南海深水鉆井完井主要挑戰(zhàn)與對(duì)策

孫寶江， 張振楠

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

南海深水鉆井完井主要挑戰(zhàn)與對(duì)策

孫寶江， 張振楠

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

近年來(lái)，我國(guó)深水油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)不斷取得突破，“海洋石油981”半潛式鉆井平臺(tái)的建成更是將我國(guó)深水鉆井裝備提升到了世界先進(jìn)水平行列，但是，與國(guó)外先進(jìn)水平相比，我國(guó)深水鉆井完井還存在缺乏作業(yè)經(jīng)驗(yàn)、工藝及技術(shù)水平較低、基礎(chǔ)理論研究薄弱等問(wèn)題。在介紹我國(guó)南海深水鉆井完井技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了南海深水鉆井完井面臨的技術(shù)難點(diǎn)，針對(duì)我國(guó)南海特殊海洋環(huán)境、特殊地質(zhì)條件及離岸距離遠(yuǎn)給鉆井完井帶來(lái)的特殊挑戰(zhàn)，以安全高效鉆井完井為聚焦點(diǎn)，給出了需要進(jìn)一步攻關(guān)的一系列關(guān)鍵技術(shù)，并提出了發(fā)展建議，以期為我國(guó)深水鉆井完井技術(shù)及理論的發(fā)展提供借鑒，最終實(shí)現(xiàn)我國(guó)南海深水油氣資源的高效安全開(kāi)發(fā)。

深水鉆井 技術(shù)難點(diǎn) 發(fā)展方向 南海

目前，我國(guó)南海地質(zhì)調(diào)查與勘探程度有限，但其資源前景已獲得廣泛認(rèn)可[1]。美國(guó)能源信息署的最新公開(kāi)數(shù)據(jù)表明，南海石油儲(chǔ)量約為1.7×109m3(約110億桶)，天然氣儲(chǔ)量約為5.38×1012m3(約190×1012ft3)[2]。2010年底，中國(guó)海洋石油總公司油氣產(chǎn)量超過(guò)5.0×107t，建成了“海上大慶油田”，但對(duì)具有“第二個(gè)波斯灣”之稱(chēng)的南海深水油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)尚處于起步階段?！昂Ｑ笫?81”深水半潛式鉆井平臺(tái)的建成與應(yīng)用將我國(guó)深水鉆井裝備提升到了世界先進(jìn)水平行列，但由于我國(guó)缺乏深水鉆井完井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，深水鉆井工藝及技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)水平相比存在較大差距，甚至存在很多技術(shù)與理論研究空白[3-4]。筆者通過(guò)調(diào)研大量文獻(xiàn)，針對(duì)南海深水油氣勘探開(kāi)發(fā)面臨的特殊海洋及地質(zhì)環(huán)境，分析了我國(guó)南海深水鉆井完井面臨的技術(shù)與理論難點(diǎn)，提出了技術(shù)對(duì)策和攻關(guān)策略，以期為我國(guó)南海自主安全高效鉆井完井技術(shù)研究提供借鑒。

1 南海深水鉆井完井技術(shù)研究現(xiàn)狀

自2006年我國(guó)第一口深水天然氣井——荔灣 3-1-1 井(作業(yè)水深1 480.00 m)完鉆至今，我國(guó)已在南海自主完成20余口深水油氣井(絕大部分油氣井位于南海北部，部分標(biāo)志井見(jiàn)表1)的鉆井完井作業(yè)，由于我國(guó)深水鉆井完井技術(shù)研究與應(yīng)用尚處于起步階段，部分深水油氣井在鉆井完井作業(yè)時(shí)出現(xiàn)了較多的井下故障。盡管我國(guó)深水鉆井完井技術(shù)存在諸多關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，尚未建立完整的深水鉆井完井技術(shù)體系，但是，我國(guó)在深水鉆井淺層地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估與控制、管柱系統(tǒng)力學(xué)特性及安全作業(yè)、井筒流體壓力控制及工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)方法等方面開(kāi)展了卓有成效的研究工作，并取得一定的科研成果，使我國(guó)深水鉆井完井技術(shù)不斷獲得突破，部分滿足了我國(guó)深水鉆井完井的需求。

1.1 深水鉆井淺層地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估與控制研究

國(guó)內(nèi)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，南海北部深水地層蘊(yùn)育著高溫、超壓系統(tǒng)[5]，具有淺水流、淺層氣以及天然氣水合物分解等3種淺層地質(zhì)災(zāi)害(簡(jiǎn)稱(chēng)“三淺”地質(zhì)災(zāi)害)發(fā)育的地質(zhì)條件，但其形成機(jī)理和演化過(guò)程尚不清楚。

海底淺層巖土強(qiáng)度參數(shù)是設(shè)計(jì)導(dǎo)管下入深度、校核海底井口穩(wěn)定性的基礎(chǔ)資料。該參數(shù)可以通過(guò)巖土取樣建立的強(qiáng)度恢復(fù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，但目前尚未建立噴射導(dǎo)管側(cè)壁擾動(dòng)過(guò)飽和土層的含水耗散速率與強(qiáng)度恢復(fù)之間的機(jī)理模型。由于深水海底巖土取樣難度大且成本高，需要根據(jù)海底淺層層速度數(shù)據(jù)反演獲得淺層巖土強(qiáng)度參數(shù)。

鉆井液安全密度窗口的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)深水鉆井完井設(shè)計(jì)和施工至關(guān)重要，其關(guān)鍵是確定地層三壓力剖面，雖然可以借鑒國(guó)外疏松地層破裂壓力與上覆巖層壓力和地層壓力的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约吧钏疁\層土水平方向有效基巖應(yīng)力與垂向基巖應(yīng)力的相互關(guān)系，但目前我國(guó)還未建立起準(zhǔn)確預(yù)測(cè)深水淺部地層三壓力剖面的理論方法。

深水淺部疏松砂巖地層以及活性泥巖地層在鉆井過(guò)程中極易發(fā)生井壁失穩(wěn)，地質(zhì)條件的復(fù)雜性是其根本原因。目前，我國(guó)針對(duì)深水天然氣水合物地層的井壁失穩(wěn)主要從2個(gè)方面進(jìn)行研究：一是研制天然氣水合物抑制劑，將其加入鉆井液中來(lái)控制天然氣水合物的分解；二是建立天然氣水合物地層井壁穩(wěn)定流固耦合數(shù)學(xué)模型，研究其失穩(wěn)機(jī)理，從而采取相應(yīng)的技術(shù)措施。

深水淺部地層固井在滿足支撐套管和井壁穩(wěn)定需要的同時(shí)，還要能有效防止“三淺”地質(zhì)災(zāi)害帶來(lái)的危害。為解決深水淺部地層固井水泥漿低溫緩凝及水化熱的問(wèn)題，我國(guó)已研制了泡沫水泥漿、優(yōu)化顆粒級(jí)配水泥漿和低溫低密度快凝水泥漿及配套固井工藝[6]，但是，對(duì)于滿足弱膠結(jié)地層、天然氣水合物層、淺部氣層安全封固的水泥石力學(xué)性能要求缺乏深入和系統(tǒng)的研究，也未提出合理的封固完整性調(diào)控措施。

1.2 深水鉆井完井管柱系統(tǒng)力學(xué)特性及安全作業(yè)研究

深水鉆井完井管柱系統(tǒng)包括深水鉆井完井作業(yè)周期內(nèi)的隔水管、測(cè)試管柱等處于海底與平臺(tái)之間的管串，是整個(gè)海洋油氣開(kāi)發(fā)裝備中重要而又薄弱的環(huán)節(jié)[7-8]。目前，接觸分析、動(dòng)態(tài)分析和疲勞分析已經(jīng)成為深水鉆井完井管柱系統(tǒng)力學(xué)性能研究的熱點(diǎn)，疲勞損傷分析涵蓋了波激疲勞的頻域和時(shí)域分析、渦激疲勞損傷和可靠性分析等方面[9]，復(fù)雜環(huán)境下管柱耦合系統(tǒng)的作用機(jī)理尚不清晰。波浪流作用下雙層管測(cè)試管柱的安全問(wèn)題逐漸受到重視，針對(duì)深水測(cè)試管柱力學(xué)性能的研究剛剛起步。鉆井隔水管系統(tǒng)動(dòng)力特性分析的研究主要包括隨機(jī)波浪、導(dǎo)管耦合特性、浮式鉆井設(shè)備運(yùn)動(dòng)和內(nèi)外流體耦合作用等。

隨著作業(yè)水深的增加，深水鉆井完井管柱遇到的安全問(wèn)題日益嚴(yán)重，有學(xué)者從臺(tái)風(fēng)、內(nèi)波、天然氣水合物等方面論述了我國(guó)南海深水鉆井中遇到的挑戰(zhàn)和解決方案，建立了深水鉆井隔水管連接和懸掛作業(yè)窗口的確定方法[10]。在事故的演化機(jī)理和安全控制方面，目前我國(guó)已建立了隔水管觸底事故力學(xué)分析模型，并制定了處理措施[11]。極端環(huán)境下管柱耦合系統(tǒng)的災(zāi)變生存能力評(píng)估和完整性管理等方面尚未形成成熟的理論和方法。

1.3 深水鉆井完井井筒流體壓力控制研究

深水鉆井完井多相流動(dòng)規(guī)律與井筒壓力管理涉及深水鉆井及完井測(cè)試兩個(gè)過(guò)程。

深水鉆井過(guò)程中，傳統(tǒng)的井筒多相流動(dòng)規(guī)律無(wú)法準(zhǔn)確表征深水復(fù)雜條件下井筒的多相流動(dòng)過(guò)程，使深水井筒壓力控制難度大。有學(xué)者在氣液兩相流動(dòng)試驗(yàn)中相繼發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)流型缺失的現(xiàn)象[12]。在井筒低-高溫交變條件下，鉆井液流變性的變化規(guī)律復(fù)雜，對(duì)流型轉(zhuǎn)化機(jī)制不了觧，影響了井筒壓力準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和井筒壓力精細(xì)控制。有學(xué)者針對(duì)深水井涌的特點(diǎn)建立了相關(guān)的多相流動(dòng)模型，分析了氣侵后深水井筒內(nèi)的多相流動(dòng)規(guī)律[13]。無(wú)氣侵條件下，控壓鉆井能夠?qū)Νh(huán)空壓力進(jìn)行有效控制，可有效解決窄密度窗口安全鉆進(jìn)的難題。國(guó)外控壓鉆井技術(shù)已經(jīng)在深水鉆井中得到成功應(yīng)用，國(guó)內(nèi)雖然已經(jīng)針對(duì)海上控壓鉆井展開(kāi)研究，提出了應(yīng)用控壓鉆井的海上油氣井井身結(jié)構(gòu)及水力參數(shù)設(shè)計(jì)方法等，但還未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。另外，深水地層壓力的不確定性強(qiáng)，目前還缺少地層壓力不確定及有氣侵條件下的井筒壓力控制的基礎(chǔ)理論及有效的控制方法。

深水氣井測(cè)試期間，復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過(guò)程及其對(duì)流動(dòng)障礙形成的連鎖效應(yīng)，制約著完井測(cè)試的順利進(jìn)行。低溫高壓會(huì)導(dǎo)致深水測(cè)試井筒內(nèi)形成天然氣水合物，國(guó)內(nèi)已針對(duì)復(fù)雜的深水測(cè)試工況開(kāi)展了考慮天然氣水合物相變的傳質(zhì)傳熱機(jī)理研究，初步建立了天然氣水合物生成預(yù)測(cè)方法，但目前還不能對(duì)天然氣水合物等流動(dòng)障礙的時(shí)間和空間分布進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

1.4 深水鉆井完井工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)方法研究

深水鉆井完井工程風(fēng)險(xiǎn)研究主要集中在定性、定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制等方面。風(fēng)險(xiǎn)定性研究方面，多應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、Bowtie等新方法或者將不同方法進(jìn)行融合。風(fēng)險(xiǎn)定量研究方面，基于數(shù)值模擬開(kāi)展了深水鉆井工程事故及連鎖事故后果評(píng)估，涵蓋鉆遇淺層地質(zhì)災(zāi)害、井筒壓力失控引發(fā)井噴及燃爆事故造成的平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷等典型工程事故，但多側(cè)重于某一種風(fēng)險(xiǎn)或者單一因素對(duì)工程安全的影響，較少考慮多因素的耦合作用及動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。

深水鉆井隔水管柱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)針對(duì)超深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)影響因素開(kāi)展了相關(guān)研究[14]，定性或定量分析了環(huán)境和作業(yè)因素對(duì)深水隔水管系統(tǒng)配置及組件選擇的影響，但沒(méi)有提出鉆井完井管柱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

深水油氣井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究主要集中在3個(gè)方面：一是通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)理論定量分析地層壓力的不確定性，對(duì)鉆井風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估；二是利用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法對(duì)不確定條件下的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；三是研究含有可信度的地層壓力剖面，初步建立地層壓力不確定條件下的套管程序及下深的確定方法[15]。綜合考慮“三淺”地層、窄安全密度窗口以及地層壓力不確定性等因素的深水油氣井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法需要進(jìn)一步研究。

深水鉆井液體系的研究主要考慮深水地質(zhì)條件、鉆井液低溫流變性、天然氣水合物的生成以及環(huán)保等問(wèn)題[16]，聚胺水基鉆井液和低溫流變性穩(wěn)定的“恒流變”合成基鉆井液被認(rèn)為是性能較為優(yōu)良的深水鉆井液體系[17]。國(guó)內(nèi)在高低溫交變作用下深水鉆井液的流變特性、耐高溫高壓及環(huán)境可接受性方面的研究仍相對(duì)薄弱，迫切需要開(kāi)展深水鉆井液應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

2 南海深水鉆井完井技術(shù)難點(diǎn)

2.1 鉆井完井面臨的特殊挑戰(zhàn)

除了水深、風(fēng)浪流、溫變、窄安全密度窗口、淺層地質(zhì)災(zāi)害等深水鉆井共性挑戰(zhàn)外，我國(guó)南海深水鉆井還面臨一些特殊問(wèn)題，包括特殊海洋環(huán)境、特殊地質(zhì)條件和離岸距離遠(yuǎn)等。

2.1.1 特殊海洋環(huán)境

土臺(tái)風(fēng) 南海的土臺(tái)風(fēng)發(fā)生頻率較大，且深水區(qū)域的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度更大。土臺(tái)風(fēng)突發(fā)性強(qiáng)，路徑變化復(fù)雜，監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)困難。鉆井平臺(tái)和隔水管系統(tǒng)的防臺(tái)風(fēng)技術(shù)是南海深水鉆井應(yīng)急技術(shù)的難點(diǎn)之一。

海水溫度場(chǎng)分布不明確 到目前為止，南海海水溫度場(chǎng)的分布并不是很明確，無(wú)直接可用的權(quán)威數(shù)據(jù)。海底低溫會(huì)顯著影響鉆井液流變性，增加井筒內(nèi)鉆井液的流動(dòng)阻力，影響水泥漿性能和深水固井工藝；低溫還會(huì)使壓井管線內(nèi)流體的循環(huán)壓耗增大，增加深水井控難度等[18-19]；而深水雙梯度控壓鉆井中環(huán)空壓力剖面預(yù)測(cè)[20]、深水井控參數(shù)設(shè)計(jì)、測(cè)試過(guò)程中天然氣水合物生成區(qū)域預(yù)測(cè)等都與溫度場(chǎng)密切相關(guān)。因此，海水溫度場(chǎng)不明確增大了鉆井設(shè)計(jì)難度及作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

內(nèi)波流 南海海底地形復(fù)雜多樣，海水密度層化嚴(yán)重，內(nèi)波活動(dòng)頻繁，且不同區(qū)域的內(nèi)波形式不同，隨季節(jié)明顯變化。海洋內(nèi)波時(shí)間不定，流速無(wú)常，方向有規(guī)律，單點(diǎn)持續(xù)時(shí)間短，區(qū)域分布差異大。內(nèi)波流對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性影響大，輕則導(dǎo)致鉆井平臺(tái)漂移，重則引發(fā)事故。目前所知，南海內(nèi)波振幅可高達(dá)150 m，為世界之最。因此，需要對(duì)內(nèi)波作用下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行研究以有效應(yīng)對(duì)。

2.1.2 特殊地質(zhì)條件

與世界主要深水含油氣盆地相比，南海深水盆地主力烴源巖多樣，不同區(qū)域其形成的年代、構(gòu)造背景、沉積環(huán)境和類(lèi)型等不同，這給南海海域的油氣勘探開(kāi)發(fā)帶來(lái)了很大的不利影響。

地質(zhì)環(huán)境多樣且復(fù)雜 南海海洋地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，如沙地沙溝明顯，且沙坡沙脊是移動(dòng)的，移動(dòng)速度可達(dá)每年300 m左右。同時(shí)，南海地質(zhì)環(huán)境多樣，不同區(qū)塊類(lèi)型不同，導(dǎo)致巖土力學(xué)性質(zhì)等不同。由于目前我國(guó)對(duì)南海地質(zhì)環(huán)境的調(diào)查及研究處于起步階段[21]，確定鉆井三壓力剖面的可用資料少，窄安全密度窗口的不確定性增加[22]，使鉆井設(shè)計(jì)及作業(yè)時(shí)井筒壓力控制難度增大。

地溫場(chǎng)分布不清 南海北部深水區(qū)地溫特征數(shù)據(jù)較為全面，但數(shù)據(jù)有限；南部深水區(qū)地溫特征數(shù)據(jù)匱乏，實(shí)測(cè)地溫梯度數(shù)據(jù)很少。地溫場(chǎng)分布不清，增加了鉆井完井工作液流動(dòng)環(huán)境內(nèi)溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)預(yù)測(cè)的難度。

“三淺”地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率大 1)天然氣水合物：南海是西太平洋天然氣水合物成礦帶的重要組成部分，具備良好的天然氣水合物成礦條件，常與石油、天然氣共存。一方面，鉆井作業(yè)帶來(lái)的外界擾動(dòng)將誘發(fā)底辟和滑坡；另一方面，天然氣水合物分解導(dǎo)致海水密度降低，引發(fā)鉆井平臺(tái)傾覆、火災(zāi)等事故。2)淺層氣：南海淺層氣分布典型，僅珠江口盆地初步統(tǒng)計(jì)就有12處[23]。淺層氣地層抗剪強(qiáng)度和承載能力低，且氣體導(dǎo)致孔隙壓力增大。鉆遇時(shí)，引發(fā)氣體突然釋放，甚至燃燒[24]。3)淺水流：南海北部深水盆地等區(qū)域存在淺水流危險(xiǎn)區(qū)[25]，但受限于現(xiàn)有調(diào)查程度，分布特征尚不清楚，使南海作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)增大。淺水流地層具有埋藏淺、超壓、砂層未固結(jié)等特點(diǎn)，不易被發(fā)現(xiàn)。鉆遇時(shí)易發(fā)生井噴且速度快，若未安裝井口則無(wú)法正常壓井；引發(fā)砂水流，破壞井口及井筒，并給鄰井帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。淺水流災(zāi)害難以控制和處理，雖已有可用的識(shí)別、預(yù)防與控制方法，但目前尚不成熟[26-27]。

2.1.3 離岸距離遠(yuǎn)

我國(guó)南海深水油氣資源距離陸地較遠(yuǎn)，多距陸地300 km以上，后勤供應(yīng)要求高，遭遇臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣時(shí)，對(duì)作業(yè)能力要求高，且撤離和鉆井設(shè)備維修所需時(shí)間長(zhǎng)，增大了設(shè)計(jì)、施工和成本控制的難度。

2.2 鉆井完井主要技術(shù)難題

綜合世界范圍內(nèi)的深水油氣資源勘探開(kāi)發(fā)歷程，結(jié)合我國(guó)南海特殊海洋環(huán)境和特殊地質(zhì)條件，影響南海深水鉆井完井工程技術(shù)發(fā)展的難題主要體現(xiàn)在以下3方面。

1) “三淺”地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，淺層弱膠結(jié)，承壓能力低，鉆井作業(yè)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。

南海深水淺部地層多存在淺水流、淺層氣和淺層天然氣水合物，往往難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和精確識(shí)別，具有一定的不確定性，容易給鉆井施工帶來(lái)地質(zhì)災(zāi)害，引發(fā)鉆井事故。海洋深水淺部地層欠壓實(shí)程度高，具有弱膠結(jié)、承壓能力低等力學(xué)特性，加之深水環(huán)境下存在拉、壓、海流等復(fù)雜載荷，容易引起井口突發(fā)性失穩(wěn)，井漏、井塌及水泥環(huán)封隔失效等井下故障。

2) 海洋環(huán)境惡劣導(dǎo)致深水鉆井完井管柱結(jié)構(gòu)作用載荷復(fù)雜，控制難度大。

深水鉆井完井隔水管柱系統(tǒng)是深水鉆井完井區(qū)別于陸地及淺水作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，受(臺(tái))風(fēng)、浪、流和內(nèi)波等海洋環(huán)境復(fù)雜載荷的影響，作業(yè)環(huán)境惡劣，工程條件復(fù)雜，海底井口-隔水管-平臺(tái)耦合系統(tǒng)在深水鉆井完井作業(yè)過(guò)程中存在一系列的安全隱患，如隨機(jī)振動(dòng)、疲勞斷裂、設(shè)備磨損等，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全控制帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。深水鉆井完井隔水管柱系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，則有可能導(dǎo)致隔水管斷裂、平臺(tái)限位失效、火災(zāi)、爆炸等重大事故。

3) 井筒溫壓場(chǎng)復(fù)雜，安全密度窗口狹窄，井筒安全問(wèn)題突出，流動(dòng)保障風(fēng)險(xiǎn)大。

深水淺部地層欠壓實(shí)，安全密度窗口狹窄，易出現(xiàn)井漏、井涌、井噴、井塌等井下故障，井筒壓力控制難度大；深水井筒泥線附近的低溫高壓環(huán)境易形成天然氣水合物，造成流動(dòng)障礙，引起鉆井或完井測(cè)試中斷，甚至油氣井報(bào)廢；含天然氣水合物相變的環(huán)空多相流動(dòng)理論欠缺，使深水井筒壓力準(zhǔn)確計(jì)算困難；井筒深部地層溫度較高，交變溫度使鉆井液流變性變化較大，非定常流變條件下的多相流型轉(zhuǎn)化機(jī)制不清楚，給深水井筒壓力控制帶來(lái)挑戰(zhàn)。

3 南海深水鉆井完井技術(shù)對(duì)策

針對(duì)南海特殊海洋環(huán)境、復(fù)雜地質(zhì)條件和離岸距離遠(yuǎn)等給鉆井完井帶來(lái)的特殊挑戰(zhàn)，要實(shí)現(xiàn)南海深水油氣田安全高效開(kāi)發(fā)，須開(kāi)展一系列關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)研究。

3.1 深水鉆井地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)與淺層鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)防治

針對(duì)南海深水海況環(huán)境和地質(zhì)特征，研究淺水流、淺層氣、淺層天然氣水合物中組分、壓力等參數(shù)變化在地震聲波物理特性上的響應(yīng)機(jī)理，解決深水“三淺”地質(zhì)災(zāi)害準(zhǔn)確預(yù)測(cè)問(wèn)題；研究深水淺層巖土工程力學(xué)參數(shù)及其分布規(guī)律，解決深水鉆井導(dǎo)管下入、水下井口穩(wěn)定性及井壁穩(wěn)定性的技術(shù)問(wèn)題；研究鉆井過(guò)程中“三淺”地質(zhì)災(zāi)害演化機(jī)理，解決其有效防治的問(wèn)題；研究深水淺層井壁失穩(wěn)、漏失及固井水泥環(huán)封隔完整性失效機(jī)理與控制等，形成深水鉆井淺層作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)控制方法，解決深水鉆井淺層作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)控制問(wèn)題。

針對(duì)深水海洋環(huán)境下臺(tái)風(fēng)多發(fā)，強(qiáng)內(nèi)波和海流，深水鉆井結(jié)構(gòu)載荷復(fù)雜，安全設(shè)計(jì)及控制難度大等問(wèn)題，構(gòu)建深水海底井口-隔水管-平臺(tái)系統(tǒng)全時(shí)域非線性耦合分析模型，探索隔水管系統(tǒng)在懸掛、連接等典型作業(yè)工況下長(zhǎng)期動(dòng)力響應(yīng)的耦合表征方法；開(kāi)展不同限位模式下半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析和限位失效模式下的漂移分析，得到深水半潛式平臺(tái)的響應(yīng)機(jī)理和對(duì)鉆井隔水管運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律；針對(duì)TLP、Spar平臺(tái)叢式立管(隔水管)間的干涉及立管與流場(chǎng)的耦合作用特點(diǎn)，研究深水鉆井完井管柱系統(tǒng)流固耦合多體動(dòng)力學(xué)分析方法；最終構(gòu)建深水鉆井完井管柱系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的完整性管理策略，解決深水鉆井隔水管和鉆井完井管柱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)控制問(wèn)題。

3.3 深水鉆井非穩(wěn)態(tài)多相流動(dòng)規(guī)律與井筒壓力精細(xì)控制

針對(duì)低溫-高溫交變溫度條件下鉆井液流變性變化大、多相流型轉(zhuǎn)化機(jī)制不清楚的問(wèn)題，研究深水鉆井液流變規(guī)律，非定常流變條件下的深水鉆井多相流流型轉(zhuǎn)化機(jī)制；針對(duì)低溫高壓環(huán)境下存在天然氣水合物相變、井筒壓力難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的問(wèn)題，建立含天然氣水合物和油氣相變的非穩(wěn)態(tài)多相流動(dòng)模型及其求解算法；針對(duì)地層壓力不確定條件下井筒壓力控制難的問(wèn)題，研究井涌診斷與評(píng)估方法；針對(duì)深水淺部地層破裂壓力與地層壓力相近造成鉆井液安全密度窗口狹窄，鉆井過(guò)程中易出現(xiàn)井塌、井漏、井涌、井噴的問(wèn)題，解決窄安全密度窗口井筒壓力精細(xì)控制的問(wèn)題;針對(duì)深水測(cè)試過(guò)程中測(cè)試管柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測(cè)試工況多變、井筒內(nèi)溫壓場(chǎng)分布規(guī)律復(fù)雜的問(wèn)題，研究溫壓場(chǎng)分布規(guī)律、完井測(cè)試過(guò)程中的傳質(zhì)傳熱機(jī)理，揭示由于天然氣水合物及蠟沉積堵塞造成流動(dòng)障礙的形成演化機(jī)制，解決深水安全高效測(cè)試方式及測(cè)試參數(shù)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

3.4 深水鉆井完井工程設(shè)計(jì)理論與風(fēng)險(xiǎn)管控

針對(duì)深水鉆井完井“三淺”地質(zhì)災(zāi)害、窄安全密度窗口、管柱系統(tǒng)可靠性等方面的問(wèn)題，研究建立深水鉆井井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論與準(zhǔn)則，形成深水鉆井井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法；開(kāi)展深水鉆井管具系統(tǒng)弱點(diǎn)分析，建立信息不確定條件下深水管具系統(tǒng)的時(shí)變可靠性分析模型，形成一套管具關(guān)鍵部件強(qiáng)度分析及系統(tǒng)配置的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；研究鉆井液低溫流變性的調(diào)控機(jī)理，建立低溫流變性調(diào)控方法，研發(fā)環(huán)保型深水鉆井液體系，形成深水鉆井液設(shè)計(jì)方法。在以上研究的基礎(chǔ)上，研究風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)識(shí)別準(zhǔn)則和基于因素不確定性的風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)換模型，構(gòu)建深水鉆井系統(tǒng)安全屏障模型，形成一套南海深水鉆井完井工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法及管控體系。

4 主要發(fā)展建議

導(dǎo)致南海深水鉆井完井技術(shù)諸多難題的客觀因素是深水海洋環(huán)境及地層條件的復(fù)雜性和特殊性，需要對(duì)深水鉆井涉及的主要科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行攻關(guān)研究，以形成一套適合我國(guó)南海深水安全高效鉆井完井的基礎(chǔ)理論體系，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)深水油氣開(kāi)采技術(shù)的跨越式發(fā)展提供理論支撐，提升我國(guó)深水油氣開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力及維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益的能力，從而保障國(guó)家能源安全。

4.1 深水鉆井淺層地質(zhì)災(zāi)害與井眼穩(wěn)定性機(jī)理研究

深水盆地上覆巖層壓力低，淺層欠壓實(shí)程度高，地層存在淺水流、淺層氣以及淺層天然氣水合物，在鉆井過(guò)程中容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，使導(dǎo)管下入深度設(shè)計(jì)、水下井口的穩(wěn)定性、淺層鉆井的井壁穩(wěn)定性以及固井作業(yè)質(zhì)量控制難度增大，其難題是深水淺層巖土工程力學(xué)特性、深水淺層流形成機(jī)理、區(qū)域流場(chǎng)和超壓預(yù)測(cè)、淺層天然氣水合物致災(zāi)機(jī)理不清楚，因此，深水鉆井淺層地質(zhì)災(zāi)害與井眼穩(wěn)定性機(jī)理是深水安全高效鉆井完井亟待研究的重要方向之一，是鉆井完井風(fēng)險(xiǎn)控制必不可少的研究基礎(chǔ)。

4.2 深水鉆井結(jié)構(gòu)載荷特征及安全控制原理研究

目前，深水海底井口-隔水管-平臺(tái)動(dòng)力學(xué)耦合分析方法、錨泊和動(dòng)力定位條件下隔水管系統(tǒng)失效機(jī)理、鉆井立管系統(tǒng)非線性流固耦合與損傷破壞機(jī)制、深水管柱系統(tǒng)完整性評(píng)估與安全控制等方法沒(méi)有突破。因此，海洋深水鉆井結(jié)構(gòu)載荷特征及安全控制原理是安全高效鉆井亟待研究的重要方向之一，是確定深水鉆井管柱系統(tǒng)的完整性管理策略、系統(tǒng)配置和關(guān)鍵部件的工程性優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的理論依據(jù)。

4.3 深水鉆井完井多相流動(dòng)規(guī)律與井筒壓力管理機(jī)制研究

深水鉆井完井井筒溫壓場(chǎng)復(fù)雜，地層破裂壓力與地層壓力相近，導(dǎo)致安全密度窗口狹窄，使發(fā)生井噴和井漏后的井筒壓力控制困難。其主要難題是氣侵條件下井筒壓力的計(jì)算不準(zhǔn)確，科學(xué)難題是井筒多相流動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，含油氣相變和天然氣水合物相變的非穩(wěn)態(tài)多相流動(dòng)規(guī)律的研究鮮有報(bào)道。另外，完井測(cè)試流動(dòng)保障風(fēng)險(xiǎn)大，也與含油氣相變和天然氣水合物相變的非穩(wěn)態(tài)多相流動(dòng)規(guī)律密切關(guān)聯(lián)。因此，深水鉆井完井井筒多相流動(dòng)規(guī)律和井筒壓力管理方法是安全高效鉆井完井亟待研究的重要方向之一，是深水復(fù)雜工況下測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和深水油氣井筒壓力精細(xì)控制所必需的理論基礎(chǔ)。

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[編輯 陳會(huì)年]

Challenges and Countermeasures for the Drilling and Completion of Deepwater Wells in the South China Sea

Sun Baojiang, Zhang Zhennan

(SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong， 266580,China)

In recent years, continuous breakthroughs have been made in the exploration and development of deepwater oil and gas resources in China. In particular, the successful undocking of HYSY-981, a deepwater semi-submersible drilling platform, has elevated deepwater drilling equipment of China to an advanced level in the world. However, in contrast with international advanced peers, the experience in deepwater drilling and completion in China is insufficient, operation and technology are at low level, the basic research at a theoretical level and other aspects are weaker. The paper reviewed the situation of research on deepwater drilling and completion in the South China Sea, and analyzed the technical difficulties existing in these operations. In consideration of existing challenges in the South China Sea, including special marine environment and geological conditions as well as long distances from the seashores, a series of key technologies and suggestions are proposed. It could be taken as the reference point and platform for the development of technologies and theories in deepwater drilling and completion in China, and to realize safe and efficient development of deepwater oil and gas resources in the South China Sea.

deepwater drilling; technical difficulties; development direction; South China Sea

2015-04-21。

孫寶江(1963—)，男，山東高青人，1985年畢業(yè)于華東石油學(xué)院鉆井工程專(zhuān)業(yè)，1999年獲北京大學(xué)流體力學(xué)專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，教授，博士生導(dǎo)師，教育部“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”特聘教授，“973計(jì)劃”項(xiàng)目首席科學(xué)家，主要從事海洋石油工程、油氣井流體力學(xué)與工程領(lǐng)域的研究工作。系本刊編委。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)“海洋深水油氣安全高效鉆完井基礎(chǔ)研究(編號(hào)：2015CB251200)”部分研究?jī)?nèi)容。

?“973”深水鉆井專(zhuān)題?

10.11911/syztjs.201504001

TE524

A

1001-0890(2015)04-0001-07

聯(lián)系方式：(0532)86983017，sunbj1128@126.com。