高溫高壓鉆井關鍵技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望

羅鳴 ，馮永存，桂云，鄧金根，韓城

1 中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249

2 中海石油(中國)有限公司湛江分公司，湛江 524057

0 前 言

高溫高壓井在國外稱為HTHP井，根據(jù)國際HTHP合作促進協(xié)會的規(guī)定，地層溫度達到300 °F(149 ℃)，地層壓力達到15 000 psi(103.4 MPa)或井口壓力達到10 000 psi(68.9 MPa)以上的井稱為高溫高壓井[1]。然而，不同組織和公司對高溫高壓井也有不同的定義，圖1為斯倫貝謝、貝克休斯和哈里伯頓3大油田服務公司對高溫高壓、超高溫高壓和特高溫高壓門限值的定義。

圖1 高溫高壓地層分類Fig. 1 HTHP formation classification

隨著油氣開發(fā)技術的進步，越來越多的高溫高壓油田被發(fā)現(xiàn)，如中國南海鶯歌盆地，馬來西亞淺海，印度東海岸的Krishna Godavary盆地和南德克薩斯盆地等[2]。高溫高壓油氣田開發(fā)過程中面臨一系列的鉆井問題，嚴重制約著油氣田的安全高效開發(fā)。為了保障高溫高壓環(huán)境下鉆井作業(yè)的安全高效進行，這些油田、區(qū)塊需要更完善的鉆井技術與配套工藝，這為國內(nèi)外高溫高壓鉆井技術的發(fā)展帶來了更多的機遇與挑戰(zhàn)。

本文對國內(nèi)外高溫高壓鉆井技術文獻進行了整理，從地層壓力預測、井身結構設計、控壓鉆井、抗高溫鉆井液、高效破巖、測量與導向工具等6個方面對目前高溫高壓鉆井技術的發(fā)展進行了總結，并對各個方面的發(fā)展做了一定的展望。

1 高溫高壓鉆井面臨的技術挑戰(zhàn)

與常規(guī)的鉆井作業(yè)不同，高溫高壓環(huán)境下的鉆井作業(yè)，不僅具有高度的復雜性與危險性，還對鉆井技術、設備、工具與工藝等提出了更嚴苛的要求。

(1)地層壓力預測

高溫高壓鉆井要面對地層壓力變化規(guī)律難以掌握以及由于地層壓力預測不準造成的井壁失穩(wěn)、井下復雜情況等問題。目前的地層壓力預測技術中，地震數(shù)據(jù)處理技術相對粗糙，數(shù)據(jù)分辨率的準確性較低，預測精度無法滿足安全鉆進的需求。這不僅導致了鉆井的危險性大大增加，還增加了相當程度的經(jīng)濟損失。特別是深井鉆探中窄密度窗口鉆井問題最為復雜，對地層壓力的認識程度要求會更高。

(2)井身結構

大部分的高溫高壓井井身結構比較復雜，因此常會使用非標準的井眼尺寸配合標準尺寸的套管，套管與環(huán)空的間隙小，不利于維持井壁穩(wěn)定。另外，因為高溫高壓井通常較深，傳統(tǒng)自下而上的井身結構設計方法已不能滿足需求。

(3)控壓鉆井

高溫高壓鉆井的壓力控制與窄密度窗口作業(yè)是一個十分巨大的挑戰(zhàn)。鉆井過程中井下壓力的控制對儲層保護、防止鉆井液污染地層、減小井底正表皮系數(shù)、維持井壁穩(wěn)定等非常重要。窄密度窗口需要更為先進的控壓鉆井技術，通過控制井口回壓等措施，準確地調(diào)節(jié)井底壓力，控制環(huán)空壓力和當量循環(huán)密度。

(4)抗高溫鉆井液

溫度對水基鉆井液的影響非常大，超過150 ℃時大多數(shù)聚合物處理劑易分解或降解，或出現(xiàn)高溫交聯(lián)現(xiàn)象，引起增稠、膠凝、固化成型或減稠等流變性惡化問題，造成鉆井液體系的不穩(wěn)定性。因此高溫高壓鉆井液的技術難點體現(xiàn)在：鉆井液處理劑在高溫高壓下失效、鉆井液高溫流變性的控制、高溫濾失造壁性的控制、抗高溫鉆井液的護膠、高溫高壓條件下防漏堵漏材料選擇、高溫高壓條件下鉆井液的潤滑性問題以及高密度的鉆井液的維護等問題[3]。

(5)高效破巖

隨著溫度的升高，巖石的性質(zhì)會發(fā)生很大的變化，例如強度降低、塑性增強、可鉆性等級發(fā)生變化。同時，高溫對鉆進系統(tǒng)也會產(chǎn)生很大影響，例如鉆井液攜巖能力降低、鉆頭磨損加劇等[4]。高溫地層中的鉆進會加劇鉆頭的磨損，大大降低鉆頭的使用壽命，同時也影響了機械鉆速。因此高溫高壓地層中往往會面臨著地層可鉆性等級低、鉆頭使用壽命低、機械鉆速低、經(jīng)濟效益低等困境。

(6)測量與導向工具

高溫高壓井的井深普遍在5000 m以上，因此對隨鉆測量工具和導向工具的工作能力，尤其是耐溫和耐壓能力要求很高。由于井比較深，所以易產(chǎn)生井斜，導致井眼偏離設計軌跡，工具就可能因為井斜超過允許范圍而無法正常運行，進而產(chǎn)生不必要的損失。再加上高溫高壓井地下環(huán)境復雜，較普通井更易造成井壁坍塌、卡鉆，固井竄槽、管外冒油氣等問題。因此，高溫高壓井中測量與導向工具的安全、正常、精確的運行，就顯得十分重要。

2 高溫高壓鉆井關鍵技術發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 地層壓力預測技術

目前，關于高溫高壓地層壓力預測方法主要有地震法、三維地質(zhì)應力分析法、Eaton法、磁測法、速度差法等方法。近幾年在國外，除了常規(guī)的地層壓力預測方法外，隨鉆壓力監(jiān)測也得到了越來越多的重視。比如，Geoservices公司研發(fā)了一種可對高溫高壓井進行現(xiàn)場地層壓力隨鉆監(jiān)測的EquiPoise系統(tǒng)，科研人員根據(jù)地層壓力監(jiān)測的實際結果來修正地層壓力預測模型，進而對鉆頭以下100～300 m深度的地層壓力剖面進行實時預測。在中海油湛江分公司的鉆后實測壓力驗證表明，該方法地層孔隙壓力預測精度達到了94%[5]。

另外，一些國外學者還提出了考慮多種因素進行地層壓力預測與分析的新方法。比如，澳大利亞研究人員通過對伊朗某油田碳酸鹽巖儲層的研究，利用儲層的壓縮性來預測孔隙壓力，即當?shù)貙颖粔簩崟r，孔隙空間減小，會對填充孔隙的流體施加壓力，從而建立了孔隙流體壓力產(chǎn)生機制，并嘗試了碳酸鹽巖孔隙壓力預測的新方法。Stephen等人基于泊松比和楊氏模量(地震推導)，結合地震反演，得到孔隙度分布和壓縮性的信息，然后將其與孔隙壓力聯(lián)系起來，進而為遠程壓力的預測提供了可能性等等。Dutta在研究中將地層壓力看作是頁巖比率、溫度和成巖作用的函數(shù)，通過建立它們之間的關系來預測孔隙壓力。Lee等人在研究中將地層異常高壓作為孔隙度和水深的函數(shù)建立起一個新的異常壓力預測模型[6-8]。這些方法雖然對施工有一定的指導作用，但也有一定的局限性，并不能完全滿足深部高溫高壓地層壓力預測的需求。

國內(nèi)的高溫高壓井地層壓力預測技術多是建立在基于地震和測井數(shù)據(jù)的常規(guī)方法，同時也借鑒了國外的一些新技術。近些年，針對南海西部鶯歌海盆地和塔里木盆地等高溫高壓含油氣地層的孔隙壓力研究，促進了我國高溫高壓孔隙壓力預測技術的進步。比較有代表性的是，蔡軍等人改變傳統(tǒng)的單井點地層壓力預測模式，從三維地質(zhì)模型的建立出發(fā)，引入三維地質(zhì)應力模擬方法，為待鉆井提供精確地層壓力剖面[9]。樊建華等基于疊加速度的約束反演獲得背景層速度，再以疊后波阻抗反演獲得目的層精確的層速度，然后采用Fillippone公式直接由地震速度計算得到地層壓力，有效提高了地層壓力預測的精度和可靠性[10]。羅鳴等人研發(fā)了深度卡層與智能預警技術和隨鉆VSP技術，可實時更新鉆頭在地震剖面中的位置和鉆頭前方高壓層的位置，為準確確定套管下入深度、反演下部層位深度及壓力提供參考。還有一些國內(nèi)學者改進了國內(nèi)外的傳統(tǒng)地層壓力預測公式，并且結合地區(qū)的具體情況，綜合利用多種預測技術，提出了高溫超壓地層孔隙壓力預測的新思路[11-14]。

近幾年，面對中國石油資源劣質(zhì)化和油氣勘探開發(fā)對象逐漸復雜化的問題，地質(zhì)工程一體化技術體系在國內(nèi)得到快速發(fā)展[15]。地質(zhì)工程一體化技術是將地質(zhì)研究、工程設計和現(xiàn)場實施組織納入一體化協(xié)作體系，解決工程難題。關鍵技術主要包括科學化的工作機制流程、井位和井軌跡優(yōu)化技術、鉆前壓力預測技術、井壁穩(wěn)定性預測技術和完井改造優(yōu)化技術等[16]。目前該技術已得到成功應用，例如在中國南海西部高溫高壓井(目的層埋深超過4000 m，地層壓力系數(shù)大于2.2，溫度在200 ℃左右)地質(zhì)作業(yè)及鉆井工程中得到了成功應用，地質(zhì)作業(yè)成功率由85%提高至100%，鉆井作業(yè)復雜情況下降60%，不僅降本增效成果顯著，而且大大提高了鉆井效率[17]；塔里木油田的克深儲層是致密氣砂巖儲層，在高構造應力下，儲層壓力超過110 MPa，溫度高達165 ℃，為了更好得到克深儲層力學性質(zhì)和地應力的關鍵信息，根據(jù)KS205和KS207井的巖芯，以及15口井的測井數(shù)據(jù)建立了綜合地質(zhì)力學評價系統(tǒng)，為增產(chǎn)人員提供了可靠的信息[18]。在未來，日益復雜的油氣藏勘探開發(fā)需要地質(zhì)工程一體化這一理念及方法，要不斷加強創(chuàng)新與嘗試，開發(fā)出針對不同油氣藏的地質(zhì)工程一體化技術體系。

在與地層壓力密切相關的井壁穩(wěn)定性方面，井漏是高溫高壓鉆井面臨的最為突出的井壁穩(wěn)定性問題。在井漏預測與控制方面，眾多學者通過綜合分析漏失層的影響因素，預測可能發(fā)生漏失的地層層位，進而從合理井身結構、鉆井液密度、類型、配方、性能及鉆井工程技術措施等方面預防漏失的發(fā)生[19]。例如，中石化針對沙特B區(qū)塊高溫高壓氣井漏失情況設計了相關的配套鉆井技術，包括井身結構優(yōu)化、鉆頭評價與優(yōu)選、復合鉆進、加強防漏堵漏、應用MPD鉆井技術等[20]；針對塔中區(qū)塊碳酸鹽巖縫洞型異常高溫高壓儲集層，研究人員研發(fā)了一種新型的抗高溫高承壓的復合堵漏材料SXM-I，所形成的堵漏鉆井液抗溫達到了180 ℃以上，新配制的堵漏鉆井液體系對裂縫和孔洞均具有較好的封堵效果，裂縫封堵承壓9 MPa以上；針對南海西部高溫高壓油氣田，研究人員研發(fā)了高溫高壓井高密度鉆井液堵漏技術，并進一步優(yōu)化了堵漏鉆井液體系,優(yōu)化前后的堵漏鉆井液黏度變化不大，但鉆井液API濾失量降低[21]。近年來，有學者又提出了包括智能形狀記憶合金、智能形狀記憶聚合物、智能凝膠、智能膜和智能仿生材料等智能型材料在復雜地層中的應用，可顯著提高堵漏效率，但總體仍處于起步階段，未來仍需制定科學化和智能化的堵漏工藝，推動鉆井液防漏堵漏技術的實用性、創(chuàng)新性和智能化發(fā)展，使之能更好地應用于高溫高壓等復雜環(huán)境中[22]。

在國外，Dasgupta等人開發(fā)的新型耐高溫分散纖維堵漏體系，軟化點和熔點在200 ℃以上，在印度東部油田和西部海上油田得到了推廣應用[23]。Baker Hughes開發(fā)的抗高溫高壓堵漏體系S-II，室內(nèi)實驗抗溫達204 ℃，室內(nèi)試驗顯示，新的堵漏體系在100 psi的壓差下，能更有效地密封200目砂層；在現(xiàn)場應用過程中，表現(xiàn)出優(yōu)良的兼容性，能夠加固井壁，有效避免和減少固井過程中的漏失情況，目前已有超過100家企業(yè)使用過[24]。BJ Services Company開發(fā)的新型生物可降解聚合物處理劑，引入這種新型處理劑后，研制的新型堵漏體系抗溫達204 ℃，該體系包含兩種堵漏材料LCM和LCM+，LCM是由疏水改性聚合物和改性多糖懸浮劑組成，其粒度分布低于200 μm，LCM+作為橋堵材料使用，粒度分布低于1500 μm。其中，LCM的疏水改性聚合物達到一定使用溶度時，會形成膠束，使用濃度越高，形成的膠束越多，膠束溶液在地層表面的吸附與在水溶液中的溶解之間存在基于壓差的動態(tài)平衡。隨著壓差的增大，越來越多的膠束吸附并填滿地層/裂縫中的孔隙，形成不滲透的液壓膜，起到壓力密封的作用，從而阻止流體滲透到地層/裂縫中。在西班牙的現(xiàn)場作業(yè)中，有效提高密度窗口超過1.33 ppg。目前在超過1200口井中進行過推廣應用[25]。

另外，控壓鉆井技術是解決漏失和溢流同時存在等極端情況下的一種有效方法。通過合理的井身結構優(yōu)化設計，也可以在一定程度上避免鉆完井施工過程中復雜事故的發(fā)生，在解決高溫高壓井存在多套壓力系統(tǒng)等問題的同時，還可以有效降低鉆井過程中的ECD[26]。這兩項技術的進展將在下面做具體討論。

2.2 井身結構優(yōu)化設計技術

傳統(tǒng)井身結構設計方法通常采用自下而上的方法，由目的層深度確定完井套管的下入深度，根據(jù)地層特性設計上部套管合理的下入深度，以獲取最大的經(jīng)濟效益，但如今已經(jīng)不能滿足高溫高壓井的需求[27]。目前，我國的深井、超深井鉆井中普遍采用的套管結構是20″—133/8″—95/8″—7″—5″，少 數(shù) 陸 地 超 深井 和 海 洋 鉆 井 已 采 用30″—20″—133/8″—95/8″—7″—5″的套管結構程序[28]。

國內(nèi)外在深井超深井中采用的套管系列已比較齊全，應用范圍廣，不僅有常規(guī)系列，也有非常規(guī)系列[28]，以中石油塔里木油田公司與斯倫貝謝合作研發(fā)的非標準套管系列(塔里木標準TS II型和TS II-B型)為例，如圖2所示。TS II井身結構主要用于開發(fā)井，TS II-B井身結構主要用于探井。該非標準套管結構有效降低了鉆井和固井的風險，固井作業(yè)合格率從2005年的55%穩(wěn)步提高到目前的73%[29]。

圖2 塔里木庫車區(qū)塊井身結構[29]Fig. 2 Well structure in Kuqa block, Tarim Basin[29]

在美國陸上和墨西哥灣地區(qū)深井超深井鉆井應對多壓力系統(tǒng)復雜情況時主要采用拓展井身結構技術來保障鉆井安全，例如采用擴眼技術、膨脹管技術等，以應對超深井復雜狀況。國外對隨鉆擴眼技術的研究一直是幾大油田服務公司的研究熱點及核心技術。幾大油田服務公司都有成熟的隨鉆擴眼工具，如斯倫貝謝公司的Rhino系列擴眼工具、哈里伯頓公司的XRTM和URTM擴眼工具、貝克休斯公司的Gauge Pro擴眼工具、威德福公司的Rip Tide擴眼工具和國民油井公司的Anderreamer擴眼工具等[30]。

在國內(nèi)的南海鶯—瓊盆地，已知鉆井最高井底溫度達到了249 ℃，最高地層壓力系數(shù)高達2.38，絕對地層壓力高達120 MPa。研究者通過總結以往數(shù)十年的鉆井經(jīng)驗，創(chuàng)新采用了“自上而下”、“自下而上”相結合并綜合考慮必封點、ECD、井控和固井因素影響的雙向動態(tài)循環(huán)井身結構設計方法(圖3)。該技術在滿足所取地質(zhì)資料要求與地層壓力平衡的前提下，根據(jù)地質(zhì)必封點和地層壓力分布確定技術套管的尺寸、層次和下入深度，根據(jù)下部復雜地層情況，制定備用技術套管方案。設計時優(yōu)先考慮常規(guī)井身結構，在確認常規(guī)套管程序無法滿足安全鉆進的前提下，增加1層非常規(guī)尺寸套管，保證最后1層套管尺寸滿足地層評價的要求[31]。除此之外，國內(nèi)為適應海上復雜的高溫高壓深井鉆井要求，還采用過一種強化型套管、鉆頭系列，并取得了成功。該技術主要優(yōu)點是在不改變原有套管程序的條件下增加了一層技術套管，可以封隔3套不同壓力系統(tǒng)的地層，并可以使用現(xiàn)有配套設備及工具[28]。

圖3 雙向動態(tài)循環(huán)井身結構設計方法[31]Fig. 3 Design method of bidirectional dynamic circulation well structure [31]

2.3 控壓鉆井技術

國內(nèi)外現(xiàn)行主要控壓鉆井技術有精細控壓鉆井技術、微流量控壓鉆井技術、雙梯度控壓鉆井技術、泥漿帽控壓鉆井技術等。國內(nèi)外多年的實踐表明，在諸多深井、超深井、高溫高壓井鉆探可能面臨的鉆井復雜中，窄密度窗口鉆井問題最為復雜，其中控壓鉆井工藝能有效地解決窄密度窗口鉆井難題，隨著窄密度窗口鉆井問題愈加普遍和突出，近年來該技術發(fā)展也十分迅速。

國外從20世紀60年代就已經(jīng)開始了對精細控壓鉆井技術的研究，經(jīng)過多年的實踐與摸索，國外多家油服公司都開發(fā)出了完善的控壓鉆井系統(tǒng)，目前主要有以下幾種：

① 哈里伯頓公司的Flex移動式集成控壓鉆井系統(tǒng)(圖4)：其節(jié)流管匯進出口為4 in，科式流量計出口為4 in，該產(chǎn)品在簡單的安裝、拆卸鉆機時，無需從拖車取下裝備，可以減少作業(yè)時間，而且只需裝配旋轉(zhuǎn)控制裝置和管線，集成式的解決方案，便于往返鉆井現(xiàn)場。但其體積比較龐大，安裝拆卸比較耗時[32]。

圖4 哈里伯頓Flex移動式集成控壓鉆井系統(tǒng)[32]Fig. 4 Halliburton Flex mobile integrated pressure control drilling system[32]

② 威德福公司的Victus 控壓鉆井及流體取樣系統(tǒng)：其鉆井深度為500～4600 m，井眼尺寸為150～220 mm，流量為683～1000 L/min。該產(chǎn)品對機器通信以及井下條件實時分析都來自中央系統(tǒng)的指令，自動響應的同時還可以比較精確地保持井底壓力。產(chǎn)品的取樣系統(tǒng)能夠在帶壓條件下，連續(xù)錄取砂樣，精確分析天然氣組分和儲層特征。但該系統(tǒng)對井底壓力的控制存在誤差與延遲[32]。

③ 國民油井公司的MPowerD精細控壓鉆井管理系統(tǒng)：該產(chǎn)品的工作壓力為13.79 MPa。隨時保證井筒壓力的恒定、杜絕事故與復雜工況的同時，還可以精確監(jiān)測元件的磨損，增強元件壽命的可預測性。但會因停泵等原因產(chǎn)生井筒壓力變化、設備密封件磨損的問題[32]。

④ 斯倫貝謝公司的自動節(jié)流控壓鉆井系統(tǒng)：該系統(tǒng)可以通過環(huán)空壓力監(jiān)測等井下實時監(jiān)測技術，與已建立的地質(zhì)力學、水力學等模型進行比較，對自動節(jié)流閥開度進行自動調(diào)整。并可進一步通過一個壓力補償泵來補償井底壓力(圖5)，保持各種工況下的井底壓力不變，這套系統(tǒng)非常適合窄密度窗口鉆井[33-35]。該系統(tǒng)已在馬來西亞淺海超高溫高壓井中得到了成功應用[36]。

圖5 斯倫貝謝公司控壓鉆井設備簡圖[36]Fig. 5 Schematic diagram of Schlumberger pressure control drilling equipment[36]

⑤ 殼牌公司的動態(tài)環(huán)空壓力控制系統(tǒng)：可以實時利用水力模型模擬井底及井口壓力、流量、溫度，預計井底壓力，設定允許的波動范圍，調(diào)節(jié)地面設備以滿足井底壓力。

我國精細控壓鉆井技術起步較晚，早期窄密度窗口復雜井的處理基本都是依靠國外精細控壓工藝及設備。經(jīng)過多年的摸索及實踐，目前國內(nèi)控壓鉆井工藝從理論研究到裝備配套都得到進一步完善，并已經(jīng)在多個油田進行了成功實驗應用。國內(nèi)的中國石油天然氣集團有限公司從2008年開始進行精細控壓鉆井技術研究和精細控壓鉆井裝備的研制，在之后的2011年，中國石油集團鉆井工程技術研究院依托國家科技重大專項自主研發(fā)了PCDS-I精細控壓鉆井系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有微流量和井底恒壓雙目標控制功能，可實現(xiàn)自適應、快速響應、精確控制，并且在塔里木油田庫車山前高溫(170 ℃)高壓(190 MPa)深部鉆井中采用微流量控壓鉆井技術鉆進高壓鹽水層，用時11天鉆穿高壓鹽水層，取得了顯著效果[37]。但目前還未實現(xiàn)規(guī)?；瘧茫枰嗟母邷馗邏含F(xiàn)場試驗。另外在同一時期，川慶鉆探工程有限公司也研發(fā)出了完全自主知識產(chǎn)權的CQMPD-I型精細控壓鉆井系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)實時采集的工程參數(shù)以及井下環(huán)空壓力參數(shù)，由水力學計算分析與壓力控制決策模塊實時計算分析與決策并下達相關指令，進而依靠自動節(jié)流控制系統(tǒng)的自動節(jié)流閥來精確控制套壓，精確控制環(huán)空壓力剖面以適應環(huán)空流量或密度等參數(shù)變化引起的井底壓力變化，確?？刂凭讐毫υ谀繕酥担壳耙言谠诖ㄓ宥鄠€井場和在冀東南堡油田進行了成功的試驗[38]。

高溫高壓井中除了應用精細控壓鉆井技術外，在國內(nèi)的塔里木油田中，也曾實施過簡易注氣控壓鉆井技術與液面監(jiān)測控壓鉆井技術，現(xiàn)場應用也證實了可以有效的解決高溫高壓地層和窄密度窗口地層所出現(xiàn)的鉆井復雜問題[39]。

2.4 抗高溫鉆井液技術

目前，抗高溫高壓鉆井液體系研究主要是在不改變鉆井液體系的流變性的基礎上，提高鉆井液在高溫高壓的條件下的綜合性能?？垢邷劂@井液主要可以分為水基鉆井液、油基鉆井液與合成基鉆井液3種。近幾年，高溫高壓井的環(huán)境保護問題日益突出，因此環(huán)保型鉆井液也逐漸被人們所重視。

(1)高溫高壓水基鉆井液

水基鉆井液目前在國內(nèi)外應用最為廣泛，國外在深井超深井鉆探方面起步較早，水基鉆井液的使用溫度已經(jīng)超過260 ℃[40]。國外有多個鉆井液服務公司擁有自主知識產(chǎn)權的高性能水基鉆井液，如M-I SWACO公司研制的ULTRADRILTM體系、Baroid公司研制的Hydro-Guard體系及Baker Hughes公司研制的PERFORMAX體系等。其所使用的聚合物基本上含有磺酸基團，以提高鉆井液的抗高溫能力。國外還有一種獨特的SIV鉆井液體系[41]，熱穩(wěn)定性高達370 ℃。其他的，如海泡石鉆井液、石灰類鉆井液、低膠體鉆井液、聚合物鉆井液、褐煤表面活性劑鉆井液、DURATHERM水基鉆井液體系、THERMA.DIULLTM高溫水基鉆井液、水基耐高溫鉆井液(WBHT)等都有其對應的抗高溫水基鉆井液產(chǎn)品，根據(jù)產(chǎn)品的使用條件，抵抗溫度可在160～260 ℃之間。

與國外相比，我國在高溫水基鉆井液技術研究方面起步較晚，相應的抗高溫處理劑與鉆井液體系相對缺乏。國內(nèi)3大石油公司下屬研發(fā)機構也均研發(fā)了各種高性能水基鉆井液，如中國石油集團鉆井工程技術研究院研制的高潤滑強抑制高性能鉆井液體系，中石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司研制的KPF高性能鉆井液體系，中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術湛江分公司研制的高性能深水鉆井液體系等。除此之外，近幾年一些國內(nèi)學者也研發(fā)相應的抗高溫水基鉆井液體系，如蒲亮春研發(fā)的KGWTEK鉆井液體系，在大豐1井的180 ℃高溫井段也能保持良好的性能，實行了安全鉆進[42]；毛惠研制出SDT10、SDT11抗高溫鉆井液關鍵處理劑，然后以此為基礎研制出了抗248 ℃的超高溫水基鉆井液體系配方和抗220～240 ℃、密度達2.46～2.55 g/cm3的超高溫超高密度水基鉆井液體系[40]等。

(2)高溫高壓油基鉆井液

在一般情況下，油基鉆井液的熱穩(wěn)定性可達260 ℃。在國外，當遇到鹽層、易坍塌層、高溫層等復雜情況時往往首先考慮使用油基鉆井液來克服這些問題[41]。近年來，美國Intl公司研制的全油鉆井液，其密度低，表面活性劑含量低，減少儲層傷害的同時，也可以抵抗213 ℃的高溫。美國Van Slyke等研制出的鉆井液體系密度可達2.39 g/cm3抗310 ℃和203 MPa的油包水鉆井液(油水比為85:15～90:10)，體系使用了新型抗高溫處理劑配制，具有很好的穩(wěn)定性[43]。美國的M-I公司研制的柴油基鉆井液VERSADRIL，低毒性礦物油基鉆井液VERSACLEAN，單桶化乳化劑油基鉆井液MEGADRIL在全球市場上占據(jù)著主導地位。其它的如貝克休斯的NEXT—DRILL逆乳化油包水鉆井液體系，Bechtel公司使用的LVT油基鉆井液等，也都已經(jīng)在現(xiàn)場的高溫環(huán)境中的得到了成功應用。

在國內(nèi)，塔里木庫車山前超深井、四川威遠—長寧、云南昭通頁巖氣、大慶致密油水平井等都多采用油基鉆井液，雖然國內(nèi)的油基鉆井液的研究起步較晚，但我國近幾年油基鉆井液技術也獲得了飛速發(fā)展，形成了全油基、柴油基、白油基、氣制油等多套油基體系。其中，中石油通過自主攻關，成功研發(fā)了乳化劑、降濾失劑等關鍵處理劑，形成了國產(chǎn)高密度油基鉆井液技術，并且在克深1101，克深21，佳木2等井都得到過成功應用。長城鉆探公司研制了可抗高溫200 ℃的全油基鉆井液抑制性能強，抗污染和潤滑性能較好，儲集層保護效果好，具有泥頁巖水化抑制作用，并且在蘇10-32-45CH井中得到了成功的應用[43-44]。另外，國內(nèi)一些學者也研發(fā)了相應的抗高溫鉆井液體系，如李哲研發(fā)的抗高溫油基鉆井液體系能抗220 ℃的高溫，目前已在NGS-P-2井得到了成功的應用[45]；劉亞研制的抗溫可達220 ℃，密度可調(diào)至2.2 g/cm3的高溫高密度全油基鉆井液配方和高溫高密度油包水鉆井液配方，在牛94井的現(xiàn)場得到了成功的應用[43]。

(3)高溫高壓合成基鉆井液

目前己開發(fā)并在現(xiàn)場應用見到效果的合成基鉆井液有脂基鉆井液、醚基鉆井液和聚α-烯烴基鉆井液3大類，以及后期又發(fā)展出的第二代合成基鉆井液。國外抗高溫合成基鉆井液的研發(fā)以M-I公司最為突出，包括：反向逆乳化合成基鉆井液體系，現(xiàn)場應用已被證實了可抗204 ℃的高溫，具有鉆井穩(wěn)定，流體易維護，巖屑親油不聚集等優(yōu)點；ECOGREEN酯類合成基鉆井液體系和RHELIANT流變性能不變的合成基鉆井液體系，主要用于海上或深水鉆探，清潔井底能力較強、重晶石懸浮能力和減小井漏能力較好，對海洋生態(tài)的破壞也比較小[46]。除此之外，貝克休斯INTEQ公司研制的Syn-TEQ合成基鉆井液可耐溫高于226.7 ℃，并且在高溫下不水解[41]。美國休斯頓的EEX公司所研制的合成基鉆井液，在墨西哥灣的高溫井中，已被證實了耐溫能達到226.7 ℃。

國內(nèi)對抗高溫合成基鉆井液的研究較少。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，中海油服也發(fā)展了比較成熟的合成基鉆井液技術，研制出了一種以氣制油為基油的合成基鉆井液，可抗180 ℃的高溫，曾在渤海以及印尼進行過現(xiàn)場試驗，提高了30%的鉆速，未發(fā)生井下安全事故，應用效果比國外同類的鉆井液還要好。另外，勝利鉆井泥漿公司也研制出了抗溫高達200 ℃，密度在0.88～2.0 g/cm3的合成基鉆井液，在鄭41-平2井的強水敏性砂層四段地層現(xiàn)場得到了成功應用[46]。

(4)環(huán)保型鉆井液

國外對環(huán)保型鉆井液的研究較早，早在20世紀末M-I鉆井液有限責任公司就針對溫度高達232 ℃(450 °F)的鉆井應用，開發(fā)過一種環(huán)保的新型水性聚合物系統(tǒng)，之后環(huán)保型鉆井液也逐漸被人們所重視。目前，貝克休斯研制過一種新的水基泥漿體系，作為石油和合成乳液基泥漿(OBM/SBM)的一種高性能、保護環(huán)境的替代品。并且已在陸上、深水等地區(qū)進行過廣泛的現(xiàn)場測試。還有Bechtel公司低粘低毒礦物油的LVT油基鉆井液；美國Perish Bareid和BP公司專家研制的可生物降解的油包水鉆井液等，也都在現(xiàn)場取得過良好的效果。

近幾年在國內(nèi)，中石油與中海油也均研發(fā)過環(huán)保型鉆井液，如中國石油集團鉆井工程技術研究院鉆井液研究所研制出的一種抗高溫(215 ℃)高密度(2.15 g/cm3)低毒油包水鉆井液、中國石油海洋工程有限公司研制的耐高溫(200 ℃)新型環(huán)保型水基聚合物體系、中國石油天然氣集團公司鉆井工程技術研究院研制的新型無毒高溫聚合物鉆井液。另外，還有一些國內(nèi)學者提出了環(huán)保型鉆井液設計的新原理和新方法，大大促進了我國環(huán)保型鉆井液的發(fā)展。

除了上述的抗高溫鉆井液技術以外，中海油在近幾年研發(fā)了高溫高壓鉆完井液多功能智能工作平臺，工作平臺額定工作溫度240 ℃，額定工作壓力48 MPa，該平臺既解決了高溫深井溫度、壓力高的難題，也做到了一機多能，完成了包括高溫高壓濾失實驗、縫隙堵漏實驗、孔隙堵漏實驗、巖屑分散實驗、鉆井液高溫老化實驗在內(nèi)的5種鉆完井液高溫性能五種測試[47]。該鉆完井液多功能智能工作平臺的出現(xiàn)，為今后國內(nèi)開發(fā)出更為先進的智能鉆井液設備奠定了良好的基礎。

2.5 鉆頭與高效破巖技術

鉆頭在鉆進技術和鉆進過程中永遠都是處于核心的地位。目前國內(nèi)外高溫高壓井所使用的最多的鉆頭是金剛石鉆頭，其中又以孕鑲金剛石鉆頭和金剛石復合片鉆頭最具有代表性。而鉆進技術的核心就是提高鉆速，不僅關系到鉆頭，更是涉及到地層、提速工具、破巖方式、鉆進參數(shù)的配合、井身結構、鉆井液的特性與排量等諸多因素。

一般的高溫高壓井井深都很大，隨著地層深度與溫度的增加，鉆頭的使用壽命也在不斷降低，所以近幾年國內(nèi)外對鉆頭的研究多在提高鉆頭的使用壽命上。例如，在國外菲律賓內(nèi)格羅斯南部開發(fā)地，針對當?shù)氐某罹芯吭O計出了創(chuàng)新的圓錐形金剛石元件(CDE)，并設計出相應的新型PDC鉆頭，如圖6所示。與傳統(tǒng)PDC鉆頭相比具有更高的沖擊強度和耐磨性[48]。還有一些公司則從鉆頭的制造工藝上入手，如斯倫貝謝公司研發(fā)的新型高溫高壓PDC鉆頭刀具制造技術，提高了PDC的微結構強度并降低了鈷含量，從而提高了金剛石結構的熱穩(wěn)定性與耐磨性，實驗室測試表明，HTHP刀具比標準PDC刀具具有更高的耐磨性和抗熱疲勞性能，提高了約100 %，同時又不影響耐沖擊性[49]。不僅如此，國外還設計出了智能鉆頭。例如，貝克休斯公司在2017年發(fā)布了行業(yè)內(nèi)第一款自適應鉆頭—TerrAdapt，該鉆頭上有一個調(diào)節(jié)裝置，可以根據(jù)地層巖石的情況，自動調(diào)節(jié)鉆頭切削深度，提高鉆井速度[50]；哈里伯頓推出了其新一代自適應鉆頭技術—CruzerTM深切削滾珠元件，可以根據(jù)井下工況自動調(diào)整鉆進參數(shù)，大幅降低扭矩的同時還可以提高機械鉆速，增加鉆井效益[51]。

圖6 新型PDC鉆頭切削結構[48]Fig. 6 New PDC bit cutting structure[48]

在國內(nèi)，北京石油機械有限公司與中石油共同研發(fā)了一款專門用于高溫高壓井的帶有空心刀具的新型PDC鉆頭[52]，但目前還沒有進行現(xiàn)場應用。還有一些學者，對鉆頭進行了優(yōu)化，并且提出了新的想法，比如高溫高壓井由于井底的壓持效應原因，開展了減壓提速鉆頭方面的研究工作[53-55]，通過改善井底環(huán)境來提高機械鉆速等等。

對于高溫高壓下破巖方式的研究，國內(nèi)趙金昌研究發(fā)現(xiàn)，在4000 m埋深靜水壓力下，沖擊破巖適用于溫度不超過150 ℃的堅硬巖石中的鉆進，不適合更高溫度下的鉆井；切削破巖方式適合應用在溫度大于300 ℃的巖層鉆進中；沖擊-切削復合鉆進方式兼有二者特點，適用于溫度約150～300 ℃的巖層鉆進中[56]。

對于高效破巖技術，可以采用提高鉆頭運行的穩(wěn)定性，給鉆頭提供穩(wěn)定且充足的能量，降低破巖的門限鉆壓與門限扭矩等方式來提高鉆井效率，降低成本。比如使用減振、隔振、降阻等工具及低壓耗鉆井液；優(yōu)選合適的鉆頭、沖擊類工具；降低巖石抗壓強度、優(yōu)化井眼尺寸等[57]。如在中國的準格爾盆地的Moshen-1井，采用了35 MPa高壓噴射鉆井技術、正排量電動機和Power-V技術、渦輪鉆復合鉆進技術、高溫水基鉆井液等技術，成功的解決了該高溫高壓井所面臨的難題[58]。還有國外在墨西哥灣曾使用過Baker Hughes公司的混合鉆頭技術[59]與GE-Baker Hughes的自適應PDC鉆頭技術，都已被證實了可以提高鉆速。

總之，目前的堅硬地層，高溫高壓等復雜井的鉆井提速仍然是世界級難題。

2.6 測量與導向工具

國外對于200 ℃、105 MPa之內(nèi)的井，哈里伯頓公司和斯倫貝謝公司已擁有成熟的測試技術；對于200～230 ℃之間的井，據(jù)了解哈里伯頓公司和斯倫貝謝公司以此作為專項課題進行設計施工，目前未見成功案例。其他的公司也有相應的技術，如威德福公司(Weatherford)和雪弗龍公司(Chevron)合作開發(fā)的隨鉆測井技術服務HEX，貝克休斯公司推出的FASTrak隨鉆測井技術，威德福公司的的壓力波隨鉆測井地層壓力測試工具，斯倫貝謝公司的地震隨鉆測量(SWD，圖7)技術與多功能地震成像儀(VSI，圖8)[60-61]等。其中有些儀器的最高耐溫耐壓分別可以達到210 ℃和206.8 MPa。還有一些現(xiàn)場人員，對測試工具與技術進行了改進，均能夠滿足當時的現(xiàn)場需求[62-69]。

圖7 斯倫貝謝公司的地震隨鉆測量(SWD)工具[60]Fig. 7 Schlumberger Seismic While Drilling(SWD) tool[60]

圖8 斯倫貝謝公司的HPHT VSI工具串[61]Fig. 8 Schlumberger’s HPHT VSI tool string[61]

國內(nèi)的高溫高壓井測試技術相比于國外來說起步較晚，上世紀90之后才逐漸發(fā)展起來。近幾年在國內(nèi)，眾多油田和公司均研究出了有相應的隨鉆測量新技術，如大慶油田研發(fā)的DQ-LWD隨鉆測井儀器，具有多參數(shù)近距離測量的特點，工作溫度-40～150 ℃，儀器耐壓140 MPa，可連續(xù)工作時間200 h。渤海鉆探油氣井測試公司改良創(chuàng)新的高溫高壓測井工具與工藝[70]，形成了180 ℃以內(nèi)、180～200 ℃、200～230 ℃3個系列測試工藝技術，研制開發(fā)了耐溫達230 ℃套管測試密封件和裸眼測試膠筒，井下工作時間分別大于120 h和30 h，研制的高溫存儲電子壓力計可耐溫230 ℃，量程達105 MPa，工作時間大于120 h，壓力精度達0.02%。中石油的高溫高壓氣井測試管柱優(yōu)化配置[71]，為滿足庫車山前超深儲層測試需求，通過研究和現(xiàn)場試驗，逐步優(yōu)化管柱配置形成了以3種特色管柱結構，如圖9所示，可以耐109.61 MPa的高壓和178 ℃的高溫。中石油的隨鉆測井電阻率成像工具(RIT)[72]、PPS公司的井下永久動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(PDMS)等均在現(xiàn)場得到了有效的應用，能夠滿足高溫(160～230 ℃)高壓(100 MPa)的需求。對于高溫高壓環(huán)境下的隨鉆測量和導向工具，將會出現(xiàn)很高的故障率。中石油還研發(fā)了一套主動冷卻技術，研究表明，井下冷卻技術具有制冷能力大、體積小、適應性強、模塊化等特點，大大提高了設備的承溫上限[73]。

圖9 中石油的高溫高壓氣井測試管柱[71]Fig. 9 CNPC HTHP gas well test string[71]

近年，智能測試技術也在國內(nèi)外逐漸興起，較為典型的是中石油針對深井酸性氣層所研發(fā)的井下智能測試工具，形成了以電控開關閥工具為核心的井下多層智能測試工藝，目前已在華北、塔里木、吉林及冀東油田進行了58井次的地層測試，測試一次成功率達98.3%，解決了深井及酸性氣層測試技術難題[74]。同樣的，國外斯倫貝謝公司推出的Ora智能電纜地層測試平臺，平臺上的閥門、儀表和數(shù)百個其他關鍵系統(tǒng)組件都配備了智能控制系統(tǒng)，可以相互通信。而且平臺具有200 ℃和241 MPa的承溫承壓能力，平臺建立在數(shù)字基礎架構上，可自動進行復雜的測試分析工作，能縮短運行時間50%以上，并可實現(xiàn)高精度流體分析，能夠?qū)崟r可靠地集成到油藏環(huán)境中，以便快速、明智地做出決策[75]。

對于高溫高壓井的導向系統(tǒng)，國內(nèi)外存在明顯差距。國外比較具有代表性的有斯倫貝謝公司研發(fā)的一種推靠式和指向式相結合的混合型旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)(Power Drive Archer系統(tǒng))，如圖10所示。該系統(tǒng)4個鉆井液控制的活塞靠在鉸接式圓柱形導向套筒內(nèi)部，然后通過萬向節(jié)連接樞軸把鉆頭導向所需的方向，其每100 m最大造斜率可達18°，而且在鉆井過程中能夠建立井眼軌道智能控制算法，對鉆井參數(shù)進行智能調(diào)控，自動修正經(jīng)驗軌跡，但是所適用的井深較淺，目前在我國的渤海綏中36-1油田和川東南地區(qū)頁巖氣水平井DY-3井都得到過成功的應用，能夠有效解決軌跡跟蹤控制和鉆井提速方面的難題[76-77]。貝克休斯的AutoTrak Curve旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)，如圖11所示。在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的基礎上對導向力學、水力學和導向板進行重新設計，導向板能適應從軟到硬以及研磨性等各種地層。為適應較高的井眼曲率，BHA具有更強的柔性，且配備了MWD，能保證對井眼軌跡的精確控制，每30 m造斜率可達15°?？梢蕴岣?倍的機械鉆速，并且可以適用更大的井深，其在國內(nèi)桑塔木油田的LN14-1CH井以及海上趙東平臺都得到過成功應用，提高鉆速的同時還縮短了鉆井周期，提高了經(jīng)濟效益[78-79]。威德福公司的Motary Steerable定向轉(zhuǎn)速控制技術(Targeted bit speed，TBS)綜合了容積式馬達和旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的特點，性能優(yōu)于前者，成本低于后者，填補了兩者之間的空白，在旋轉(zhuǎn)鉆井的造斜率每30 m最高可達3°。另外，殼牌公司針對北美Haynesville頁巖氣勘探，該區(qū)井底最高溫溫度可達188 ℃，最高壓力可達62 MPa，公司通過優(yōu)化旋轉(zhuǎn)軸的外徑，采用不銹鋼材質(zhì)，最終克服了高溫高壓環(huán)境下定向鉆井工具失效等問題。這些，都為國內(nèi)高溫高壓井的導向工具上的研究提供了寶貴的經(jīng)驗。

圖10 Power Drive Archer 系統(tǒng)Fig. 10 Power Drive Archer system

圖11 AutoTrak Curve 旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)Fig. 11 AutoTrak Curve rotary steering system

3 高溫高壓鉆井關鍵技術發(fā)展展望

目前國內(nèi)外高溫高壓鉆井關鍵技術中，最有待解決的就是高溫的問題，對于國內(nèi)來說，井下175 ℃是一個坎，許多國內(nèi)的鉆井設備與技術在面臨這個溫度時都會產(chǎn)生一系列問題，而且與國外的先進水平相比，尚有一定差距。在未來高溫高壓鉆井關鍵技術的發(fā)展中，如何持續(xù)保持安全、低成本、高效作業(yè)，仍是國內(nèi)外需要努力的方向。因此，對未來高溫高壓鉆井關鍵技術的發(fā)展提出以下建議：

(1)地層壓力預測技術

要研究更為精確的地震速度分析方法，更為完善的三維地質(zhì)應力建模預測方法；預測上要充分考慮地質(zhì)和沉積因素，按照多種機理分別進行壓力計算；還要嘗試人工智能的地層壓力預測新方法以及基于有效應力定理反映非正常超壓非微觀機制的分析方法。在井壁穩(wěn)定性控制方面，需要形成結合井身結構優(yōu)化設計、環(huán)空ECD精準預測與監(jiān)測、精細控壓鉆井和堵漏等提高薄弱地層承壓能力的配套工藝技術對策，并發(fā)展智能化井筒安全控制鉆井技術。

(3)井身結構設計技術

井身結構技術應不斷向定向井和水平井方向發(fā)展，且形成更為先進、安全、精簡、高效的井身結構技術；不斷的提高相關器具耐高溫耐高壓耐腐蝕的極限；優(yōu)化套管尺寸和鉆頭尺寸的選擇，套管與井眼間隙的配合；配套工具的研發(fā)應該軟硬結合，達到更高的穩(wěn)定性和測量精度，形成智能化井身結構設計技術體系。

(4)控壓鉆井技術

研制更為精密、先進且適用于國內(nèi)油田地層特征的配套設備，尤其是高壓力級別的防噴器、井口連續(xù)循環(huán)裝置等；研究更多適用于高溫高壓地層控壓鉆井的配套技術；對多相流流動規(guī)律進行深入，研發(fā)控壓鉆井技術相關的水力學計算軟件；加大對精細控壓鉆井技術與自動化控壓鉆井技術的研究[80]。

(5)抗高溫鉆井液技術

注重低成本以及天然的材料開發(fā)，注重天然高分子的物質(zhì)活化以及氧化處理；加大對抗高溫鉆井液以及抗高溫鉆井液處理劑的研究力度，以滿足極端環(huán)境下的鉆井需求；注重大位移井以及水平井的鉆井液技術開發(fā)。

(6)鉆頭與高效破巖技術

加強對前沿破巖技術的研究；加大對新型鉆頭與輔助破巖技術的研發(fā)力度；研究出新型的鉆頭與輔助破巖工具的優(yōu)選方法。

(7)鉆井新工具(隨鉆測量、導向工具)

進一步加強對隨鉆測井儀器數(shù)據(jù)傳輸速率、耐高溫、耐高壓、穩(wěn)定性等方面的研發(fā)力度，提高隨鉆測量技術的高可靠性和穩(wěn)定性；加大對高端隨鉆工具與儀器的開發(fā)；發(fā)展無線傳輸鉆井、全方位探測、近鉆頭測量等方面的新技術。

4 結論

高溫高壓鉆井除了要面臨高溫高壓的挑戰(zhàn)，還要克服地層壓力預測難、井控難、鉆井事故頻發(fā)、井身結構復雜、鉆井液流變性差、機械鉆速低、鉆井設備使用壽命短等一系列難題。如何實現(xiàn)高溫高壓井安全高效的鉆進，仍是國內(nèi)外共同需要努力的方向。雖然目前國內(nèi)外高溫高壓井的鉆井技術取得了一定成果，但是仍受到許多限制，而且對于高溫高壓非常規(guī)井的鉆井技術研究也十分缺乏。因此，仍要加大對高溫高壓鉆井技術的研究力度，特別是國內(nèi)，有些技術與國外有著較大的差距，國內(nèi)應繼續(xù)跟蹤加強研究，以滿足日益苛刻的鉆井需求。相信隨著技術與裝備的不斷完善和市場的不斷推動，高溫高壓鉆井技術也將穩(wěn)步攀升?？偟膩碚f，過去10年高溫高壓鉆井技術得到了快速的發(fā)展，取得了很大的成就；但是，隨著深層、深水等高溫高壓油氣藏開發(fā)環(huán)境變得日益苛刻，高溫高壓鉆井面臨著越來越多的挑戰(zhàn)與機遇。