深水鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*

孫 雯

(長江大學(xué)，湖北 荊州 434000)

1 前言

在近十年來發(fā)現(xiàn)的大型油氣田中，約60%為海洋油氣田，其中約44%的油氣資源位于300 m以下的水域［1］，深水油氣資源為勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域。因此深水油氣資源的勘探與開發(fā)受到我國的高度重視，國內(nèi)采用深水標(biāo)準(zhǔn)為500～1 500 m。盡管深水油氣田儲量大、產(chǎn)量高，單位油氣產(chǎn)量的成本較低［2］，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)潛力，但深水作業(yè)的投資大、風(fēng)險高、技術(shù)難度大。因此深水鉆井新技術(shù)是解決深水鉆井技術(shù)難題的重要前提，也是降低開發(fā)成本，符合環(huán)保要求，提高鉆井安全的重要保證。

2 深水鉆井面臨的難題與挑戰(zhàn)

2.1 水深的影響

由于水深大于500 m，鉆井平臺由固定式向移動式鉆井平臺和浮式鉆井船發(fā)展，同時水下設(shè)備對平臺的載荷增加，需要大型的鉆井平臺和復(fù)雜的水下裝備。水深使得鉆井平臺承受更大的載荷，需要更好的動力定位和系泊方式。為提高抗擊大流速洋流的能力，水下控制和操作設(shè)備應(yīng)具有更高的精密度，靈活性和智能性。

2.2 海底低溫的影響

由表1可知，泥線附近的溫度維持在4℃［2］，海底低溫能迅速引起井下鉆井液粘度、膠凝強(qiáng)度的上升、鉆井液觸變性的顯著增加，特別對于油基鉆井液體系，這些影響顯得特別突出。對鉆井液密度也有一定影響，最大鉆井液密度出現(xiàn)在海底泥線處。

表1 不同海域的海水溫度 /℃

2.3 天然氣水合物

天然氣水合物存在于高壓、低溫條件下，類似于冰的固體物質(zhì)，一旦在鉆井液循環(huán)管線中生成，則很難清除，會堵塞導(dǎo)管、隔水管、海底防噴組，造成嚴(yán)重的鉆井事故。此外天然氣水合物在分解(融解)時，體積為固態(tài)時候的170倍，容易導(dǎo)致管道的爆裂，對深水鉆井作業(yè)安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

2.4 淺層氣體和淺層水流

淺層氣所處的層位淺，體積小，壓力高，難以預(yù)測且經(jīng)常出現(xiàn)，危險系數(shù)大。淺層氣體的突然釋放，會對管道和平臺造成破壞，高壓淺層氣釋放會引發(fā)井噴、爆炸起火、燒毀設(shè)備，釀成重大的安全事故。

淺水流發(fā)生的幾率較大，約占深水鉆井的70%。淺水流出后淺層流圈閉系統(tǒng)的壓力降低，井壁就會垮塌，從而引起關(guān)聯(lián)漏失，破壞基底穩(wěn)定性，引起井口下陷事故。此外淺水流中可能會攜帶氣體水合物進(jìn)入井中，引起井口、BOP、隔水管和壓井阻流管線堵塞。

2.5 破裂壓力梯度低

地層破裂壓力窗口窄，難以控制鉆井液密度安全的鉆過地層，鉆井液密度過小，地層流體將會侵入鉆井液體系，帶來一系列井控問題，鉆井液密度過大，容易導(dǎo)致地層壓裂、坍塌，從而出現(xiàn)卡鉆、井徑擴(kuò)大、鉆井液漏失、洗井困難等作業(yè)難題。

2.6 苛刻的環(huán)保政策

為有效的保護(hù)海洋環(huán)境，符合國際環(huán)保慣例，我國對鉆屑、廢棄鉆井液、廢水、鉆井噪聲、廢棄井口及平臺有著嚴(yán)格的要求，向海洋直接排放的廢棄物必須做到無毒、無污染、可生物降解。苛刻的環(huán)保政策對深水鉆井的施工工藝、鉆井液處理系統(tǒng)、深水管道等產(chǎn)生顯著的影響，同時也增加了鉆井作業(yè)成本。

3 深水鉆井技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 鉆井平臺和鉆井船

國際上常采用的鉆井平臺為半潛式平臺、鉆井船、TLP平臺、SPAR平臺、浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)，它們均為浮式平臺，依靠自身浮力來支撐上部重量，借助系泊系統(tǒng)或動力定位系統(tǒng)來定位［3］。半潛式鉆井平臺和鉆井船主要用于鉆井作業(yè)，其他的平臺形式主要用于油氣開采和儲存油氣。半潛式鉆井平臺鉆井時，船體潛入水中，平臺處于水上，水線面積小，波浪影響小，穩(wěn)定性好，自持能力強(qiáng)，工作水深大，但投資大、維持費(fèi)用高，水下器具設(shè)計較為復(fù)雜。鉆井船容易受波浪影響，但可用機(jī)動船和駁船改裝，可快速投入使用。據(jù)2010年統(tǒng)計全球有152條半潛式鉆井平臺、89條鉆井船、24座TLP平臺、17座SPAR平臺應(yīng)用于水深500以上的深水鉆井［3］。

由于深水作業(yè)，鉆井平臺的平臺面積和艙儲空間有限，輔助船是深水不間斷作業(yè)的保障。據(jù)統(tǒng)計2007年底全球的各類錨泊、拖航、供應(yīng)或伴航服務(wù)船只超過3 500條，輔助船的標(biāo)準(zhǔn)主要體現(xiàn)在功率大小、倉儲容量、抗風(fēng)能力、供應(yīng)水、燃料、鉆井液、水泥等材料的能力。

國際上深水鉆井平臺、深水井下設(shè)備及配套技術(shù)，深水鉆井輔助船等設(shè)備都有了長足的發(fā)展，國內(nèi)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，發(fā)展明顯滯后，存在較多的技術(shù)壁壘，關(guān)鍵裝備的核心部件均為進(jìn)口產(chǎn)品呈現(xiàn)“空殼化”，另外深海裝備的發(fā)展缺乏風(fēng)險承擔(dān)機(jī)制，一系列高附加值裝備和大型海洋工程裝備仍為空白。

3.2 深水鉆井井控工藝

國外主要針對深水、低溫情況下氣液兩相流動規(guī)律進(jìn)行了研究，為深水鉆井的早期井涌檢測和后期井涌控制奠定了理論基礎(chǔ)，提出了多種深水井涌的流動模型，但對一兩種流態(tài)進(jìn)行了定性分析，既沒有考慮鉆屑對于流體流動和井底壓力的影響，也沒有考慮溫度和壓力對天然氣水合物分解的影響，理論突破上存在瓶頸，井控工藝的實(shí)施主要采用PWD技術(shù)。PWD工具能夠通過泥漿脈沖實(shí)時的向地面反饋井下環(huán)空壓力，便于早期、準(zhǔn)確、快速的發(fā)現(xiàn)溢流，及時關(guān)井，避免事故發(fā)生。PWD技術(shù)主要用于淺水流和早期溢流的偵測，鉆進(jìn)及起下鉆時溢流的檢測，以及地層呼吸效應(yīng)的判斷，國內(nèi)的深水井控的理論和工藝較之國外有很大差距，國內(nèi)主要借鑒國外的先進(jìn)理論和方法。

3.3 深水鉆井液體系

世界深水鉆井較為活躍的地區(qū)包括墨西哥灣和西非、巴西等海域，使用的鉆井液體系主要為油基和合成基體系鉆井液。鉆井液需要解決淺層氣、氣體水合物以及低溫下鉆井液流變性的控制等問題。深海鉆探的水深大、壓力高、溫度低，要求鉆井液不僅要具備冷卻鉆頭、攜帶巖屑、清洗井眼、降低循環(huán)壓耗、穩(wěn)定井壁等能力，還應(yīng)當(dāng)在高壓低溫狀況下游良好的流變性能，影響鉆井液流變性主要因素為溫度，流變性變化主要表現(xiàn)在黏度、切力大幅度上升，甚至顯著的膠凝現(xiàn)象，這與鉆井液中的黏土含量、土粒分散度、黏土顆粒的的電動電位、高分子量聚合物類型及其分子鏈的舒展程度，以及黏土顆粒、高分子量聚合物、水分子之間的相互作用有關(guān)［4］。

4 深水鉆井技術(shù)發(fā)展趨勢

4.1 雙梯度鉆井技術(shù)

雙梯度鉆井技術(shù)是針對窄密度窗口提出的，該技術(shù)能夠使得海底以上隔水管內(nèi)流體密度與海水密度相近，鉆井液柱的壓力計算以海底為參考點(diǎn)，地層孔隙壓力和破裂壓力之間區(qū)域就相對變寬，目前采用的雙梯度鉆井技術(shù)主要包括雙密度鉆井、無隔水管鉆井、海底泵舉升鉆井液(工作原理示意圖如圖1所示)來減少井涌、井噴、井漏事故，不再需要多層套管體系、節(jié)省下套管時間和固井時間，減少和降低鉆井事故的時間和成本，也降低了對鉆井裝備的要求。如墨西哥灣的鉆井成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性研究和概率風(fēng)險成本的分析，保守的推算采用雙梯度鉆井可節(jié)約鉆井成本6%～25%。

圖1 常規(guī)鉆井和雙梯度鉆井基本原理示意圖

雙梯度鉆井技術(shù)在我國還處于起步階段，與世界先進(jìn)技術(shù)相比差距較大。國內(nèi)初步形成SMD工藝設(shè)計技術(shù)體系，開展海底泥漿吸入模塊室內(nèi)實(shí)驗研究。國外對雙梯度鉆井技術(shù)非常重視，有多種雙梯度鉆井系統(tǒng)的研發(fā)成果，如Conoco與Hydril公司海底泥漿舉升鉆井系統(tǒng)，挪威AGR Subsea公司開發(fā)的無隔水管鉆井液回收(RMR)系統(tǒng)等。

4.2 無隔水管鉆井液回收技術(shù)

無隔水管鉆井液回收(RMR)技術(shù)屬于雙梯度鉆井技術(shù)的范疇，系統(tǒng)工作時將鉆柱暴露與海水中，依靠海底吸入模塊實(shí)現(xiàn)井眼與海水的分隔，依靠海底泵模塊和回流管線為鉆井液提供動力和回流通道。通過控制海底泵系統(tǒng)來保證環(huán)空頂部壓力與海底靜壓相等，從而更好的控制井身內(nèi)壓力，使得鉆井液靜水壓力處于地層壓力與破裂壓力之間，解決窄密度窗口的問題，實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)。RMR系統(tǒng)的工作原理圖，如圖2所示［5］。

圖2 RMR系統(tǒng)的工作原理圖

無隔水管相對常規(guī)鉆減少了鉆井液的用量，使得鉆井液應(yīng)用范圍變大，避免鉆井液泄露，減少套管用量，增強(qiáng)了深水鉆井淺層事故的預(yù)防能力。但無隔水管系統(tǒng)的回流管柱受力復(fù)雜，鉆井液水力學(xué)理論和方法還不夠成熟，海底吸入設(shè)備、海底泵設(shè)備、控制系統(tǒng)等設(shè)計難度大，密封性、工作可靠性是RMR系統(tǒng)的基本前提，國內(nèi)對于無隔水管系統(tǒng)的研究和使用還為空白。

4.3 鉆屑回注技術(shù)

鉆屑回注技術(shù)經(jīng)過發(fā)展和完善已經(jīng)成為了國際公認(rèn)的環(huán)保安全的鉆井液廢棄物處理技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井液廢棄物的零排放，符合日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求，處理成本低于其他廢棄物處理技術(shù)。綜合分析國外鉆屑回注工程案例其回注成本為25～62.5$/m3。鉆屑回注的基本步驟如圖3所示［6］。

圖3 鉆屑注入的基本步奏

國外的鉆屑回注技術(shù)已經(jīng)基本成熟，已經(jīng)完成過了回注技術(shù)對環(huán)境潛在的傷害評估方案、施工條例和法律法規(guī)的制定。我國2003年蓬萊19-3油田首次試探性使用鉆屑回注技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)國內(nèi)油基泥漿的零排放，鉆屑處理徹底，無二次污染，處理費(fèi)用比運(yùn)回陸地后處理要低。

4.4 微流量控制鉆井技術(shù)

微流量控制鉆井技術(shù)是通過對鉆井液流量的控制，從而達(dá)到對井眼壓力的精確控制，鉆井液流量的監(jiān)測和控制是保證鉆井液閉環(huán)控制和鉆井閉環(huán)控制的前提。利用鉆井液的不可壓縮性，平臺控制單元施加任何微小壓力變化都會在環(huán)空中得到快速響應(yīng)，壓力變化傳輸速度可達(dá)到聲速。

微流量控制技術(shù)能夠有效的減少平臺設(shè)備的復(fù)雜程度，依靠鉆井液微小的壓力變化能直接探測到地層的孔隙壓力和破裂壓力，并能實(shí)現(xiàn)鉆井液性能實(shí)時控制，通過地面簡單的操作實(shí)現(xiàn)對鉆井液當(dāng)量密度的調(diào)節(jié)，該項技術(shù)降低鉆井的風(fēng)險性，并且鉆井控制的自動化程度高，能與常規(guī)鉆井液控制技術(shù)配合使用，常規(guī)鉆井液控制系統(tǒng)經(jīng)過簡單改造后，就能實(shí)現(xiàn)鉆井液的微流量控制，并且人員操作方便，人機(jī)工程界面友好。微流量控制技術(shù)與海底鉆井液泵送系統(tǒng)相比具有顯著的優(yōu)勢，特征對比如表2所示［7］。

表2 微流量控制技術(shù)與海底鉆井液泵送系統(tǒng)特征對比

5 結(jié)論

隨著國家對海洋石油資源開發(fā)的高度重視，石油勘探與鉆采由淺水逐步的向深水推進(jìn)，深水鉆井具有高技術(shù)含量、高投入、高風(fēng)險的特點(diǎn)，同時深水環(huán)境下惡劣的鉆井環(huán)境和復(fù)雜地質(zhì)條件，對我國在深水鉆井的工程設(shè)備、鉆井工藝、控制技術(shù)上提出了巨大的難題和挑戰(zhàn)。但隨著新型深水鉆井工程設(shè)備的成功應(yīng)用，新鉆井工藝和鉆井液技術(shù)的深入研究和發(fā)展，檢測控制設(shè)備及新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，自動化控制技術(shù)的不斷成熟，環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，必然使得我國深水鉆井更加環(huán)保、安全、高效。

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