羅 鳴， 吳 江， 陳浩東， 肖 平

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

近年來，隨著對高溫高壓氣藏成藏規(guī)律認識的深入以及油氣勘探的突破，高溫高壓區(qū)域成為我國海上油氣勘探的重要方向之一[1-4]。南海鶯歌海盆地和瓊東南盆地的深部地層均發(fā)育有高溫高壓儲層，且隨著勘探區(qū)域的外延以及向深部地層發(fā)展，地質情況更加復雜，最主要的表現是地層的壓力和溫度越來越高，尤其以鶯歌海盆地樂東區(qū)域的高溫高壓儲層最具代表性。

樂東區(qū)域探井地層壓力系數在2.30左右，儲層溫度在200 ℃左右，屬于典型的超高溫高壓，部分井到達極高溫高壓。由于受強構造應力形成底辟破碎帶的影響，高溫高壓儲層具有承壓能力低、坍塌壓力高的特點，加之地層壓力高，導致鉆井液安全密度窗口極窄，容易導致套管層次多、套管余量不足、鉆井期間易出現井漏、井涌甚至井噴等井下故障[5-6]，導致鉆井周期長、作業(yè)成本高，從而嚴重制約了該區(qū)域勘探開發(fā)的進程。因此，筆者針對超高溫高壓窄安全密度窗口安全鉆井的需求，開展了地層壓力預測、隨鉆堵漏、井下鉆井液當量循環(huán)密度預測監(jiān)測、抗高溫鉆井液和超高溫高壓固井等方面的研究，形成了南海西部窄安全密度窗口超高溫高壓鉆完井技術，并在樂東區(qū)域7口超高溫高壓井進行了成功應用，滿足了南海西部超高溫高壓地層勘探開發(fā)的需求。

1 地層巖性及鉆井技術難點

南海西部樂東區(qū)域超高溫高壓井鉆遇的地層自上而下依次為第四系樂東組，新近系鶯歌海組、黃流組和梅山組。目的層主要為黃流組，發(fā)育多套水道砂巖，巖性以細砂巖、中砂巖為主。

樂東區(qū)域超高溫高壓地層的地層壓力系數平均約2.28，破裂壓力系數平均約2.35，安全密度窗口不到0.10 kg/L，安全密度窗口十分狹窄，甚至無作業(yè)窗口。由于孔隙壓力接近破裂壓力，鉆井作業(yè)時井筒液柱壓力易超出二者所確定的范圍，加之地層壓力成因機制復雜、鉆井資料少難以準確預測地層壓力，鉆井時經常發(fā)生井漏、井涌甚至井噴等井下故障。從南海西部已鉆超高溫高壓井段井下故障統(tǒng)計情況（見表1）看，約30%的井因井漏、井涌等復雜情況無法正常鉆進而被迫棄井[7-12]，鉆井作業(yè)難度巨大。

表1 南海西部已鉆超高溫高壓井井下故障統(tǒng)計Table1 Statistics on the downhole problems of drilled ultra-HTHP wells in the western South China Sea

2 鉆井關鍵技術

2.1 地層壓力預測監(jiān)測技術

合理的鉆井液密度應保證鉆井過程中不發(fā)生溢流、坍塌和漏失等井下故障，這就要求鉆井液密度必須大于鉆井液安全密度窗口的下限，小于鉆井液安全密度窗口的上限[12-13]。確定安全密度窗口的基礎是準確預測監(jiān)測地層真實孔隙壓力、破裂壓力，但南海西部超高溫高壓區(qū)域由于受底辟帶的影響，地層孔隙壓力高、破裂壓力低、同一裸眼井段中存在多套壓力層系，地質條件異常復雜，加之地層壓力成因機制復雜、鉆井資料少難以準確預測地層壓力。為此，進行了地層壓力精確預測研究，形成了深度卡層與智能預警技術和隨鉆VSP技術。深度卡層和智能預警技術是通過建立疊前深度偏移速度模型，將常規(guī)時間域地震剖面轉化為深度域剖面，讀取深度域剖面上的深度和構造等地層信息，并利用鉆井過程中收集到的層位深度、承壓能力等資料修正疊前深度偏移速度模型，從而使預測的卡層深度更接近實鉆深度。隨鉆VSP技術是通過實時隨鉆數據更新鉆頭在地震剖面中的位置和鉆頭前方高壓層的位置，為準確確定套管下入深度、反演下部層位深度及壓力提供參考。

2.2 鉆井液隨鉆堵漏技術

在保證井眼穩(wěn)定的前提下，提高地層承壓能力可以擴大安全密度窗口。通過添加聚胺抑制劑增強鉆井液的抑制性，降低地層水化程度，從而降低地層坍塌壓力。鉆井過程中在鉆井液中加入由不同粒徑碳酸鈣、瀝青和小粒徑纖維類材料復配的堵漏材料，提高鉆井液的防漏堵漏能力。鉆井過程中，針對不同漏失速度的鉆井液漏失，采用不同配方的堵漏漿進行堵漏：對于漏失速度小于2.4 m3/h的漏失，可以在鉆井液中加入顆粒狀固體堵漏劑，或泵入黏度較高的含堵漏劑的鉆井液，含堵漏劑鉆井液的配方為井漿+3%云母+3%細粒果殼；對于漏失速度2.4～100.0 m3/h的漏失，泵入堵漏漿堵漏，堵漏漿的配方為井漿+5%云母+5%細粒果殼；對于漏失速度大于100.0 m3/h的漏失，需要將光鉆桿鉆柱下至漏失層并泵入堵漏漿段塞，堵漏漿的配方為井漿+3%細云母+3%中云母+2%粗云母+3%細粒果殼+2%中粒果殼+3%綜合堵漏材料。此外，針對漏失速度大于100.0 m3/h的漏失，還研制了新型堵漏材料—膠聯水基聚合物（Foam-A-Block），由該堵漏材料配制成的大濾失量/高固相堵漏漿，對斷層、裂縫、地下井噴等引發(fā)的井漏具有很好的堵漏效果，當其進入漏層后，堵漏漿的水相被擠出，快速形成高強度封堵塞，達到堵漏的目的。

在鉆開高壓目的層前，采用分段承壓試驗求取地層的真實承壓能力，如果地層的承壓能力小于或接近下部地層壓力，說明安全密度窗口過窄，采用擠水泥的方法提高地層的承壓能力[14]。以某超高溫高壓井為例，?244.5 mm套管鞋處地層漏失壓力系數為1.93，而VSP電測資料預測目的層壓力系數為2.13，安全密度窗口不能滿足安全鉆進要求，再鉆進26.00 m后進行擠水泥作業(yè)，將套管鞋處的承壓能力提高至1.93～1.99 kg/L，鉆至井深3 915.00 m再次擠水泥，使套管鞋處的承壓能力達到1.99～2.15 kg/L。

2.3 井下當量循環(huán)密度預測與監(jiān)測技術

環(huán)空壓力控制是在已知密度窗口條件下改善鉆井作業(yè)環(huán)境的一種控制方法。由于鉆井液密度受井筒溫度和壓力的影響較大，必須考慮溫度和壓力的影響。對于窄安全密度窗口地層，需精確控制井下當量循環(huán)密度（equivalent circulating density ，ECD），以降低或避免井下發(fā)生漏失。鉆井作業(yè)前，根據預測的地層壓力，以近平衡方式設計合理的鉆井液密度。利用考慮溫度和壓力影響的水力學分析軟件，精確模擬不同排量下的當量循環(huán)密度，依此推薦合理的排量和鉆井液性能。同時，關注套管鞋以下地層的承壓能力，并據此校核破裂壓力曲線。計算全井段的ECD，使最大ECD小于破裂壓力，最小ECD大于孔隙壓力。鉆井作業(yè)期間，根據實測鉆井液性能、井身結構、鉆具組合，預測鉆進、起下鉆、起下套管等不同工況下的環(huán)空循環(huán)壓耗，指導鉆井液密度調整，控制起下鉆速度、排量等參數，降低抽汲壓力和激動壓力，以降低因抽汲壓力和激動壓力過高引起井漏的風險[14]。國外某油服公司的抗高溫隨鉆測壓工具配備了超高溫陶瓷電子組件，能夠在高溫環(huán)境中實時監(jiān)測井下壓力。因此，采用該工具監(jiān)測井下壓力。如出現井下溫度過高的情況，需采用循環(huán)冷卻系統(tǒng)降低井下溫度，以保障隨鉆鉆井工具性能穩(wěn)定。

2.4 抗高溫鉆井液

高密度水基鉆井液屬于黏度較高的膠體-懸浮體分散體系，具有固相含量高、固相顆粒分散度高、自由水少、侵入的鉆屑不易清除等特點，在高溫高壓條件下其流變性難以控制，一旦控制不好，會產生較高的循環(huán)壓耗。樂東區(qū)域地層溫度最高接近200 ℃，所用鉆井液密度普遍在2.20 kg/L以上，要求鉆井液具有良好的高溫穩(wěn)定性。為此，通過研發(fā)抗高溫降濾失劑、流性調節(jié)劑、高溫穩(wěn)定劑等關鍵處理劑，形成了抗高溫高密度水基鉆井液，其配方為3.0%KCl+2.0%膨潤土+0.5%～1.0%NaOH+2.0%～4.0%高溫穩(wěn)定劑+2.5%～4.0%抗高溫降濾失劑+2.0%～3.0%高溫稀釋劑+1.0%～3.0%超細碳酸鈣+1.0%～3.0%液體抑制劑+1.0%～2.0%液體潤滑劑+優(yōu)質重晶石。該鉆井液可以抗200 ℃高溫、密度高達2.40 kg/L。表2為某超高溫高壓井鉆井液實測性能。

表2 某超高溫高壓井鉆井液實測性能Table2 Measured drilling fluid performance in a ultra-HTHP well

為改善高密度鉆井液的高溫流變性，降低循環(huán)壓耗，在保證懸浮巖屑和清潔井眼的前提下，應盡可能降低鉆井液黏度，同時要防止出現高溫膠凝現象，并為隨時加重預留余量[11]。采用高純度、細粒度（d50=8.025 μm）的優(yōu)質重晶石進行加重，并探索錳礦粉加重方式，以提高加重效率。根據地質預測壓力調整鉆井密度，以實現微過平衡鉆進。根據實鉆油氣顯示情況調整鉆井液性能，使鉆井液的固相含量和流變性保持在中下限，并做好隨時加重的準備。添加耐高溫聚合物以提高鉆井液的高溫穩(wěn)定性，加入液體聚胺增強鉆井液的抑制性，如鉆遇較厚的泥巖層，將液體聚胺的加量提高到2%以上，以確保鉆井液對泥巖地層的抑制性。鉆遇高含CO2地層時，加入足量的堿性材料，以保持鉆井液pH值穩(wěn)定在10.0～11.5。鉆井過程中，加入碳酸鈣和軟性封堵劑（MC-ASPHASOL/Asphasol Supreme/SOLTEX）等封堵材料，以形成堅韌致密的濾餅，降低鉆井液濾失量。循環(huán)/鉆進時以200～600 L/h流量加水，以補充因高溫蒸發(fā)和濾失損失的水分，降低脫水效應對鉆井液流變性的影響。為保持鉆井液性能穩(wěn)定，采取補充新漿和高濃度膠液的方式對鉆井液進行維護。

2.5 超高溫高壓固井技術

因安全密度窗口窄，超高溫高壓井固井注水泥期間易發(fā)生漏失[15-17]，而高密度水泥漿候凝期間失重大，易發(fā)生氣竄，加上應用高密度鉆井液鉆進時存在濾餅厚且清除難的問題，為提高超高溫高壓地層固井質量，按照壓穩(wěn)、防漏、防竄和保護油氣層的指導思想，進行了抗高溫高密度水泥漿、新型前置液及配套固井工藝研究。通過優(yōu)選抗高溫新型緩凝劑、降濾失劑等水泥添加劑，研制了以無機礦物材料和熱固性樹脂為主的抗高溫堵漏材料，形成了抗溫200 ℃、密度2.40 kg/L的膠乳防竄水泥漿，其配方為水泥+50.0%硅粉+0.6%普通消泡劑+0.6%膠乳消泡劑+3.0%分散劑+5.0%聚合物降濾失劑+0.5%納米增強劑+3.0%高溫膠乳+6.0%防竄增強劑+5.0%高溫緩凝劑+2.0%膨脹劑+70.0%250目鐵礦粉+90.0%1 200目鐵礦粉+63.4%水，主要性能為：稠化時間3.0～4.5 h；可泵時間3.0～4.0 h；自由水為0；API濾失量小于50 mL；24 h抗壓強度大于14 MPa。

以加重清洗液和具有雙作用的隔離液作為前置液，清洗由高密度鉆井液形成的濾餅。增大沖洗液用量，利用沖洗液的“化學稀釋”和“低速紊流”特性降低環(huán)空中鉆井液的邊壁粘結力，使水泥漿在較小邊界剪切應力下驅替井壁上的鉆井液，提高頂替效率。采用高黏度、高切力的隔離液，提高壁面剪切應力，頂替鉆井液，以防止水泥漿與鉆井液相混。前置清洗液的配方為清洗液+聚合物降濾失劑+粗細搭配的鐵礦粉+水。高溫隔離液的配方為普通消泡劑+高溫隔離液輔劑+高溫隔離液主劑+清洗液+重晶石+水。隔離液和水泥漿中分別添加纖維，以封堵滲透性漏失地層。

3 現場應用

2015年至今，南海西部窄安全密度窗口超高溫高壓鉆井配套技術在樂東區(qū)域7口超高溫高壓井進行了成功應用，與應用前的同類型井相比，鉆井生產時效平均提高21%，鉆井成功率達到100%，為該區(qū)域勘探獲得歷史性突破提供了技術支持。下面以樂東X井為例具體介紹窄安全密度窗口超高溫高壓鉆井技術的應用情況。

樂東X井完鉆井深4 235.00 m，目的層壓力系數2.23，鉆井液密度最高達到2.24 kg/L，實測井底溫度最高195 ℃，屬于典型的超高溫高壓井。該井采用六開井身結構：一開，采用?914.4 mm鉆頭鉆至井深153.00 m，?762.0 mm套管下至井深153.00 m；二開，采用?660.4 mm鉆頭鉆至井深1 232.00 m，?508.0 mm套管下至井深1 225.82 m；三開，采用?444.5 mm鉆頭鉆至井深3 362.00 m，?339.7 mm套管下至井深3 352.76 m；四開，采用?311.1 mm鉆頭鉆至井深3 868.00 m，?244.5 mm套管下至井深3 862.22 m；五開，采用?212.7 mm鉆頭鉆至井深4 030.00 m，?177.8 mm尾管下至井深4 027.31 m；六開，采用?149.2 mm鉆頭鉆至井深4 235.00 m，裸眼完井。

該井?311.1 mm井段和?212.7 mm井段屬于超高溫高壓井段，頻繁鉆遇薄弱地層（灰質粉砂巖地層）和窄安全密度窗口地層，出現多次井漏、井涌等井下故障。?311.1 mm井段地層壓力系數不低于1.65，地層破裂壓力系數小于1.73，安全密度窗口僅為0.08 kg/L，鉆進期間發(fā)生了失返性漏失，通過2次擠水泥和1次擠堵漏液進行堵漏，將地層承壓能力提高0.23～ 0.50 kg/L后，順利完成該井段的鉆進。堵漏液的配方為鉆井水+11.5%膠聯水基聚合物+52.0%重晶石。

?212.7 mm井段地層壓力系數接近2.20，地層破裂壓力系數小于2.30，安全密度窗口小于0.10 kg/L，安全密度窗口窄且多次鉆遇薄弱地層。鉆進期間因地層承壓能力達不到作業(yè)要求，分別進行了3次擠水泥作業(yè)，將地層承壓能力提高0.10～ 0.30 kg/L。由于該井段接近目地層，鉆進過程通過采用深度卡層與智能預警地層壓力預測監(jiān)測技術，將?177.8 mm尾管安全下至目的層上部泥巖段。該井尾管固井應用了膠乳防竄水泥漿體系，并采用了旋轉尾管固井技術，未出現由氣竄引起水泥漿上移導致尾管送入工具無法脫手的情況，確保了目的層固井作業(yè)的安全和套管鞋的封固。該井順利鉆達目的層，鉆井生產時效高達98.5%，與未應用該技術的鄰井相比，鉆井生產時效提高了26.7%，未發(fā)生嚴重的井下故障，且成功電測。

4 結論及建議

1）針對超高溫高壓鉆井要求，通過預測和監(jiān)測地層壓力確定合理的鉆井液密度，在鉆井液中添加堵漏材料進行隨鉆堵漏，預測與監(jiān)測井下當量循環(huán)密度調整鉆井液密度，研究抗高溫超高密度鉆井液、超高溫高壓固井技術，形成了窄安全密度窗口超高溫高壓鉆井配套技術。

2）現場應用表明，窄安全密度窗口超高溫高壓鉆井配套技術解決了南海西部超高溫高壓因安全密度窗口窄引起的問題，提高了超高溫高壓窄安全密度窗口井的鉆井效率。

3）隨著南海西部勘探區(qū)域的擴大以及鉆探深度的增加，超高溫高壓井的數量將逐年增多，應開展針對性的攻關研究，如優(yōu)化超高溫高壓開發(fā)井井身結構、優(yōu)選超高溫高壓油管套管材料及如何保障超高溫高壓井井筒的完整性等。