張　博，毛祖臣，鄭大偉

東方29-1-6高溫高壓井段的鉆井實踐與認識

張博，毛祖臣，鄭大偉

（中國石油化工集團上海海洋石油局鉆井分公司，上海200120）

摘要：東方29-1-6井是勘探三號半潛式平臺承鉆的一口高溫高壓探井，不但存在著高溫和高壓影響鉆井液穩(wěn)定性的問題，還存在著由于地層孔隙壓力與破裂壓力接近，造成安全窗口狹窄而形成的井控風(fēng)險。在鉆井作業(yè)過程中，針對Φ212.7 mm（8-3/8"）井段地層高溫高壓的特點，平臺現(xiàn)場通過精細化管理和操作，優(yōu)化了鉆具組合，嚴密監(jiān)控各項鉆井參數(shù)，尤其是鉆井液的井口返出溫度。針對不同實時情況采取對應(yīng)的應(yīng)對措施以保持鉆井液在“雙高”下的良好流變性和穩(wěn)定性。在棄井回收階段做好注水泥塞等措施，安全、優(yōu)質(zhì)地完成了鉆井任務(wù)，積累了現(xiàn)場施工經(jīng)驗，可供該區(qū)域及國內(nèi)海洋高溫高壓鉆井借鑒。

關(guān)鍵詞：高溫高壓；海洋鉆井；鉆具組合；鉆井液；固井

高溫高壓井一般指井底溫度大于150 ℃、地層孔隙壓力大于68.9 MPa（10 000 psi）或地層孔隙壓力當(dāng)量鉆井液密度大于1.80 g/cm3的井。高溫不但給鉆井液、水泥漿性能造成很大的影響，同時對井下及井口設(shè)備、工具、儀器的密封件、軟管等也可能造成損害。高壓則會給鉆井作業(yè)在高強度設(shè)備、器材、工具、儀器儀表的配套和高密度鉆井液的選用、配制及其維護方面帶來更高的要求。高溫高壓井鉆井是當(dāng)今鉆井技術(shù)難題之一，高溫高壓會對鉆井作業(yè)過程中的固井、取心、電測、測試等各個環(huán)節(jié)增加難度，如處理不好則都會帶來一系列的問題[1]。同時由于海上作業(yè)環(huán)境的限制，使高溫高壓鉆井作業(yè)風(fēng)險更大，困難更多，尤其是使用浮式鉆井平臺進行高溫高壓井鉆井作業(yè)有其特殊的工藝要求。

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東方29-1-6井是勘探三號半潛式鉆井平臺在南海鶯歌海盆地中央拗陷北區(qū)所鉆的一口預(yù)探井，水深68 m，井型為直井，完鉆井深3 248 m。本井最高井底溫度為162 ℃，使用的鉆井液密度最高達2.06 g/cm3。針對本井地質(zhì)情況，采取合理井身結(jié)構(gòu)及技術(shù)措施，37天內(nèi)完成該井施工任務(wù)，取全取準了各項資料。本井高效、優(yōu)質(zhì)的完成而取得的經(jīng)驗可以為該區(qū)域及類似的高溫高壓井的施工提供參考和借鑒。

圖1　DF29-1-6井壓力預(yù)測曲線

1　地質(zhì)簡況

本井所鉆遇地層是第四系、新近系鶯歌海組和黃流組一段。鶯歌海組一段巖性以灰色泥巖為主，夾薄層灰色泥質(zhì)粉砂巖。鶯歌海組二段上部為灰色泥巖與灰色泥質(zhì)粉砂巖呈不等厚互層；中部為灰色泥巖夾灰色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖；下部為以灰色巨厚層狀泥巖為主，偶見灰色泥質(zhì)粉砂巖。黃流組一段是本井的主要目的層，以灰色巨厚層狀泥巖為主，夾灰色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖。

根據(jù)鄰井資料和構(gòu)造層數(shù)據(jù)，預(yù)測地層孔隙壓力系數(shù)分別為：在2 231 m以上地層約為1.00～1.26，2 231～2 656 m井段為1.26～1.50，2 656～3 100 m井段為1.50～1.87，3 100～3 230 m（TD）井段為1.87～1.94；主要目的層孔隙壓力系數(shù)為1.87～1.92，具體見圖1。實際鉆井作業(yè)過程中地層壓力系數(shù)略高，主要目的層孔隙壓力系數(shù)為2.0，完井電測井底溫度為162℃，目的層溫度為157～160℃。

2　本井作業(yè)過程中存在的技術(shù)難點和主要設(shè)備問題

（1）主要目的層孔隙壓力系數(shù)為1.87～1.92，與破裂壓力2.17～2.2十分接近，安全窗口非常窄，在下鉆、開泵、循環(huán)時易造成井漏；起鉆時易造成溢流，存在井涌和井漏的雙重風(fēng)險，造成井控難度大，容易發(fā)生井下情況復(fù)雜。

（2）本井使用重晶石作為泥漿加重材料，隨著溫度和壓力的增加，對鉆井液在高溫條件下的穩(wěn)定性和高密度情況下的良好流變性提出更高的要求，在高溫高壓情況下，要求鉆井液低黏低切。因為高黏度高切力的鉆井液會造成起下鉆引起的壓力激動和循環(huán)壓力降的增加，在安全窗口較窄的情況下，容易造成井涌或井漏。同時又要保證鉆井液有足夠的懸浮能力，否則會造成重晶石沉淀而引起卡鉆。而高密度鉆井液使固控設(shè)備的效率降低，保持和維護鉆井液性能穩(wěn)定難度大。

（3）高溫高壓井的固井，存在水泥漿在凝固過程中的失重現(xiàn)象使環(huán)空靜液壓力降低而造成串槽的風(fēng)險；另外還存在地層高溫會使水泥強度衰退、水泥凝固過程中高密度的水泥塞下沉，導(dǎo)致封隔油氣層失敗的風(fēng)險。

（4）井底高溫致使返出鉆井液在海底的溫度達到70 ℃以上，半潛式鉆井平臺的防噴器系統(tǒng)坐在海底，返出的高溫鉆井液不能經(jīng)過隔水管井段海水的冷卻，平臺地面鉆井液處理系統(tǒng)等的橡膠密封件經(jīng)受著高溫，且連續(xù)作業(yè)時間長，對設(shè)備要求高。

3　針對本井作業(yè)難點所采取的措施

3.1選用合理的井身結(jié)構(gòu)

根據(jù)本井預(yù)測的地層情況及所鉆遇的地層孔隙壓力，為了有效地封隔不同的壓力體系，減少作業(yè)風(fēng)險，確保鉆達地質(zhì)目標，本井選用了五層次套管結(jié)構(gòu)，主要目的層在212.7 mm（8-3/8"）井段內(nèi)。具體井身結(jié)構(gòu)見表1。

表1　井身結(jié)構(gòu)

3.2做好各井段的地層承壓試驗

由于難以準確預(yù)測地層孔隙壓力，防止在鉆遇高壓地層壓井過程中因套管固井質(zhì)量不好，出現(xiàn)從套管鞋外向上竄漏而難以處理的情況，要求在進行套管鞋處地層壓漏試驗時，在套管強度允許的條件下要試到地層壓漏。只有滿足要求，才可以進行下一開鉆進，否則，必須采取擠水泥等措施，以提高套管鞋處的地層承載能力，達到要求后才能繼續(xù)鉆進，否則要考慮調(diào)整下部井身結(jié)構(gòu)。地層承壓試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2　東方29-1-6井地層壓力試驗數(shù)據(jù)

3.3在高溫高壓井段作業(yè)過程中的井控措施

（1）鉆開油氣層前召開技術(shù)交底會讓相關(guān)人員了解本井的基本情況、作業(yè)中的風(fēng)險和問題及其解決措施、方案、安全注意事項等，并明確自己的崗位職責(zé)。組織有關(guān)人員對鉆井平臺進行一次全面安全檢查，并且按照安全檢查提綱制訂切實可行的檢查程序。對鉆開油氣層前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的問題要進行落實整改。油氣層井段鉆進時，通過嚴格認真的防噴演習(xí)，來鍛煉對付井噴的實際能力和檢查井控設(shè)備的可靠性，及時暴露存在的問題并及時整改。更重要的是保持井隊對井噴預(yù)兆的高度警覺性，熟悉操作步驟，協(xié)調(diào)崗位與崗位之間的配合，做到臨陣不亂，方法措施得當(dāng)。

（2）五開鉆具組合為：Φ212.7 mm PDC鉆頭+Φ177.8 mm 水力脈沖接頭+Φ169 mm浮閥接頭+Φl7l mm LWD/MWD+Φ206 mm扶正器+Φ165 mm鉆鋌×13根+Φ165 mm振擊器+Φ127 mm加重鉆桿×1根+Φ127 mm投入式止回閥接頭+Φ127 mm加重鉆桿×13根+Φ127 mm鉆桿。在本井段使用了PDC鉆頭，可鉆時間長，避免鉆頭事故，一只鉆頭直接鉆達井深，避免起下鉆換鉆頭時形成的空井風(fēng)險；在鉆具組合中采用錐形浮閥芯和投入式止回閥，以減小井控風(fēng)險；利用隨鉆測井工具，對各種參數(shù)尤其是鉆井狀態(tài)的循環(huán)泥漿當(dāng)量密度和井底溫度進行實時監(jiān)控，也可以作為調(diào)整泥漿性能的一個重要參考。

（3）在油氣層井段作業(yè)時，嚴格執(zhí)行井控操作規(guī)程，起鉆前須循環(huán)鉆井液至性能均勻，然后停泵保持活動鉆具或進行10柱鉆桿短起下鉆，兩小時后進行氣體上竄速度試驗，在循環(huán)氣測全量小于10%、氣體上竄速度≤50 m/h情況下才能起鉆[2]；在起鉆前、至套管鞋處及最后一柱鉆桿時都要進行觀察15 min，確認有無溢流異常情況；起鉆過程中，必須嚴格執(zhí)行每3個立柱連續(xù)向井里灌注鉆井液的規(guī)定，同時作好每柱灌漿記錄。下鉆時采取分段循環(huán)方式，到最深的套管鞋處和進入裸眼一半井段，慢速恢復(fù)循環(huán)和調(diào)整鉆井液，在裸眼段循環(huán)時緩慢開泵，嚴格控制起下鉆速度，特別是在油氣層井段或縮徑井段，要防止抽噴或壓漏地層。

3.4鉆井液技術(shù)與措施

本井高溫高壓井段使用了Duratherm泥漿體系，隨時監(jiān)測離子含量等性能變化，保持1%～2%的黏土含量，其pH值高于9，以保持高溫環(huán)境下鉆井液性能的穩(wěn)定。本井段鉆速較慢，鉆屑很細，易于分散，而且泥頁巖分散嚴重，保持3%～5%的KCl濃度有利于抑制分散，結(jié)合優(yōu)化的流變參數(shù)，防止井眼擴大。維持適當(dāng)?shù)你@速、轉(zhuǎn)速、排量和鉆井液流變性是井眼凈化的關(guān)鍵因素。隨著井越鉆越深，井溫和密度的增加，高密度鉆井液使得固控設(shè)備的效率降低，因此鉆井液的稀釋量可能增大，即可采取細水長流的辦法向鉆井液加水（循環(huán)或鉆進時以大約400～800 L/h速度加水，停泵就停水）以補充鉆井液因高溫蒸發(fā)和濾失損失的水份，使鉆井液體系內(nèi)保持有適量的自由水，以減小失/脫水效應(yīng)對鉆井液流變性的影響。

3.4.1高溫對鉆井液系統(tǒng)的影響及應(yīng)對

雖然返出鉆井液經(jīng)過隔水管周圍海水的冷卻，到達振動篩的鉆井液溫度還是達到60 ℃以上，平臺現(xiàn)場采取了針對性的措施：工作人員加強個人防護意識，佩戴加厚的水手手套、口罩，準備燙傷藥品。鉆井液進、出口溫度實時監(jiān)控。定期對每臺鉆井液攪拌機油質(zhì)、各油封、對中、葉輪軸進行檢查，按需換油品密封件，外表除積物、改進通風(fēng)，確保散熱。三除區(qū)域加裝防爆電扇、風(fēng)筒，對每臺振動篩大排量通風(fēng)降溫，高溫管路區(qū)域張貼警示牌。更改鉆井液循環(huán)池，加長鉆井液回流槽的長度，鋪設(shè)冷卻管路。鉆井液泵缸套冷卻水暫時改為海水冷卻等等，以增強降溫效果。適當(dāng)控制鉆速和排量，鉆井液通過補充膠液或新漿以及采用細水長流向循環(huán)系統(tǒng)加水等方式也能幫助降溫。

高溫和高壓是相伴隨的，必須結(jié)合起來應(yīng)對。用適量的抗高溫降失水劑控制鉆井液的高溫失水，防止出現(xiàn)高溫膠凝，抗高溫材料的濃度隨井溫和鉆井液密度的增加而增加。在鉆井液溫度達到高溫以后，任何對鉆井液切力和穩(wěn)定性有影響的污染都會降低鉆井液的懸浮能力[3]，甚至造成重晶石沉淀。因此，需密切監(jiān)測鉆井液性能，一發(fā)現(xiàn)變化，應(yīng)盡快加入提黏劑提高鉆井液的切力。

3.4.2高密度鉆井液的性能維護和使用措施

從東方29-1-6井壓力預(yù)測圖可以直觀的看出，其五開Φ212.7 mm（8-3/8"）井段的地層壓力陡增。此井段地層孔隙壓力與破裂壓力十分接近，安全窗口非常窄，既要防井涌，又要防漏。本井段由于溫度也較高（160 ℃），鉆井液需保持中下限的低固相含量，做好隨時加重的準備，并在加重后及時調(diào)整處理，以保持高密度（本井段鉆井液密度高達2.06 g/cm3）和高溫下的良好流變性。

本井段地層壓力跨度較大，存在著很大的壓差卡鉆和井漏的風(fēng)險，保持高質(zhì)量的泥餅和較好的潤滑性有助于降低壓差卡鉆的風(fēng)險。因此在提高鉆井液密度后加入進口石墨或磺化瀝青（需向地質(zhì)監(jiān)督確認）以改善泥餅的質(zhì)量和提高鉆井液的潤滑性；如有滲漏發(fā)生，加入適量的單封、碳酸鈣的封堵顆粒以加強滲透性砂巖的承壓能力；在滿足井控要求的前提下盡量控制鉆井液密度以減小壓差[4]。

鉆進過程中通過ECD等參數(shù)監(jiān)控手段，既保持鉆井液性能的相對穩(wěn)定，同時還要防止重晶石沉降。在開始加入重晶石前，進行各項鉆井液試驗，提高6速旋轉(zhuǎn)黏度計的VG讀數(shù)，保持一定低剪切速率下的黏度，以提高巖屑的攜帶和懸浮能力。加入時需緩慢均勻地加入，鉆井液密度也需以0.02～0.03 g/cm3為一個臺階逐漸地提高，切忌加重過快；另一方面，提黏劑切忌處理過量，避免形成局部膠凝。循環(huán)時保持環(huán)空流速大于0.5 m/s，同時，操作上需控制起下鉆速度、開泵不宜太猛，小排量建立循環(huán)后，階梯式提高至正常排量，如井下靜止比較長時間，下鉆則需分段循環(huán)，裸眼段如必要可開泵起鉆，以減小井下的壓力激動或抽吸，避免引發(fā)井下復(fù)雜情況。

3.5固井與棄井回收的技術(shù)措施

由于高溫高壓井的固井作業(yè)中，容易發(fā)生井漏、串槽、水泥環(huán)強度不夠等復(fù)雜情況，因此提高固井成功率的關(guān)鍵是高溫高壓狀態(tài)下高密度水泥漿的配制、流動性、頂替效率等。本井針對高溫高壓固井存在的問題采取以下措施：

（1）本井Φ244.5 mm（9-5/8"）技術(shù)套管選用了高強度套管，鋼級Q125級，公稱質(zhì)量53.5 lb/ft，抗內(nèi)壓強度85.4 MPa。確保套管鞋處的封固質(zhì)量，做固井設(shè)計時要求套管內(nèi)留至少2根套管長度的水泥塞，固井前進行實際測量泥漿泵頂替效率，避免頂替至Φ244.5 mm（9-5/8"）套管鞋外環(huán)空，在泵尾漿時，在流變性允許的情況下，盡量把鉆井液密度控制在1.95 g/cm3以上，以提高套管鞋的水泥石強度。

根據(jù)研究，表明在110 ℃之前水泥石強度隨溫度的增加而增加，但是高于110 ℃時，水泥石強度會隨溫度的增高而減小，而且水泥石高溫強度退化問題可以通過降低水泥中石灰與二氧化硅的散裝比得以解決，即摻人一定量的硅粉來提高水泥石強度[5,6]。所以為防止地層高溫使水泥強度衰退，本井在9-5/8"套管固井時，根據(jù)室內(nèi)模擬試驗使用含量35%的硅粉水泥。

（2）水泥漿的配制使用抗高溫外加劑，本井使用RC800降失水劑、USZ分散劑、TW-200緩凝劑，作為抗高溫外加劑，使配制的水泥漿具有抗高溫穩(wěn)定性、失水量控制在100 mL以內(nèi)，并且有足夠長的待稠化時間[7,8]。另外為防止水泥塞下沉或受到污染，注水泥塞前在預(yù)計水泥塞下面墊稠鉆井液，并泵入前置液，或下入橋塞。每個水泥塞的長度要超過100 m，水鉆井液配方要有防腐功能，密度適當(dāng)。同時要注意防止赤鐵礦粉等加重材料對平臺甲板劇烈腐蝕。

（3）在侯凝過程中，關(guān)防噴器對水泥塞施加正壓力，防止水泥凝固過程中的失重問題而引起的串槽以保證固井質(zhì)量，留待足夠的候凝時間后，必須下鉆驗證水泥塞面的深度是否與設(shè)計吻合并試壓合格。在切割每層套管之前，要根據(jù)地層壓力適當(dāng)降低割口深度以上的鉆井液密度。

3.6高溫高壓井的設(shè)備保障與維護

（1）在鉆開高溫高壓井段前，起出防噴器，更換耐溫177 ℃以上的防噴器膠芯及配件；對防噴器控制系統(tǒng)、隔水管接頭密封、阻流壓井盤根密封、地面水龍帶及沖管、地面鉆井液循環(huán)等設(shè)備進行耐高溫改造；各鉆井液傳感器的膠囊保證備件充足，及時更換；重新引進耐高溫密封配件；對各防噴器及壓井阻流管匯等進行仔細檢查并試壓為額定壓力的100%。

（2）認真巡視檢查各種設(shè)備運行狀況，高密度鉆井液易導(dǎo)致砂泵軸和葉輪斷裂，所以啟動之前要人工盤泵。尤其要重點檢查灌注泵、攪拌器等設(shè)備的軸溫、油、氣、水及絕緣接地情況，保證吹灰加重系統(tǒng)的管線暢通，平臺及守護船儲備200 t以上的加重材料。

（3）平臺制定了專門的值班制度，對鉆井設(shè)備在使用過程中的鉆井液溫度、密度和設(shè)備溫度監(jiān)測。及時沖洗長時間不用的鉆井液管線，包括海底節(jié)流、壓井管線，防止重晶石沉淀堵塞管路。

4　結(jié)論和認識

（1）進行套管鞋處地層壓漏試驗時，在套管強度允許的條件下要試到地層壓漏，準確求出地層壓漏后最終穩(wěn)定的壓力值。如果能穩(wěn)定在要求以上，才可以繼續(xù)下一開鉆進，否則，必須采取擠水泥等措施以使達到要求后才能繼續(xù)鉆進。

（2）通過優(yōu)化鉆具組合，執(zhí)行嚴格的井控程序，操作上避免急躁心理，堅持謹慎原則，控制起下鉆速度，循環(huán)時緩慢開泵，盡量減少鉆具在井內(nèi)的靜止時間，是行之有效的鉆井措施。

（3）泥漿的性能會隨溫度和壓力的變換而變化，所以保持鉆井液在高密度下的高溫穩(wěn)定和“雙高”下的良好流變性是高溫高壓井的重點。

（4）注水泥塞前在預(yù)計水泥塞下面墊稠鉆井液，并泵入前置液，以防止水泥塞下沉或受到污染。當(dāng)井底溫度大于110 ℃時，使用硅粉水泥來提高水泥石的強度。嚴密監(jiān)控水泥塞的深度和泥漿置換體積，保證固井質(zhì)量。

（5）泥線以上的海水對隔水管內(nèi)的泥漿有明顯的降溫效果，通過改善泥漿系統(tǒng)各個設(shè)備的通風(fēng)條件、提高密封件的耐高溫等級、鋪設(shè)泥漿冷卻管路等措施，也能有效降低高溫泥漿對地面設(shè)備的影響。應(yīng)及時沖洗長時間不用的鉆井液管線，防止重晶石沉淀堵塞海底管路。

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中圖分類號：TE242

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2012.03.098

收稿日期：2011-09-02；改回日期：2012-03-09

第一作者簡介：張博，男，1979年生，工程師，2001年畢業(yè)于吉林大學(xué)勘察工程系，主要從事海洋鉆井工程與管理工作。

文章編號：1008-2336（2012）03-0098-05

The Practice and Understanding about Drilling through High Temperature and High Pressure Intervals in Well DF29-1-6

ZHANG Bo, MAO Zuchen, ZHENG Dawei
（Drilling Division, SINOPEC Shanghai Offshore Petroleum Bureau, Shanghai 200120, China）

Abstract:The DF29-1-6 is a high temperature and high pressure exploratory well drilled by KANTAN Ⅲ which is a semi-submersible drilling platform. This well faced two signif i cant challenges during the drilling process, one is high temperature and high pressure, which has great inf l uence on drilling fl uid stability. The other is the well control problem because the safety window is very narrow and the formation pressure is close to the fracture pressure. During drilling 212.7 mm(8-3/8") well section which is characterized by high temperature and pressure, lots of measures have been taken, such as meticulous management and operation, optimizing BHA, monitoring closely the drilling parameters, especially the temperature of the drilling fl uid back to the wellhead, maintaining good rheology and stability of the drilling fl uid under high temperature and high pressure conditions, cementing plug well at the stage of well abandonment and so on, to fi nish the well drilling safely and excellently. Through this well, KANTAN Ⅲ has obtained rich experiences in the fi eld operation, which can be used in the domestic offshore high temperature and high pressure well drilling.

Key words:HP-HT well; offshore drilling; BHA; mud; cementing