海洋超高溫高壓油氣鉆井關鍵設備技術研究

王 蓉 王定亞 郝和伢 劉文霄 趙 海

(中國海洋工程裝備技術發展有限公司)

0 引 言

隨著國內油氣消費量的持續增長，以及石油勘探開發技術水平的提升，油氣勘探開發工作正在穩步向高溫高壓油氣井發展。高溫高壓(地層溫度>150 ℃，地層壓力>70 MPa)油氣藏已經逐漸成為油氣勘探開發的重要區域，超高溫高壓(地層溫度>175 ℃，地層壓力>105 MPa)油氣藏也將成為未來勘探開發的重要領域之一[1]。我國南海高溫高壓領域天然氣資源量達15萬億m3，占南海油氣總資源量的，是我國能源重要接替區。隨著溫度和壓力的上升，鉆完井技術面臨更加苛刻的地質環境，對鉆井設備提出更高的要求，故在海洋領域高溫高壓及超高溫高壓油氣井的勘探開發中，鉆井設備極易損壞失效并導致鉆井卡鉆、井漏、井涌或井噴等事故的發生。

這對油氣勘探開發設備提出了極大的挑戰[2-5]，不僅需要滿足惡劣海洋環境下的工作要求，以保證設備人員安全，而且需要滿足超高溫高壓復雜鉆井條件。這已成為當前制約我國油氣勘探開發的瓶頸和卡脖子技術，需要不斷攻關研究，增強鉆井設備性能，以滿足我國海洋及其他地區高溫高壓區塊油氣資源勘探開發需求。

1 海洋超高溫高壓鉆井主要設備類型

海洋鉆井平臺所涉及的系統設備類型較多，體系龐大，結構復雜。按照其主要功能劃分，可分為鉆井類設備和非鉆井類設備。

非鉆井類設備是指為鉆井提供輔助支持和服務保障的各種設備，就自升式平臺來說，非鉆井類設備主要包括平臺本體、樁腿、樁靴、升降系統、鎖緊設備及吊裝設備等。而鉆井類設備是指直接參與鉆井活動的系統設備，如鉆井提升設備、鉆井旋轉設備、鉆井循環設備、井口井控設備、鉆井動力設備、鉆井工具、水下鉆井設備及輔助鉆井設備等。其中：與高溫高壓鉆探環境條件直接相關的設備通常指與鉆井井眼直接或間接關聯的系列設備，主要包括鉆井防噴器組、井口裝置、各種管匯、隔水導管系統、泥線懸掛裝置、套管、鉆桿、鉆頭及井下工具等設備[6-8]。

鉆井防噴器、井口裝置、泥線懸掛裝置及井下工具等設備是目前國內海洋超高溫高壓油氣開發急需解決的重點卡脖子技術難題。

2 海洋超高溫高壓鉆井設備技術現狀

2.1 國外技術現狀

歐美企業通過多年的積累和深入研究，已掌握了海洋超高溫高壓鉆探領域的關鍵技術。其中：美國Cameron公司生產的?476 mm(18in)、140 MPa水上防噴器組和?346 mm(13in)、175 MPa水上防噴器組已于2011年12月應用于墨西哥灣海域的自升式鉆井平臺。美國NOV公司研制的?476 mm、140 MPa水下防噴器組(見圖1)于2021年交付，并應用于Transocean在新加坡新建的2座深水半潛式鉆井平臺[9-10]。美國Dril-Quip公司研制的BigBore IIe subsea wellhead system適用于高溫高壓生產要求的?476 mm水下井口系統(見圖2)，工作壓力等級包括105和140 MPa這2種，能夠適應0～177 ℃的含硫工作環境。

圖1 NOV 公司48-140防噴器組Fig.1 NOV 48-140 BOPs

圖2 Dril-Quip公司水下井口Fig.2 Dril-Quip subsea wellhead

美國斯倫貝謝、貝克休斯和哈里伯頓等油田服務公司研發了世界領先的超高溫高壓井下鉆井工具和儀器。斯倫貝謝公司研制了SlimPluse和TeleScope ICE這2種高溫型號的MWD產品，其中：SlimPluse最高工作溫度175 ℃，最大工作壓力155 MPa；而TeleScope ICE最高工作溫度達200 ℃，最大工作壓力206 MPa。哈里伯頓公司主要有Solar175和Quasar Pulse這2種型號的高溫MWD產品，其中：Solar175最高工作溫度175 ℃，最大壓力155 MPa；Quasar Pulse于2013年實現了產品技術定型和商業化銷售，可適應200 ℃高溫和最高172 MPa壓力指標(見圖3)。

圖3 哈里伯頓公司高溫MWDFig.3 Halliburton high-temperature MWD

貝克休斯公司NAVI185系統最高工作溫度185 ℃，耐壓172 MPa，適合?149 mm(5in)以上井眼。威德福的HEL MWD最高工作溫度175 ℃，最大工作壓力206 MPa；HEATWAVETM最高工作溫度200 ℃，最大工作壓力206 MPa。另外還有APS公司、TOLTEQ公司也能夠研制出最高工作溫度175 ℃、最大工作壓力172 MPa的產品[11]。

2.2 國內技術現狀

近年來，通過不斷探索和實踐，我國在高溫高壓地層油氣安全鉆井方面取得了較大技術進步。2010年至今，NH西部油田已陸續鉆探了50余口高溫高壓探井，先后發現了東方13-1、東方13-2等6個氣田。2015年建成我國第一個海上高溫高壓氣田，標志著我國已形成一套比較完整的高溫高壓氣田勘探開發技術體系。2018年，我國成功實施了樂東10區勘探評價，展現出了該區域巨大的天然氣勘探潛力。2020年，我國海上最大高溫高壓氣田東方13-2氣田投產，預計高峰年產氣超30億m3。隨著NH高溫高壓油氣田鉆井工藝技術的突破，為海洋鉆井系統的國產化研制與驗證提供了難得的機遇[12]。

在油氣鉆采關鍵裝備研發方面，通過近20年的不懈努力，我國也取得了長足的發展，以深海鉆井隔水管、井口裝置和海洋鉆井防噴器等產品為例，國內寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械)和華北榮盛公司等多家企業和科研機構，通過技術攻關，目前均已在滿足陸地和海洋通用產品需要的鉆井產品研制方面擁有了較好的基礎條件，并積累了一定的經驗。

華北榮盛公司于2010年成功研制出國內第一套28～140 MPa防噴器組，防噴器極限高溫達到132 ℃，并已成功應用8組，完成20余口井的鉆探；依托國家“863”項目和重大專項，成功開發了48～105 MPa防噴器組和控制裝置及水下應急封井裝置(見圖4)，防噴器極限高溫可達177 ℃。其中：48～105 MPa閘板防噴器通過DNV等級設計審查和型式認可，水下應急封井裝置在1 448 m水深完成了海試[13]。目前，我國已在140 MPa防噴器結構、承壓件材料、熱處理技術、高溫高壓試驗技術、智能化控制系統等方面擁有了較好的基礎條件并已積累了一定的經驗，為海洋環境下的超高溫高壓鉆井防噴器組及控制裝置研發創造了條件。

圖4 水下應急封井裝置Fig.4 Subsea emergency capping device

寶石機械自2007年開始進行水下裝備技術研發，依托國家“863”課題及工信部項目，完成了深水隔水管C級、E級及H級3個等級的設計制造及核心技術研發，是目前國內具有CCS、API等國際權威機構資質認證的產品[14]；完成了工作壓力70 MPa、最高溫度121 ℃的1 500 m水下臥式采油樹(見圖5)和500 m水下立式采油樹研制，并在煙臺近海碼頭完成淺水試驗，樣機性能指標達到國際主流技術水平，其中水下立式采油樹通過CCS設計認可和產品檢驗認證[15-17]；依托中石油集團項目，完成工作壓力70 MPa、最高溫度121 ℃的水下井口裝置和MLS-10泥線套管懸掛裝置研制，已在水下井口及泥線套管懸掛裝置關鍵結構設計、材料選型、防腐處理及試驗技術等方面積累了豐富的經驗[18]；同時還具有400 MPa靜水壓試驗裝置、140 MPa氣密封試驗裝置、3 500 m深水模擬高壓試驗艙、彎曲載荷試驗臺、PR2性能實驗室等試驗裝置。這些都為海洋超高溫高壓井口裝置、泥線套管懸掛裝置的成功研發提供了保障。

在井下高溫高壓隨鉆測控儀器研發方面，目前國內也有部分企業能夠研發最高溫度175 ℃、最大壓力172 MPa的產品，特別是中石化經緯公司研制的175 ℃的MWD(見圖6)已實現了小規模推廣應用，并創造了最高溫度達169.6 ℃，單支儀器連續下井時間1 187.5 h，連續循環時間800 h的良好成績；在測井儀器研制方面，已能夠研制小直徑規格的電纜超高溫高壓級別的產品，具備較好的基礎條件[19]。

圖5 水下臥式采油樹Fig.5 Subsea horizontal Christmas tree

圖6 175 ℃ 高溫MWDFig.6 175 ℃ high-temperature MWD

雖然國內海洋超高溫高壓鉆井裝備技術研究取得了一定成果，但受制于我國從事海洋鉆井裝備研究時間短、國家工業基礎薄弱等因素的限制和影響，在高強度金屬材料、高溫高壓密封等方面與國外存在較大的差距，無法滿足海洋特殊區塊超高溫高壓地質的鉆探要求，需要繼續加強研究，進一步做好系統性的創新性配套、產品結構設計、環境適應性和性能參數優化匹配等多方面的研究工作，以滿足日益苛刻的海洋鉆探需求。

3 關鍵技術分析

認真分析我國在海洋超高溫高壓鉆井設備上存在的差距及制約我國海洋油氣勘探開發的各種因素，從設備原材料構成和應用特點分析，不難判斷我國海洋超高溫高壓設備關鍵技術主要表現在以下幾個方面。

3.1 超高溫高壓金屬元器件材料研發技術

一方面，金屬器件材料自身在超高溫鉆井工況下的強度會有所下降，導致超高壓工作過程中元器件的塑性變形增大，從而增大了設備疲勞失效的風險；另一方面，在油氣田開發過程中，井口井控設備可能發生的腐蝕類型中，以硫化氫腐蝕時材料因素的影響作用最為顯著，為滿足抗硫化氫性能要求，標準對井口井控設備自身材料的硬度有限制，進而限制了材料力學性能的增強。因此，研究高強度金屬材料的冶煉、加工技術和超高溫高壓下失效準則尤為重要，是實現超高溫高壓鉆井設備安全的關鍵技術。

3.2 超高溫高壓密封設計制造技術

目前，國內能夠滿足140 MPa超高壓級別和177 ℃超高溫條件的鉆井防噴器密封件研制技術尚處于空白。受制于超高溫工作環境的影響，橡膠件極易軟化并失去硬度，且溫度越高軟化程度上升越快，同時橡膠件在高溫條件下兼有較強的流動性，當在一側施以高壓時，密封件就會向著低壓的一側流動。由于零件之間存在間隙，加速了橡膠的流失，極易導致密封失效。所以，密封件材料制造技術和密封件結構設計是實現超高溫高壓密封可靠性的關鍵技術。

3.3 高性能與高精度控制器件研發技術

長期以來，我國在鉆井領域所涉及的氣、液、電等控制系統的研發工作基礎比較薄弱，特別在適應特殊超高溫高壓環境需要的高可靠性控制器件研制方面差距更大，長期依賴進口。如具備良好安全性、可靠性的液壓控制閥、電子控制器、精密傳感器和高壓膠管，以及高精度顯示器和報警器等，其工作性能的好壞，直接決定著鉆井工作能否正常運行和能否為人員設備提供安全保障，其產品的可靠性和使用壽命等對整個鉆井系統非常關鍵。因此，從功能原理、結構特點等入手分析，選擇在高溫環境下性質更穩定的材料、電子元器件，綜合使用冷卻和金屬間密封等技術和工藝方法，是實現其產品安全可靠的關鍵技術要素。

3.4 超高溫高壓鉆井設備海試技術

海試對海洋裝備產品來說十分重要，是考驗首臺(套)新產品適應海況工作環境、驗證產品技術性能和使用功能的有效方法，也是打通海洋鉆采新技術、新產品走向市場化發展的最后一環。尤其針對超高溫高壓地層環境特殊鉆井工況，對新研制的超高溫高壓鉆井防噴器、控制系統、井口裝置和井下工具等關鍵設備，通過開展海上安裝連接試驗、系統聯調試驗、功能測試試驗等科學研究，是充分驗證其產品適應海洋實際工作環境和超高溫高壓鉆井作業工況，確保產品最終滿足使用要求和可靠性、安全性等的重要技術手段。

4 關鍵技術研發思路

針對超高溫高壓鉆井設備存在的技術難點，結合各設備使用環境、工況、研制過程、技術特點和使用方法等，提出各關鍵技術的攻關思路。

4.1 開展超高溫高壓鉆井設備金屬材料攻關

高強度金屬材料在整個設備構成中占據著絕對的比重和體量，是構成各種機械設備的主要成分。圍繞超高溫高壓鉆井防噴器、井口裝置、套管泥線懸掛裝置及井下工具等產品性能提升，應做好4個方面的技術攻關，分別是：①加大高強度金屬材料配方和冶煉技術研究，攻克高強度承壓金屬材料冶煉技術難題，提高現有材料的強度、韌性等力學性能指標；②認真研究高強度金屬材料鍛造變形工藝，優化溫度、變形量、保溫時間及冷卻速率等參數，為鍛造工藝優化提供理論指導；③深入開展高強度金屬材料熱處理工藝優化與組織性能研究，開展不同溫度、保溫時間和冷卻速度的熱處理工藝優化試驗，以獲得良好的調質態微觀組織，從而實現金屬材料優良的強度和韌性；④開展金屬抗蝕性能研究工作，突破復雜形狀內腔高強度耐蝕合金堆焊技術，大幅度增強防噴器耐腐蝕能力，確保產品能夠長期適應于海洋及井下惡劣環境工作要求。

4.2 做好超高溫高壓橡膠密封研究工作

井口井控設備中的密封元器件(如防噴器膠芯等)在關井、防止井噴井涌事故發生中發揮著重要作用，也是衡量產品性能的關鍵要素。受制于橡膠件自身高溫高壓時變形大、失效快的問題，結合產品結構特點和工作性能，需要做好以下幾方面研究工作：①深入研究高溫密封失效機理，應用三維超彈性有限元模擬分析技術，建立以實際檢測數據為基礎的橡膠材料結構模型，以應力和應變減小并實現密封為目標，優化密封結構，減小橡膠高溫擠出量；②研發以HNBR為基體的超高溫高壓抗硫化氫橡膠配方體系和硫化體系，優選高品質原膠，優化補強體系、防老體系和硫化體系，以獲得優越的綜合物理力學性能；③對橡膠進行常溫靜態力學性能、動態性能、高溫性能和耐硫化氫腐蝕能力檢測，按照GB/T 20174—2019要求連續開展疲勞、高溫試驗和極限高溫試驗，保證橡膠密封件在超高溫高壓下的可靠性。

4.3 深入開展高性能控制系統設備研發工作

高溫高壓工作環境對設備中的氣、液、電等各種控制系統及其元件影響非常突出，極易導致系統失靈和失效。為提升系統適應高溫高壓環境需要，一是要認真做好系統配套研究工作，逐一對系統和組件進行匹配性分析，并盡可能在系統中采用必要的降溫、降壓措施，以確保系統性能穩定、安全可靠；二是開展熱成像分布分析和功率器件選型工作，選用高溫低功耗芯片，開發低功耗電路固件程序或優化電路板導熱路徑，從中央處理器到外圍芯片逐級降低系統功耗、降低電路溫升，形成電路低功耗技術等；三是優選高溫合金或陶瓷等測井儀器外殼材料隔離等措施，提高儀器抗壓、抗拉以及電絕緣性，形成超高溫高壓環境下井下儀器高性能承壓密封技術。

4.4 做好超高溫高壓鉆井設備海試技術研究工作

在工廠試驗驗證的基礎上，圍繞目標海域做好海試技術研究是產品走向市場的關鍵一步，應認真做好技術研究。一是根據目標作業海域、擬依托平臺及地層條件，明確海試試驗海況及鉆井參數，提出超高溫高壓鉆井關鍵設備樣機的試驗參數要求；二是針對不同設備特點，從起吊運輸、安裝連接、功能測試、示范應用及產品回收等方面做好全流程海試方案；三是根據試驗過程中數據采集需求，制定海試過程監測方案，同時，針對海試中可能存在的安全隱患，提前做好風險應急預案等，完成海試試驗總體方案及海試作業流程，突破超高溫高壓鉆井關鍵設備海試技術。

5 結論及認識

(1)研究得出海洋超高溫高壓環境鉆井涉及的主要設備是指與鉆井井眼直接或間接關聯的系列設備，其中鉆井防噴器、井口裝置、泥線懸掛裝置、井下工具等為亟待突破的超高溫高壓鉆井關鍵設備。

(2)通過對比分析，我國在海洋超高溫高壓鉆井關鍵設備的設計、制造及試驗等多個環節與發達國家存在差距。

(3)分析提出了金屬材料研發、密封設計制造、控制元器件開發和系統設備海試技術是制約超高溫高壓鉆井設備發展的關鍵技術。

(4)研究提出了金屬材料研發、密封設計制造、控制元器件開發和鉆井設備海試等各項關鍵技術的研發攻關思路。