南海東部深水高溫高壓井循環(huán)降溫隨鉆測(cè)井新技術(shù)

顧玉洋，夏竹君，謝瑞永，王勇，羅鵬，劉超

中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)深圳分公司（廣東 深圳 518064）

0 引言

南海東部深水高溫高壓區(qū)塊油氣資源潛力巨大，目前勘探的不少油氣藏區(qū)塊地層溫度梯度4.8 ℃/100 m，目的層溫度超過(guò)200 ℃，地層壓力系數(shù)大于1.5，完鉆深度超過(guò)5 000 m，屬于高溫高壓油氣藏[1]。在高溫高壓井中測(cè)井需要面臨的主要問(wèn)題是測(cè)井設(shè)備的選擇以及施工中需要注意的泥漿、井況、腐蝕性氣體等問(wèn)題，電纜測(cè)井時(shí)通常選用高溫高壓測(cè)井工具并做好詳細(xì)周密的測(cè)前施工方案設(shè)計(jì)以提高測(cè)井成功率[2-4]，地層測(cè)試時(shí)通常采用井下存儲(chǔ)工具進(jìn)行作業(yè)[5-7]，隨鉆測(cè)井時(shí)通常選用高溫高壓隨鉆測(cè)井工具作業(yè)[8-10]。高溫高壓隨鉆測(cè)井工具和高溫高壓電纜測(cè)井工具是不一樣的。

近年來(lái)南海東部加大了深水高溫高壓油氣藏的勘探力度，對(duì)高溫高壓隨鉆測(cè)井工具的需求逐漸上升，但高溫高壓隨鉆測(cè)井工具總量有限，供不應(yīng)求，經(jīng)常出現(xiàn)井等工具的情況，急需研究新的解決方案。本文以探井A 井為例，詳細(xì)介紹南海東部深水高溫高壓井循環(huán)降溫隨鉆測(cè)井新技術(shù)的研究過(guò)程及應(yīng)用情況。

1 基本概況

A井是2019年1月16日完鉆的一口探井，主要目的層是珠江組下段ZJ490 層的構(gòu)造+巖性圈閉。井身結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，152.4 mm（6″）井眼裸眼段4 424.3~5 129 m為本次研究的目的層段，完鉆深度5 129 m，鉆后測(cè)算得井底地層壓力系數(shù)約1.5，井底溫度約209 ℃、壓力約150 MPa，屬于典型的高溫高壓氣井。

圖1 A井井身結(jié)構(gòu)示意圖

鉆開目的層段時(shí)，由于高溫高壓隨鉆測(cè)井工具短缺，需要等待1 周左右高溫高壓隨鉆測(cè)井工具才能到井，等待時(shí)間太長(zhǎng)，成本太高，故研究采用常溫隨鉆測(cè)井工具，結(jié)合循環(huán)泥漿降溫測(cè)井新技術(shù)。

2 測(cè)井新方法研究

2.1 常溫隨鉆測(cè)井工具+循環(huán)泥漿降溫測(cè)井新技術(shù)

在南海東部常用的常溫隨鉆測(cè)井工具耐溫155 ℃，耐壓172 MPa，而該井的井底溫度約209 ℃、壓力約150 MPa，從儀器技術(shù)指標(biāo)來(lái)看，壓力沒(méi)有超過(guò)常溫隨鉆測(cè)井工具的耐壓技術(shù)指標(biāo)，只是溫度超過(guò)了耐溫技術(shù)指標(biāo)，能否通過(guò)循環(huán)泥漿降低井內(nèi)環(huán)境溫度滿足工具測(cè)井要求？能否采用隨鉆測(cè)井的作業(yè)方式補(bǔ)錄測(cè)井資料？即研究“常規(guī)隨鉆測(cè)井工具+循環(huán)泥漿降溫”的隨鉆測(cè)井新技術(shù)實(shí)現(xiàn)南海東部深水高溫高壓井完井測(cè)井的可行性。

2.2 測(cè)前循環(huán)泥漿溫度預(yù)測(cè)

循環(huán)泥漿降溫效果決定了該項(xiàng)測(cè)井新技術(shù)的成敗，在測(cè)井之前需要進(jìn)行循環(huán)泥漿溫度預(yù)測(cè)，模擬循環(huán)降溫效果以及停泵后升溫速度，評(píng)估測(cè)井作業(yè)過(guò)程中異常停泵存在的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.1 循環(huán)泥漿溫度預(yù)測(cè)原理

測(cè)前循環(huán)泥漿溫度模擬軟件主要是參考努賽爾數(shù)關(guān)系建立傳熱模型[11]，循環(huán)泥漿時(shí)測(cè)井工具環(huán)境溫度即為與工具接觸的泥漿溫度，該溫度受泥漿運(yùn)動(dòng)熱對(duì)流影響、泥漿與地層（或隔水管等）之間熱傳導(dǎo)影響以及機(jī)械摩擦產(chǎn)生熱量等，假設(shè)鉆井液或泥漿在鉆柱內(nèi)外混合良好，則可用T表示泥漿溫度。采用徑向網(wǎng)格建模的方法模擬鉆桿、地層和隔水管等固體表示徑向上固體溫度隨時(shí)間的變化。由Hendrik Suryadi 等人提出的公式（1）可計(jì)算溫度T：

式中：T為泥漿溫度，°F；ρ為泥漿密度，g/cm3；cp為泥漿比熱容，J/（kg·K）；Q為泥漿的體積流量，L/min；rin和rout分別為泥漿區(qū)域內(nèi)外半徑，in分別為內(nèi)外固體在與泥漿交界處的溫度，°F；hin、hout分別為是內(nèi)外邊界的熱傳系數(shù)（無(wú)量綱）；q″為泥漿單位長(zhǎng)度上附加熱源的總和，J。

固體區(qū)域溫度T由公式（2）計(jì)算：

式中：T′為固體溫度，°F；ρ′為固體密度，g/cm3；為固體比熱容，J（/kg·K）。

該模型的特點(diǎn)是已經(jīng)考慮到以下因素的影響：扭矩摩擦影響、鉆頭切削影響、黏性損失影響、巖屑影響、井下泥漿性能隨壓力和溫度的變化、鉆柱材料特性的變化、地層熱性能的變化影響等。

2.2.2 循環(huán)泥漿溫度預(yù)測(cè)效果

利用軟件模擬鉆井過(guò)程中隨鉆工具溫度隨時(shí)間變化情況如圖2所示，黑色實(shí)線表示靜止地層溫度，灰色虛線表示隨鉆工具耐溫極限：150 ℃/302°F，紅色實(shí)線表示預(yù)測(cè)工具溫度，綠色虛線表示預(yù)測(cè)停泵工具溫度。從圖2 中可以看出，下鉆之前循環(huán)過(guò)程中，工具溫度較低且能保持穩(wěn)定，下鉆過(guò)程中隨著井深增加，地層溫度和隨鉆工具溫度逐漸增加但不會(huì)超過(guò)靜止地層溫度，循環(huán)降溫效果明顯，循環(huán)時(shí)工具溫度遠(yuǎn)低于靜止地層溫度，只有當(dāng)起下鉆速度快時(shí)隨鉆工具溫度上升較快，接近靜止地層溫度；在第40 h 之后的鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆井液一直在循環(huán)，隨鉆工具溫度遠(yuǎn)低于靜止地層溫度（根據(jù)地溫梯度估算的靜止地層溫度低于隨鉆工具耐溫極限），在第56 h停鉆，進(jìn)行靜止測(cè)試，靜止2 h后隨鉆工具溫度上升較快（但低于井底靜止溫度），說(shuō)明在鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)盡量減少由于工具故障或者接立柱造成的停泵時(shí)間，開泵循環(huán)之后隨鉆工具溫度降低，降溫效果明顯。模擬預(yù)測(cè)結(jié)果證明可以使用常溫隨鉆工具補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖2 A井循環(huán)泥漿測(cè)井工具溫度預(yù)測(cè)分析圖

2.3 循環(huán)降溫隨鉆測(cè)井下鉆程序方案設(shè)計(jì)

根據(jù)本井測(cè)井目的和要求選擇適合的常溫隨鉆測(cè)井工具，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及地質(zhì)特征，參考上述的循環(huán)泥漿溫度模擬預(yù)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行了詳細(xì)的循環(huán)降溫隨鉆測(cè)井下鉆程序方案設(shè)計(jì)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)順利進(jìn)行，具體如下：

1）隨鉆測(cè)井工具連接好，檢查一切正常，下鉆前檢查浮閥和濾網(wǎng)。

2）按照下鉆流程灌漿。于2 800 m 開始灌滿漿把排量開到工具工作排量（700～900 L/min），讀取工具循環(huán)溫度。并要注意以下幾點(diǎn)：①若溫度低于125 ℃，繼續(xù)下鉆，每下鉆100 m 接頂驅(qū)開泵讀取工具溫度；②若循環(huán)溫度超過(guò)125 ℃，則每柱開泵下鉆，排量不低于800 L/min；③若循環(huán)溫度超過(guò)135 ℃，需要繼續(xù)循環(huán)直到實(shí)時(shí)循環(huán)溫度穩(wěn)定5 min或者溫度降至130 ℃以下，可恢復(fù)接立柱；④若循環(huán)溫度超過(guò)145 ℃，停止下鉆，循環(huán)降溫，直到溫度降低至140 ℃以下方可繼續(xù)循環(huán)下鉆，且下鉆速度不得超過(guò)60 m/h，其間可以上下活動(dòng)鉆具，盡量減少旋轉(zhuǎn)。嚴(yán)禁不開泵旋轉(zhuǎn)工具。

3）在井深4 800 m 左右開始復(fù)測(cè)（下鉆復(fù)測(cè)），轉(zhuǎn)速30～35 r/min，下鉆速度不超過(guò)60 m/h，排量不低于800 L/min，溫度控制仍按上條執(zhí)行。

4）盡量縮短接立柱的時(shí)間，同時(shí)在接立柱時(shí)晚停泵早開泵，盡量減少停泵時(shí)間。

5）如果需要停泵15 min 以上（除接立柱以外），或者泥漿泵出現(xiàn)問(wèn)題，務(wù)必使用備用泥漿泵甚至注水泥系統(tǒng)保證循環(huán)降溫。如果該操作無(wú)法降溫至安全溫度。那么需要上提工具至2 800 m 以上。盡量減少井下工具震動(dòng)。

2.4 循環(huán)降溫隨鉆測(cè)井起鉆程序方案設(shè)計(jì)

1）若工具溫度超過(guò)145 ℃，循環(huán)降溫至135 ℃以內(nèi)或者循環(huán)20 min 內(nèi)溫度仍未見降低，則繼續(xù)起鉆。

2）若工具溫度135～145 ℃，循環(huán)降溫，至溫度降低5 ℃或者溫度低于130 ℃方可卸立柱。

3）若工具溫度超過(guò)125 ℃，邊循環(huán)邊起鉆，排量不低于800 L/min 若連續(xù)兩柱循環(huán)溫度均未見超過(guò)125 ℃，可正常起鉆。

2.5 循環(huán)降溫測(cè)井作業(yè)實(shí)施

本次作業(yè)選用的測(cè)井工具是貝克休斯的On?Trak 儀器，工具出廠時(shí)額定耐溫155 ℃，耐壓172 MPa，工具直徑306.451 mm（12.065″），測(cè)井項(xiàng)目為自然伽馬、電阻率、中子、密度，測(cè)量井段4 780.0～5 069.1 m。A井152.4 mm（6″）井眼按上述的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)井作業(yè)，具體實(shí)施情況見表1。

表1 A井152.4 mm（6″）井眼常規(guī)測(cè)井作業(yè)實(shí)施情況

3 測(cè)井結(jié)果評(píng)價(jià)

3.1 測(cè)井時(shí)井內(nèi)環(huán)境溫度評(píng)價(jià)

本次實(shí)際測(cè)量井段4 790.0～5 073.0 m，在循環(huán)降溫的措施下工具監(jiān)測(cè)到測(cè)井時(shí)工具環(huán)境溫度隨深度變化而變化，整個(gè)測(cè)井期間溫度在127.5～135.5 ℃，最高溫度為135.5 ℃，比地層的實(shí)際溫度208 ℃降低了72.5 ℃，比工具的額定溫度155 ℃低，能確保工具狀態(tài)穩(wěn)定，滿足測(cè)井要求，成功實(shí)現(xiàn)小井眼以常溫隨鉆工具在超高溫高壓井中高效獲取優(yōu)良的地層評(píng)價(jià)資料。

3.2 測(cè)井曲線質(zhì)量評(píng)價(jià)

本次作業(yè)錄取的4條測(cè)井線自然伽馬、電阻率、中子、密度曲線如圖3所示。圖3中第一道為GR和ROP，第二道為深度，第三道為電阻率，第四道為中子和密度，第五道為氣測(cè)組分，第六道為測(cè)井解釋結(jié)論，第七道為含氣飽和度，第八道為有效孔隙度，第九道為巖性剖面。從圖3 中可以看出，隨鉆錄取的4條曲線沒(méi)有飽和平頭、尖跳等現(xiàn)象，各曲線之間的相關(guān)性較好，解釋的巖性剖面與地質(zhì)錄井一致，符合地區(qū)特征。中子、密度曲線交會(huì)圖檢查時(shí)由于測(cè)量井段內(nèi)沒(méi)有純砂巖水層段，故選取本井相對(duì)較線的4 950.0～4 970.0 m砂巖氣層做中子-密度交會(huì)圖，如圖4 所示，數(shù)據(jù)點(diǎn)落在藍(lán)色砂巖線上，說(shuō)明中子、密度測(cè)井曲線質(zhì)量較好，滿足測(cè)井解釋及儲(chǔ)層評(píng)價(jià)要求。根據(jù)結(jié)合區(qū)塊經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，共解釋氣層13層159.4 m，差氣層4 層28.6 m，干層1 層14.3 m。完成了本井勘探的目的。

圖3 A井152.4 mm(6")井眼測(cè)井成果圖

圖4 A井4 950.0~4 970.0 m中子-密度交會(huì)圖

4 結(jié)論

針對(duì)南海東部高溫高壓測(cè)井工具供不應(yīng)求的情況，研究出了常溫隨鉆測(cè)井工具在深水高溫高壓井中循環(huán)泥漿降溫測(cè)井的新技術(shù)，即當(dāng)?shù)貙訙囟却蠓哂跍y(cè)井工具額定溫度時(shí)，先利用專業(yè)軟件對(duì)井筒進(jìn)行循環(huán)泥漿降溫模擬，評(píng)價(jià)降溫效果及可行性，再根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行作業(yè)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠確保常溫測(cè)井工具在高溫甚至超高溫井中高效高質(zhì)獲取地層評(píng)價(jià)資料。該技術(shù)在南海東部深水區(qū)探井作業(yè)中已成功測(cè)井8口井，測(cè)井成功率高，當(dāng)高溫高壓隨鉆測(cè)井工具缺乏時(shí)，減少等待時(shí)間，實(shí)現(xiàn)降本增效，可以推廣應(yīng)用。