高溫高壓水平井鉆井風險難點分析及對策

關清濤

（中海油能源發展股份有限公司工程技術深水鉆采技術公司，廣東 湛江 524057）

隨著石油行業的發展，淺層油氣藏數量日益減少，石油勘探開發的難度不斷增大，各大石油公司開始研究和儲備高溫高壓鉆井相關的技術。通常將井底溫度大于150℃，地層孔隙壓力大于68.9 MPa（10000 psi）的井定義為高溫高壓井[1]。隨著髙溫髙壓鉆井作業數量的增加，遇到的困難也越來越多，相應的鉆井工具和配套工藝也逐漸完善，高溫高壓鉆井工具的研發被各大油田技術服務公司作為其技術能力的一個象征。

1 高溫高壓鉆井面臨的主要挑戰

1.1 高溫高壓對鉆井設備的要求

按照行業標準的要求，高溫高壓井的井口裝置以及防噴器均要選擇壓力級別至少為15000 psi（103.4 MPa）的防噴器。防噴器組的配置（數量和類型）、阻流、壓井管匯等也都有相應的要求[2]。為了安全起見，通常要求至少配置四個閘板（必須有一個可變徑閘板，一個至少可以剪切244.5 mm套管的剪切閘板），雙壓井雙阻流管線，部分作業者還要求配備超級剪切，可以剪切更大尺寸的套管；壓井阻流管匯的壓力級別也應該和防噴器組的壓力級別相匹配。高溫高壓井的深度普遍在4000 m以上，井身結構復雜，套管層次多。大部分海上自升式鉆井平臺在進行高溫高壓鉆井作業前都要根據作業者提出的要求進行升級改造，包括鉆井設備、船體、防噴器、鉆具等，甚至還會包括鉆井液冷卻系統?？傊?，高溫高壓井對鉆井裝備、井控設備及其他配套設備的要求都很高。

1.2 鉆井液

鉆井液體系和性能的優選以及現場維護對一口高溫高壓井的作業成敗起著至關重要的作用。高溫高壓井所使用的鉆井液密度也較高，最高可能會達到2.4 g/cm3，有時候可能會使用鈦鐵礦粉、四氧化錳、赤鐵礦粉等作為加重材料，相應鉆井液中所含的固相含量也會很高，因此對井下工具的要求也會很高，導致很多常規井下工具不能在高溫高壓井中使用。從統計數據來看，多數高溫高壓井都含有硫化氫、二氧化碳或者二者同時存在，為了保證井下鉆具以及作業的安全，必須維持鉆井液的良好性能，所以必須在鉆井液配方中充分考慮這些酸性氣體的處理措施，防止硫化氫等酸性氣體的侵入。

由于高溫高壓井的高投入、高風險，為提高勘探的成功率，在選擇鉆井液體系時還要考慮儲層保護措施，尤其是鉆井液加重材料對目的層的污染等問題。使用油基泥漿可以有效提高鉆井液在高溫條件下的穩定性、潤滑性，減少對油氣層的污染等問題，但是油基泥漿也存在一些諸如氣體的溶解，氣體侵入后不能及時發現，以及環保（有些國家和地區禁止使用油基泥漿）等方面的問題。因此，在選擇鉆井液體系時，應充分考慮當地的作業環境、地層特性、井下工具對鉆井液的適應能力、作業成本等各方面的要求。

1.3 固井

由于大部分高溫高壓井的井身結構比較復雜，有時候還會使用非標準的井眼尺寸并配合非標準尺寸的套管，套管與井眼的環空間隙小，同時鉆井液密度窗口也比較窄，因此對固井作業提出了很高的要求。水泥漿要具有很好的流變性、防氣竄性、堵漏能力、高強度等特點。通常，高溫高壓井的表層套管尺寸較大，下深超過1000 m，甚至達到2000 m，整個固井作業所要求的固井材料以及水泥漿的體積較大，最多可達到2000桶，固井作業時間長達10 h，對固井泵以及作業人員也是一個嚴峻的考驗。

1.4 井控

井控工作在高溫高壓井鉆井的整個作業過程中是最為關鍵、難度最大的工作之一。一旦在井控方面出現問題，不能及時有效地處理和應對，將會造成很大的影響，如果發生井噴失控事故，后果不堪設想。

高溫高壓井的防噴器壓力級別選擇：井控設備，必須從設計階段重視起來，做好地層壓力的預測，根據預測的最大地層壓力，結合預計最大井口壓力選取井口裝置和防噴器組，保證所選用的防噴器額定工作壓力大于作業過程中的最大井口壓力。為了安全起見，井控裝置還要考慮一定的冗余。

防噴器的配備：確定了防噴器的壓力級別以后，還要考慮防噴器的具體配置，包括尺寸和數量。根據目前高溫髙壓井的作業井眼，對于15000 psi的防噴器組，通常包括一個萬能防噴器，一個剪切防噴器，一個可變閘板、兩個半封閘板；有時還配備超級剪切，一般深水鉆井平臺會配備上下兩個萬能防噴器。壓力級別在15000 psi以上的防噴器組通常都安裝兩條壓井管線及兩條防噴管線。

2 高溫高壓鉆井主要技術難點及對策（以東方某井為例）

2.1 主要技術難點

2.1.1 水平井，摩阻扭矩大

在水平井或大位移井作業中，由于自身重力作用，鉆具往往偏向在井筒一側，形成偏心，鉆具的偏心導致環空流速分布不均，寬窄間隙流速不同，這種不平衡對于攜巖是極其不利的，偏心度的增大導致與井眼接觸面積增加，摩阻和扭矩相應增大，易于發生黏附卡鉆和阻卡的事故。

2.1.2 5-7/8″小井眼，定向鉆進難度大

5-7/8″小井眼使用4″和5″復合鉆桿，井下工具尺寸小，柔性大，鉆進過程中鉆具易發生形變，定向鉆進加鉆壓和壓力傳遞困難，井斜和方位的漂移規律不規則；水平段儲層溫度高達130℃，井下環境惡劣，隨鉆儀器在井下處于高溫工作狀態，對測量儀器性能要求極高。

2.1.3 泥漿比重高，儲層保護難度大

目的層段黃流組一段氣組儲層物性屬中孔、中滲，中等偏強水敏，下部儲層物性屬中孔、低滲，強水敏，容易發生諸如微粒運移和水鎖等，導致儲層的滲透率降低，造成儲層傷害。

2.1.4 機械鉆速慢

鶯歌海盆地黃流組上部發育大套泥巖，表現為強塑性，抗壓強度在6000 psi左右，最高達10000 psi，可鉆性較差，前期高溫高壓探井作業中塑性泥巖段平均機械鉆速僅為1.41 m/h。另外，為維持高溫高壓井筒壓力平衡，鉆井過程中鉆井液比重高達1.7～1.9，巖屑往往被壓差壓在井底，形成“壓持效應”，使得井底的巖屑重復切削，一定程度上影響井底清潔，導致機械鉆速降低。機械鉆速偏低、頻繁起下鉆造成作業進度滯后是氣田遇到的困境之一。

2.1.5 高溫高壓目的層，小井眼溢流監測難度大

小井眼鉆井中，由于環空間隙小，同樣的溢流量，在小井眼中的上返速度和上返高度是常規井的數倍，相應地使小井眼井底壓力明顯降低，常規手段通過泥漿池或計量罐監測要求精度更高[2]。同時，由于目的層是水平段，暴露面積廣，氣層能量大，且油基泥漿氣體溶解度高，氣侵等初期井控征兆不易被發現。

2.2 主要技術措施

2.2.1 軌跡優化

水平井采用何種典型的設計剖面，主要由水平井的特點決定[3]。在前期井眼軌跡設計過程中，通過多次和地質油藏溝通，根據具體的勘探和開發要求，在不影響油藏目標的前提下，以盡可能簡單的剖面鉆過目的層。所以，在確定井眼幾何軌跡方面，除了在特殊情況下因需繞障而對井身軌道進行三維設計外，一般情況下都是二維設計。最終采用雙增剖面有利于減少造斜段的長度，井眼相對長度較短，摩阻扭矩小，靶前位移調整范圍余地大，從而優化最佳軌跡設計方案。

2.2.2 優選、優化鉆具組合

針對該次高溫高壓開發特點，對井眼軌跡控制工具及儀器進行了選型與配套，主要考慮定向鉆進、地層評價、儀器精度、儀器耐溫、儀器分辨率、儀器采樣率和數據傳輸率等方面，同時結合鉆井成該、儀器的供應狀態來進行選型與配套。

在高溫高壓條件下，由于泥漿比重高造成打鉆及劃眼ECD較大，目的層鉆進中隨著比重的升高，為了保持ECD不超過警戒值，只能降低排量，故必須同時兼顧造斜率、定向工具工作排量、井眼清潔和ROP問題。同時，為了滿足地質油藏要求，需保持鉆具組合具有較好的穩平和尋找最佳儲層增降井斜的能力，提高機械鉆速。

2.2.3 鉆頭評價與優選技術

鉆頭的合理選擇與應用是提高機械鉆速、縮短鉆井周期的有效途徑，在東方某區塊主要利用測井資料處理技術，對鄰井的測井資料進行處理，得到地層力學特性參數及巖石可鉆性參數，通過實鉆探井參數作為對比參照。另外，加強與國內外知名公司的合作，及時將最新和適合該區塊的鉆頭應用到現場，有效提高了機械鉆速[4-6]。

2.2.4 優選泥漿體系

針對東方某水平井摩阻扭矩大和泥漿高比重下，排量受限和儲層保護難度大等特點，優選麥克巴新型油基泥漿體系并首次在高溫高壓目的層使用油基泥漿作業。這樣可以利用其具有強抑制性、潤滑性好、井壁穩定性高，流變性易調整、抗腐蝕性好、對儲層損害小的優點，克服排量限制、磨阻及ECD過大及儲層保護難題，從而達到安全鉆進、單井產量超配產的效果。

3 結論

隨著高溫高壓油氣田開發項目的增多，高溫高壓鉆井所面臨的困難和挑戰也會不斷增多，對髙溫髙壓鉆井配套技術和工具的需求也會越來越大。要想戰勝高溫高壓鉆井所面臨的一系列問題，人們需要從以下幾個方面著手。

一是通過科學論證、嚴謹設計及現場高溫高壓目的層精細化操作管理，成功完成了中海油首個高溫高壓水平井鉆井作業，鉆井工程質量和成果控制均達到預期。二是通過實施全井段ECD監控技術，合理調整鉆井液性能參數，最終促使整個項目作業安全、高效、順利完成。三是推進了一系列新技術和新設備的應用。例如，Periscope（邊界探邊）隨鉆精密工具首次在國內高溫高壓目的層水平井段使用，增加了在薄儲層穿行的鉆遇率。四是開展高溫高壓水平井開發經濟效益分析。為保障氣藏開發的經濟效益，水平井初期產量要高，還必須具備一定的穩定生產能力。工程技術人員需認真做好高溫高壓氣藏工程研究、水平井單井產量和穩產分析、水平井投入和產出分析，確保做到高溫高壓氣藏開發技術水平高、經濟效益好。