楊 衛(wèi)，聶世均，邢玉軒，范偉華

（1.中國(guó)石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司，北京100083；2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都610051；3.中國(guó)石油大學(xué)〈北京〉石油與天然氣工程學(xué)院，北京102249）

DZK02中高溫地?zé)峋@完井工藝技術(shù)實(shí)踐與探討

楊 衛(wèi)*1，聶世均2，邢玉軒3，范偉華2

（1.中國(guó)石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司，北京100083；2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都610051；3.中國(guó)石油大學(xué)〈北京〉石油與天然氣工程學(xué)院，北京102249）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的需求，中國(guó)地?zé)豳Y源開發(fā)利用每年以12%的速度增長(zhǎng)。實(shí)踐表明，中高溫地?zé)峋哪芰科肺缓徒?jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)高于低溫地?zé)峋?，但我?guó)在中高溫地?zé)峋你@井和成井工藝方面研究和經(jīng)驗(yàn)相對(duì)不足，無形中增加了中高溫地?zé)峋@井、建井成本，及熱能數(shù)據(jù)獲取不準(zhǔn)確等問題。以DZK02中高溫地?zé)峋@完井為例，詳細(xì)探討了中高溫地?zé)峋@完井過程中面臨的難題及配套解決措施，并探討了中高溫井鉆完井中幾個(gè)關(guān)鍵問題，為類似中高溫地?zé)峋目碧介_發(fā)提供參考經(jīng)驗(yàn)。

地?zé)峋籇ZK102；中高溫；鉆完井工藝；技術(shù)探討

在全國(guó)已發(fā)現(xiàn)的3200處地?zé)岙惓Ｖ校^90%的為中低溫地?zé)嵯到y(tǒng)，僅8%為中高溫地?zé)嵯到y(tǒng)。而在已開發(fā)的地?zé)峋?，除西藏羊八井、羊易地?zé)岷蛷V東豐順地?zé)嵬猓^大部分地?zé)峋詫儆诘蜏氐責(zé)醄1-3]。因此相對(duì)比較成熟的中低溫地?zé)峋@完井工藝，中高溫地?zé)峋@完井工藝上還處于探索研究中[4-7]。本文以DZK02中高溫地?zé)峋@完井工藝技術(shù)實(shí)踐為例，探討了中高溫地?zé)峋@完井難點(diǎn)及配套技術(shù)措施，并針對(duì)其存在的問題提出了相應(yīng)的研究思路和方向，為后續(xù)區(qū)域乃至其他地區(qū)的中高溫地?zé)峋@完井作業(yè)提供參考經(jīng)驗(yàn)。

1 DZK02井基本情況

DZK02井地處西部某河左岸一級(jí)階地，位于該斷裂下盤、斷裂破碎帶上，階地下伏破碎帶厚度大于560m，在其近東西、北西向縱張裂隙發(fā)育帶上水量補(bǔ)給充足。階地附近有3處溫泉出露（水溫37℃～48℃）和1口地?zé)崽骄ㄋ疁?5℃/H45m），地表地溫在7.2℃～8.0℃，屬地溫異常區(qū)。根據(jù)鄰井水溫曲線（圖1），基巖中水溫與覆蓋層中水溫相差30℃，且進(jìn)入基巖后水溫具有顯著升高的特征，表征該階地具有良好的地?zé)衢_發(fā)前景。

圖1 某鄰井水溫隨井深變化曲線

2 DZK02井鉆完井難題及工藝措施

本井采用二開二完井身結(jié)構(gòu)，完鉆井深1847m，二開完鉆后采用裸眼完井。在鉆完井過程中，雖然遇到了較多在中低溫地?zé)峋闯霈F(xiàn)的鉆完井難題，但現(xiàn)場(chǎng)通過優(yōu)化工藝技術(shù)、調(diào)整施工方案、完善配套措施等，確保了該區(qū)域第一口高溫地?zé)崽骄捻樌赉@。

2.1 地層出水嚴(yán)重

整個(gè)鉆井作業(yè)期間，為保證對(duì)地層損傷最小，取準(zhǔn)取全該井第一手地層資料，使用清水作為鉆井液，采用欠平衡或微欠平衡鉆井工藝，全井出現(xiàn)了多達(dá)18個(gè)水層顯示（圖2），最厚達(dá)到64.3m。

圖2 DZK02井水顯示位置及厚度

導(dǎo)管作業(yè)鉆至井深59m時(shí)鉆遇水層，66m時(shí)鉆遇高壓高溫水層，出水量20～30m3/h。循環(huán)出口溫度75℃～78℃，井口鉆井液溫度最高達(dá)到87℃；表層和生產(chǎn)層段鉆進(jìn)期間，井口返出鉆井液的溫度經(jīng)常高于沸點(diǎn)（該井海拔3100m，水的沸點(diǎn)90℃），最高達(dá)到102℃。在地層涌水量大、井口溫度高且蒸汽量大，易出現(xiàn)：①下放阻力高，套管不易下到設(shè)計(jì)位置；②井口作業(yè)施工難度高，易對(duì)作業(yè)人員造成傷害；③電測(cè)、固井等后期作業(yè)困難，使用新配重漿壓井情況下易壓漏地層，同時(shí)新漿可降低地層溫度，使得電測(cè)溫度曲線與實(shí)際地溫曲線有較大誤差，影響后期資源評(píng)估等。為保證鉆井及后續(xù)作業(yè)正常進(jìn)行，主要采取的技術(shù)措施：

（1）為控制導(dǎo)管鉆井地層出水量，采用高密度鉆井液壓井，降低地層流體進(jìn)入井筒速度。但最終由于地層出水量大，重泥漿被快速稀釋、井內(nèi)掉快嚴(yán)重等，導(dǎo)致套管下至71.8m（完鉆井深80m）后無法下放，被迫采取就地固井。

（2）二開鉆進(jìn)過程中使用高粘切稠漿攜砂洗井，確保井眼干凈暢通無沉砂。起鉆和取芯前使用高粘切重稠漿壓井，控制井內(nèi)出水量，確保鉆臺(tái)人員安全作業(yè)，滿足了后期電測(cè)、下套管、固井施工作業(yè)需要。

（3）在用高粘切重稠漿壓井條件下，井口作業(yè)人員仍要求穿戴特種作業(yè)服，確保人員安全，防止地層高溫流體燙傷。

2.2 清水鉆井液加劇鉆進(jìn)復(fù)雜

為實(shí)施欠平衡或微欠平衡鉆井作業(yè)，最大程度保護(hù)儲(chǔ)層，獲取地?zé)豳Y源和與地?zé)嵯嚓P(guān)的地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖性、地溫變化、熱儲(chǔ)的滲透性、地?zé)崃黧w壓力及其物理性質(zhì)和化學(xué)成分，取得代表性計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行資源量計(jì)算，本井全井作業(yè)采用清水作為鉆井液。

表1 DZK02導(dǎo)管鉆井作業(yè)壓井處理程序

研究表明，除鉆井參數(shù)外，鉆井液本身的密度、動(dòng)塑比、表觀粘度、塑性粘度等性能參數(shù)都影響到環(huán)空巖屑的攜帶。根據(jù)公式（1）、（2），巖屑沉降速度隨表觀粘度增加而降低，而表觀粘度隨動(dòng)塑比的升高而增加，因此提高動(dòng)塑比可以增加巖屑的運(yùn)移能力。

巖屑自由沉降速度：

其中動(dòng)塑比：

對(duì)于鉆井液密度來說，隨密度的增加，固液兩相的密度差減小，巖屑顆粒在泥漿中的有效重量下降，巖屑運(yùn)移能力增強(qiáng)，起到了清洗井眼目的。而地?zé)峋捎幂^低密度和動(dòng)塑比的清水鉆井液后，巖屑的懸浮和攜帶能力嚴(yán)重不足，導(dǎo)致鉆頭在井底重復(fù)切削巖屑，鉆頭的鉆速和單位進(jìn)尺都嚴(yán)重降低（表3、表4）。因此為防止鉆頭對(duì)巖屑的重復(fù)切削，在一開、二開鉆井階段，鉆進(jìn)過程中每50～80m使用高粘切稠漿攜砂洗井一次，確保井眼干凈、暢通和無沉砂。每次起鉆和取芯前再使用高粘切重稠漿壓井，控制井內(nèi)出水量，確保鉆臺(tái)人員安全作業(yè)，滿足電測(cè)、下套管、固井施作業(yè)要求。

表2 DZK02井各開鉆井液配方及性能表

表3 DZK02井各開井段鉆井參數(shù)及鉆速對(duì)比表

表4 DZK02井不同鉆頭鉆井參數(shù)及鉆速對(duì)比表

2.3 鉆具斷裂

地?zé)峋@井過程中，鉆具和井下工具的使用壽命受到影響較大[9]，DZK02井前后出現(xiàn)兩次井下工具斷裂事故。分析發(fā)現(xiàn)工具斷裂主要是因?yàn)橹懈邷氐責(zé)峋@井條件下，由于高溫、清水鉆進(jìn)、蒸汽量大、出水量大、交變應(yīng)力作用等造成鉆具的疲勞破壞和氫脆延遲斷裂。

地?zé)徙@井中，由于受溫度、壓力、振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)等交變載荷的影響，鉆具很容易產(chǎn)生裂紋和斷裂的現(xiàn)象，即使鉆具最大工作應(yīng)力小于靜載荷下的屈服極限σs，井下鉆具長(zhǎng)期在交變的機(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力工作條件下也會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，主要特征表現(xiàn)為斷裂是突然的，無任何先兆，且斷口形貌特殊，斷口上有明顯不同的區(qū)域等（圖3）。

氫脆延遲斷裂現(xiàn)象是由于鉆具內(nèi)部的氫向應(yīng)力集中的部位擴(kuò)散聚集，應(yīng)力集中部位存在原子點(diǎn)陣錯(cuò)位、空穴等金屬缺陷。通過式（3）、（4）的化學(xué)分解與合成，液態(tài)的水形成氣態(tài)的氫，當(dāng)氫擴(kuò)散到這些缺陷處，氫原子變成氫分子，產(chǎn)生巨大的壓力，這個(gè)壓力與材料內(nèi)部的殘留應(yīng)力及材料受的外加應(yīng)力，組成一個(gè)合力，當(dāng)這合力超過材料的屈服強(qiáng)度，即氫濃度C達(dá)到管材臨界斷裂值Cth時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致斷裂發(fā)生。

圖3 DZK02井鉆具斷裂圖

應(yīng)力集中處的氫濃度為：

式中：CH——管材中的平均氫濃度；

VH——?dú)湓诠懿闹械钠栿w積（恒溫、恒壓下加入1摩爾氫所引起的金屬體積的變化）；

α——應(yīng)力集中系數(shù)。

若氫的濃度達(dá)到臨界值Cth時(shí)斷裂，對(duì)應(yīng)的外應(yīng)力即為氫致滯后斷裂的門檻應(yīng)力σth：

若σ＜σth，即使經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)散也達(dá)不到臨界氫濃度，不會(huì)發(fā)生氫致滯后斷裂；若σ＞σth，經(jīng)過時(shí)間tf后，發(fā)生斷裂，且應(yīng)力越大，滯后斷裂時(shí)間越短。

針對(duì)DZK02地?zé)峋@井情況，本井選用G105一級(jí)鉆桿，其強(qiáng)度能滿足本井安全鉆進(jìn)需求，同時(shí)鉆進(jìn)中加強(qiáng)入井鉆具檢查和防刺漏監(jiān)測(cè)等鉆具管理措施，每趟鉆均進(jìn)行鉆具檢查和倒換。同時(shí)根據(jù)本區(qū)域地層特點(diǎn)，鉆具在井下應(yīng)力變化頻繁，易發(fā)生鉆具氫脆、疲勞損壞等，由專業(yè)鉆具檢測(cè)單位對(duì)鉆具進(jìn)行探傷并將探傷周期縮短為正常的1/2。

2.4 井溫測(cè)試誤差大

本井在一開固井20d后，1190m井底套管內(nèi)電測(cè)獲取的地層溫度129℃，推算地溫梯度10.25℃/100m，但是在1847m二開完井后，電測(cè)的溫度顯示井底溫度126℃,推算地溫梯度僅6.44℃/100m。前后電測(cè)溫度比較，二開溫度測(cè)試數(shù)據(jù)誤差較大，這是由于一開固井20d以后套管內(nèi)的溫度與地層溫度已經(jīng)平衡，測(cè)試的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映地層的真實(shí)情況，但是由于二開測(cè)試時(shí)，井口內(nèi)流體一直噴涌而出，而井口裝置難以滿足邊噴邊下電測(cè)儀器進(jìn)行電測(cè)的工藝，因此使用儲(chǔ)備的重稠鉆井液壓井（溫度為環(huán)境溫度，當(dāng)時(shí)平均溫度約10℃），使得井底周圍的地層溫度因?yàn)樽⑷氲牡蜏劂@井液降低了該處的溫度場(chǎng)，使得1847m的電測(cè)溫度低于1190m的溫度。

2.5 完井井口選擇困難

依照普通地?zé)峋昃诜绞?，本井設(shè)計(jì)采用井口帽（圖4）的方式作為完井井口，即在井口焊接環(huán)形鋼板。但本井是自流井，經(jīng)測(cè)試獲得井口溫度116℃、流量50m3/h、表壓0.34MPa，因此如果仍然使用原設(shè)計(jì)的完井井口，后續(xù)井口安裝等工作將無法進(jìn)行。

圖4 設(shè)計(jì)的完井井口裝置示意圖

經(jīng)過方案論證，采用油井的鉆井四通作為完井井口（圖5），這樣既可以持續(xù)放噴取數(shù)據(jù)，還可以接生產(chǎn)管線進(jìn)行生產(chǎn)。但是油井的鉆井四通各種規(guī)格和參數(shù)都高于該井需要的要求，如果類似井都套用該模式，地?zé)峋昃杀緦⒋蠓壬仙?，因此中高溫地?zé)峋诔尚彤a(chǎn)品還有待研制。

2.6 氣液混合流量測(cè)試不準(zhǔn)

地?zé)崴杏锌赡苡邪樯鷼獯嬖?，溫度越高，出現(xiàn)伴生氣的可能性越大，這是因?yàn)橹懈邷氐責(zé)峋疁囟容^高，部分地?zé)崴畷?huì)汽化，導(dǎo)致井口流量計(jì)測(cè)出的流體流量是地?zé)崴?、蒸汽和伴生氣的混合流量，但是這三者的熱值是不一樣的，因此要計(jì)算地?zé)峋臏?zhǔn)確的熱值，需要對(duì)混合流體的組分進(jìn)行確定，這樣設(shè)計(jì)出的裝置才會(huì)有較高的轉(zhuǎn)換效率。本井在井口用渦輪流量計(jì)測(cè)出的穩(wěn)定混合流量為50m3/h，但是在放噴池內(nèi)的收集到的地?zé)崴挥?6m3/h，根據(jù)溫度和壓力關(guān)系換算，24m3的液體包括有閃蒸成的水蒸氣和伴生氣，但現(xiàn)場(chǎng)沒有測(cè)試用的分離器和封閉取樣裝置，未能準(zhǔn)確獲知真實(shí)的混合流體成分。

圖5 實(shí)際完井井口裝置示意圖

3 中高溫地?zé)峋@完井技術(shù)探討

通過DZK02中高溫地?zé)峋@完井實(shí)踐，對(duì)比中低溫地?zé)峋陀蜌饩@完井特點(diǎn)，要做好中高溫地?zé)峋删€需要在幾個(gè)方面繼續(xù)探索研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

（1）地?zé)峋碧介_發(fā)的目的是獲得地下具有溫度的清潔地?zé)豳Y源，而目前已探明的中高溫地?zé)峋际翘幱诃h(huán)境敏感區(qū)域，如果采用油氣井鉆井所使用的水基鉆井液或油基鉆井液，鉆完井成本和環(huán)境處理成本將大幅度增加，對(duì)地?zé)峋慕?jīng)濟(jì)效益開發(fā)不利。因此推薦使用清水鉆井液、泡沫鉆井液或空氣鉆井液等作為攜砂流。但使用清水鉆井對(duì)壓穩(wěn)井筒、保護(hù)井壁、鉆井中攜砂、保護(hù)鉆具等帶來一定的困難，增加了井下復(fù)雜情況的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）地?zé)峋木畤婏L(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)小于油氣井，同時(shí)為了保證地層和流體不被污染和影響，中高溫地?zé)峋@井推薦采用近平衡或欠平衡鉆井技術(shù)，并配套相應(yīng)的欠平衡鉆井防噴器裝置，實(shí)現(xiàn)中高溫地?zé)峋母咝?、安全勘探開發(fā)作業(yè)。

（3）了解地?zé)峋臏囟确植际堑責(zé)衢_發(fā)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)于區(qū)域地?zé)峋拈_采、開發(fā)具有重要意義。但對(duì)地層溫度高、返出液量大的地?zé)嶙粤骶ㄗ試娋?，?zhǔn)確了解地下溫度絕非易事，首先是由于返出液量大、下放阻力高等導(dǎo)致電測(cè)工具下到目的層位難度大，其次是電測(cè)溫度和真實(shí)地層溫度存在較大的誤差，但為保證工具下入，不得不用新配高密度、稠漿壓井作業(yè)。根據(jù)熱交換定律，在低溫流體與高溫流體混合后，實(shí)際電測(cè)到的溫度低于預(yù)期值，這在不了解真實(shí)地層溫度情況下給后期方案制定帶來難題，建議在可行的條件下可以采用傳輸測(cè)井方式，在不替換鉆井液條件下用鉆桿或連續(xù)油管將電測(cè)儀器送入井底，但這會(huì)增加成本。

（4）由于國(guó)內(nèi)中高溫地?zé)峋容^少，因此配套的井口裝備還需要持續(xù)進(jìn)行研制，在降低成本同時(shí)提高井口裝備的可靠性。通過DZK02井的完井測(cè)試表明，高溫地?zé)峋黧w中氣液混合比較明顯，為確保測(cè)試的真實(shí)性、準(zhǔn)確性，完井后的井口測(cè)試工藝和設(shè)備需要配套氣液分離器，測(cè)量氣液的物性參數(shù)和流態(tài)參數(shù)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)快速取樣工具等，為各種參數(shù)的采集提供必要的技術(shù)支撐，為后續(xù)勘探、開發(fā)方案的制定奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論與建議

（1）DZK02屬于典型中高溫地?zé)峋?，測(cè)試流量51.66m3/h，混合流體溫度116℃，試水作業(yè)后套壓穩(wěn)定值為0.29MPa，顯示區(qū)域具有較大的地?zé)衢_發(fā)潛力。

（2）DZK02中高溫地?zé)峋@完井過程中面臨溫度高、地層流體涌出量大、電測(cè)溫度不精確、測(cè)試工藝及配套裝備待完善、鉆具斷落等難題，但該井安全、有效的成井工藝技術(shù)為后續(xù)中高溫地?zé)峋碧介_發(fā)提供了參考。

（3）國(guó)內(nèi)中高溫地?zé)峋@完井工藝處于摸索實(shí)踐階段，只能在借鑒常規(guī)油氣井鉆完井工藝基礎(chǔ)上不斷完善，形成配套的鉆井、鉆井液、電測(cè)、管具保護(hù)、測(cè)試等技術(shù)和裝備。

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2015-02-28

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楊衛(wèi)（1978-），男（漢族），四川眉山人，工程師，現(xiàn)從事地?zé)峥碧脚c開發(fā)技術(shù)、管理等工作。