高温高压钻井技术的探索与认识

苗典远，孙长利，初德军，刘英伟，李允智

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津塘沽 300452）

高温高压钻井技术的探索与认识

苗典远，孙长利，初德军，刘英伟，李允智

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津塘沽 300452）

高温高压钻井作业过程中面临诸多的困难和挑战，为了保障高温高压钻井作业的安全、减少复杂情况，提高作业效率，分析了高温高压钻井所面临的主要挑战，结合国内外的成功经验，提出了相应的应对措施。指出了高温高压钻井除面临压高温高压之外，还要克服地层可钻性差、钻井周期长、钻具易发生疲劳破坏、部分地层含硫化氢等酸性气体等对钻井作业所带来的一系列影响；研究认为科学选择钻井装备、钻井工艺和配套技术，加强现场组织管理对高温高压钻井作业的成功至关重要。高温高压钻井技术是一项系统工程，要不断积累经验、做好技术沉淀，完善相关技术标准和规范，为今后高温高压井的作业提供借鉴和参考。

高温高压；井身结构；钻井设备；钻井液；固井

随着石油工业的不断发展，石油勘探开发的难度不断加大，钻井的深度越来越深，高温高压钻井不断的发展起来，各大石油公司开始研究和储备高温高压钻井相关的技术。通常将井底温度大于150 ℃，地层孔隙压力大于68.9 MPa（10 000 psi）的井定义为高温高压井。随着钻遇地层压力和温度的不断提高，部分石油公司将高温高压井的类别分的更细，进一步细分为：高温高压、超高温高压、极高温高压，超高压/高温，极高压/高温等[1]。随着高温高压钻井作业数量的增加，发现的困难也越来越多，相应的钻井工具和配套工艺也逐渐完善，高温高压钻井工具的研发被各大油田技术服务公司作为其技术能力的一个象征。

1 高温高压钻井面临的主要挑战

1.1 高温高压对钻井设备的要求

按照行业标准的要求，高温高压井的井口装置以及防喷器均要选择压力级别至少为15 000 psi（103.4 MPa）的防喷器。防喷器组的配置（数量和类型）、阻流、压井管汇等也都有相应的要求[2]。为了安全起见，通常要求至少配置四个闸板（必须有一个可变径闸板，一个至少可以剪切244.5 mm套管的剪切闸板），双压井双阻流管线，部分作业者还要求配备超级剪切，可以剪切直径为339.725 mm的套管；压井阻流管汇的压力级别也应该和防喷器组的压力级别相匹配。高温高压井的井深普遍在5 000 m以上，井身结构复杂，套管层次多，井眼尺寸大，表层导管的直径通常都可以达到或超过812.8 mm（32 in），下深也较深，因此要求钻机必须配备开孔直径为1 257.3 mm（49.5 in）转盘。钻机能力提升了，泥浆泵和固井泵等配套设备的工作能力也相对较高。如果有些井含有硫化氢，还要安装硫化氢防护及监测装置。大部分海上自升式钻井平台在进行高温高压井钻井作业之前都要根据作业者提出的要求进行升级改造，包括钻井设备、船体、防喷器、钻具以及安全等方面，甚至还会包括钻井液冷却系统。总之，高温高压井对钻井装备、井控设备及其他配套设备的要求都很高。

1.2 钻井液

钻井液体系和性能的优选以及现场维护对一口高温高压井的作业成败起着至关重要的作用。根据高温高压井的定义，温度超过150℃，压力超过10 000 psi，因此高温高压井所使用的钻井液密度也较高，最高的可能会达到2.4 g/cm3，有时候可能会使用钛铁矿粉、四氧化锰、赤铁矿粉等作为加重材料[3-5]，相应钻井液中所含的固相含量也会很高，因此对井下工具的要求也会很高，导致很多常规井下工具不能在高温高压井中使用。根据统计数据来看，大多数高温高压井都含有硫化氢、二氧化碳或者二者同时存在，为了保证井下钻具以及作业的安全，必须维持钻井液的良好性能，所以还必须在钻井液配方中充分考虑这些酸性气体的处理措施，来防止硫化氢等酸性气体的侵入。

由于高温高压井的高投入、高风险，为了提高勘探的成功率，在选择钻井液体系时还要考虑储层保护措施，钻井液添加剂（尤其是加重材料）对目的层的污染等问题不容忽视。使用油基泥浆可以有效的提高钻井液在高温条件下的性能稳定性、润滑性，减少对油气层的污染等问题，但是油基泥浆也存在一些诸如气体的溶解，气体侵入后不能及时发现，以及环保（有些国家和地区禁止使用油基泥浆）等方面的问题。因此在选择钻井液体系时，应充分考虑当地的作业环境、地层特性、井下工具对钻井液的适应能力、作业成本等各方面的要求。

1.3 固井

由于大部分高温高压井的井身结构比较复杂，有时候还会使用非标准的井眼尺寸并配合非标准尺寸的套管，套管与井眼的环空间隙小，同时钻井液密度窗口也比较窄，因此对固井作业提出了很高的要求[6]，水泥浆要具有很好的流变性、防气窜性、堵漏能力、高强度等特点。通常高温高压井的表层套管尺寸较大（508 mm、609.6 mm，甚至更大），下深超过1 000 m，甚至达到2 000 m，整个固井作业所要求的固井材料以及水泥浆的体积较大，固井作业时间长，有的超过10个小时，对固井泵以及作业人员也是一个严峻的考验。为了保证固井的顺利实施，尽可能的采取双级固井，这样可以避免一次连续作业时间过长，便于水泥浆柱的设计，也可以利用两级固井的间隙补充固井材料，提高作业的安全性。

1.4 井控

井控工作在高温高压井钻井的整个作业过程中是最为关键、难度最大的一项工作之一。一旦在井控方面出现问题，不能及时有效的处理和应对，将会造成很大的影响，如果发生井喷失控事故，后果将会不堪设想。2010年美国墨西哥湾发生的井喷失控事故就是一个很好的教训。

高温高压井的防喷器压力级别选择：井控设备，必须从设计阶段重视起来，做好地层压力的预测，根据预测的最大地层压力结合预计最大井口压力选取井口装置和防喷器组，保证所选用的防喷器额定工作压力大于后期作业过程中的最大井口压力。为了安全起见，井控装置还要考虑一定的冗余。

防喷器的配备：确定了防喷器的压力级别以后，还要考虑防喷器的具体配置，包括尺寸和数量。根据目前高温高压井的作业实践，对于15 000 psi的防喷器组，通常包括一个万能防喷器，一个剪切防喷器，一个可变闸板、两个半封闸板；有时还配备超级剪切，一般深水钻井平台会配备上下两个万能防喷器和分流器。压力级别在15 000 psi以上的防喷器组通常都安装两条压井管线和两条防喷管线。防喷器的通径多为476.25 mm。

1.5 其他方面

高温高压井的钻井除了面临在钻井装备和井下工具、钻井液、固井工艺和技术、井控设计等几个方面的挑战以外，以下几个方面的问题也需要引起关注：

（1）环空压力聚集[7-8]的影响：由于高温高压井的井底温度较高，井段较长，地面温度和井筒循环时的温度差很大，套管环空很容易在井筒高温的影响下产生压力聚集，也即环空压力聚集（APB，Annular Pressure Buildup ），尤其是在钻井作业的后期和测试作业时，严重时可能会发生套管挤毁。深水环境下，环空压力聚集的影响更为明显，通常采取在套管外增加可压缩泡沫、破裂盘、氮气水泥浆等技术来应对该问题。

（2）水合物[9-11]的影响，在高温高压气井的测试或者处理气井井喷时，气体由井底流向井口或者节流管汇等处时，气体体积不断膨胀，温度不断降低，一旦达到水合物的形成条件，便形成水合物，堵塞井口或者管汇，如果是水下防喷器，会影响钻井作业及防喷器的开关等。水合物的影响在深水钻井过程中尤其明显，很多高温高压井处于深水环境，因此对于一些特殊的高温高压井，还要考虑水合物的风险，可以采取诸如加热、除水、加注化学药剂等方法来抑制水合物的生成，从而保证作业的安全。

（3）通常高温高压井所钻遇的地层较老，可钻性差，机械钻速低（每小时不足1 m），钻井周期长，有时长达几个月，套管的磨损不容忽视，必须在设计阶段做好预测和模拟，采取相应的防磨措施或者防护措施，作业过程中还要做好相应的监测，根据监测结果及时采取措施。

（4）现场作业的应急预案和组织管理对整个项目的运行也具有至关重要的影响，作业前要尽可能的让所有即将参与作业的人员熟悉井的风险所在，应对措施，作业的困难和挑战，关键工具和设备的使用方法，整个项目的应急响应计划，沟通汇报流程等。除此之外，还需要一个强有力的、技术精湛的技术支持团队和一个优秀的管理团队，才能保证项目的顺利实施。

2 高温高压钻井的对策

鉴于高温高压井存在的诸多困难和挑战，如何进行科学合理的钻井设计，规避和降低钻井作业风险，优化现场作业程序，尽可能的避免或者减少作业过程中出现的复杂情况，提高钻井作业效率，成为了高温高压钻井技术人员必须考虑的问题。实践证明，可以从钻头的优选、井身结构设计、钻井工艺和技术的选择、现场组织和管理等几个方面进行研究和制定对策。

2.1 钻头的优选

在进行高温高压井的钻井设计之前，首先要搜集尽可能全的邻井资料，整理并分析邻井的地层信息，作业过程中所出现的井下复杂情况、地层温度和压力信息、漏失情况、是否发生过溢流、溢流的规模、所使用的钻井工艺、钻井液体系和性能、固井工艺和技术。通过对以上信息的收集和分析，可以了解本地区钻井的困难和挑战，有哪些技术难点是已经攻克了的，还有哪些没有攻克，需要开展专题研究和技术攻关，可以及早的开展。尤其是地层可钻性分析方面，要充分的消化吸收邻井资料，如果是新区探井，必须要进行地层岩石力学研究和分析，根据研究结果结合邻井实钻情况，进行钻头选型和设计。机械钻速直接影响到一口井的成本，而钻头的机械钻速除与地层的可钻性有关以外，还受到钻头的水力学设计、类型、钻井参数等的影响，所以要想控制好钻井成本，必须在初期就摸清楚地层的特性，选择合适的钻头类型。

2.2 井身结构设计

科学合理的井身结构设计，是保证钻井作业顺利进行的基础。高温高压井的井身结构普遍都比较复杂，应急技术套管、随钻扩眼、偏心钻头、双极固井和应急尾管等都是普遍采用的。图1 是某高温高压井的实际井身结构示意图，该井由于地层复杂，存在严重漏失层、高压盐水层、硬质石膏层以及地层含硫化氢等，造成井身结构设计比较复杂，分别使用了直径为711.2 mm（28 in）、558.8 mm（22 in）、406.4 mm（16 in）等非常规尺寸的井眼。

图1 XX-1井井身结构设计示意图

2.3 钻井工艺和技术的选择

有了科学合理的井身结构设计，还要选择可靠成熟的钻井工艺，包括钻井液的体系和配方，固井水泥浆体系和配方，高温高压完井及测试技术等[12-14]；井下工具的选择，包括随钻测井技术（LWD，logging while drilling）、随钻测斜仪器（MWD，measurement while drilling ）、随钻扩眼器、偏心钻头、随钻压力检测系统（PWD，pressure while drilling）、涡轮钻具、超级马达、随钻地层压力监测技术、随钻堵漏技术等井下工具和仪器等均需考虑高温高压环境的影响，常规的电子元件可以承受的温度级别主要为70 ℃，85 ℃，125 ℃[15-16]，远远低于高温高压的条件。新技术新工艺不断涌现，在选择新的钻井工艺和技术前要进行适应性评估，结合具体的地质条件进行可靠性评价，包括井下安全，温度压力的承受能力，发生溢流时是否会影响压井和井喷事件的处理以及环保等方面。合理的水力参数设计[17]也很关键，可以使用目前较为成熟的软件进行模拟计算，将模拟计算结果与现场作业紧密结合，可以协助现场技术人员判断井下情况，指导现场作业，减少复杂情况的发生。

2.4 现场组织和管理

掌握了地层的信息，选择了合适的钻头，有了科学合理的钻井设计，尤其是井身结构设计，同时也使用了配套的钻井装备以及先进的钻井工艺和技术，最后还需要一个优秀的现场管理团队以及良好的交流和沟通。现场监督组在开钻前必须要熟悉和掌握钻井设计的思路和依据，充分了解设计的每一个作业流程和步骤。理解每一项作业的难点和风险点，制定好相应的风险应对措施，使所有风险都处于可控范围之内。监督组要与各承包商保持良好的交流和沟通，在每一项关键作业之前，要对现场的所有相关承包商进行技术交底，明确每一道工序和流程，分工明确，责任落实到每一个人。钻井作业材料和工具的动复原需要做好计划，动员的时间直接影响到现场的作业费用，如果是海上作业还会涉及到交通工具的调动等，必须做好现场作业的计划和进度预测，合理协调和调度，避免组织停工和设备工具的长时间待命，降低作业费用。为了保证现场的作业安全，现场必须组织好各种应急演习，尤其是一些含有硫化氢的井。通过演习来增强现场人员的安全意识，真正熟悉应急反应流程，尽可能地避免井喷、硫化氢泄露等事件的发生。一旦发生事故，有相应的应急处置方案。

3 结论与认识

随着高温高压油气田开发项目的增多，高温高压钻井所面临的困难和挑战也会不断增多，对高温高压钻井配套技术和工具的需求也会越来越大。要想战胜高温高压钻井所面临的一系列问题，需要从以下几个方面着手：

（1）加强对地层的认识和研究，包括邻井资料的收集和消化以及地层压力体系的预测等，依据相应的钻井标准和规范以及国外成熟的经验或者良好的作业实践，进行科学合理的钻井设计。

（2）选择合适的钻井装备、工艺和技术，制定完善的预防措施，有效地应对井下各种复杂情况，从而减少非生产时间，提高钻井作业时效。

（3）安全第一，严格遵守作业标准和规范，做好风险识别和分析，制定有效的应对措施，尤其是井控方面的相关规范。

（4）现场选择具有高温高压钻井经验的技术人员和管理人员，精心组织好现场作业，做好与各承包商之间的沟通和技术交底。

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Exploration and Understanding of High Pressure High Temperature Drilling

MIAO Dianyuan, SUN Changli, CHU Dejun, LIU Yingwei, LI Yunzhi
（CNOOC Energy Tech-Drilling & Production Co., Tianjin Tanggu 300452, China）

There are lots of diffculties and challenges during high pressure and high temperature drilling. In order to ensure the safety and improve the operation effciency of high temperature and high pressure drilling, the main problems of high pressure drilling are analyzed in this paper. Combined with the successful experience at home and abroad, some corresponding measures were presented. For High temperature and high pressure drilling, except high pressure and high temperature, there are lots of diffculties, such as the poor drill ability, long term drilling, fatigue failure of drilling tools, infuence of hydrogen sulfde and other acidic gases on drilling operation. It is very important for the success of the high temperature and high pressure drilling operation to strengthen the management at well site by selecting suitable drilling equipment, drilling technology and supporting technology. High temperature and high pressure drilling technology is a systematic project, it is necessary to continue accumulating experience, improve the relevant technical standards and regulations in order to provide reliable support and reference for high pressure and high temperature drilling in the future.

high pressure and high temperature; well structure; drilling equipment; drilling fuid; cementing

TE24

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.01.085

1008-2336（2017）01-0085-05

2016-08-22；改回日期：2016-11-15

苗典远，男，1983年生，高级工程师，2004年毕业于石油大学（华东）石油工程学院石油工程专业，主要从事钻井技术研究及现场作业管理工作。E-mail：miaody@cnooc.com.cn。