高溫深井鉆井技術研究

代 俊

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江大慶 163413）

1 概述

盡管高溫深井的數(shù)量僅占總井數(shù)的3%左右，但為了獲得更多的可開采儲量，高溫深井的鉆井技術仍受到了廣泛的關注[1-2]。高溫深部油氣藏能否得到有效開發(fā)直接取決于鉆井承包商所擁有的相關鉆井和完井實力。此外，在國際市場的招標流程中也越來越重視鉆井承包商應對高溫深井的服務能力。高溫深井使用的井下工具的可靠性仍然是石油和天然氣行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

目前高溫鉆井活動較為頻繁的區(qū)域包括：美國大陸、加拿大、墨西哥灣、丹麥北海、印度南部、馬來西亞、中國的新疆及大慶等。

其中墨西哥灣地區(qū)主要是海上的深水油氣井和陸上超深氣井，井底壓力超過20000psi，溫度超過150℃；丹麥北海區(qū)塊部分深井的井底溫度高達200℃；泰國灣分布著泰國大陸架上大部分的海上高溫井，井下靜態(tài)溫度最高可達230℃；美國的幾個非常規(guī)盆地也被歸類為高溫區(qū)塊，井下靜態(tài)溫度高達200℃[3-4]。

對于高溫高壓（HTHP），鉆井承包商和石油生產(chǎn)公司通常都有自己的定義。目前國際組織也正在對HPHT 的定義進行標準化，希望可以建立一個總體標準。但目前，高溫高壓的定義在不同地區(qū)有所不同。例如，在泰國灣，超過175℃被定義為高溫，認為20～25kpsi的壓力是高壓的標準，25～30kpsi定義為超高壓，大于30kpsi定義為極限高壓。

井下的高溫高壓環(huán)境會對隨鉆測量儀器（MWD）等含大量電子元器件的設備造成可靠性問題。此外，鉆具在井下高頻振動會進一步影響井下設備的可靠性，而高溫高壓和橫向振動同時發(fā)生時其作用效果更為突出。

高溫高壓井還存在健康、安全和環(huán)境方面的重大風險，操作人員經(jīng)驗不足、井下高溫流體返出地面都會增加高溫高壓井的施工風險。

本文重點介紹了可應用與高溫深井環(huán)境下的井下工具，并解釋了如何提高井下工具的抗溫性，以及在高溫高壓條件下提高鉆井作業(yè)可靠性的相應解決方案。

2 高溫深井鉆井施工的難點及工藝措施

不同的油氣藏具有不同的深度和壓力分布情況。開發(fā)高溫高壓油藏面臨的最大挑戰(zhàn)是惡劣條件下旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（RSS）、隨鉆測量系統(tǒng)（MWD）和隨鉆測井系統(tǒng)（LWD）的可靠性。電子設備暴露在高溫深井條件下，會導致井下工具的可用壽命大幅度降低（尤其是在井下振動過大的情況下）。

高溫高壓井段是深井的最后一段，在該環(huán)境下，地層硬度和壓實度通常很高，因此會出現(xiàn)較為強烈的橫向和軸向扭轉(zhuǎn)以及粘滑振動。在這些條件下，機械鉆速（ROP）遠低于普通井。而隨著機械鉆速的降低，鉆取高溫深井段所需的時間會進一步增加，對高溫工況下使用的工具提出了更高的壽命和可靠性要求，所以需要可靠性更高的工具來完成鉆井施工。

井下設備在高溫井段應用過程涉及的另一個重要參數(shù)是溫度變化率。隨溫度變化率的增高，井下工具的可靠性也會產(chǎn)生額外的負面影響。為了盡量減少這些負面影響，可以使用特定的井下施工程序：例如可以進行短起，使鉆井液循環(huán)通過管柱，來冷卻鉆具。但短起下作業(yè)會導致非生產(chǎn)時間（NPT）的增加。

經(jīng)驗表明，鉆井工序優(yōu)化對鉆井項目的成功起著重要作用。因此，對整個鉆井施工流程進行仔細規(guī)劃，可以提高高溫深井的鉆井成功率。規(guī)劃過程中需要注意的要點如下：

（1）高溫水平井的井底循環(huán)溫度分布與直井不同，會超過井底靜態(tài)溫度。

（2）流體選擇、井眼尺寸、井底組件零件、鉆頭、液壓裝置和流速都會影響井底循環(huán)溫度，并且會增加或降低井底溫度。

（3）以往專注于提高機械鉆速的優(yōu)化措施，并可能導致更高的井底循環(huán)溫度。

在一些沒有大規(guī)?？碧介_發(fā)高溫深井經(jīng)驗的地區(qū)和國家，應重點關注的相關經(jīng)驗措施如下：

（1）預先建立溫度和壓力模型，以便發(fā)現(xiàn)地層巖石、地層傾角和鉆具組合可能承受的極限溫度和壓力。

（2）對現(xiàn)場服務技術人員進行專業(yè)培訓，以確保他們完全了解如何在高溫深井條件下進行鉆井施工操作。

（3）充分借鑒以往HPHT 井部署中的“經(jīng)驗教訓”，以確保事故不再重復發(fā)生。

（4）入井工具入井前在車間和鉆臺上進行充分測試，以確保工具可以在HTHP環(huán)境下順利運行。（5）在經(jīng)濟和技術可行的情況下使用泥漿冷卻器。（6）嚴格執(zhí)行下井（RIH）和起鉆（POOH）鉆機現(xiàn)場程序，以確保井下工具的使用條件不超過極限。

3 提高旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和隨鉆測量系統(tǒng)的抗溫可靠性方法

在鉆井行業(yè)中，可靠性是指井下故障和非生產(chǎn)時間的減少，可靠性與平均故障間隔時間（MTBF）相關。

3.1 可靠性的定義及設計方法

可以通過制定可靠性計劃來提高井下儀器設備在高溫高壓環(huán)境下的可靠性。一個精心設計和定義的可靠性計劃是基礎，該計劃包括設計、制造和維護產(chǎn)品以達到預期可靠性目標的各個階段。組織相關職能部門持續(xù)地提供技術和服務支持是成功實施的關鍵。具體步驟可以分解如下：

（1）確定可靠性目標。將產(chǎn)品可靠性目標轉(zhuǎn)化為子系統(tǒng)和組件。系統(tǒng)級的可靠性目標表示為平均故障間隔時間或具有置信區(qū)間的故障率。例如，限定系統(tǒng)目標為1000h平均故障間隔時間。

（2）可靠性設計。可靠性設計（DFR）包括所有涉及到的功能（電氣、機械、軟件、固件）和流程（制造、測試和維護）?？煽啃栽O計不是獨立活動，開發(fā)工程師擁有設計的主導權，并在全部設計階段與任務小組合作。各小組共同努力，通過各任務小組的反饋，確?？煽啃栽O計的完成。產(chǎn)品和系統(tǒng)的可靠性必須是“設計的”，而不是“測試的”?？煽啃栽O計集成了最佳設計實踐和標準、系統(tǒng)建模、分析、系統(tǒng)/子系統(tǒng)/組件建模和仿真以及生命周期管理。其中的分析方法包括：系統(tǒng)建模、可靠性框圖、可靠性分配和預測；建模主要是模擬熱、沖擊、振動、壓力、循環(huán)疲勞等工況。

（3）可靠性進度評估。主要通過分析、模型、測試、驗證或?qū)彶閬碓u估進度。分析和模型評估方法是一種書面方法，與構建和測試評估相比其成本較低。進行設計評審是為了評估設計決策是否符合可靠性目標，并降低設計失效的概率。進度評估方法是產(chǎn)品可靠性設計階段任務的擴展。

（4）可靠性驗證。該階段是所有電子和機械系統(tǒng)設計的反饋機制?？煽啃詼y試是按照順序進行應力和使用環(huán)境測試。這個階段分為兩部分，即“阿爾法”和“貝塔”部分?！鞍柗ā辈糠质褂眉铀賶勖囼灒℉ALT）方法對被測器件（DUT）施加環(huán)境應力。該測試可以確定被測試器件的基本極限（FLT）。從而深入了解正在測試的設備的優(yōu)點和缺點，并通過消除已識別的故障來改進設計?！癇eta”部分是在“Alpha”階段確定的基本極限上，進一步進行熱浸/循環(huán)、沖擊、振動和濕度測試，并將測試結果用于設計優(yōu)化。

（5）可靠性保證。該階段用于確保相關實施落實情況，包括供應商管理和全面的出廠測試，如環(huán)境應力篩選（ESS）、加速應力篩查（HASS）和客戶驗收測試（CAT），用以避免或減少工具的缺陷。

3.2 提高井下工具抗溫性的方法

在高溫高壓條件下MWD 和RSS 得以成功使用需要從整體環(huán)節(jié)入手，包括鉆機、司鉆、地面接收（包括遙測和遠程通信）、井底鉆具組合、鉆頭型號和鉆井液性能等各個方面的配合。

（1）提高井下工具的電氣可靠性。電氣設備可靠性差的主要原因是用于設計、生產(chǎn)和測試高溫高壓系統(tǒng)所需的高溫高壓材料不滿足等級需求。與其他行業(yè)相比，鉆井行業(yè)所使用的井下產(chǎn)品和系統(tǒng)需要在高溫環(huán)境長時間運行。能夠達到要求的可靠性材料相對有限。這些材料包括電子元件、印刷電路板、焊料、密封件、油、膠水、環(huán)氧樹脂和金屬等?？箿匦宰畈畹碾娮釉Q定了整個系統(tǒng)的抗溫極限。其中塑料模塑復合材料內(nèi)部主要是集成電路（IC）和管芯連接材料（如膠水和環(huán)氧樹脂、鍵合線和金屬引線框）。導致其失效的原因是高溫條件下的電化學反應。此外，由于各種材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）的差異，也會對內(nèi)部部件造成物理損壞。主要失效模式為引線鍵合腐蝕、斷裂、鍵合焊盤之間的金屬脫離、電遷移、模塑化合物的分層或開裂。因此需要解決制造工藝、熱膨脹、散熱以及沖擊和振動問題，其中最關鍵的是抗溫部件的選擇和連接工藝的加強。

（2）提高井下工具的機械可靠性。深井工況下電子設備最大問題是溫度和振動對印刷電路板組件（PCBA）的綜合影響。鉆井過程中產(chǎn)生的大部分振動和沖擊都會傳遞到電子設備上，這會導致焊點和內(nèi)部部件（如晶體振蕩器和陶瓷電容器）過早失效。因此，PCBA必須與軸環(huán)或框架分離。將單獨封裝的PCBA通過探頭或套環(huán)下壁袋形式安裝到鉆具中。其中探頭安裝是將PCBA緊密地安裝在框架中的適當位置，并由扶正器支撐，通過PCBA 模具上的凸起實現(xiàn)固定，并且能夠在不向部件施加額外力的情況下實現(xiàn)充分的緊固。

（3）提高軟件和固件的可靠性。電子元件測試表明，某些集成電路（IC）的特性參數(shù)隨溫度變化。只要組件穩(wěn)定，參數(shù)變化可以通過固件解決。例如，某些部件在高溫下反應較慢；通過在固件中構建接口，組件可以在高溫下持續(xù)可靠的運行。當外圍集成電路中的內(nèi)部狀態(tài)機處于控制狀態(tài)時，微處理器僅請求從設備執(zhí)行特定任務，在較高的溫度下，狀態(tài)機可能會出現(xiàn)各種問題。了解狀態(tài)圖中的異?？梢越鉀Q固件設計中的問題，從而提高高溫下軟件和固件的可靠性。

4 結論和建議

（1）盡管高溫深井的數(shù)量僅總井數(shù)的3%左右，但為了獲得更多的可開采儲量，高溫深井的鉆井技術仍受到了廣泛的關注。

（2）開發(fā)高溫油藏面臨的最大挑戰(zhàn)是井下的高溫高壓環(huán)境會對隨鉆測量儀器等含大量電子元器件的設備造成影響。井下電子儀器主要使用密封件將內(nèi)部電子設備與外部井筒流體相隔離，從而保護電子設備在復雜環(huán)境中仍可以可靠運行。傳統(tǒng)電子元件的使用溫度通常不超過125℃，遠低于現(xiàn)場對隨鉆測量儀器和旋轉(zhuǎn)導向設備額定溫度的要求。

（3）此外，鉆具在井下的高頻振動會進一步影響井下設備的可靠性，當高溫高壓和橫向振動同時發(fā)生時其作用效果更為突出。

（4）鉆井工序優(yōu)化對項目的成功起著重要作用，通過對整個鉆井施工流程進行仔細規(guī)劃，可以提高高溫深井的鉆井成功率。在一些沒有大規(guī)?？碧介_發(fā)高溫深井經(jīng)驗的地區(qū)和國家，應重點關注人員培訓和相關準備。

（5）通過制定可靠性計劃可以提高井下儀器設備在高溫高壓環(huán)境下的可靠性。