高含硫气藏的安全快速钻井技术探讨

摘要：本文针对高含硫气藏的安全快速钻井难点开展了井身结构优化、抗硫材质优选、钻头和防斜提速工具优选、精细控压防硫工艺研究，形成了适用于铁山坡高含硫气藏的安全快速钻井技术，铁山坡6口井提速效果显著，测试总产量达1028.27×104m3，为高含硫气藏的安全高效开发提供了技术支撑。

关键词：高效开发；钻井技术；防硫工艺；结构优化

1铁山坡高含硫气藏地质特征

铁山坡飞仙关气藏埋深4100m左右，最高气藏温度90℃以下，硫化氢含量达到203.06~222.30g/m3(14.19%~15.54%)，平均含量207.95g/m3(14.53%)，为高含硫化氢气藏。二氧化碳含量在106.68~174.65g/m3(5.43%~8.89%)之间，平均134.26g/m3(6.83%)，为中含二氧化碳气藏。根据NACEMR0175/ISO15156《石油天然气工业—油气开采中用于含H2S环境的材料》规定，飞仙关组的PCO2/PH2S=0.41~0.57，腐蚀类型以硫化氢腐蚀为主，处于硫化氢应力腐蚀开裂区，对井口装置、套管柱和钻具的材质提出了更高的要求。须家河组以厚层-薄层灰白色、浅灰色及灰色中砂岩为主，地层研磨性强、可钻性差。P2-H4井须家河钻井过程中单只钻头进尺为46.5m，机械钻速仅为0.62m/h，且对钻头和井下工具的磨损严重。

2高含硫气藏安全快速钻井技术

2.1高含硫气藏井身结构设计

针对铁山坡区块沙溪庙表层井漏、嘉三段上部漏塌同存且存在高压盐水侵、飞仙关储层硫化氢含量高等难题，优化了铁山坡区块的井身结构。将飞三—飞一顶部作为必封点一，为提高储层段钻遇井下复杂时的处置能力，降低钻井液对储层的损害，对高含硫储层实施专打；必封点二为嘉三段，封隔上部低压层、断层、垮漏层，避免下喷上漏的风险，若嘉四段存在高压盐水层，则将必封点由嘉三段优化至嘉四段顶；必封点三封隔表层沙溪庙组漏层。地表下一层导管，封隔地表未胶结的覆土层。

2. 2高含硫气藏抗硫材质优选

2.2.1套管柱选材

在高温酸性腐蚀环境内对碳钢材质、耐蚀合金材质开展了抗腐蚀性能实验，如表4所示，模拟110SS、9Cr1Mo、2532-125、2830-125四种材质在150℃高温、Cl-为90000mg/L、PCO2为4.5MPa、PH2S为1.5MPa、总压为10MPa的环境中腐蚀240h的腐蚀速率。根据NACERP-0775-2013《油田生产中腐蚀挂片的准备和安装以及试验数据的分析》标准，对实验所采用的各材质进行腐蚀程度的划分，其中110SS和9Cr1Mo材质腐蚀较为严重，2532和2830耐蚀合金在本实验中腐蚀程度为轻度，表明110SS和9Cr1Mo材质不适用于高含硫储层段。

2.2.2井控装置选材

铁山坡气田P2、P5井区预测关井压力24.29MPa左右，硫化氢在井口的分压为3.21~6.22MPa、CO2的分压为1.30~3.56MPa，属于严重腐蚀环境，套管头推荐采用HH-NL级材质；防喷器组、四通为高抗硫材质；二开—四开的防喷器组合中配备剪切闸板，以便在应急状态下及时剪断井内钻具，控制井口；四开的节流管汇、压井管汇选用HH材质，钻井四通、防喷器组、防喷管线均采用高抗硫材质。四开防喷器组合（自上而下）：35MPa旋转防喷器(FX35-17.5/35)+35MPa环形防喷器(FH35-35/70)+70MPa半封单闸板(FZ35-70)+70MPa剪切闸板(FZ35-70)+70MPa双闸板（上全封下半封）防喷器(2FZ35-70)+70MPa转换四通(FS35-70)+70MPa特殊四通(KQ78-70)+70MPa第三级套管头(TF272.5mm×177.8mm-70)+70MPa第二级套管头(TF365.1mm×272.5mm-70)+35MPa第一级套管头(TF508.0mm×365.1mm-35)。

2.2.3钻具选材

开展了不同硫化氢浓度钻具腐蚀实验，在硫化氢浓度分别为150、300、3.33×105mg/m3环境下，S135钻杆的腐蚀速率大于0.08mm/a，SS105钻杆的腐蚀速率大于0.034mm/a，钻铤的腐蚀速率大于0.06mm/a。受硫化氢腐蚀影响最小的是SS105钻杆，钻铤次之，S135钻杆最大。因此，四开高含硫层段选用SS105级抗硫钻杆。在相同腐蚀时间和硫化氢浓度下，SS105级抗硫钻杆的冲击功明显高于S135钻杆，显示出更好的力学性能。在硫化氢浓度较低(150mg/m3)的腐蚀环境中，钻杆的冲击功损失较少，静置一段时间后可以恢复钻杆的冲击韧性。

2.3钻井提速技术

2.3.1高陡构造提速技术

嘉五以上地层地层倾角大，优选了垂钻工具和钻井参数，在防斜的基础上强化钻井参数提高机械钻速。推荐近钻头的钻具组合为Ø455mmPDC钻头＋垂钻工具+Ø450mm扶正器＋减震器+Ø228.6mm螺旋钻铤；推荐钻井参数的钻压为180~220kN，转数70~90r/min，排量65~70L/s。该套钻井措施可以在控制井眼轨迹打直的条件下同时快速钻进。

2.3.2难钻地层提速技术

采用以机械钻速、进尺指标为依据的黄金分割方法，优选了KPM1642DRT、SH533等高效复合钻头，采用3刀翼和3牙轮设计，PDC刀翼采用双排Ø16mm主切削齿，外径采用保径耐磨齿，以增强钻头抗冲击性及研磨性，提高钻头的破岩效率。推荐近钻头钻具组合为Ø333.4mm复合钻头+1.25°弯螺杆+无磁钻铤＋悬挂短节+Ø330mm扶正器；推荐钻井参数中钻压170~220kN，转数60r/min，排量60L/s。

2.3.3飞仙关组安全提速技术

铁山坡气田飞仙关组经过多年开采，地层压力系数已降低至0.79，使用的油基钻井液密度1.00~1.05g/cm3，钻井液液柱压力高于地层压力，易引发压差黏附卡钻。钻井过程中不仅要保证优质储层钻遇率，还要预防压差黏附卡钻。因此，飞仙关储层段选用旋转地质导向工具，不仅可以降低定向工具卡钻的风险，也可以实时调整井眼轨迹寻找优质储层段。

2.4精细控压钻井技术

2.4.1气层段的精细控压钻井技术

若井口回压小于4.5MPa，则采用精细控压设备的节流管汇循环排气，调节回压值；若井口回压大于或等于4.5MPa，且有明显持续升高趋势，则立即关闭防喷器，转换为钻井队的节流管汇循环排气，以防止井口回压过高，压漏地层。若发现溢流，立即关井求取地层压力，调整控压值或者钻井液密度，保持微过平衡控压钻进。

2.4.2漏层段的精细控压钻井技术

若遇井漏，在能够建立循环的条件下，确保井底处于近平衡状态。通过逐渐降低井口压力控制或降低排量，寻找压力平衡点，如果可以找到压力平衡点，则以当前井底压力为控制目标，建立井筒压力控制模型，控压钻进。在降低井口压力和排量均无效情况下，利用精细控压设备快速起钻至安全井段，循环观察漏速。

2.4.3精细控压起下钻技术

起下钻按照常规方式进行短程起下钻作业，满足条件后方可起钻；裸眼段起钻时可以适当控制一定套压，防止抽吸压力过大造成的溢流；若需要提高钻井密度起下钻时，先通过自动节流控制系统缓慢提高套压做地层承压试验，承压满足要求后方可提高套压值对应的当量钻井液密度。

2.5高含硫层段油基钻井液技术2.5.1高含硫层段除硫技术

高含硫层段采用油基钻井液钻进，钻井中保持井浆中除硫剂含量在高限值，并根据需要补充石灰。若实钻中硫化氢含量过高，可增加石灰和除硫剂用量，保持钻井液的PH值在9.5以上。若钻井液中检测到低浓度的硫化氢，则在油基钻井液中引入液体除硫剂，同时将两种不同作用原理的固体除硫剂与液体除硫剂复配使用，提高除硫剂在油相和水相中的除硫效率。同时辅助检测钻井液中S2-的含量，发现有S2-存在，立即补充除硫剂和石灰，并做实验优化除硫剂配方。

3现场应用

2022年，铁山坡高含硫气藏安全快速钻井技术在铁山坡1号井场4口井、2号井场2口井进行了现场应用。6口井的平均钻井周期177d，与2006年完钻的P5-X1井、P5-X2井相比，在平均完钻井深增加了15.2%的条件下，平均钻井周期缩短16.11%;平均机械钻速3.61m/h，提高了95.1%。且在高含硫层段钻进期间未发生钻具、套管柱、井口装置腐蚀断裂的问题，以及硫化氢的扩散，研究成果大力推动了川东北高含硫气藏安全高效开发的进程。

4结论与建议

(1)优选的套管柱、井口装置、抗硫钻具材质，满足了川东北高含硫气藏安全高效开发的要求，同时制定了高含硫钻具防护措施，降低了钻具在硫化氢腐蚀和交变应力作用下断裂的风险。

(2)优化后的井身结构有效封隔了沙溪庙—凉高山组的漏层，二开Ø333.4mm井眼优化为在嘉四段顶固井，避免了下喷上漏的风险。油层悬挂套管优化至飞三—飞一段顶，实现了飞仙关组储层专打，结合精细控压技术精确控制地层压力，降低了地层漏失量和压差卡钻的风险。

参考文献

[1]胡勇，惠栋，彭先，等．高含硫气藏开发关键技术新进展、挑战及攻关方向[J].天然气工业，2022，42(12):23-31.