)晶粒組織；4)優(yōu)化套管軋制工藝，回火后進(jìn)行二次熱定徑，降低套管壁厚不均度、橢圓度和偏心率；5)降低套管殘余應(yīng)力，采用較高的回火溫度和熱矯直溫度；6)嚴(yán)格控制套管質(zhì)量檢測(cè)，減少套管缺陷[29-30]。同時(shí)，采購(gòu)套管時(shí)要細(xì)化技術(shù)指標(biāo)要求，制造廠家在套管生產(chǎn)過程中嚴(yán)格按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)第三方進(jìn)行監(jiān)督檢測(cè)。

3.3 研制氣侵溢流早期監(jiān)測(cè)裝置

隨著控壓鉆井技術(shù)的推廣應(yīng)用，其微流量氣侵溢流監(jiān)測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果，但通過控壓鉆井系統(tǒng)進(jìn)行溢流監(jiān)測(cè)成本高，且設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，需要根據(jù)微流量監(jiān)測(cè)原理開展氣侵溢流監(jiān)測(cè)裝置的研制。鉆井過程中，在出入口安裝高精度流量計(jì)，實(shí)時(shí)采集出入口流量，通過在線比對(duì)流量和累計(jì)出入口體積的變化實(shí)現(xiàn)溢流早期監(jiān)測(cè)；此外，在出入口安裝高精度壓力檢測(cè)裝置，實(shí)時(shí)分析氣侵壓力特征，進(jìn)行氣侵溢流的早期監(jiān)測(cè)。

3.4 探索“三超”油氣井壓井新方法

“三超”油氣井發(fā)生氣侵溢流后，要盡可能確保一次壓井成功，避免進(jìn)行二次壓井作業(yè)。雖然超深井氣侵后氣侵流體體積膨脹率高，平衡地層壓力所需的井口回壓高，但超深井井筒長(zhǎng)也為壓井作業(yè)帶來了諸多有利條件。筆者在壓井作業(yè)過程中充分利用這一優(yōu)勢(shì)，對(duì)壓井參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，探索壓井過程中參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整的壓井新方法，即動(dòng)態(tài)變參數(shù)壓井法。該方法應(yīng)用多種密度壓井液動(dòng)態(tài)調(diào)整壓井參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、計(jì)算與控制井口壓力。首先根據(jù)關(guān)井壓力確定地層壓力系數(shù)，設(shè)計(jì)不同密度的壓井液；然后確定不同密度壓井液的體積，分段泵入壓井液進(jìn)行壓井作業(yè)，在壓井過程中根據(jù)井口立壓和套壓的變化情況實(shí)時(shí)調(diào)整壓井液排量。

該方法的關(guān)鍵是參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)控制，核心是應(yīng)用環(huán)空多相流模型，充分考慮井眼流道、壓井液密度變化及可能的排量變化等因素的影響，設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)跟蹤計(jì)算和控制壓井全過程的施工參數(shù)，開發(fā)出基于多相流動(dòng)態(tài)分析模擬的變參數(shù)壓井設(shè)計(jì)軟件與自適應(yīng)實(shí)時(shí)計(jì)算監(jiān)控軟件。

4 結(jié) 論

1) “三超”油氣井地層復(fù)雜，地層壓力預(yù)測(cè)難度大，鉆井過程中井底壓力變化大，溢流處理中易出現(xiàn)難以預(yù)測(cè)的井下故障，應(yīng)在裝備配套、工藝技術(shù)和井控管理等方面高度重視井控工作。

2) “三超”油氣井目的層生產(chǎn)套管是否先期回接利弊共存，應(yīng)綜合考慮多種因素進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免單純追求某一方面利益而犧牲鉆井的成功率，甚至犧牲井筒的長(zhǎng)期完整性，更不能為了追求鉆井速度而犧牲井控安全。

3) “三超”油氣井井控的關(guān)鍵是及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流和迅速關(guān)井，減少溢流量。常規(guī)溢流監(jiān)測(cè)方法精度低、可靠性差，建議開展微流量溢流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制，精確監(jiān)測(cè)進(jìn)出口流量變化情況，進(jìn)行溢流早期預(yù)警。

4) “三超”油氣井發(fā)生溢流后，壓井進(jìn)程中應(yīng)充分利用好超深井井筒長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步開展動(dòng)態(tài)變參數(shù)壓井工藝技術(shù)研究，研發(fā)其施工參數(shù)設(shè)計(jì)方法、監(jiān)測(cè)與控制軟件，建立適用于“三超”油氣井的配套壓井技術(shù)。

[1] 孫清德.中國(guó)石化集團(tuán)鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].石油鉆探技術(shù)，2006，34(2)：1-6. SUN Qingde.SINOPEC drilling technologies review and outlook[J].Petroleum Drilling Techniques，2006，34(2)：1-6.

[2] JUNIOR R R，RIBEIRO P R，SANTOS O L A.HPHT drilling：new frontiers for well safety[R].SPE 119909，2009.

[3] SHAUGHNESSY J M，ROMO L A，SOZA R L.Problems of ultra-deep high-temperature，high-pressure drilling[R].SPE 84555，2003.

[4] YUAN Zhaoguang，HASHEMIAN Y，MORRELL D R.Ultra-deepwater blowout well control analysis under worst case blowout scenario[R].SPE 170256，2014.

[5] NASS.Kick detection and well control in a closed wellbore[R].SPE 143099，2011.

[6] 劉偉，李麗，木合塔爾，等.川東北超深水平井壓井工藝技術(shù)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39(10)：89-92. LIU Wei，LI Li，MUHETAER，et al.Well killing technology of ultra-deep horizontal well in Northeastern Sichuan[J].Oil Field Equipment，2010，39(10)：89-92.

[7] 包凱.川東北地區(qū)高壓氣井溢流機(jī)理研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2015. BAO Kai.Research on kick mechanism of high pressure gas well in Northeastern-Sichuan[D].Chengdu: Southwest Petroleum University,2015.

[8] 王春生，代平，何斌，等.淺談庫(kù)車山前超深高壓氣井井控安全與儲(chǔ)層保護(hù)[J].鉆采工藝，2015，38(4)：28-30，44. WANG Chunsheng，DAI Ping，HE Bin，et al.Well control safety and reservoir protection of ultra-deep high-pressure gas well in Kuche Piedmont[J].Drilling & Production Technology，2015，38(4)：28-30，44.

[9] 張興全，李相方，任美鵬，等.硬頂法井控技術(shù)研究[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40(3)：62-66. ZHANG Xingquan，LI Xiangfang，REN Meipeng，et al.Research on the well control techniques of bullheading[J].Petroleum Drilling Techniques，2012，40(3)：62-66.

[10] 彭明佳，劉偉，王瑛，等.精細(xì)控壓鉆井重漿帽設(shè)計(jì)及壓力控制方法[J].石油鉆采工藝，2015，37(4)：16-19 PENG Mingjia,LIU Wei,WANG Ying,et al.Design of heavy grout and pressure control method for fine perssure-control drilling[J].Oil Drilling & Production Technology,2015,37(4):16-19.

[11] 袁波，汪緒剛，李榮，等.高壓氣井壓井方法的優(yōu)選[J].斷塊油氣田，2008，15(1)：108-110. YUAN Bo，WANG Xugang，LI Rong，et al.Optimization of well killing method for high pressure gas wells[J].Fault-Block Oil & Gas Field，2008，15(1):108-110.

[12] 任美鵬，李相方，馬慶濤，等.起下鉆過程中井噴壓井液密度設(shè)計(jì)新方法[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(1)：25-30. REN Meipeng，LI Xiangfang，MA Qingtao，et al.A new design method of killing fluid density against blowout during tripping[J].Petroleum Drilling Techniques，2013，41(1):25-30.

[13] 范偉東.塔河油田高壓氣井壓井技術(shù)探討[J].化學(xué)工程與裝備，2014，42(11)：140-141. FAN Weidong.Investigate on well killing techniques of high-pressure gas well in Tahe Oil Field[J].Chemical Engineering & Equipment，2014，42(11)：140-141.

[14] 胡豐金.井控設(shè)備遠(yuǎn)程控制臺(tái)三位四通換向閥手柄位置探討[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(3):8-12. HU Fengjin.Discussion on the handle position of three position four way steering valve on remote control console of well control equipment[J].Petroleum Drilling Techniques，2014，42(3):8-12.

[15] GB/T 28911—2012石油天然氣鉆井工程術(shù)語[S].2012. GB/T 28911—2012 Terms of petroleum and gas drilling engineering[S].2012.

[16] ADAMSON K，BIRCH G，GAO E，et al.High-pressure，high-temperature well constr6ction[J].Oilfield Review，1998(summer)：36-49.

[17] WANG Liwei，ZHAI Wen，CAI Bo，et al.220 ℃ ultra-temperature fluid in high pressure and high temperature reservoirs[R].OTC 26364，2016.

[18] SHADRAVAN A，AMANI M.HPHT 101：what every engineer or geoscientist should know about high pressure high temperature wells[R].SPE 163376，2012.

[19] GALINDO K A，DEVILLE J P，ESPAGNE B J-L，et al.Fluorous-based drilling fluid for ultra-high temperature wells[R].SPE 166126，2013.

[20] 張福祥，郭廷亮，楊向同，等.庫(kù)車“三超”井射孔工藝關(guān)鍵因素控制分析[J].石油管材與儀器，2015，1(2)：41-44. ZHANG Fuxiang，GUO Tingliang，YANG Xiangtong，et al.Analysis of the key factor influencing on perforating technique in ultra high temperature & pressure & deep well in Kuqa Foreland[J].Petroleum Tubular Goods & Instruments，2015，1(2)：41-44.

[21] 曾義金，劉建立.深井超深井鉆井技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].石油鉆探技術(shù)，2005，33(5)：1-5. ZENG Yijin，LIU Jianli.Technical status and developmental trend of drilling techniques in deep and ultra-deep wells[J].Petroleum Drilling Techniques，2005，33(5)：1-5.

[22] 閆光慶，張金成.中國(guó)石化超深井鉆井技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展建議[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(2)：1-6. YAN Guangqing,ZHANG Jincheng.Status and proposal of the Sinopec ultra-deep drilling technology[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(2):1-6.

[23] AN Wenhua，TENG Xueqing，YIN Da，et al.Complicated drilling in extremely thick ultra-deep salt formation in Tarim：case of Keshen Well 7[R].SPE 155945，2012.

[24] ZHOU Haobo，F(xiàn)AN Honghai，JI Rongyi，et al.A comprehensive methodology of calculating hydraulic parameters in real time and the monitoring system[R].SPE 166759，2013.

[25] ZHOU H，NIU X，F(xiàn)AN H，et al.Effective calculation model of drilling fluids density and ESD for HTHP well while drilling[R].SPE 180573，2016.

[26] ZHOU H B，WANG G，F(xiàn)AN H H，et al.A novel prediction model for rheological properties of drilling fluids at HTHP conditions and its evaluation[J].SOCAR Proceedings，2015(2)：13-23.

[27] 張桂林，陳志寧.現(xiàn)行鉆井井控標(biāo)準(zhǔn)存在的問題分析及修訂建議[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(1)：7-13. ZHANG Guilin，CHEN Zhining.Problems analysis and proposed amendments for current drilling well control standards[J].Petroleum Drilling Techniques，2014，42(1)：7-13.

[28] 江勇，吳永莉，焦麗峰.石油套管抗擠毀解決方案及發(fā)展[J].鋼管，2016，45(2)：59-66. JIANG Yong,WU Yongli,JIAO Lifeng.Solution for oil casing collapse resistance and relevant development[J].Steel Pipe,2016,45(2):59-66.

[29] 李陽華，李紅英，王曉峰，等.回火工藝對(duì)超深井用V150油套管強(qiáng)韌性的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，44(6)：2244-2251. LI Yanghua,LI Hongying,WANG Xiaofeng,et al.Effect of tempering process on strength and toughness of oil casing tube for ultra-deep well[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2013,44(6)：2244-2251.

[30] 王曉東，包喜榮，郭鋒，等.P110鋼級(jí)石油套管再結(jié)晶型控制軋制模擬研究[J].熱加工工藝，2014,43(3)：47-49. WANG Xiaodong,BAO Xirong,GUO Feng,et al.Simulated research on recrystallization controlled rolling of P110 oil casing[J].Hot Working Technology,2014,43(3):47-49.

[編輯 滕春鳴]

Technological Challenges and Countermeasures in Well Control of Ultra-Deep,Ultra-High Temperature and Ultra-High Pressure Oil and Gas Wells

NIU Xinming，ZHANG Jinshuang，ZHOU Haobo

(SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing，100101,China)

Oil and gas wells that are ultra-deep and have ultra-high temperature and pressure pose significant challenges on wellhead equipment,well control and other operational and safety aspects.Since the drilling of such wells may involve a high probability of gas kicks during drilling and the potential for a catastrophic blowout,it is necessary to review the technical challenges posed in well control and to highlight relevant countermeasures.In addition to specifying a definition for wells with ultra-depth,ultra-high temperature and pressure,this paper reviews conditions of typical wells in the global settings.In addition,the paper provides a study on key challenges of such wells in formation pressure prediction,casing program optimization,overflow monitoring and bottom-hole pressure determination.Further,the paper highlights technical solutions for necessary well-control facilities,the enhancement of casing strength,and the early monitoring of overflows.In addition,an innovative well-killing technique involving dynamic variable parameters was proposed that incorporates specific features in well control for such wells.According to the design,well-kill operations can be performed by using killing fluids with various densities.Further,the flow rates of killing fluids can be adjusted in accordance with specific requirements.In this way,killing fluids with different densities can be used at different intervals to effectively reduce casing pressures and to dramatically enhance success rates for killing operations in one-operation.Relevant research results may provide necessary technical references in the development of key well control techniques and the deployment of necessary facilities in well control operations in ultra-deep wells with ultra-high pressures and temperatures.

ultra-deep well with ultra-high pressure and temperature;well control;killing well;gas cut；monitoring;bottomhole pressure

2017-05-26。

牛新明(1959—)，男，河南項(xiàng)城人，1982年畢業(yè)于西南石油學(xué)院鉆井專業(yè)，教授級(jí)高級(jí)工程師，中國(guó)石化集團(tuán)公司高級(jí)專家，主要從事鉆井工藝技術(shù)研究與管理工作。系本刊編委。E-mail：niuxm.sripe@sinopec.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“超深井鉆柱非線性動(dòng)力學(xué)及動(dòng)態(tài)安全性基礎(chǔ)理論研究”(編號(hào)：U1663205)與中國(guó)石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“順南順托深部海相地層鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號(hào)：P15173)與“精細(xì)控壓鉆井技術(shù)研究”(編號(hào)：P12075)部分研究?jī)?nèi)容。

10.11911/syztjs.201704001

TE21

A

1001-0890(2017)04-0001-07