超高溫高壓井取心技術(shù)在LD13井的應(yīng)用

王喜輝，張忠強

（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海 200137）

中國海上把井底溫度大于177 ℃，且地層孔隙壓力大于103.45 MPa（15 000 psi）或地層孔隙壓力當(dāng)量密度大于2.1 g/cm3的井稱為超高溫超高壓井[1]。中國南海海域鶯瓊盆地是世界上三大海上高溫高壓地區(qū)之一。

LD 某區(qū)塊位于鶯瓊盆地，在LD13 井鉆井之前，在該區(qū)塊已經(jīng)完成了7 口井的勘探鉆探，發(fā)現(xiàn)了具有商業(yè)價值的超高壓天然氣氣藏。從已完成井來看，該區(qū)塊氣井主要目的層同時具有超高地層溫度和超高地層壓力、壓力窗口極窄等特點，地層溫度高于200 ℃，地層孔隙壓力當(dāng)量鉆井液密度普遍高于2.25 g/cm3，其中一口井甚至超過了2.28 g/cm3，由此，在鉆井施工中容易發(fā)生溢流、井漏、井漏后處理困難、因高溫而發(fā)生井下工具失效等復(fù)雜情況[2-3]，故鉆井期間井控風(fēng)險較高，作業(yè)難度較大。

為了探明儲量，進(jìn)一步深入了解儲層砂體情況，LD13 井計劃鉆入HL 組氣組砂體后進(jìn)行鉆井取心作業(yè)，這是首次在海上超高溫高壓主要目的層井段中進(jìn)行取心作業(yè)。由于作業(yè)井控風(fēng)險較高，取心施工難度非常大。在國內(nèi)海上，鮮有在超高溫超高壓主要目的層井段進(jìn)行取心的作業(yè)例子。為了安全實施LD13 井的取心作業(yè)，針對潛在的取心作業(yè)風(fēng)險，多次組織專家探討取心方案、論證作業(yè)方案的可行性，通過對取心筒的改造、取心參數(shù)優(yōu)化、井控措施的細(xì)化，該井在212.7 mm井段進(jìn)行了一次取心作業(yè)，取心進(jìn)尺9.27 m，取心收獲率100%，作業(yè)取得圓滿成功。這為該區(qū)塊的超高壓氣藏研究、儲量落實提供了可靠的依據(jù)。

1 LD13 井基本情況

LD13 井鉆遇第四系LD 組、新近系YGH 組、HL 組等地層，主要目的層為HL 組地層，為超高壓天然氣氣藏。LD13 井四開311.2 mm 鉆深3 990 m，244.5 mm 套管下深3 985 m，五開212.7 mm 井段已鉆至4 165 m，此時已鉆開黃流組主要目的層砂體，預(yù)計氣組砂體厚度74 m。

按照LD13 井地質(zhì)設(shè)計和鉆井工程設(shè)計要求，需要在4 165 m 深度進(jìn)行鉆井取心。取心井段地層壓力系數(shù)大于2.25 g/cm3，地溫梯度約4.50 ℃/100 m，以致地層溫度較高，取心位置的地層溫度約195 ℃，故本次取心在超高溫高壓井段。

之前鉆進(jìn)至深度4 042 m 時做了地層承壓試驗，試驗表明：套管鞋至4 042 m 這一井段承壓能力達(dá)2.35 g/cm3，壓力窗口不足0.10 g/cm3，這說明取心作業(yè)時壓力窗口極窄，極易引發(fā)井漏、溢流等復(fù)雜情況。

2 超高溫超高壓井段取心難點和挑戰(zhàn)

2.1 超高壓井段存在井底溫度高、循環(huán)排量小等難點，對取心工具和作業(yè)是一大挑戰(zhàn)

對取心工具等井下工具的抗溫能力要求高。取心鉆頭、取心筒等井下工具處于井筒最深處，工作溫度非常高。要求工具的耐溫能力非常高，如果耐溫能力不足，工具容易失效，導(dǎo)致取心失敗。一般在LD 區(qū)塊超高溫高壓井的取心工具和配件耐超高溫（＞200 ℃）。

對取心鋼球的影響。為減小環(huán)空壓耗，降低井漏風(fēng)險，超高壓井段取心鉆進(jìn)期間排量較小，如取心前需要投球并泵送到位，可能會造成鋼球遲遲不到位。一般在超高溫高壓井段取心，不采取常規(guī)井投入鋼球并落球座才能取心的這種方式，需要充分考慮排量小對鉆頭、取心筒的冷卻等方面的影響。

2.2 井控風(fēng)險高，易發(fā)生溢流等復(fù)雜情況

在鶯瓊盆地超高壓井地層中，由于壓力窗口較窄，為保證井下安全，鉆井液密度安全附加量往往較小，這樣可以減少井漏風(fēng)險。但另一方面，較小的附加量增加了井控風(fēng)險，一旦作業(yè)中操作不當(dāng)，就會引起壓力失衡，出現(xiàn)溢流現(xiàn)象[4]。

經(jīng)過鉆井取心后，儲層厚度裸露更多。如未壓穩(wěn)，井底壓力小于地層孔隙壓力，則以壓差方式侵入井筒的地層流體量更多，更容易發(fā)生溢流。

所以，在取心作業(yè)后，需要采取措施以控制井底壓力平穩(wěn)，鉆進(jìn)和起下鉆期間加強溢流觀察，確保鉆進(jìn)、起下鉆等作業(yè)期間的井控安全。

2.3 超高壓井段取心作業(yè)期間，容易發(fā)生井漏等復(fù)雜情況

由于壓力窗口窄，井漏是超高壓井段鉆井作業(yè)中常見的井下復(fù)雜情況，在取心作業(yè)中也是容易發(fā)生井漏的。取心鉆具中無井底壓力監(jiān)測傳感器，無法獲知實時的真實的ECD 值（井底當(dāng)量密度值），保持ECD 值恒定的難度大大增加，由此加大了井漏風(fēng)險。

在取心過程，要預(yù)防井漏發(fā)生，要做好井漏處理的準(zhǔn)備；也要保證取心筒工具不影響堵漏材料通過，不致于發(fā)生局部堵塞。

3 采取技術(shù)措施

3.1 改進(jìn)取心筒

（1）采取免投球式結(jié)構(gòu)，取心前無需投球[5-6]，可以消除由于排量小導(dǎo)致球不能泵送到位的問題；割心后具備開泵循環(huán)、開泵起鉆條件。

（2）耐高溫改進(jìn)。工具內(nèi)部均不帶有橡膠件，配件全部耐超高溫（＞200 ℃），滿足抗高溫的需求。

（3）防漏堵漏改進(jìn)。內(nèi)外筒環(huán)空間隙大，內(nèi)外筒環(huán)空間隙單側(cè)7.5 mm，不對堵漏材料的使用造成限制。

(4)優(yōu)選卡箍巖心爪，割心更有保證；鋼質(zhì)內(nèi)筒，不使用鋁合金襯筒或內(nèi)筒保形，有利于鉆壓傳遞到鉆頭。

改進(jìn)后的取心筒，更適合超高溫高壓井段的取心作業(yè)。

3.2 取心鉆具組合

（1）優(yōu)選取心鉆頭。優(yōu)選出新速通產(chǎn)的SCS306、勝利產(chǎn)的SCM306 等PDC 取心鉆頭，適合HL 組二段地層的取心鉆進(jìn)，預(yù)計取心機械鉆速在1～5 m/h。

（2）鉆具中帶入耐高溫液壓震擊器，可有效處理卡鉆。

3.3 取心鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選

（1）優(yōu)選超高壓井段的取心參數(shù)，其中鉆壓3～7 t，轉(zhuǎn)速50～60 rpm（轉(zhuǎn)/分）。

（2）超高壓井段的取心參數(shù)中排量明顯要比常規(guī)井小。這是出于防漏考慮，取心排量大，環(huán)空壓耗就大，井底鉆井液當(dāng)量密度就大，而超高壓井段壓力窗口窄，鉆井液密度大，排量大就容易漏失。一般在212.7～215.9 mm 超高壓井段，取心排量推薦8～10 L/s[7]；如壓力窗口較大，可以適當(dāng)放大取心排量。

3.4 取心井控措施

（1）取心前調(diào)整好鉆井液密度，保證起下鉆井控安全。長起鉆前要做個短程起下鉆，時間不少于6 h；短起到某個深度后可以安排靜止觀察，觀察環(huán)空液面是否穩(wěn)定；下鉆到底后循環(huán)測后效氣測值，并計算油氣上竄速度，計算起下鉆安全作業(yè)時間[8]。

（2）起鉆均要控制鉆具上提速度，以減輕抽汲效應(yīng)，減少可能的地層流體侵入量。從井底開始1 000～2 000 m 起鉆一般控制在0.1～0.3 m/s。可以開泵起鉆，開小排量即可，增加環(huán)空壓耗，從而增加井底壓力，減少地層流體侵入量。

（3）備好平臺加重材料存量，海上守護(hù)的輔助船要有加重材料儲備。平臺上消耗加重材料后要及時補充。一般在超高壓井段平臺儲備150 t 以上精細(xì)重晶石。精細(xì)重晶石與常規(guī)重晶石相比，前者的鉆井液流變性更好，所以在超高壓井中普遍使用精細(xì)重晶石。

（4）3 個位置的靜止觀察：起鉆前（鉆頭在井底）、鉆頭進(jìn)套管后、鉆鋌過防噴器前。如有疑問，要查明原因，并消除疑問，不得輕易放過疑問直接進(jìn)入下一步作業(yè)。

（5）起鉆隨時灌漿，返漿進(jìn)計量罐，并對比灌漿量與金屬置換量的差值。起下鉆過程，全程啟動錄井脫氣器，監(jiān)測并記錄氣測值。

（6）鉆具組合中使用浮閥（裝入高溫閥芯）、投入式止回閥，起到防噴功能。浮閥推薦使用劍型閥芯，避免閥芯脫落導(dǎo)致失效。投入式止回閥盡量靠近鉆頭，一般安裝在加重鉆桿之間；投入式止回閥的閥芯放在鉆臺司鉆房，方便投入使用。

（7）取心前至少循環(huán)一個遲到時間，等氣測值降下來后才可進(jìn)行取心作業(yè)。

（8）開泵割心，割心后開泵起鉆。

（9）不在鉆臺出心，取心筒出井口后盡快下入鉆具，避免空井。

（10）發(fā)現(xiàn)溢流，進(jìn)入關(guān)井程序；疑似溢流，關(guān)井觀察。鉆進(jìn)期間發(fā)生溢流，停止取心鉆進(jìn)，轉(zhuǎn)入井控關(guān)井程序。

（11）取心期間避免動平臺吊車、不調(diào)船，避免因這些操作導(dǎo)致出口流量和泥漿池體積變化，影響溢流觀察和判斷。

3.5 取心井漏預(yù)防措施

井漏預(yù)防為主，處理為輔[9]。

（1）下鉆要控制鉆具下放速度，以減輕激動壓力，避免壓漏地層。一般下鉆至距離儲層頂部深度2 000～1 000 m 后，開始控制下鉆速度在0.3～0.1 m/s 范圍。

（2）要求取心鉆進(jìn)操作精細(xì)化，避免參數(shù)大起大落。

（3）按臺階式開泵法開泵[10]。方法如下：小排量打通；見返出后提高排量，每次提高排量幅度1～3 spm（沖/分）；然后觀察泵壓、返出等情況，正常返出、泵壓平穩(wěn)后再繼續(xù)提高排量，直至預(yù)定的排量。這樣開泵，每次時間在10～15 min，比常規(guī)井開泵時間明顯長，但有效避免憋漏地層。圖1是實際的臺階式開泵過程。

圖1 臺階式開泵Fig.1 Stepped pump startup

（4）摸清地層的承壓能力和壓力窗口等情況。

（5）發(fā)現(xiàn)井漏征兆，停止取心，轉(zhuǎn)入井漏處理。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

（1）鉆具組合

鉆具組合：8-3/8″取心鉆頭+7″扶正器+6-3/4″取心筒+7″扶正器+取心筒上接頭+浮閥（高溫閥芯）+1 根6-1/2″鉆鋌+8-1/8″倒劃眼扶正器+8 根6-1/2″鉆鋌+6-1/2″液壓震擊器（帶撓性接頭）+配合接頭+14 根5-1/2″加重鉆桿+配合接頭+投入式止回閥+配合接頭+5-1/2″鉆桿。

（2）取心鉆進(jìn)參數(shù)

參數(shù)：鉆壓3～7 t，轉(zhuǎn)速50 rpm，排量9.2 L/s，泵壓700～720 psi。

取心過程操作得當(dāng)，鉆進(jìn)參數(shù)比較平穩(wěn)。

（3）取心期間井控、防漏情況

取心鉆具組合下鉆至出套管前，循環(huán)一次；下鉆到井底后再循環(huán)一次，通過循環(huán)降低氣測值在0.5%以下。循環(huán)后再進(jìn)行取心鉆進(jìn)；采用了優(yōu)化后的取心鉆進(jìn)參數(shù)。

開泵割心，排量8 L/s，割心超拉3 t。

開泵起鉆，排量8 L/s，鉆具上提速度控制在0.1 m/s 以內(nèi)，以這種方式起鉆至2 500 m（距離高壓儲層頂部深度約1 660 m），之后直起。起鉆過程灌漿正常。

起鉆完后，立即下入正常鉆進(jìn)組合，不空井。

作業(yè)過程沒發(fā)生溢流、井漏等復(fù)雜情況，井控作業(yè)正常。

（4）取心情況

取心井段4 165～4 174.27 m，取心進(jìn)尺9.27 m，巖心長9.27 m，取心收獲率100%，在超高溫高壓井段取心獲得圓滿成功。

5 結(jié)論與建議

（1）在海上超高溫高壓井段（溫度、壓力雙高）進(jìn)行取心作業(yè)，沒有先例，這次作業(yè)成功創(chuàng)下了取心的溫度和壓力的新記錄，取心作業(yè)時鉆井液密度2.30 g/cm3也是前所未有的。

（2）在南海海域鶯歌海盆地超高溫高壓井段取心，作業(yè)關(guān)鍵在于取心筒的改進(jìn)、井控措施和防漏措施。

（3）在本次成功取心的基礎(chǔ)上，建議嘗試雙筒取心，一趟鉆就能取得更長的巖心，有利于儲層地質(zhì)研究。