高温深井钻井技术研究

代 俊

（大庆钻探工程公司钻井二公司，黑龙江大庆 163413）

1 概述

尽管高温深井的数量仅占总井数的3%左右，但为了获得更多的可开采储量，高温深井的钻井技术仍受到了广泛的关注[1-2]。高温深部油气藏能否得到有效开发直接取决于钻井承包商所拥有的相关钻井和完井实力。此外，在国际市场的招标流程中也越来越重视钻井承包商应对高温深井的服务能力。高温深井使用的井下工具的可靠性仍然是石油和天然气行业面临的主要挑战之一。

目前高温钻井活动较为频繁的区域包括：美国大陆、加拿大、墨西哥湾、丹麦北海、印度南部、马来西亚、中国的新疆及大庆等。

其中墨西哥湾地区主要是海上的深水油气井和陆上超深气井，井底压力超过20000psi，温度超过150℃；丹麦北海区块部分深井的井底温度高达200℃；泰国湾分布着泰国大陆架上大部分的海上高温井，井下静态温度最高可达230℃；美国的几个非常规盆地也被归类为高温区块，井下静态温度高达200℃[3-4]。

对于高温高压（HTHP），钻井承包商和石油生产公司通常都有自己的定义。目前国际组织也正在对HPHT 的定义进行标准化，希望可以建立一个总体标准。但目前，高温高压的定义在不同地区有所不同。例如，在泰国湾，超过175℃被定义为高温，认为20～25kpsi的压力是高压的标准，25～30kpsi定义为超高压，大于30kpsi定义为极限高压。

井下的高温高压环境会对随钻测量仪器（MWD）等含大量电子元器件的设备造成可靠性问题。此外，钻具在井下高频振动会进一步影响井下设备的可靠性，而高温高压和横向振动同时发生时其作用效果更为突出。

高温高压井还存在健康、安全和环境方面的重大风险，操作人员经验不足、井下高温流体返出地面都会增加高温高压井的施工风险。

本文重点介绍了可应用与高温深井环境下的井下工具，并解释了如何提高井下工具的抗温性，以及在高温高压条件下提高钻井作业可靠性的相应解决方案。

2 高温深井钻井施工的难点及工艺措施

不同的油气藏具有不同的深度和压力分布情况。开发高温高压油藏面临的最大挑战是恶劣条件下旋转转向系统（RSS）、随钻测量系统（MWD）和随钻测井系统（LWD）的可靠性。电子设备暴露在高温深井条件下，会导致井下工具的可用寿命大幅度降低（尤其是在井下振动过大的情况下）。

高温高压井段是深井的最后一段，在该环境下，地层硬度和压实度通常很高，因此会出现较为强烈的横向和轴向扭转以及粘滑振动。在这些条件下，机械钻速（ROP）远低于普通井。而随着机械钻速的降低，钻取高温深井段所需的时间会进一步增加，对高温工况下使用的工具提出了更高的寿命和可靠性要求，所以需要可靠性更高的工具来完成钻井施工。

井下设备在高温井段应用过程涉及的另一个重要参数是温度变化率。随温度变化率的增高，井下工具的可靠性也会产生额外的负面影响。为了尽量减少这些负面影响，可以使用特定的井下施工程序：例如可以进行短起，使钻井液循环通过管柱，来冷却钻具。但短起下作业会导致非生产时间（NPT）的增加。

经验表明，钻井工序优化对钻井项目的成功起着重要作用。因此，对整个钻井施工流程进行仔细规划，可以提高高温深井的钻井成功率。规划过程中需要注意的要点如下：

（1）高温水平井的井底循环温度分布与直井不同，会超过井底静态温度。

（2）流体选择、井眼尺寸、井底组件零件、钻头、液压装置和流速都会影响井底循环温度，并且会增加或降低井底温度。

（3）以往专注于提高机械钻速的优化措施，并可能导致更高的井底循环温度。

在一些没有大规模勘探开发高温深井经验的地区和国家，应重点关注的相关经验措施如下：

（1）预先建立温度和压力模型，以便发现地层岩石、地层倾角和钻具组合可能承受的极限温度和压力。

（2）对现场服务技术人员进行专业培训，以确保他们完全了解如何在高温深井条件下进行钻井施工操作。

（3）充分借鉴以往HPHT 井部署中的“经验教训”，以确保事故不再重复发生。

（4）入井工具入井前在车间和钻台上进行充分测试，以确保工具可以在HTHP环境下顺利运行。（5）在经济和技术可行的情况下使用泥浆冷却器。（6）严格执行下井（RIH）和起钻（POOH）钻机现场程序，以确保井下工具的使用条件不超过极限。

3 提高旋转转向系统和随钻测量系统的抗温可靠性方法

在钻井行业中，可靠性是指井下故障和非生产时间的减少，可靠性与平均故障间隔时间（MTBF）相关。

3.1 可靠性的定义及设计方法

可以通过制定可靠性计划来提高井下仪器设备在高温高压环境下的可靠性。一个精心设计和定义的可靠性计划是基础，该计划包括设计、制造和维护产品以达到预期可靠性目标的各个阶段。组织相关职能部门持续地提供技术和服务支持是成功实施的关键。具体步骤可以分解如下：

（1）确定可靠性目标。将产品可靠性目标转化为子系统和组件。系统级的可靠性目标表示为平均故障间隔时间或具有置信区间的故障率。例如，限定系统目标为1000h平均故障间隔时间。

（2）可靠性设计。可靠性设计（DFR）包括所有涉及到的功能（电气、机械、软件、固件）和流程（制造、测试和维护）。可靠性设计不是独立活动，开发工程师拥有设计的主导权，并在全部设计阶段与任务小组合作。各小组共同努力，通过各任务小组的反馈，确保可靠性设计的完成。产品和系统的可靠性必须是“设计的”，而不是“测试的”。可靠性设计集成了最佳设计实践和标准、系统建模、分析、系统/子系统/组件建模和仿真以及生命周期管理。其中的分析方法包括：系统建模、可靠性框图、可靠性分配和预测；建模主要是模拟热、冲击、振动、压力、循环疲劳等工况。

（3）可靠性进度评估。主要通过分析、模型、测试、验证或审查来评估进度。分析和模型评估方法是一种书面方法，与构建和测试评估相比其成本较低。进行设计评审是为了评估设计决策是否符合可靠性目标，并降低设计失效的概率。进度评估方法是产品可靠性设计阶段任务的扩展。

（4）可靠性验证。该阶段是所有电子和机械系统设计的反馈机制。可靠性测试是按照顺序进行应力和使用环境测试。这个阶段分为两部分，即“阿尔法”和“贝塔”部分。“阿尔法”部分使用加速寿命试验（HALT）方法对被测器件（DUT）施加环境应力。该测试可以确定被测试器件的基本极限（FLT）。从而深入了解正在测试的设备的优点和缺点，并通过消除已识别的故障来改进设计。“Beta”部分是在“Alpha”阶段确定的基本极限上，进一步进行热浸/循环、冲击、振动和湿度测试，并将测试结果用于设计优化。

（5）可靠性保证。该阶段用于确保相关实施落实情况，包括供应商管理和全面的出厂测试，如环境应力筛选（ESS）、加速应力筛查（HASS）和客户验收测试（CAT），用以避免或减少工具的缺陷。

3.2 提高井下工具抗温性的方法

在高温高压条件下MWD 和RSS 得以成功使用需要从整体环节入手，包括钻机、司钻、地面接收（包括遥测和远程通信）、井底钻具组合、钻头型号和钻井液性能等各个方面的配合。

（1）提高井下工具的电气可靠性。电气设备可靠性差的主要原因是用于设计、生产和测试高温高压系统所需的高温高压材料不满足等级需求。与其他行业相比，钻井行业所使用的井下产品和系统需要在高温环境长时间运行。能够达到要求的可靠性材料相对有限。这些材料包括电子元件、印刷电路板、焊料、密封件、油、胶水、环氧树脂和金属等。抗温性最差的电子元件决定了整个系统的抗温极限。其中塑料模塑复合材料内部主要是集成电路（IC）和管芯连接材料（如胶水和环氧树脂、键合线和金属引线框）。导致其失效的原因是高温条件下的电化学反应。此外，由于各种材料的热膨胀系数（CTE）的差异，也会对内部部件造成物理损坏。主要失效模式为引线键合腐蚀、断裂、键合焊盘之间的金属脱离、电迁移、模塑化合物的分层或开裂。因此需要解决制造工艺、热膨胀、散热以及冲击和振动问题，其中最关键的是抗温部件的选择和连接工艺的加强。

（2）提高井下工具的机械可靠性。深井工况下电子设备最大问题是温度和振动对印刷电路板组件（PCBA）的综合影响。钻井过程中产生的大部分振动和冲击都会传递到电子设备上，这会导致焊点和内部部件（如晶体振荡器和陶瓷电容器）过早失效。因此，PCBA必须与轴环或框架分离。将单独封装的PCBA通过探头或套环下壁袋形式安装到钻具中。其中探头安装是将PCBA紧密地安装在框架中的适当位置，并由扶正器支撑，通过PCBA 模具上的凸起实现固定，并且能够在不向部件施加额外力的情况下实现充分的紧固。

（3）提高软件和固件的可靠性。电子元件测试表明，某些集成电路（IC）的特性参数随温度变化。只要组件稳定，参数变化可以通过固件解决。例如，某些部件在高温下反应较慢；通过在固件中构建接口，组件可以在高温下持续可靠的运行。当外围集成电路中的内部状态机处于控制状态时，微处理器仅请求从设备执行特定任务，在较高的温度下，状态机可能会出现各种问题。了解状态图中的异常可以解决固件设计中的问题，从而提高高温下软件和固件的可靠性。

4 结论和建议

（1）尽管高温深井的数量仅总井数的3%左右，但为了获得更多的可开采储量，高温深井的钻井技术仍受到了广泛的关注。

（2）开发高温油藏面临的最大挑战是井下的高温高压环境会对随钻测量仪器等含大量电子元器件的设备造成影响。井下电子仪器主要使用密封件将内部电子设备与外部井筒流体相隔离，从而保护电子设备在复杂环境中仍可以可靠运行。传统电子元件的使用温度通常不超过125℃，远低于现场对随钻测量仪器和旋转导向设备额定温度的要求。

（3）此外，钻具在井下的高频振动会进一步影响井下设备的可靠性，当高温高压和横向振动同时发生时其作用效果更为突出。

（4）钻井工序优化对项目的成功起着重要作用，通过对整个钻井施工流程进行仔细规划，可以提高高温深井的钻井成功率。在一些没有大规模勘探开发高温深井经验的地区和国家，应重点关注人员培训和相关准备。

（5）通过制定可靠性计划可以提高井下仪器设备在高温高压环境下的可靠性。