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1、高温高压钻井技术进展 2014年10月 一 综述二 国外发展现状与趋势三 中石油现状与国外对比四 认识与建议 随着油气勘探开发难度逐渐增大 深井 高温高压井面临越来越多的钻井问题 这些问题涵盖了油气井的设计 工艺 工具 设备 井控 安全等一系列问题 只有攻克了高温高压的难关 油气钻井才能向更深层发展 解决135 100MPa的技术难题将有助于每年获取全球100万 200万桶的油气产量 BP 高温高压的分类 斯伦贝谢 2008 Total 2012 高温高压环境分布广泛 斯伦贝谢 2008 密封技术高温下橡胶件腐蚀分解 造成牙轮钻头 轴承密封件 泥浆马达 定子橡胶 封隔器 胶筒 等井下工具失效
2、电子仪器传感器 电子芯片等元器件在高温高压下极易损坏 使测量工具 导向工具等精密井下仪器使用寿命大幅缩短 钻完井流体井底高温使井下工作液的性质发生改变 无法满足设计需求 材料技术井底高压使保持井眼和工具的完整性难度更大 高温高压常伴有腐蚀环境 对井下工具 管材 井下流体等造成不利影响 高温高压井钻井难度大 风险高 国外开展大量研发 一 综述二 国外发展现状三 中石油现状与国内外对比四 认识与建议 国外公司已形成完整的产品链 斯伦贝谢公司产品链 2008 哈里伯顿公司完井修井产品链 1 钻头2 井下仪器和导向工具3 井下动力钻具4 钻井液5 水泥浆及固井工艺6 管材7 MPD 国外高温高压钻井技
3、术发展现状 钻头技术 关键技术 解决轴承密封问题和润滑油问题Kaldera钻头 Smith 纤维增强碳氟化合物密封圈 合成油润滑剂 意大利地热井 270 单次入井工作时间达77小时MXL钻头与Vanguard钻头 贝克休斯 膨胀率可达到160 的Z 密封技术地热钻井中最高耐温能力达到260 井下仪器和导向工具 井下传感器耐压 传感器通常被安装在探头中 探头内充满液压油 配有平衡活塞 用于平衡内外压力 以保持结构上的完整性 耐温 哈里伯顿Extreme系列传感器 175 Ultra系列传感器 方位 伽马 PWD 230 200MPa 关键技术 井下传感器 电子元器件 密封技术 井下电源 冷却板技
4、术 哈里伯顿 液冷 微通道 金属元件工作中产生的热量及时导出应用在空间和重量受限的情况下 变频冷却技术 哈里伯顿 井下涡轮传送一种特殊可膨胀液体 井下隔离技术 哈里伯顿 杜瓦瓶 保温瓶 内部真空或充入低密度气体已在电缆测井中应用 正努力推广到井下工具的隔热应用中 工具芯片 电路板 封装技术 多芯片组件 MCM 是一种新型电子封装技术 军事 航天 尺寸小 高速 高性能 高可靠性传统的MCM高温高压适应能力差SLB首次将陶瓷材料的MCM用于地层压力测试器 在印度洋的一口高温气井中 在210 200MPa下连续工作15天 硅绝缘技术 DOE 硅绝缘是一种弹塑性涂层材料 可以很好的保护电子器件 耐温2
5、00 DOE开发出四种小巧的电子芯片 作为智能井下工具的标配部件 高温焊接技术传统Pb85焊锡只能承受200 左右的温度 高温焊锡材料Pb93 5 Sn5 Ag1 5锡焊条能承受300 左右的高温 对焊接工艺的要求高 目前 相关的工艺设备正在研发中 井下电源电池技术Sandia国家实验室 温度25 250 的宽范围电池样品 Saft公司推出用于MWD仪器的可充电高温锂电池 最高工作温度135 井下发电技术DexterMagnegic UnderCurrent的高温井下涡轮发电机利用钻井液的水力能量推动叶轮发电消耗能量不到总钻井液水马力的5 最高耐温250 为井下工具提供24V 2000W的直流
6、电动力 可回收 井下动力钻具 螺杆钻具关键技术 马达定子橡胶的材料 斯伦贝谢的HN234橡胶可以适应最高175 的井底温度 哈里伯顿推出SperryDrillXL XLS和GeoForce系列泥浆马达 可在190 的温度下作业 美国能源部支持贝克休斯研发一种可以耐温300 的导向泥浆马达 主要是针对定子材料进行改进 钻井液 水基 合成基是重点突破领域 水基钻井液甲酸铯钻井液 高密度 低粘度 可保护普通钻井聚合物不发生热降解 不需要任何加重剂 是一种理想的HPHT钻井液 磺化钻井液 M ISWACO公司推出EnviroThermNT添加了乙烯酰胺及磺化乙烯共聚物 改性粘土 不同粒径碳酸钙 氧化镁
7、等 可用于页岩和敏感环境钻井 在含有可溶性钙 盐和酸气的地层中也能保持稳定 最高可承受232 的井底温度 密度可达2 3g cm3 并已通过350 环境下的油田现场测试 合成基钻井液2013年 M ISWACO公司最新推出的RHADIAN抗高温合成基钻井液 能够有效降低钻井液在高温条件下的性能老化 防止井壁垮塌 同时减小泥饼厚度 最高耐温能力达到260 主要成分 MULXT乳化剂 具有较低的流体漏失值 不含氮基混合物 能承受超高温 ONETROLHT 主要防漏剂 高温稳定性好 ECOTROLHT 第二防漏剂 极高温下性能稳定 钻井液加重剂井越深 地层压力越大 要求的钻井液密度越高 由于传统重晶
8、石加重剂的价格高 耐温差 易沉降 近年的研究向特殊加重材料方向发展 尤其是微粉加重剂 如锰微粉 铁矿石微粉等 得克萨斯A M大学开展了将钛铁矿微粉 5um 作为水基钻井液加重剂的研究 试验表明 钛铁矿微粉加重的钻井液流变性 造壁性有显著提升 并能适应170 的高温 各公司近年推出的高温钻井液及应用情况 为解决高温高压下水泥封固寿命不高的问题 目前主要是通过化学方法和物理方法提高水泥固化质量 减少高温高压影响 通过化学添加剂提高水泥胶结强度 斯伦贝谢FlexSTONE体系使用一种弹性添加剂增强水泥弹性变形的能力 使用膨胀助剂防止微渗漏的发生 水泥浆固化后可承受最高250 70MPa的高温高压 通
9、过物理添加提高水泥抗高温高压能力 斯伦贝谢DuraSTONE体系粒度分布 微带降低水泥环的渗透率提高抗压强度 水泥浆及固井工艺 研发多种材料添加剂 井下管材 国外深水钻井中管材对承压能力的要求很高 国外的研发项目主要针对深水钻完井开发特殊材料管材 新材料的研究步伐不止RPSEA将航空材料用于制造钻井隔水管 预计能耐受140MPa的压力 金属含量更少 外部包裹上碳纤维 井下管材 铝合金钻杆优点 重量轻 抗冲击力强 下深能力强 抗腐蚀 H2S CO2 世界第一深井SG3井 钻至12262米 井底最高温度达到220 钻柱组合中铝合金钻杆长度占总钻柱长度的84 7 钻井过程中只发生了3次断钻具事故 表
10、1钻杆材料的力学特性 铝合金钻杆材料的力学特性 MPD 斯伦贝谢和威德福一直是这项技术的领军者 油公司 Statoil CNPC 埃尼 科威特等 的陆续加入预示着这项技术的广阔发展前景 Kvitebj rn气田 北海北部挪威大陆架Gullfaks油田东南部 油层位于中侏罗纪Brent组和下侏罗纪的砂岩中 储层位于垂深4070米以深 原始孔隙压力77 5MPa 破裂压力87 5MPa 储层温度155 作业处水深193米 2004年采用常规方法钻进时 遇到压力亏空层 地层压力亏空14 17MPa 发生了严重的井漏 高温高压井的显著提点是井底压力变化大 变化不止体现在高ECD的影响 而且井温的变化可
11、以影响泥浆密度和粘度 管柱运动 转动 扭矩和岩屑运动等 这一切对井底压力变化都产生连续和显著地影响 要想保证钻进顺利进行 就要快速 连续地进行井底压力控制 通过精确的自动节流控制 补偿了井下温度 钻具等原因产生的井底压力变化 成为了挽救油田的核心技术 一 综述二 国外发展现状与趋势三 中石油现状与国内外对比四 认识与建议 高温高压在我国油气田中广泛分布 主要包括南海 川东北 塔里木盆地 柴达木盆地 松辽深层和渤海湾深层潜山 南海的高温高压气井主要集中在莺歌海和琼东南盆地 其目的层以天然气为主 且气层压力高 地温梯度大 5 51 100m 井底温度最高可达250 井底压力可达100MPa 这些高
12、温高压油气藏的开发 要求我们尽快开发并完善配套技术 工艺和工具 中石油高温高压深井分布广泛 环境恶劣 中石油通过长期持续攻关 深井 超深井技术发展迅速 创造了一批深井纪录 深井超深井数量快速增长 支撑了塔里木 川渝大气田的建设 年完成4000 以上深井 口 完成6000 以上超深井近 口 同时随着钻井装备和配套工艺技术的不断进步 钻深能力逐步提高 2005 2012中石油完成的4000米以深井的情况 中石油通过数年攻关 针对性地开发出系列深井高温井钻井配套技术 目前已拥有耐高温MWD工具 耐高温螺杆钻具 抗高温钻井液 高温大温差固井水泥等产品 在技术参数上 有些已经达到国际先进水平 并且在塔里
13、木山前 吉林 开展了日益广泛的应用 高温高压井下工具 高温螺杆钻具 北石 自主研发采用高耐温定子橡胶耐温最高达215 达到国际领先水平 高温高压无线随钻测量仪器 渤海钻探 自主研发最高工作温度达到175 在大港 冀东和塔里木等油田应用 钻井液 水基钻井液塔里木油田研制成功抗温达240 以上的水基钻井液技术 渤海钻探 三高 钻井液应用井最高密度2 41g cm3 井下最高温度206 合成基钻井液在合成基钻井液方面 中石油钻井工程技术研究院开展了合成基钻井液关键处理剂的研发 研制了主乳化剂DRIEMUL和辅乳化剂DRICOAT 具有抗温能力强 可达220 有利于改善钻井液流变性 在高温高密度下抑制
14、重晶石沉淀等特点 该乳化剂在玉北10 玉北6A和顺903H井成功应用 油基钻井液油基钻井液一直是我国钻井液技术发展的短板 与国外相比 我国油基钻井液的技术水平较低 国外油基钻井液的应用约占50 其中非常规油气藏钻井60 以上采用油基钻井液 而国内油基钻井液应用仅占5 左右 长城钻探2010年建立了密度0 92至2 50克 立方厘米 抗温220摄氏度全白油钻井液体系系列 并开始在委内瑞拉和国内进行现场试验 钻井液无害化处理的成套设备与工艺 2011年渤海钻探的全油基钻井液现场试验获得成功 全油基钻井液具有强抑制 抗高温 抗污染等特点 水泥浆及固井工艺 大温差固井技术上下部温差甚至可能高达70 适
15、用温度60 180 适应温差100 水泥浆API失水量低于100ml水泥石强度大于14MPa BH HTC开发出抗温160 200 密度2 20 2 60 2 82 g cm3的水泥浆体系 适用温度60 180 适应温差100 规模应用 在塔里木山前 缅甸D区块 伊拉克哈法亚成功固井79井次 固井质量合格率100 一 综述二 国外发展现状与趋势三 中石油现状与国内外对比四 认识与建议 3 简单技术已经成为过去 石油工业的发展越来越依靠多学科的支持 为解决油气钻采面临的高温高压难题 就要充分借鉴和利用包括航空 材料 电子 国防 化学 生物等其他领域的研究成果 2 在技术研发的推动下 近年来 高温
16、高压钻完井技术取得长足进展 部分技术已经突破了200 140MPa的超高温高压限制 然而要使整体技术水平站上200 140MPa的台阶 还有很长的路要走 1 井下高温高压环境在全球各类油气田中广泛存在 随着油气勘探开发逐渐向深层 深水发展 井下高温高压问题成为油气钻采面临的最大挑战之一 对井下工具 仪器 材料和工艺提出新的要求 4 高温高压环境也是我国油气钻采面临的主要问题之一 我国的川东北 塔里木盆地 柴达木盆地 松辽深层 以及南海 渤海湾深层潜山都存在着不同程度的高温高压钻完井难题 目前 在中石油的油气开发项目中 包括高温高压井下工具 材料等技术大部分依靠引进 因此 中石油深入开展高温高压技术研究迫在眉睫 认识和启示 41 谢谢
