向200℃邁進 | 探秘全球高溫極限鑽井裝備技術

突破高溫鑽井溫度極限

在過去幾年中，全球範圍內越來越多的高溫高壓（HPHT）油田區塊被勘探開發。這些油田的儲層往往溫度壓力梯度非常高（隨著垂直深度增加，溫度壓力快速增加）。預計或實測井底溫度大於150°C，井底壓力大於10kpsi的油田被定義為高溫高壓油田。下圖是高溫高壓的界定範圍圖例。

在全世界範圍內，高溫高壓油田區塊越來越普遍，遍布五大洲四大洋。著名區塊有泰國灣，墨西哥灣，歐洲北海等。在國內，新疆油田，吉林油田，川渝區塊，東海平湖油田，南海鶯歌海等都以高溫高壓井況聞名。

目前大部分油服公司中，普通的LWD儀器工作溫度極限（鑽井循環溫度）是150°C。高溫LWD的工作溫度極限也不過是175°C。超過175°C的鑽井環境中一般只是使用渦輪鑽具或者高溫馬達等簡單的鑽具 「盲打」。這種情況下沒有LWD在井底的測井曲線的協助，就無法識別潛在的異常壓力地層，給本來就危險的高壓井況增加了更大風險。

如今技術發展和裝備升級，使得在高達200°C超高溫地層中可以實施隨鑽測井並保證鑽井安全。在200°C超高溫LWD俱樂部中，比較突出的是2016年獲得「世界石油最佳鑽井技術獎」的哈里伯頓的Quasar Trio系列（包括實時傳輸脈衝器、定向感測器、伽馬、方位探邊電阻率、密度、中子孔隙度、環空壓力及井下震動監測）。另外斯倫貝謝的TeleScope ICE（包括實時傳輸脈衝、定向感測器、伽馬、環空壓力及井下震動監測）也能夠達到耐溫200°C。

本文就當今世界範圍內典型高溫高壓作業挑戰，及應對高溫高壓的前沿LWD研發製造的「黑技術」進行介紹和分析。

迎接高溫挑戰

高溫是對儀器的工程學和材料學的挑戰。因為高溫下適用的材料和傳統材料不同，從設計原理到製造工藝都需要重新設計。高壓對儀器的挑戰威脅稍微小一些，主要原因有兩點：一是超過20000psi超高壓區塊非常罕見，二是儀器現代材料技術和密封技術的發展，應對超高壓已經成熟。高壓地層對儀器來說挑戰不大但是對鑽井安全來說風險巨大。需要LWD的信息協助小心計算鑽井液密度當量，在狹窄的破裂壓力和孔隙壓力之間的窗口保證鑽井安全。所以核心問題就是研發高溫儀器來保證高壓鑽井的安全。

早在2008年道達爾公司在開發北海油田Victoria區塊時，鑽遇到異常超高溫儲層。後來攜手哈里伯頓Sperry Drilling研發團隊開始了為期兩年的聯合科研項目，合作研發代號「普羅米修斯」（Prometheus Suite）耐超高溫的LWD系列鑽井儀器（希臘神話中，普羅米修斯為人類帶來了火種）。在隨後的油田試驗井項目中，包含實時數據傳輸的旋轉導向、伽馬、環空壓力和震動監測的新型儀器不負眾望，取得了超高溫鑽井環境下，連續井下工作14天的成績。此項技術的突破融合了勘探開發公司、技術服務公司和世界頂尖電子元器件生產供應商的科研力量，成為跨公司聯合研發新技術的典範。

提高工具可靠性的關鍵是提高電子元器件在高溫下的使用壽命。其中核心問題和障礙是在高溫條件下電子元件的化學反應加速（材料老化）從而導致失效。

時間回到十九世紀末，瑞典科學家阿倫尼烏斯（Svante Arrhenius）總結出一個方程式，是化學反應速率常數隨溫度變化關係的定量表述。即在溫度增加10℃時，很多化學反應速率會翻倍。這個方程對於石油上遊行業非常重要，因為它指出了井下儀器為代表的電子元器件失效機理。

化學物質分離去除，電子元器件硬化處理

首先需要做的是分離和去除在高溫，超高溫條件下容易產生反應的化學物質。然後把剩下「惰性材料」組成的元器件做硬化處理。

選擇在高溫環境下性質更穩定的材料，是成功研發耐受高溫電子元器件的關鍵。在多方公司聯合研發下，研發了不同類型的電子部件，滿足了超高溫LWD長時持續穩定工作的設計要求和製造標準。目前最尖端的技術是耐受230℃極高溫的電子部件。

另外一項重要技術進步是硬化電路板，重新再封裝電子部件，去除電子部件內部和外部周邊的活性化學物質。從而提高了整體部件在高溫下的穩定性。

重新設計感測器及相應測量方式

現有傳統的重力感測器和磁力感測器對工作溫度範圍極其敏感，高溫環境中容易產生穩定性問題：比如校準漂移及其引起的測量誤差。為獲得高精確度測斜數據（井斜，方位和工具面），需要重新設計重力感測器和磁力感測器。

其他LWD感測器如自然伽馬，方位電阻率、地層密度、中子孔隙度、井下震動監測和環空壓力也都革新換代。比如，在高溫自然伽馬感測器使用了蓋革米勒管代替了閃爍計數器。傳統的閃爍計數器含有160℃會氣化的碘化鈉晶體，儀器正常工作溫度不能超過150℃。蓋革米勒管在工業界使用時間歷史也很悠久，被廣泛證實的在溫度和壓力廣域範圍內，可以獲得可靠精準伽馬射線強度讀數。但是在高溫儀器設計製造工藝過程中，一些細節需要被考慮進去，比如感測器本體材料、煅接材料、鑄融部件和焊料的選擇，特殊焊接技術等。這些措施確保了感測器整體在高溫下工作穩定。其他高溫感測器都採用了相似研發思路，進行了重新設計和製造。

冷卻技術

多種電子部件冷卻技術在設計製造耐高溫儀器中得到了應用，比如冷卻板、隔熱封裝以及製冷劑技術等。

冷卻板技術使用了金屬片散熱板，使得在感測器和電子部件內部傳輸電流時產生的熱量能及時耗散。散熱板能夠快速把熱量從重要的部件上面傳導出去。這類似於日常適用的電腦中散熱片原理。

隔熱封裝技術是把電子部件封裝進特製的囊腔，內部再抽成真空或者只衝入微量低密度惰性氣體。這項措施主要目的是減少從高溫環境中傳導到感測器的熱量。這項技術本身並非最新發明，以前主要應用在電纜測井儀器中。這項技術可以在高溫環境中使用相對低耐溫的電子部件。

製冷劑技術也得到了廣泛應用。冷劑相變吸熱降溫（類似冰箱製冷的原理），冷卻和降低感測器周邊微環境溫度，從而擴大了感測器能承受的外部環境溫度範圍。具體來說，此項技術使用了一種特殊的液體，這種液體吸熱蒸發變成製冷劑，泵入感測器和電子部件周圍附近產生降溫冷卻效果，提高了儀器整體的系統穩定性。

另外一項重要的發展是金屬間密封技術，使得在高溫環境中鑽井液和地層流體被隔絕到電子部件腔體之外。結合使用上述的冷卻技術和金屬間密封技術，新一代超高溫LWD儀器誕生了，迎接超高溫極限鑽井的挑戰。

部件測試和現場試驗

研發超高溫LWD過程中，非常重要的一步是部件測試和現場試驗。從耐高溫電路板、電子元器件、感測器這些基本單元單獨進行高溫測試。下圖電子部件耐高溫測試的實驗室。

然後這些基本單元組成一個相對大點的部件，再進行測試。最後所有部件組成一個整體工具進行耐高溫高壓流體的現場模擬測試。下圖為高溫高壓測試場地及測試井坑。

後記

超高溫高壓LWD和鑽井設備的研發製造不僅僅是克服作業困難的利器，它們所採用的理論、技術和工藝對提高常規儀器的可靠性有著重要的指導意義。另一方面，超高溫儀器的使用往往帶來巨大經濟效益。比如節省電纜測井的花費和昂貴的鑽機時間。再比如節省了普通高溫工具下鑽過程中必須要使用邊下鑽，邊開泵循環降溫的分階段下鑽程序(Stage-in)所花費的時間。展望未來，行業技術的發展趨勢永遠都是一直向前的。超高溫系列儀器的成功商業化為未來的規模化發展鋪墊了道路，使得石油界能更安全高效的探索未知的潛在油氣區域。也為未來極高溫系列儀器的規模開發帶來了曙光。

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文章原載於公眾號：石油Link

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