高溫高壓鉆井具有難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、復(fù)雜情況多等特點(diǎn)，這些難題在鉆井的設(shè)計(jì)與工藝、裝備與工具、井控與安全、鉆速與非生產(chǎn)時(shí)間等方面均有所體現(xiàn)。

 

    1. 設(shè)計(jì)與工藝  高溫高壓鉆井的工程設(shè)計(jì)首先面臨的問(wèn)題是地層孔隙壓力接近破裂壓力造成的窄密度窗口問(wèn)題，增加了鉆井液設(shè)計(jì)和ECD控制的難度。其次，高溫環(huán)境會(huì)對(duì)鉆井液的中粘土和處理劑產(chǎn)生影響，并可能引起的鉆井液性能變化。另外，管柱的強(qiáng)度與耐腐蝕性、如何避免油氣層損害、如何有效防止氣竄、設(shè)計(jì)具有高強(qiáng)度和長(zhǎng)期完整性的水泥漿體系都是高溫高壓鉆井設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中不可忽視的問(wèn)題。

 

    2. 裝備與工具  高溫高壓對(duì)鉆井工具的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，高溫高壓對(duì)馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)等井下工具中脆弱的傳感器以及電子元件產(chǎn)生很大的影響，最終導(dǎo)致工具的使用壽命縮短。另一方面，高溫下橡膠密封件易受腐蝕或分解，造成鉆完井工具的密封失效。

 

    3. 井控與安全  高壓油氣井與常規(guī)井相比，具有高得多的鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。由于地層壓力掌握不準(zhǔn)確或鉆井液密度配置不合適，鉆井過(guò)程中極易出現(xiàn)井涌，甚至發(fā)生井噴，因此早期井涌檢測(cè)以及井控工具和井控方案的選擇至關(guān)重要。

 

    4. 鉆速與非生產(chǎn)時(shí)間  在高溫高壓地層鉆井，鉆速遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)鉆井，只有常規(guī)鉆速的1/10，其主要原因是頻繁出現(xiàn)的卡鉆和鉆柱斷裂事故以及測(cè)井工具等井下工具和鉆頭的失效大大增加了起下鉆次數(shù)，從而占用了更多的鉆機(jī)時(shí)間，造成大量的非生產(chǎn)時(shí)間。另外，由于缺乏在極高溫高壓地層的鉆井經(jīng)驗(yàn)，操作方案往往不能達(dá)到最優(yōu)，對(duì)高溫鉆井液和高溫管柱處理不當(dāng)也容易引發(fā)安全事故，造成非生產(chǎn)時(shí)間。

 

    高溫高壓鉆完井技術(shù)新進(jìn)展

 

    針對(duì)高溫高壓鉆井作業(yè)，政府、行業(yè)研究機(jī)構(gòu)和石油公司開(kāi)展了一系列鉆井技術(shù)及工具的研發(fā)。美國(guó)能源部自2002年起，斥資4500萬(wàn)美元開(kāi)展深井攻關(guān)（Deep Trek）項(xiàng)目，其中針對(duì)深井高溫高壓?jiǎn)栴}，設(shè)立了固井水泥、耐高溫高壓電子元件、井下發(fā)電組件等一系列研究課題。挪威Rogaland研究院從20世紀(jì)90年代開(kāi)始從事高溫高壓鉆井的研究，建立高溫高壓流體實(shí)驗(yàn)室，并設(shè)立了一系列聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目。美國(guó)自動(dòng)化工程協(xié)會(huì)進(jìn)行高溫高壓技術(shù)研發(fā)，開(kāi)發(fā)適于井下250～300℃的高溫電子元件。

 

    公司方面，BP與專業(yè)公司聯(lián)合開(kāi)展關(guān)鍵井設(shè)計(jì)和鉆井技術(shù)研究，包括材料的測(cè)試與評(píng)定、高載荷試驗(yàn)設(shè)備以及耐高溫電子元件。道達(dá)爾與哈里伯頓公司聯(lián)合進(jìn)行耐高溫高壓電子元件的研究，開(kāi)發(fā)出耐溫耐壓性能優(yōu)異的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。貝克休斯公司的研究涉及到封隔系統(tǒng)、地面控制、井底安全閥以及金屬密封技術(shù)。斯倫貝謝公司研發(fā)的領(lǐng)域更為寬泛，從鉆井工具、鉆井液到固井技術(shù)，形成了針對(duì)高溫高壓作業(yè)的系列服務(wù)，并不斷完善和升級(jí)。

 

    1.井下工具耐高溫高壓能力不斷提高  設(shè)計(jì)制造具有耐高溫高壓能力的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和隨鉆工具是多家公司技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。高溫井下工具的主要問(wèn)題是電子元件的耐高溫能力。據(jù)美國(guó)海洋雜志2006年的一項(xiàng)調(diào)查顯示，市場(chǎng)上239種MWD/LWD工具中，耐高溫能力超過(guò)175℃的只有23種。為了延長(zhǎng)井下工具高溫環(huán)境下的壽命，近年來(lái)對(duì)電子元件技術(shù)進(jìn)行了多項(xiàng)研究和開(kāi)發(fā)。

 

    (1) 美國(guó)能源部開(kāi)發(fā)耐高溫高壓電子芯片  在美國(guó)能源部的資助下，Honeywell公司成功開(kāi)發(fā)出4種比郵票還小的電子芯片，作為井下傳感器或智能工具的標(biāo)準(zhǔn)部件。這種芯片應(yīng)用了硅絕緣技術(shù)，可以承受極度高溫高壓環(huán)境，使高溫高壓鉆井既經(jīng)濟(jì)又安全。

 

    這4種電子芯片分別是：EEPROM——一種可編程的電可擦只讀儲(chǔ)存器芯片，在225℃的高溫下數(shù)據(jù)保存超過(guò)1000hr，其永久性存儲(chǔ)器在電源關(guān)閉后仍然可以保留信息。FPGA——一種現(xiàn)場(chǎng)可編程的門陣列芯片，用于接收EEPROM發(fā)出的指令。FPGA裝有300萬(wàn)個(gè)晶體管，具有可編程的邏輯功能和32000個(gè)用戶自定義的邏輯門，需要時(shí)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)重新編程。OpAmp——一種信號(hào)放大器，用于放大并調(diào)節(jié)從井下接收到的低能級(jí)信號(hào)，可在-50～375℃溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，300℃高溫下試驗(yàn)工作時(shí)間超過(guò)1000hr。ADC——一種18位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，擁有高于現(xiàn)有技術(shù)16倍的分辨率，可將持續(xù)變化的電壓轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)。  目前，Honeywell公司正在與美國(guó)能源部研究將FPGA與EEPROM組合到一起，通過(guò)定制來(lái)滿足不同工具的需求。

 

    （2）道達(dá)爾與哈里伯頓聯(lián)合研發(fā)超高溫高壓傳感器

 

    為了提升鉆井系統(tǒng)在高溫高壓環(huán)境下的作業(yè)能力，2008年道達(dá)爾公司與哈里伯頓公司協(xié)議聯(lián)合研發(fā)系列超高溫高壓傳感器，目前已開(kāi)發(fā)出耐溫175℃、耐壓175MPa的Prometheus系列傳感器。僅2008年，這些測(cè)井傳感器就在井深超過(guò)10675m的高溫井或熱采井中累積應(yīng)用超過(guò)600次。

 

    以此為基礎(chǔ)研發(fā)的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)可以在175℃高溫和206MPa高壓下工作，非工作狀態(tài)下耐溫高達(dá)200℃。此旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)已經(jīng)在英國(guó)北海高溫油田成功應(yīng)用。

 

    哈里伯頓公司將裝備有方位巖性密度傳感器、補(bǔ)償熱中子傳感器、電阻率傳感器和雙模聲波傳感器的耐高溫高壓四組合隨鉆測(cè)井裝置與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具相結(jié)合，成功進(jìn)行鉆井導(dǎo)向，作業(yè)溫度達(dá)到152℃，并配以改進(jìn)型馬達(dá)，機(jī)械鉆速比普通旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)提高了33%。

 

    （3）利用隔熱和散熱技術(shù)解決超高溫問(wèn)題

 

    在為道達(dá)爾公司北海的Victoria氣田設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方案的過(guò)程中，哈里伯頓的工程師遇到了前所未有的極限環(huán)境的挑戰(zhàn)。這個(gè)將于2010年投入開(kāi)發(fā)的氣田是典型的超高溫高壓氣田，要求所使用的LWD/MWD工具能夠承受230℃的作業(yè)溫度和200MPa的壓力。哈里伯頓正在研發(fā)適用于這種極端環(huán)境的方向探頭、隨鉆壓力測(cè)量傳感器和伽馬傳感器，目標(biāo)是在250℃的高溫下能夠連續(xù)作業(yè)14天。

 

    由于市場(chǎng)上沒(méi)有任何一種技術(shù)允許LWD/MWD電子元件在如此高的溫度下工作，哈里伯頓的科學(xué)家和工程師試圖利用隔熱和散熱技術(shù)解決這一難題。由井下冷卻系統(tǒng)、散熱板以及隔熱筒組成高溫隔熱和散熱系統(tǒng)，并進(jìn)行評(píng)估與試驗(yàn)。散熱板類似于個(gè)人電腦所用的散熱金屬板，附近安裝有大量的電子元件，以便將產(chǎn)生的熱量及時(shí)導(dǎo)出。隔熱筒是一個(gè)特殊的容器，內(nèi)部真空或充入低密度氣體，用以隔離筒外高溫對(duì)電子元件的傷害。就像已經(jīng)在電纜測(cè)井中應(yīng)用的一樣，這種隔熱技術(shù)起到了較好的效果。

 

    另外，哈里伯頓正在研發(fā)一種變頻技術(shù)，利用井下渦輪發(fā)電冷卻裝置通過(guò)一種特殊可膨脹液體來(lái)降低環(huán)境溫度。這種方法一旦試驗(yàn)成功，將大大延長(zhǎng)電子元件的使用壽命。

 

    金屬密封解決HPHT環(huán)境密封難題  服務(wù)公司及裝備制造公司為解決高溫環(huán)境下的密封問(wèn)題進(jìn)行了多年的努力，最近研發(fā)的金屬密封技術(shù)為解決高溫高壓鉆井工具及裝備的密封問(wèn)題提供了有效的解決方案。

 

    貝克休斯公司與Zertech技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的Z-密封技術(shù)是新型的高膨脹金屬-金屬密封技術(shù)，膨脹時(shí)金屬密封件膨脹接觸管壁，達(dá)到密封的要求，膨脹率可達(dá)到160％，并可回收。Z-密封可用于溫度為200℃、壓力為70MPa的高溫高壓環(huán)境，可完全代替封隔器、橋塞、尾管懸掛器等井下設(shè)備中的橡膠密封，消除氣化減壓、高溫老化、化學(xué)反應(yīng)、壓力循環(huán)動(dòng)態(tài)疲勞等多種因素對(duì)密封的影響。Z-密封技術(shù)一經(jīng)推出就獲得石油界的廣泛認(rèn)可，并獲得海洋技術(shù)會(huì)議聚焦新技術(shù)獎(jiǎng)和世界石油雜志評(píng)出的最佳完井技術(shù)獎(jiǎng)兩項(xiàng)大獎(jiǎng)。

 

    以Z-密封技術(shù)為基礎(chǔ)，休斯克里斯坦森公司制造的金屬密封圈，代替原有的橡膠密封圈，安裝在SEM II軸承組上，其密封性能提高了20%。目前Z-密封技術(shù)已經(jīng)推廣應(yīng)用到MXL鉆頭與Vanguard系列鉆頭中，并在墨西哥灣應(yīng)用一只MXL鉆頭，實(shí)現(xiàn)了2～3只標(biāo)準(zhǔn)鋼齒鉆頭的鉆進(jìn)進(jìn)尺，顯著提高了機(jī)械鉆速，減少了起下鉆次數(shù)。Vanguard系列鉆頭適于地?zé)徙@井，最高耐溫能力達(dá)到260℃。 3．新型高溫鉆井液應(yīng)用挑戰(zhàn)溫度極限  隨著油氣勘探和開(kāi)發(fā)作業(yè)的逐漸深入，深井及超深井的數(shù)量大幅度增加，更加凸顯出高溫高壓條件下窄密度窗口的鉆井安全問(wèn)題。研究和開(kāi)發(fā)性能穩(wěn)定有利于保護(hù)油氣層的高溫鉆井液體系，是眾多公司追求的一致目標(biāo)。

 

    （1） 甲酸鹽鉆井液綜合經(jīng)濟(jì)效益良好

 

    20世紀(jì)80年代初期，殼牌公司開(kāi)始研究甲酸鹽鉆井液，部分井采用較低密度的甲酸鹽鉆井液，取得了較好的鉆井效果。但由于成本高，貨源窄，使甲酸鹽鉆井液的應(yīng)用受到限制。90年代中末期，隨著人們對(duì)甲酸鹽鉆井液認(rèn)識(shí)的不斷深化，其有效降低油氣層損害、減少井下復(fù)雜情況發(fā)生、提高鉆井速度、縮短鉆井周期等優(yōu)良特性，部分抵消了人們對(duì)甲酸鹽鉆井液較高成本的畏懼，其鉆井綜合經(jīng)濟(jì)效益是可以接受的。尤其是甲酸鹽鉆井液回收再利用技術(shù)的開(kāi)發(fā)成功，使得這項(xiàng)技術(shù)在20世紀(jì)90年代末期得以推廣應(yīng)用。

 

    甲酸鹽鉆井液代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鹽水鉆井液用于HPHT鉆井，有效降低了常規(guī)鹽水鉆井液體系在高溫下對(duì)鋼制管材的腐蝕。甲酸鹽完全溶于水，可用于制造逆乳化鉆井液或密度高達(dá)2.37g/cm3的無(wú)固相鉆井液，而不需要加重劑，從而提高機(jī)械鉆速，改善泥漿的流變性。甲酸鹽的水敏性低，通過(guò)滲透效應(yīng)可以減少粘土的水化作用，提高井眼的穩(wěn)定性。

 

    挪威Statoil公司自2001年以來(lái)在北海57口HPHT井中，其中包括13口大斜度高溫高壓井中成功地使用了銫甲酸鹽水鉆井液。在壓力高達(dá)80.7MPa、溫度高達(dá)155℃的氣藏中（存在大段頁(yè)巖互層），未發(fā)生任何井控事故，固控作業(yè)非常成功，鉆井液循環(huán)使用良好。另外用這種鉆井液打的井的產(chǎn)量高，表皮系數(shù)較小。在所有的作業(yè)過(guò)程中低ECD是一個(gè)顯著的特征。

 

    （2）用于陸上和超深水生態(tài)敏感區(qū)的新型耐高溫高壓水基鉆井液

 

    過(guò)去，逆乳化鉆井液是高溫高壓鉆井的首選鉆井液。但在歐洲以及越來(lái)越多的作業(yè)區(qū)，受到環(huán)保要求的影響，需要考慮一種無(wú)油、無(wú)鉻或非柴油基的鉆井液，這種情況下水基鉆井液成為作業(yè)的首選。但在深井高溫環(huán)境中，水基泥漿往往會(huì)發(fā)生增稠或膠凝、甚至固化，導(dǎo)致鉆井液流變性失控，嚴(yán)重影響深井鉆井的安全與效率。

 

    設(shè)計(jì)一種新的高溫高壓環(huán)境使用的水基鉆井液需要滿足許多要求。首先，鉆井液體系必須穩(wěn)定、不易降解，同時(shí)抗漏失。其次，鉆井液體系必須保證在密度大于1.9g/cm3、溫度高于260℃的情況下達(dá)到無(wú)污染的標(biāo)準(zhǔn)。另外，鉆井液體系還必須能夠抵抗CO2與H2S的影響。

 

    在200~210℃的環(huán)境下對(duì)傳統(tǒng)配方的無(wú)鉻泥漿體系進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，在如此高溫下，該泥漿體系無(wú)法解決高溫高壓環(huán)境下的鉆井液漏失問(wèn)題。因此，有效抑制粘土的高溫分散作用，在有效加量范圍內(nèi)添加降濾失劑，保持高密度鉆井液的流變性，是配置高溫鉆井液的關(guān)鍵。為此，MI-SWACO公司開(kāi)發(fā)出新型鉆井液體系，其成分組成主要有：

 

    z丙烯酰胺共聚物——抑制高溫分散作用、降濾失；z磺化瀝青——改善流變性、降濾失；z水分散性瀝青——控制粘度、抗漏失；鉀基苛性褐煤——改善流變性、降濾失。

 

    此外還含有少量膨潤(rùn)土，幫助建造泥餅以降低漏失。并加入苛性鈉與石灰，以提高抗H2S性能。該鉆井液在匈牙利進(jìn)行了超高溫現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，井溫230℃，鉆時(shí)16hr。

 

    4.固井技術(shù)進(jìn)步保障井眼封固質(zhì)量

 

    波特蘭水泥廣泛用于油氣井的固井，但四個(gè)方面的問(wèn)題限制了其用于高溫油氣井固井：強(qiáng)度隨溫度升高而下降——溫度高于110℃時(shí)，水泥強(qiáng)度降低，在230℃高溫時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低50%左右，溫度越高，強(qiáng)度下降越嚴(yán)重；滲透率隨溫度升高而升高——在常溫下，水泥石的滲透率低于0.1md，但在230℃下，其滲透率為常溫下的10～100倍，引發(fā)滲漏；水泥的收縮問(wèn)題——在高溫下出現(xiàn)收縮，破壞水泥環(huán)的完整性，影響固井質(zhì)量；耐高溫問(wèn)題——雖然可以通過(guò)在普通波特蘭水泥中加入石英砂來(lái)提高水泥的抗溫性能，但在熱采井中的耐久性仍然受到質(zhì)疑。因此，設(shè)計(jì)與研制高溫高壓水泥體系成為高溫高壓井固井的關(guān)鍵。

 

    （1）具有優(yōu)秀封固能力的CemSTONE系列產(chǎn)品

 

    井下環(huán)境的變化會(huì)在固井水泥界面產(chǎn)生應(yīng)力，造成水泥環(huán)損壞。為此，石油界耗費(fèi)大量精力通過(guò)大量建模方法優(yōu)選具有優(yōu)秀機(jī)械持久性的水泥漿設(shè)計(jì)。CemSTONE產(chǎn)品系列中的FlexSTONE和DuraSTONE水泥漿即具有優(yōu)秀的持久性。

 

    FlexSTONE體系使用一種彈性添加劑，增強(qiáng)了固化水泥彈性變形的能力。

 

    還含有一種膨脹助劑防止微滲漏的發(fā)生。彈性添加劑與膨脹助劑之間還有一種相互促進(jìn)的作用，由于固化水泥地層具有更好的彈性，因此膨脹后的水泥環(huán)與套管形成更加緊密的密封，最終使套管與水泥環(huán)之間的膠結(jié)質(zhì)量提高。FlexSTONE水泥漿固化后可承受最高250℃的高溫。在北海作業(yè)區(qū)的三口井底溫度達(dá)到193℃的井中使用FlexSTONE耐高溫水泥，水泥環(huán)在兩年多的生產(chǎn)過(guò)程中完整性保持良好。在中東多口溫度高達(dá)250℃的稠油熱采井中，F(xiàn)lexSTONE水泥成功完成層間封隔。

 

    DuraSTONE體系利用粒級(jí)分布和微鋼帶兩項(xiàng)專利技術(shù)來(lái)確保在極惡劣環(huán)境下的井眼完整性。粒級(jí)分布技術(shù)用于降低水泥環(huán)的滲透率并提高抗壓強(qiáng)度，微鋼帶技術(shù)在此基礎(chǔ)上對(duì)固化水泥進(jìn)行再加固。

 

    （2）自愈合固井技術(shù)幫助修復(fù)微裂縫

 

    壓力或溫度的變化會(huì)破壞水泥與地層或套管之間的膠結(jié)，形成微環(huán)空，造成氣竄。斯倫貝謝公司最新研發(fā)的自愈合固井技術(shù)（FUTUR* ）可以自動(dòng)修復(fù)微型環(huán)空、水泥內(nèi)裂縫或其他流道，因此可以防止地層流體沿環(huán)空潛在的泄漏，是可以實(shí)現(xiàn)油氣井層間長(zhǎng)期封隔、并在整個(gè)油井生產(chǎn)周期內(nèi)不發(fā)生氣竄的創(chuàng)新技術(shù)。FUTUR*的目標(biāo)是在固化水泥內(nèi)應(yīng)用一種具有自修復(fù)特性的材料，提供長(zhǎng)期的層間隔離。這項(xiàng)技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注的是水泥環(huán)材料在油氣井中的長(zhǎng)期耐用性，因此在修井作業(yè)中可以省去水泥環(huán)的修復(fù)作業(yè)。

 

    FUTUR*是一種響應(yīng)型材料，也就是說(shuō)修復(fù)作業(yè)是在地下碳?xì)浠衔锝佑|FUTUR*后立即開(kāi)始的。高壓靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)顯示，F(xiàn)UTUR*在30分鐘內(nèi)可以迅速封隔氣流。

 

    FUTUR*是一種正在開(kāi)發(fā)的新材料，已經(jīng)在Stolberg地區(qū)的兩口井中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。兩口井均成功完成了層間封隔作業(yè)，水泥漿注入后，沒(méi)有出現(xiàn)“氣竄”的跡象。隨后進(jìn)行的主井段鉆進(jìn)和以后的增產(chǎn)作業(yè)和完井作業(yè)中均未出現(xiàn)環(huán)流或氣體。