高溫深井鉆井技術(shù)研究

代 俊

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江大慶 163413）

1 概述

盡管高溫深井的數(shù)量?jī)H占總井?dāng)?shù)的3%左右，但為了獲得更多的可開(kāi)采儲(chǔ)量，高溫深井的鉆井技術(shù)仍受到了廣泛的關(guān)注[1-2]。高溫深部油氣藏能否得到有效開(kāi)發(fā)直接取決于鉆井承包商所擁有的相關(guān)鉆井和完井實(shí)力。此外，在國(guó)際市場(chǎng)的招標(biāo)流程中也越來(lái)越重視鉆井承包商應(yīng)對(duì)高溫深井的服務(wù)能力。高溫深井使用的井下工具的可靠性仍然是石油和天然氣行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

目前高溫鉆井活動(dòng)較為頻繁的區(qū)域包括：美國(guó)大陸、加拿大、墨西哥灣、丹麥北海、印度南部、馬來(lái)西亞、中國(guó)的新疆及大慶等。

其中墨西哥灣地區(qū)主要是海上的深水油氣井和陸上超深氣井，井底壓力超過(guò)20000psi，溫度超過(guò)150℃；丹麥北海區(qū)塊部分深井的井底溫度高達(dá)200℃；泰國(guó)灣分布著泰國(guó)大陸架上大部分的海上高溫井，井下靜態(tài)溫度最高可達(dá)230℃；美國(guó)的幾個(gè)非常規(guī)盆地也被歸類為高溫區(qū)塊，井下靜態(tài)溫度高達(dá)200℃[3-4]。

對(duì)于高溫高壓（HTHP），鉆井承包商和石油生產(chǎn)公司通常都有自己的定義。目前國(guó)際組織也正在對(duì)HPHT 的定義進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，希望可以建立一個(gè)總體標(biāo)準(zhǔn)。但目前，高溫高壓的定義在不同地區(qū)有所不同。例如，在泰國(guó)灣，超過(guò)175℃被定義為高溫，認(rèn)為20～25kpsi的壓力是高壓的標(biāo)準(zhǔn)，25～30kpsi定義為超高壓，大于30kpsi定義為極限高壓。

井下的高溫高壓環(huán)境會(huì)對(duì)隨鉆測(cè)量?jī)x器（MWD）等含大量電子元器件的設(shè)備造成可靠性問(wèn)題。此外，鉆具在井下高頻振動(dòng)會(huì)進(jìn)一步影響井下設(shè)備的可靠性，而高溫高壓和橫向振動(dòng)同時(shí)發(fā)生時(shí)其作用效果更為突出。

高溫高壓井還存在健康、安全和環(huán)境方面的重大風(fēng)險(xiǎn)，操作人員經(jīng)驗(yàn)不足、井下高溫流體返出地面都會(huì)增加高溫高壓井的施工風(fēng)險(xiǎn)。

本文重點(diǎn)介紹了可應(yīng)用與高溫深井環(huán)境下的井下工具，并解釋了如何提高井下工具的抗溫性，以及在高溫高壓條件下提高鉆井作業(yè)可靠性的相應(yīng)解決方案。

2 高溫深井鉆井施工的難點(diǎn)及工藝措施

不同的油氣藏具有不同的深度和壓力分布情況。開(kāi)發(fā)高溫高壓油藏面臨的最大挑戰(zhàn)是惡劣條件下旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（RSS）、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（MWD）和隨鉆測(cè)井系統(tǒng)（LWD）的可靠性。電子設(shè)備暴露在高溫深井條件下，會(huì)導(dǎo)致井下工具的可用壽命大幅度降低（尤其是在井下振動(dòng)過(guò)大的情況下）。

高溫高壓井段是深井的最后一段，在該環(huán)境下，地層硬度和壓實(shí)度通常很高，因此會(huì)出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的橫向和軸向扭轉(zhuǎn)以及粘滑振動(dòng)。在這些條件下，機(jī)械鉆速（ROP）遠(yuǎn)低于普通井。而隨著機(jī)械鉆速的降低，鉆取高溫深井段所需的時(shí)間會(huì)進(jìn)一步增加，對(duì)高溫工況下使用的工具提出了更高的壽命和可靠性要求，所以需要可靠性更高的工具來(lái)完成鉆井施工。

井下設(shè)備在高溫井段應(yīng)用過(guò)程涉及的另一個(gè)重要參數(shù)是溫度變化率。隨溫度變化率的增高，井下工具的可靠性也會(huì)產(chǎn)生額外的負(fù)面影響。為了盡量減少這些負(fù)面影響，可以使用特定的井下施工程序：例如可以進(jìn)行短起，使鉆井液循環(huán)通過(guò)管柱，來(lái)冷卻鉆具。但短起下作業(yè)會(huì)導(dǎo)致非生產(chǎn)時(shí)間（NPT）的增加。

經(jīng)驗(yàn)表明，鉆井工序優(yōu)化對(duì)鉆井項(xiàng)目的成功起著重要作用。因此，對(duì)整個(gè)鉆井施工流程進(jìn)行仔細(xì)規(guī)劃，可以提高高溫深井的鉆井成功率。規(guī)劃過(guò)程中需要注意的要點(diǎn)如下：

（1）高溫水平井的井底循環(huán)溫度分布與直井不同，會(huì)超過(guò)井底靜態(tài)溫度。

（2）流體選擇、井眼尺寸、井底組件零件、鉆頭、液壓裝置和流速都會(huì)影響井底循環(huán)溫度，并且會(huì)增加或降低井底溫度。

（3）以往專注于提高機(jī)械鉆速的優(yōu)化措施，并可能導(dǎo)致更高的井底循環(huán)溫度。

在一些沒(méi)有大規(guī)模勘探開(kāi)發(fā)高溫深井經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)和國(guó)家，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)措施如下：

（1）預(yù)先建立溫度和壓力模型，以便發(fā)現(xiàn)地層巖石、地層傾角和鉆具組合可能承受的極限溫度和壓力。

（2）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)技術(shù)人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，以確保他們完全了解如何在高溫深井條件下進(jìn)行鉆井施工操作。

（3）充分借鑒以往HPHT 井部署中的“經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)”，以確保事故不再重復(fù)發(fā)生。

（4）入井工具入井前在車(chē)間和鉆臺(tái)上進(jìn)行充分測(cè)試，以確保工具可以在HTHP環(huán)境下順利運(yùn)行。（5）在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行的情況下使用泥漿冷卻器。（6）嚴(yán)格執(zhí)行下井（RIH）和起鉆（POOH）鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)程序，以確保井下工具的使用條件不超過(guò)極限。

3 提高旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的抗溫可靠性方法

在鉆井行業(yè)中，可靠性是指井下故障和非生產(chǎn)時(shí)間的減少，可靠性與平均故障間隔時(shí)間（MTBF）相關(guān)。

3.1 可靠性的定義及設(shè)計(jì)方法

可以通過(guò)制定可靠性計(jì)劃來(lái)提高井下儀器設(shè)備在高溫高壓環(huán)境下的可靠性。一個(gè)精心設(shè)計(jì)和定義的可靠性計(jì)劃是基礎(chǔ)，該計(jì)劃包括設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)產(chǎn)品以達(dá)到預(yù)期可靠性目標(biāo)的各個(gè)階段。組織相關(guān)職能部門(mén)持續(xù)地提供技術(shù)和服務(wù)支持是成功實(shí)施的關(guān)鍵。具體步驟可以分解如下：

（1）確定可靠性目標(biāo)。將產(chǎn)品可靠性目標(biāo)轉(zhuǎn)化為子系統(tǒng)和組件。系統(tǒng)級(jí)的可靠性目標(biāo)表示為平均故障間隔時(shí)間或具有置信區(qū)間的故障率。例如，限定系統(tǒng)目標(biāo)為1000h平均故障間隔時(shí)間。

（2）可靠性設(shè)計(jì)。可靠性設(shè)計(jì)（DFR）包括所有涉及到的功能（電氣、機(jī)械、軟件、固件）和流程（制造、測(cè)試和維護(hù)）。可靠性設(shè)計(jì)不是獨(dú)立活動(dòng)，開(kāi)發(fā)工程師擁有設(shè)計(jì)的主導(dǎo)權(quán)，并在全部設(shè)計(jì)階段與任務(wù)小組合作。各小組共同努力，通過(guò)各任務(wù)小組的反饋，確保可靠性設(shè)計(jì)的完成。產(chǎn)品和系統(tǒng)的可靠性必須是“設(shè)計(jì)的”，而不是“測(cè)試的”。可靠性設(shè)計(jì)集成了最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)建模、分析、系統(tǒng)/子系統(tǒng)/組件建模和仿真以及生命周期管理。其中的分析方法包括：系統(tǒng)建模、可靠性框圖、可靠性分配和預(yù)測(cè)；建模主要是模擬熱、沖擊、振動(dòng)、壓力、循環(huán)疲勞等工況。

（3）可靠性進(jìn)度評(píng)估。主要通過(guò)分析、模型、測(cè)試、驗(yàn)證或?qū)彶閬?lái)評(píng)估進(jìn)度。分析和模型評(píng)估方法是一種書(shū)面方法，與構(gòu)建和測(cè)試評(píng)估相比其成本較低。進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)審是為了評(píng)估設(shè)計(jì)決策是否符合可靠性目標(biāo)，并降低設(shè)計(jì)失效的概率。進(jìn)度評(píng)估方法是產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)階段任務(wù)的擴(kuò)展。

（4）可靠性驗(yàn)證。該階段是所有電子和機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的反饋機(jī)制。可靠性測(cè)試是按照順序進(jìn)行應(yīng)力和使用環(huán)境測(cè)試。這個(gè)階段分為兩部分，即“阿爾法”和“貝塔”部分。“阿爾法”部分使用加速壽命試驗(yàn)（HALT）方法對(duì)被測(cè)器件（DUT）施加環(huán)境應(yīng)力。該測(cè)試可以確定被測(cè)試器件的基本極限（FLT）。從而深入了解正在測(cè)試的設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并通過(guò)消除已識(shí)別的故障來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)。“Beta”部分是在“Alpha”階段確定的基本極限上，進(jìn)一步進(jìn)行熱浸/循環(huán)、沖擊、振動(dòng)和濕度測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果用于設(shè)計(jì)優(yōu)化。

（5）可靠性保證。該階段用于確保相關(guān)實(shí)施落實(shí)情況，包括供應(yīng)商管理和全面的出廠測(cè)試，如環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）、加速應(yīng)力篩查（HASS）和客戶驗(yàn)收測(cè)試（CAT），用以避免或減少工具的缺陷。

3.2 提高井下工具抗溫性的方法

在高溫高壓條件下MWD 和RSS 得以成功使用需要從整體環(huán)節(jié)入手，包括鉆機(jī)、司鉆、地面接收（包括遙測(cè)和遠(yuǎn)程通信）、井底鉆具組合、鉆頭型號(hào)和鉆井液性能等各個(gè)方面的配合。

（1）提高井下工具的電氣可靠性。電氣設(shè)備可靠性差的主要原因是用于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和測(cè)試高溫高壓系統(tǒng)所需的高溫高壓材料不滿足等級(jí)需求。與其他行業(yè)相比，鉆井行業(yè)所使用的井下產(chǎn)品和系統(tǒng)需要在高溫環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。能夠達(dá)到要求的可靠性材料相對(duì)有限。這些材料包括電子元件、印刷電路板、焊料、密封件、油、膠水、環(huán)氧樹(shù)脂和金屬等。抗溫性最差的電子元件決定了整個(gè)系統(tǒng)的抗溫極限。其中塑料模塑復(fù)合材料內(nèi)部主要是集成電路（IC）和管芯連接材料（如膠水和環(huán)氧樹(shù)脂、鍵合線和金屬引線框）。導(dǎo)致其失效的原因是高溫條件下的電化學(xué)反應(yīng)。此外，由于各種材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）的差異，也會(huì)對(duì)內(nèi)部部件造成物理?yè)p壞。主要失效模式為引線鍵合腐蝕、斷裂、鍵合焊盤(pán)之間的金屬脫離、電遷移、模塑化合物的分層或開(kāi)裂。因此需要解決制造工藝、熱膨脹、散熱以及沖擊和振動(dòng)問(wèn)題，其中最關(guān)鍵的是抗溫部件的選擇和連接工藝的加強(qiáng)。

（2）提高井下工具的機(jī)械可靠性。深井工況下電子設(shè)備最大問(wèn)題是溫度和振動(dòng)對(duì)印刷電路板組件（PCBA）的綜合影響。鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的大部分振動(dòng)和沖擊都會(huì)傳遞到電子設(shè)備上，這會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)和內(nèi)部部件（如晶體振蕩器和陶瓷電容器）過(guò)早失效。因此，PCBA必須與軸環(huán)或框架分離。將單獨(dú)封裝的PCBA通過(guò)探頭或套環(huán)下壁袋形式安裝到鉆具中。其中探頭安裝是將PCBA緊密地安裝在框架中的適當(dāng)位置，并由扶正器支撐，通過(guò)PCBA 模具上的凸起實(shí)現(xiàn)固定，并且能夠在不向部件施加額外力的情況下實(shí)現(xiàn)充分的緊固。

（3）提高軟件和固件的可靠性。電子元件測(cè)試表明，某些集成電路（IC）的特性參數(shù)隨溫度變化。只要組件穩(wěn)定，參數(shù)變化可以通過(guò)固件解決。例如，某些部件在高溫下反應(yīng)較慢；通過(guò)在固件中構(gòu)建接口，組件可以在高溫下持續(xù)可靠的運(yùn)行。當(dāng)外圍集成電路中的內(nèi)部狀態(tài)機(jī)處于控制狀態(tài)時(shí)，微處理器僅請(qǐng)求從設(shè)備執(zhí)行特定任務(wù)，在較高的溫度下，狀態(tài)機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。了解狀態(tài)圖中的異常可以解決固件設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，從而提高高溫下軟件和固件的可靠性。

4 結(jié)論和建議

（1）盡管高溫深井的數(shù)量?jī)H總井?dāng)?shù)的3%左右，但為了獲得更多的可開(kāi)采儲(chǔ)量，高溫深井的鉆井技術(shù)仍受到了廣泛的關(guān)注。

（2）開(kāi)發(fā)高溫油藏面臨的最大挑戰(zhàn)是井下的高溫高壓環(huán)境會(huì)對(duì)隨鉆測(cè)量?jī)x器等含大量電子元器件的設(shè)備造成影響。井下電子儀器主要使用密封件將內(nèi)部電子設(shè)備與外部井筒流體相隔離，從而保護(hù)電子設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境中仍可以可靠運(yùn)行。傳統(tǒng)電子元件的使用溫度通常不超過(guò)125℃，遠(yuǎn)低于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)隨鉆測(cè)量?jī)x器和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備額定溫度的要求。

（3）此外，鉆具在井下的高頻振動(dòng)會(huì)進(jìn)一步影響井下設(shè)備的可靠性，當(dāng)高溫高壓和橫向振動(dòng)同時(shí)發(fā)生時(shí)其作用效果更為突出。

（4）鉆井工序優(yōu)化對(duì)項(xiàng)目的成功起著重要作用，通過(guò)對(duì)整個(gè)鉆井施工流程進(jìn)行仔細(xì)規(guī)劃，可以提高高溫深井的鉆井成功率。在一些沒(méi)有大規(guī)模勘探開(kāi)發(fā)高溫深井經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)和國(guó)家，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注人員培訓(xùn)和相關(guān)準(zhǔn)備。

（5）通過(guò)制定可靠性計(jì)劃可以提高井下儀器設(shè)備在高溫高壓環(huán)境下的可靠性。