高温高压钻完井技术进展

12009钻井科技进展系列报道之一高温高压钻完井技术进展中国石油经济技术研究院主编：李万平副主编：郭晓霞技术顾问：汪海阁目录一、高温高压井的分类.....................................1二、高温高压井的分布.....................................2三、高温高压井的钻完井难题...............................31.设计与工艺.........................................................................................................................32.装备与工具.........................................................................................................................33.井控与安全.........................................................................................................................34.钻速与非生产时间.............................................................................................................3四、高温高压钻完井技术新进展.............................31.井下工具耐高温高压能力不断提高...................................................................................42.金属密封解决HPHT环境密封难题...................................................................................53．新型高温钻井液应用挑战温度极限.................................................................................64.固井技术进步保障井眼封固质量.....................................................................................71高温高压钻完井技术进展随着油气勘探开发难度的逐渐增大，深井、复杂结构井、高温高压井、海上及恶劣环境下油气井的钻井问题明显增多。其中高温高压油气藏勘探开发面临的钻井问题包括了油井的设计、工艺、工具、设备、井控、安全等一系列问题。因此，不断研究并解决高温高压钻井问题，是近年世界油气工业重点关注的一个问题。一、高温高压井的分类目前，高温高压井并没有形成一个全球统一的分类标准，现有的分类体系主要是贝克休斯公司、斯伦贝谢公司及英国健康和安全委员会的分类体系。斯伦贝谢公司的基本分类体系如图1所示：高温高压（HPHT）井是以普通橡胶密封性能来界定的，指井底温度高于150℃、井底压力高于70MPa的井。超高温高压（UHPHT）井以电子元件作业极限为界定标准，定义为井底温度高于205℃、井底压力高于140MPa的井。极高温高压（XHPHT）井是最为极限的环境，定义为井底温度高于260℃、井底压力高于240MPa的井。240MPa的高压在近期的钻井作业中不大可能出现。然而，对于地热井和热采井来说，井底温度已经超过260℃。图1斯伦贝谢高温高压井分类体系70MPa140MPa240MPa井底压力，psi井底温度，℉2二、高温高压井的分布全世界高温高压井的数量呈现逐渐增加的趋势。根据WellingandCompany公司2008年对海洋钻井的一项调查显示，未来3～5年内，海洋钻井中超过11%的井，井底温度将高于175℃，近26%的井，井底压力介于70~100MPa，5%的井预测井底压力高于100MPa。目前，虽然多数高温高压钻井作业归为普通高温高压（HPHT）井范畴，但在滩海、深水等新兴作业区，如墨西哥湾、北海等地区多数井的垂深已经超过9000m，地层压力超过140MPa，地层温度超过200℃，已达到超高温高压钻井的水平。极限高温高压作业区是大陆架及陆上深部气藏，主要分布于埃及、印度尼西亚、俄罗斯、委内瑞拉、墨西哥和美国（图2）。在我国陆上的塔里木大北气田、四川的龙岗气田和龙门山气田、大庆的徐深气田、吉林的长岭气田、大港的深层潜山油气田、海洋的南海莺琼盆地等都存在着不同程度的高温、高压环境下的钻井与完井问题。目前我国已经有一些井底温度超过200℃（南海莺琼盆地、松辽深层5500米以上深井等）、井底压力超过130Mpa（塔里木大北气田、四川龙门山气田等）的超高温井和超高压井。图2世界HPHT井的分布情况3三、高温高压井的钻完井难题高温高压钻井具有难度大、风险高、复杂情况多等特点，这些难题在钻井的设计与工艺、装备与工具、井控与安全、钻速与非生产时间等方面均有所体现。1.设计与工艺高温高压钻井的工程设计首先面临的问题是地层孔隙压力接近破裂压力造成的窄密度窗口问题，增加了钻井液设计和ECD控制的难度。其次，高温环境会对钻井液的中粘土和处理剂产生影响，并可能引起的钻井液性能变化。另外，管柱的强度与耐腐蚀性、如何避免油气层损害、如何有效防止气窜、设计具有高强度和长期完整性的水泥浆体系都是高温高压钻井设计与施工过程中不可忽视的问题。2.装备与工具高温高压对钻井工具的影响主要体现在两个方面。一方面，高温高压对马达、旋转导向系统、随钻测量系统等井下工具中脆弱的传感器以及电子元件产生很大的影响，最终导致工具的使用寿命缩短。另一方面，高温下橡胶密封件易受腐蚀或分解，造成钻完井工具的密封失效。3.井控与安全高压油气井与常规井相比，具有高得多的钻井作业风险。由于地层压力掌握不准确或钻井液密度配置不合适，钻井过程中极易出现井涌，甚至发生井喷，因此早期井涌检测以及井控工具和井控方案的选择至关重要。4.钻速与非生产时间在高温高压地层钻井，钻速远远低于常规钻井，只有常规钻速的1/10，其主要原因是频繁出现的卡钻和钻柱断裂事故以及测井工具等井下工具和钻头的失效大大增加了起下钻次数，从而占用了更多的钻机时间，造成大量的非生产时间。另外，由于缺乏在极高温高压地层的钻井经验，操作方案往往不能达到最优，对高温钻井液和高温管柱处理不当也容易引发安全事故，造成非生产时间。四、高温高压钻完井技术新进展针对高温高压钻井作业，政府、行业研究机构和石油公司开展了一系列钻井技术及工具的研发。美国能源部自2002年起，斥资4500万美元开展深井攻关（DeepTrek）项目，其中针对深井高温高压问题，设立了固井水泥、耐高温高4压电子元件、井下发电组件等一系列研究课题。挪威Rogaland研究院从20世纪90年代开始从事高温高压钻井的研究，建立高温高压流体实验室，并设立了一系列联合研发项目。美国自动化工程协会进行高温高压技术研发，开发适于井下250～300℃的高温电子元件。公司方面，BP与专业公司联合开展关键井设计和钻井技术研究，包括材料的测试与评定、高载荷试验设备以及耐高温电子元件。道达尔与哈里伯顿公司联合进行耐高温高压电子元件的研究，开发出耐温耐压性能优异的旋转导向系统。贝克休斯公司的研究涉及到封隔系统、地面控制、井底安全阀以及金属密封技术。斯伦贝谢公司研发的领域更为宽泛，从钻井工具、钻井液到固井技术，形成了针对高温高压作业的系列服务，并不断完善和升级。1.井下工具耐高温高压能力不断提高设计制造具有耐高温高压能力的旋转导向系统和随钻工具是多家公司技术攻关的重点。高温井下工具的主要问题是电子元件的耐高温能力。据美国海洋杂志2006年的一项调查显示，市场上239种MWD/LWD工具中，耐高温能力超过175℃的只有23种。为了延长井下工具高温环境下的寿命，近年来对电子元件技术进行了多项研究和开发。(1)美国能源部开发耐高温高压电子芯片在美国能源部的资助下，Honeywell公司成功开发出4种比邮票还小的电子芯片，作为井下传感器或智能工具的标准部件。这种芯片应用了硅绝缘技术，可以承受极度高温高压环境，使高温高压钻井既经济又安全。这4种电子芯片分别是：EEPROM——一种可编程的电可擦只读储存器芯片，在225℃的高温下数据保存超过1000hr，其永久性存储器在电源关闭后仍然可以保留信息。FPGA——一种现场可编程的门阵列芯片，用于接收EEPROM发出的指令。FPGA装有300万个晶体管，具有可编程的逻辑功能和32000个用户自定义的逻辑门，需要时可以实现现场重新编程。OpAmp——一种信号放大器，用于放大并调节从井下接收到的低能级信号，可在-50～375℃温度范围内运行，300℃高温下试验工作时间超过1000hr。ADC——一种18位模-数转换器，拥有高于现有技术16倍的分辨率，可将持续变化的电压转化为二进制的数字信号。目前，Honeywell公司正在与美国能源部研究将FPGA与EEPROM组合到一起，通过定制来满足不同工具的需求。5（2）道达尔与哈里伯顿联合研发超高温高压传感器为了提升钻井系统在高温高压环境下的作业能力，2008年道达尔公司与哈里伯顿公司协议联合研发系列超高温高压传感器，目前已开发出耐温175℃、耐压175MPa的Prometheus系列传感器。仅2008年，这些测井传感器就在井深超过10675m的高温井或热采井中累积应用超过600次。以此为基础研发的指向式旋转导向系统可以在175℃高温和206MPa高压下工作，非工作状态下耐温高达200℃。此旋转导向系统已经在英国北海高温油田成功应用。哈里伯顿公司将装备有方位岩性密度传感器、补偿热中子传感器、电阻率传感器和双模声波传感器的耐高温高压四组合随钻测井装置与旋转导向工具相结合，成功进行钻井导向，作业温度达到152℃，并配以改进型马达，机械钻速比普通旋转导向系统提高了33%。（3）利用隔热和散热技术解决超高温问题在为道达尔公司北海的Victoria气田设计开发方案的过程中，哈里伯顿的工程师遇到了前所未有的极限环境的挑战。这个将于2010年投入开发的气田是典型的超高温高压气田，要求所使用的LWD/MWD工具能够承受230℃的作业温度和200MPa的压力。哈里伯顿正在研发适用于这种极端环境的方向探头、随钻压力测量传感器和伽马传感器，目标是在250℃的高温下能够连续作业14天。由于市场上没有任何一种技术允许LWD/MWD电子元件在如此高的温度下工作，哈里伯顿的科学家和工程师试图利用隔热和散热技术解决这一难题。由井下冷却系统、散热板以及隔热筒组成高温隔热和散热系统，并进行评估与试验。散热板类似于个人电脑所用的散热金属板，附近安装有大量的电子元件，以便将产生的热量及时导出。隔热筒是一个特殊的容器，内部真空或充入低密度气体，用以隔离筒外高温对电子元件的伤害。就像已经在电缆测井中应用的一样，这种隔热技术起到了较好的效果。另外，哈里伯顿正在研发一种变频技术，利用井下涡轮发电冷却装置通过一种特殊可膨胀液体来降低环境温度。这种方法一旦试验成功，将大大延长电子元件的使用寿命。2.金属密封解决HPHT环境密封难题服务公司及装备制造公司为解决高温环境下的密封问题进行了多年的努力，6最近研发的金属密封技术为解决高温高压钻井工具及装备的密封问题提供了有效的解决方案。贝克休斯公司与Zertech技术有限公司开发的Z-密封技术是新型的高膨胀金属-金属密封技术，膨胀时金属密封件膨胀接触管壁，达到密封的要求，膨胀率可达到160％，并可回收。Z-密封可用于温度为200℃、压力为70MPa的高温高压环境，可完