高温硬岩受控钻进新技术、新方法及应用

New technologies, methodology and application in directional high-temperature hard rock drilling—a critical review

摘要

近年来,随着能源资源开发和地球系统科学研究需求的不断增长,钻探深度不断增大,施工过程中面临地层温度高、岩石硬度大、钻进效率低、成本高、事故多等问题。为了解决上述问题,国外对耐高温井下动力钻具、高效碎岩工具、随钻测量工具、降温冷却设备等钻进关键技术开展了针对性研究,相关研究成果已应用于油气钻探、高温地热等领域。国内虽也进行了研究,但与国外研究水平相比,尚有一定差距。本文分析了我国高温硬岩井钻进面临的技术难点,总结了技术需求,对钻进新方法、技术特性和示范应用情况进行了介绍,并立足国内既有装备基础,提出将高速强保径牙轮钻头、耐高温单弯螺杆钻具和耐高温MWD组合,配合耐高温钻井液、地面钻井液强制冷却系统与分段循环降温技术,实现高温硬岩受控钻探。建议后续开展长寿命固定齿钻头、全金属井下动力钻具、冲击钻具和耐高温MWD组合研究,进一步提高高温硬岩钻进施工效率。

关键词

高温 / 硬岩 / 受控钻井 / 冷却系统

Key words

high temperature / hard rock / directional drilling / mud cooling system

0 引言

钻探是获取地下实物资料的重要技术手段,可以获取科学数据和地质信息,促进地球系统科学研究,推进资源评价与勘探开发,同时能够为油气、矿产、水、热等能源资源利用创造通道。随着油气、地热等能源资源勘探开发及地球系统科学研究需求的不断增长,钻探工作由浅部、中深部向深部、超深部发展,我国已开始向万米深度进军^[1⇓⇓-4]。深部钻探井实施过程中常面临高压、高温、高硬度岩层等复杂环境,极易出现钻探效率低、成本高、成井质量差等问题,有鉴于此,世界各国对高温硬岩钻探技术开展了深入的研究并逐渐发展完善,形成了一系列技术方法和装备体系^[5⇓-7]。国内中国地质调查局、油气勘探开发单位、科研院所等也开展了针对性研究,取得了一些高温硬岩钻探技术成果并进行了试验性应用^[8⇓-10]。笔者对国内外高温硬岩受控钻进技术装备进行了梳理,介绍了技术特点、研究进展和应用情况,并根据国内技术现状总结形成一套适用于国内的高温硬岩钻进技术体系,以上结果对促进深部能源资源勘探开发具有重要意义。

1 高温硬岩受控钻进技术难点

分析已完钻的高温硬岩井,发现钻进过程中主要面临高温、高硬度、高研磨性等困难^{[11⇓⇓-14]}。在深部或特殊高温环境下实施高温硬岩受控钻进,需要通过钻井装备、井下工具和工作流体等关键瓶颈技术的突破,实现整体体系的优化,确保高效、安全钻进。

1.1 地层温度高,钻具仪器材料寿命低、易失效

国外干热岩、超深井钻探起步较早。苏联科拉半岛сг-3井,井深12 260 m,井底温度215 ℃;美国索尔顿湖高温地热科学钻探,井深3 200 m,温度353 ℃;德国KTB科学钻探,井深9 100 m,井温280 ℃;日本葛根田地热区WD-1A井,井深3 729 m处钻遇500 ℃超高温地层^[15]。国内羊八井地热田最高温度为329 ℃^[16],松科二井深度7 080 m处温度达240 ℃^[17],青海共和干热岩井底静止温度超过200 ℃^[18],高温对施工产生以下影响。

(1)高温对井下钻具和测量仪器的寿命和可靠性提出了极大挑战,在高温作用下,螺杆钻具定子易脱胶,液动潜孔锤密封易失效,牙轮钻头储油润滑密封系统易漏失,MWD电路板难以耐受高温而易被烧毁^[19]。

(2)长期生产实践表明,温度超过150 ℃时,水基钻井液中高分子处理剂会发生降解,失去原有功能,钻井液会增稠,流动性变差,失水增加,泥皮变厚,丧失携砂和护壁能力^[20⇓-22]。

1.2 岩石硬度大,钻头破岩效率低

硬岩包括高温高压环境下的变质岩和结晶岩等,如片麻岩和花岗岩,以青海共和盆地花岗闪长岩为例,岩性致密坚硬,250 ℃下抗压强度可达173.4 MPa,内部发育的角闪石和石英脉使地层具有强非均质性^[23-24]。这类岩石硬度大(7级)、研磨性强、可钻性差、非均质性强,机械钻速普遍不高,常规钻头寿命短。在同等钻进参数条件下,花岗岩地层机械钻速远低于沉积岩地层钻进^[25-26]。

1.3 井下情况复杂,施工风险高

硬岩层岩石脆性大,常发育有天然裂隙、断层和破碎带,加之温度高的井壁遇到温度较低的钻井液时会发生热破裂现象,形成大量裂纹,导致钻井施工过程中地层极易坍塌、掉块,从而卡钻、埋钻。我国地质条件极其复杂,部分地层断层、破碎带、承压水层等发育^[27],钻进过程中钻井液安全密度窗口低,易发生井涌或井漏等现象。。以上情况对井身结构设计和钻井液性能提出了较高要求。

1.4 定向钻进尚存在瓶颈难题

当前油气钻井行业定向钻进工艺较成熟,采用PDC钻头、MWD/LWD/旋转导向工具和弯螺杆钻具组合,可满足深部沉积地层定向井、水平井和分支井等复杂结构井精准实施需求,但是我国在高温硬岩地层定向钻进方面施工经验不足,可借鉴的案例较少,在设备、方法和技术方面都需进一步探索,为高温硬岩高效低成本实施做好技术储备。

2 高温硬岩受控钻进技术研发与应用

2.1 高效碎岩工具

钻头是破碎和克取岩石的主要工具,钻头选型与设计必须适应地层岩性,同时要与钻进工艺相符合,在保障钻速、寿命的条件下进一步降低成本,以满足在高温环境下实现硬岩高效钻进的需求。

2.1.1 强保径牙轮钻头

牙轮钻头破岩为冲击和切削复合作用,在坚硬地层中应用时,岩石相比常规切削更易发生脆性破碎,形成大块岩屑,具有良好的破岩效果,但是从以往应用过程中,发现牙轮钻头轴承的密封因温度和井下复杂振动而失效,同时在强研磨性地层中牙轮钻头的保径和掌背等均磨损较快。美国贝克休斯公司开展了耐高温Vangaurd牙轮钻头的研发,该钻头镶嵌的硬质合金齿为特殊合金牌号,齿形锋利,可保护钻头免受过度磨损,并使其能够以更快的机械钻速完成作业,掌背和外保径采用金刚石加强,提高牙掌耐磨能力,同时钻头采用了金属面密封和耐高温橡胶,其最高温度承受能力可以达到 288 ℃^[28](图1)。国内青海共和干热岩钻探过程中,根据目的层花岗岩硬度、抗压强度等参数,优选SMD637高速牙轮钻头,该钻头采用全金属密封,背锥和保径均使用金刚石强化,内排为锥球齿,外排为球齿,采用滑滚复合轴承,具有高速重载特性,现场应用期间配合低速大扭矩螺杆钻具进行高温硬岩定向与复合钻进,平均机械钻速为2.12 m/h。

2.1.2 硬岩用PDC 钻头

PDC钻头切削齿采用聚晶金刚石复合片(简称 PDC),其破岩方式通常采用切削原理, PDC 钻头为整体式钻头,在软至中硬地层具有机械钻速高、寿命长的特点,在油气勘探开发领域得到广泛应用。以往普遍认为PDC钻头不适用于硬岩地层,如果钻压过大会造成钻头寿命大幅缩短。近几年,PDC 钻头在PDC材质、性能参数、制造工艺和布齿设计上取得了长足进展,逐步向硬地层进军。美国国民油井等厂家开展了不同齿形、不同水力参数和不同切削结构的PDC钻头优化设计,形成了可满足切削深度控制和自适应等新型PDC钻头,PDC钻头的碎岩性能、切削齿的抗冲击性能和钻头对地层适应性都不断提升,减少了在非均质地层钻头震动和扭矩的波动,有效避免了崩齿和非正常磨损情况的出现^{[29⇓⇓-32]}。PDC 钻头在美国FORGE计划干热岩钻井中成功使用,该钻头实现了大幅提速,同时突破性采用308 kN超高钻压,在花岗岩地层最大进尺 643.1 m,最快机械钻速 28.7 m/h,以上应用结果也颠覆了以往对 PDC 钻头的原有认知^[33]。国内中国石油大学(北京)、西南石油大学等团队研究了锥形齿、斧形齿、奔驰齿等异形齿的岩石破碎效果,加深了对异形齿破岩机理的认识^{[34⇓⇓⇓-38]}(图2)。

2.1.3 金刚石钻头

金刚石钻头以高硬度犁削方式破岩,国内外通过孕镶金刚石钻头与高速井下涡轮钻具组合,利用其自锐特性,通过优化排布方式,有效提高了硬岩地层中的机械钻速和钻头寿命,该套钻进组合在砾石层、火成岩、高研磨性砂岩等地层中钻进,钻速可提高80%~300%,寿命提高近20倍,表现出优异性能^[39⇓-41]。美国Smith公司Kinetic孕镶金刚石钻头(图3)和北京探矿工程研究所的NR826M系列孕镶金刚石钻头(图4)等已经在多个硬岩地层取得成功应用,但在高温地层应用案例较少^[42-43]。

2.2 耐高温井下动力钻具

目前进行受控钻进主要通过预弯曲井下动力钻具实现,常用的井下动力钻具包括螺杆钻具、涡轮钻具和冲击钻具等,因其通常安装在钻头上方,输出的扭矩可直接作用在钻头上,可以显著提高机械钻速。

2.2.1 螺杆钻具

螺杆钻具具有低速、大扭矩和低压降特性,是目前国内外定向井和水平井施工常用井下动力钻具。美国贝克休斯公司针对美国高温地热勘探开发需求研制了全金属螺杆钻具,该钻具耐温能力可达300 ℃,其定子和转子均采用金属材料并进行针对性表面强化处理,该钻具已经进行了井下测试应用,一口井耗时 17.5 h 钻进 57.9 m,另一口井耗时 5 h 钻进 12.5 m,基本可保证定子、转子稳定工作,施工过程中钻具造斜率可达19.69°/100 m,验证了螺杆钻具在高温硬岩地层钻进过程中的定向能力^[44]。加拿大InFocus公司也开展了全金属螺杆马达的研究与制造^[45](图5)。目前,国内螺杆钻具耐温能力最高为180 ℃,以青海共和干热岩GH-03井为例,同岩石条件下,较邻井相比,通过优选硬岩高效破岩钻头,使用复合钻进技术,可实现钻头进尺延长104%~252%,机械钻速提高52%~103%,同时通过定向钻进,GH-03井成功实现了双靶点高精度中靶。

2.2.2 涡轮钻具

涡轮钻具利用钻井液在叶片两面产生的压差来使转子发生转动,其工作转速常为螺杆钻具的3倍以上,由于采用全金属部件,使其可以承受更高的温度(图6)。法国斯伦贝谢公司和美国哈里伯顿公司均拥有成熟可靠的可满足300 ℃条件下工作的全金属涡轮钻具,并在多口深井和定向井中成功应用^[46⇓-48]。随着国内高温钻井需求的不断增加和技术的发展,中国石油大学(北京)、长江大学、西南石油大学、北京探矿工程研究所等单位也开展了涡轮钻具研发,重点提升了叶片水力性能、轴承寿命和工作稳定性等。近年来,涡轮钻具匹配高效长寿命钻头在国内致密砂岩等难钻进地层开展了规模应用,在塔里木克深地区、川东北等地区取得了较好效果^[49-50]。在川西须家河组深部致密、强研磨砂岩地层应用高速涡轮钻具时,搭配Smith孕镶金刚石钻头共钻进6个回次,平均单只钻头进尺为224.08 m,平均机械钻速为2.02 m/h,较临井提高约117%^[51]。在青海共和进行了178 mm涡轮钻具匹配215.9 mm复合刀翼式金刚石钻头干热岩全面钻进应用,钻进期间其机械钻速为3 m/h,是常规钻进的2倍;同时在漳州也开展了127 mm规格涡轮钻具取心钻进应用,在相同地层条件下,相比同井上部采用165 mm规格螺杆钻具钻速提高约30.3%^[52]。

2.2.3 冲击钻具

冲击钻具包括气动或液动冲击钻具,利用高硬度岩石脆性大,受到交变冲击载荷后,岩石中裂缝易扩展导致岩石破碎的特点,通过对下部钻头施加一定频率的冲击载荷,实现高效破岩。斯伦贝谢研发了Impax气动冲击器系统和一体化的冲击钻头,增加其耐磨性和抗冲击能力,从而提高单只钻头的进尺和机械钻速^[53]。液动冲击钻具适应性更广泛,可分为有阀和无阀两种,无阀式又包括射流式、射吸式等多种原理和结构形式^[54-55]。欧盟地平线2020计划明确资助液动冲击锤钻进技术,采用高压射流和液动锤技术结合,提升了硬岩条件下破岩效率。国内研发的射流式和射吸式冲击器在二长花岗岩等地层中匹配牙轮钻头进行了示范应用,178 mm射流式冲击器在河北崇礼ZK01-2井中得以应用,平均机械钻速1.1 m/h,比上部地层转盘驱动牙轮钻头钻速提升30.7%^[56],178 mm射吸式冲击器在青海共和干热岩GH-03井中应用,机械钻速可达2 m/h,但与螺杆钻具相比,其工作稳定性还有待提升。

近年来为进一步发挥冲击和回转复合钻进优势,又研发了扭转冲击钻具、旋转冲击钻具等复合冲击钻具。以螺杆复合旋转冲击钻具为例,上部为中转速大扭矩螺杆钻具,通过采用耐高温橡胶,提升耐温能力;中间部分为万向轴;下部为冲击短节,将传动轴拆分为通过花键连接的上、下传动轴,增加一对套设在传动轴上可相互啮合的凸轮与砧子对钻头产生高频低功冲击,实现了硬、脆地层条件下的提速钻进,钻进效率为常规回转钻进3倍以上(图7)。该钻具在青海共和GH-03井试验时,单趟钻进尺为147 m,平均机械钻速2.03 m/h,最快钻速5.26 m/h,较邻井相同深度采用牙轮钻头钻进提速1倍以上。

2.2.4 全金属叶片式钻具

目前,欧美少数国家开展了全金属容积式叶片马达钻具的研发,中国地质大学(北京)近年来也开展全金属容积马达样机研制,解决了叶片式马达结构设计、动态密封控制、水力配流等难题,在国内实现了全金属容积式井下马达的功能原理和性能输出,可耐受250 ℃以上高温,具有功率大、体积小,造斜与定向能力好等优势^[57-58]。

2.3 耐高温井下测量及轨迹控制技术

井眼轨迹精准测量是实现受控钻探的关键。目前轨迹测量仪器主要包括两种:(1)单、多点测斜仪,采用投测方式测量轨迹参数,通常于起钻前投入井内,起钻后于井口取出读取数据,无法实时监控调整轨迹,通过真空保温筒等技术可实现耐温300 ℃/4 h;但是,测斜仪测量辅助时间长、轨迹参数不连续、实时性差。(2)随钻测斜仪(MWD),可实时采集井眼轨迹参数,通过泥浆脉冲或电磁波脉冲等方式将数据实时上传至地面,地面人员可根据获取的数据对轨迹进行滑动定向钻进调整。目前国内使用的MWD最高耐温175 ℃,美国哈里伯顿的Quasar Trio和法国斯伦贝谢的TeleScope ICE仪器耐温可达200 ℃,并具备轨迹参数、工程参数等多参数测量功能^[59]。美国贝克休斯的耐高温钻井系统通过使用MWD/LWD高温井下冷却装置,可在井下300 ℃高温情况下,确保电子元件温度保持在175 ℃以下工作^[60]。此外,为进一步提升井下实时监测和评价能力,国内外开展了随钻工程参数测量系统的研发,在青海共和干热岩GH-04井2 763~3 851 m井段应用了BJIEE-02-172型工程参数测量仪。该仪器耐温175 ℃,其性能见表1,自直井段入井稳斜段出井,累计入井时间354 h,累计进尺440 m,实现钻压、扭矩、转速、环空压力、振动等各参数测量和随钻实时上传,各类数据可与地面录井数据相对应,摸清了花岗岩复合钻进和定向钻进井下真实工况,实现了工程风险预判。

要实现轨迹控制,除采用随钻测量系统配合井下动力钻具进行滑动定向作业外,还可使用旋转导向系统(Rotary Steerable System,RSS)。RSS作为替代泥浆马达研发的一种新型自动化定向钻井技术,主要由地面监测系统、双向通信系统和井底钻具组合组成^[61]。目前,多家油服公司相继开发了各自的RSS产品,如斯伦贝谢公司的PowerDrive系统、哈里伯顿公司的GeoPilot系统和贝克休斯公司的Auto Trak系统等,其中斯伦贝谢公司的超高温旋转导向系统PowerDrive ICE耐温能力高达200 ℃,墨西哥国家石油公司在墨西哥湾近海高温地层中应用,井下温度为163~173 ℃,井下最大压力为110 MPa,机械钻速比此区块记录提高16%^[62]。国内相继研发了Welleader系统和CG STEER系统,但耐温能力仅有150 ℃,且在耐温、耐压、稳定性和自动化程度上与国外相应产品相比还有一定差距^[63]。

此外,在直井段施工期间,还可采用自动化垂直钻井系统对井眼轨迹进行保直控制,实现快速钻进,该系统可在钻进过程中对井眼轨迹进行自动纠斜,确保直井段过程中井斜不超过设计值。该系统由贝克休斯公司研发,并率先在德国大陆超深井钻探工程(KTB)使用,目前,中国石化和中国地质大学(北京)等多家单位也开展了全机械式自动垂直钻井系统研究,研发的产品最高耐温达300 ℃,现场井斜控制精度<3°,突破了垂钻技术耐温瓶颈^[64]。

2.4 钻进参数优化技术

机械比能模型可有效用于钻进过程监测、钻井方法评价、钻进决策等。研究表明,钻头破碎岩石所需要的最小机械比能与岩石抗压强度接近,在钻井参数相同的条件下,机械比能曲线的变化可反映地层岩性的变化趋势。在机械比能模型的选取过程中,机械比能的计算公式需包含输入钻井系统的相关钻井参数(如钻压、转速和扭矩等),以建立机械比能与机械钻速的关系。机械比能值越低,钻进效率越高,除破岩外其他因素消耗的能量越少。井下事故发生后可能导致进尺速率低或钻头/井底钻具组合损坏,机械比能值增加,可通过对机械比能进行跟踪监测,判断此类故障是否发生。机械比能模型中考虑的现场施工参数越多,其模型越准确,但考虑到现场实际条件和数据获取难度,需要在准确性和计算的简洁性方面取得平衡,常用的机械比能模型有Teale、Dupriest和Cherif模型等,Dupriest机械比能模型计算公式如下^[65]:

(1)MSE=0.35 \left(\frac{\mathrm{W}\mathrm{O}\mathrm{B}}{A_{\mathrm{b}}}+\frac{120\mathrm{\pi }NT}{A_{\mathrm{b}}\mathrm{R}\mathrm{O}\mathrm{P}}\right)

式中:MSE为机械比能,MPa;WOB为钻压,kN;A_b为钻头面积,mm²;N为钻头转速,r/min;T为扭矩,kN·m;ROP为机械钻速,m/h。

根据机械比能模型可知,通过实时调整钻压、转速等钻进参数可提高机械钻速,也可通过进一步分析,对钻进方法、工艺参数和钻具组合进行评价和优化,为区块钻井作业施工提供强有力的支撑和参考^[64]。美国FORGE计划成功应用机械比能指导钻进参数优化,实现提速增效,其2号井较1号井完钻所用天数减少14%,3号井、4号井较2号井完钻所用天数减少56%~63%,4号井的纯钻时间较3号井减少47%,较2号井减少62%^[66]。

2.5 耐高温钻井液技术

在高温硬岩地层中主要需要解决钻井液高温严重老化问题,而岩石渗透率低、水敏性不强,为此,设计高温井段钻井液时需重点关注高温稳定性、护壁性、携岩性和润滑性。国外对耐高温钻井液的研究较为深入,美国斯伦贝谢公司研制了抗温232 ℃的Envirotherm NT体系以及抗温260 ℃的DURATHERM体系^[67]。国内北京探矿工程研究所研发了耐高温绿色环保水基钻井液,并在青海共和干热岩井进行示范性应用,其配方为5%~8%膨润土+0.1%~0.2%烧碱+0.5%~1.5%高温增黏剂+1%~3%高温防塌剂+1%降失水剂+2%~5%碳酸钙+1%高温保护剂+1%无荧光润滑剂,钻井液性能参数为密度1.15~1.25 g/cm³,漏斗黏度50~80 s,动塑比0.4~0.6,API滤失量3~7 mL,HTHP失水量小于15 mL,pH值8~10,钻井液入井前后性能变化情况见表2。

2.6 井下降温冷却技术

国内外高温井钻探过程中,常采用钻井液冷却装置对高温钻井液进行强制降温处理,以求降低井底循环温度,改善井下动力钻具与仪器的工作环境条件。日本在以往地热井钻探过程中采用大功率风扇和泥浆冷却塔降温。美国Drillcool公司等研发了开式和闭式强制降温冷却系统,上述系统在油气、地热、干热岩等领域取得了良好效果,在美国FORGE计划中,16A(78)-32井中冷却系统的应用使得地层温度超过228 ℃时,井下钻具组合在井底处的温度仍可维持在110 ℃以下^[68-69]。钻井液冷却系统在高温井应用时需根据具体地层温度和环境特点,选择不同功效和不同级配的钻井液冷却系统,解决钻井液因高温失效的难题。对于油基钻井液,可采用板式换热器和主动制冷方式。对于水基钻井液,可采用风冷式钻井液强制冷却系统(图8)。在青海共和干热岩井钻进施工过程中,使用风冷喷淋式强制冷却系统(表3),该系统采用轴流风机形成冷空气流动,与通过喷淋进入填料区的高温钻井液进行换热,降温后的钻井液进入收水器后流至循环系统罐体,再通过泥浆泵吸入井内进行工作,在实际应用过程中根据深度、井温的变化配合分段循环冷却工艺降低井内温度,实际降温幅度可达30 ℃以上(表4)。

3 结论与建议

(1)高温硬岩受控钻进技术的研发对提高干热岩、深井超深井钻探工程质量和施工效率具有重要意义。综合考虑国内地层、温度、装备和设备条件等因素,可采用高速强保径牙轮钻头、耐高温单弯螺杆钻具、耐高温 MWD 组合,配合耐高温钻井液、地面钻井液强制冷却系统和分段循环降温技术,实现高温硬岩钻探。

(2)长寿命固定齿钻头(PDC钻头和孕镶金刚石钻头)无活动部件,可避免出现因轴承失效造成牙轮牙掌脱落事故,是今后硬岩钻进技术研发的重点,同时进一步开展耐高温井下动力钻具升级,匹配不同型式钻头进行复合钻进,可发挥螺杆钻进高扭矩和涡轮钻具高转速的工作特性,提升硬岩钻进效率。

(3)冲击钻进也可实现硬岩高效钻进,后续应以提升冲击器高温工作寿命及稳定性为目标开展研究,同时优化不同地层条件下冲击器与冲击钻头的匹配,提高单趟钻进尺。

(4)MWD的耐温能力限制了高温硬岩钻井极限,目前国内MWD耐温性能最高为175 ℃,虽然近期也开展了耐200 ℃ MWD的研发,但距离国外产品仍有一定差距,因此今后还需进一步提升仪器耐温能力,同时结合钻井液强制冷却系统改善井下工作环境,提升高温环境下的作业能力。

(5)除钻头接触碎岩方式外,激光破岩、微波钻井、电磁脉冲钻井等非接触钻探技术也已经成为国际钻井技术研究的热点领域,但以上技术基本均处于实验室研究阶段,距离规模化应用尚有距离,仍需持续开展工程化研究。

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基金资助

中国地质调查局地质调查项目(DD20230294)

中国地质调查局地质调查项目(DD20190137)