從淺海走向深海的挑戰(zhàn)與鉆井設(shè)計(jì)技術(shù)對策

蔣世全，李峰飛，劉怡君，周建良 ，李迅科 ，謝 彬

(1.中海油研究總院,北京 100028;2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州 434000 )

從淺海走向深海的挑戰(zhàn)與鉆井設(shè)計(jì)技術(shù)對策

蔣世全1，李峰飛1，劉怡君2，周建良1，李迅科1，謝 彬1

(1.中海油研究總院,北京 100028;2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州 434000 )

回顧了中國海洋石油鉆井從淺海走向深海的歷程及中國南海近幾年已鉆深水井概況，較系統(tǒng)地總結(jié)和討論了深水鉆井工程核心技術(shù)問題，闡述了海洋深水鉆井從設(shè)備到工藝與淺水及陸地鉆井的主要差別，并討論了深水鉆井設(shè)計(jì)考慮的主要因素和鉆井設(shè)計(jì)方法概要等，為深水鉆井工程設(shè)計(jì)提供參考。

深海；半潛式鉆井平臺(tái)；水下防噴器；鉆井；核心技術(shù)問題；設(shè)計(jì)考慮因素；設(shè)計(jì)方法概要

0 引 言

國外從海洋鉆井到深水鉆井經(jīng)歷了60多年的發(fā)展歷程，已成為成熟技術(shù)[1-19]。我國海洋鉆井從1960年開始，與國外具有相似的經(jīng)歷。先是用駁船改造進(jìn)入海洋，步履維艱；1978年，我國建設(shè)第一座半潛式式鉆井平臺(tái)南海1號，開始在南海西部樂東8-1構(gòu)造95 m水深進(jìn)行自營探井鉆井,1982年對外開放，開始以對外合作和自營并舉的方式進(jìn)行海洋淺水鉆井作業(yè)[8]；2010年前，中海油自營井在300 m左右水深進(jìn)行鉆井和開發(fā)。

深水鉆井和淺水鉆井有本質(zhì)的不同，水深的增加，必須采用動(dòng)力定位或錨泊定位半淺式平臺(tái)和水下防噴器，另外水深的增加也帶來了海底地質(zhì)環(huán)境的變化。深水油氣鉆井具有高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、高技術(shù)的特點(diǎn)。因此，從300 m水深的淺水邁向500～3 000 m深水作業(yè)給鉆井工藝和鉆井設(shè)計(jì)方法上帶來了巨大的挑戰(zhàn)。近年來，國內(nèi)已有大量相關(guān)的專題研究文章討論了深水鉆井的設(shè)計(jì)及分析問題，但沒有比較系統(tǒng)地描述深水和淺水鉆井的差異以及鉆井設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素。陳建兵等[14]在海洋淺水鉆井工程設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合深水探井鉆井實(shí)踐，系統(tǒng)地補(bǔ)充和論述了深水鉆井工程的一般設(shè)計(jì)方法，但對深水鉆井特點(diǎn)描述不夠深入。自從2010年美國墨西哥灣馬貢多井(Macondo)發(fā)生井噴爆炸重大事故后，2013年國際上石油工程行業(yè)系統(tǒng)總結(jié)和提出了深水鉆完井的關(guān)鍵問題和井設(shè)計(jì)要素，首次提出了深水鉆完井系統(tǒng)化安全設(shè)計(jì)及作業(yè)指導(dǎo)文件[5]。

本文簡要總結(jié)了中海油從淺水向深水井跨越的歷程，深水鉆井和淺水(陸地)鉆井的技術(shù)差別，深水鉆井工程核心技術(shù)問題以及設(shè)計(jì)考慮的因素和方法概要?？偨Y(jié)深水鉆井系統(tǒng)并不斷完善構(gòu)建設(shè)計(jì)技術(shù)體系與方法上的研究，對我國繼續(xù)邁向深水、進(jìn)行深水鉆完井工程實(shí)踐具有重要的意義。

1 國內(nèi)外深水鉆井概述

1.1 國外深水鉆井技術(shù)慨況

海洋深水鉆井一般指在水深500 m以上的深水海域進(jìn)行鉆井、完井和修井作業(yè)，1 500 m以上水深作業(yè)則稱為超深水鉆井[11]。隨著淺海石油天然氣資源勘探開發(fā)日益飽和，石油勘探開發(fā)已向深水進(jìn)軍，最新的深水鉆井紀(jì)錄于2013年由印度石油天然氣公司等在印度東部海域完成，鉆探水深達(dá)到3 165 m(井深5 625 m)。

國外從海洋鉆井到深水鉆井經(jīng)歷了60多年的發(fā)展歷程，已成為成熟技術(shù)，如表1所示。

表1 國外深水鉆井歷程概表Table 1 Foreign deepwater drilling process

1.2 中國南海深水鉆井歷程

我國海洋鉆井從1960年開始[9]，與國外具有相似的經(jīng)歷，用駁船改造進(jìn)入海洋，步履維艱。到1978年，我國建成第一座半潛式鉆井平臺(tái)南海1號，開始在南海西部樂東8-1構(gòu)造95 m水深進(jìn)行自營探井鉆井；1982年對外開放，開始以對外合作和自營并舉的方式進(jìn)行海洋淺水鉆井作業(yè)，到2010年前，自營井在300 m左右水深進(jìn)行鉆井和開發(fā)。從1987年南海東部白云7-1-1開始，中海油以對外合作的方式進(jìn)入深水領(lǐng)域，向外國作業(yè)者學(xué)習(xí)并不斷積累經(jīng)驗(yàn),從2006年LW3-1-1開始，由國外公司主導(dǎo)完成的水深500～1 600 m已鉆井達(dá)到32口。2001年以來中海油開展了針對國際深水鉆井技術(shù)的調(diào)研和研究工作，進(jìn)行了鉆井工藝的設(shè)計(jì)方法研究和技術(shù)探索。2005年，中海油開始建造國內(nèi)第一座第六代超深水半潛式鉆井平臺(tái)海洋石油981(鉆井水深3 000 m,鉆井能力10 000 m)[10]，并于2009年，以作業(yè)者身份在國內(nèi)外涉足深水鉆井作業(yè)。2012年2月，海洋石油981下水(見圖1)，在流花29-2-1井開鉆。通過18口自營井(見表2)的鉆井實(shí)踐，建立深水鉆井、測試規(guī)程和指南，經(jīng)過跨越式發(fā)展，克服南海特有的臺(tái)風(fēng)和內(nèi)波流等海洋環(huán)境，于2013年完成了東南亞第一超深水探井(水深2 451 m)LW21-1-1[4]的鉆探(見表2)。

圖1 超深水半潛式鉆井平臺(tái)：海洋石油981Fig.1 Ultra-deepwater semi-submersible drilling platform: HYSY981

表2 中國海洋鉆井走向深水歷程概表Table 2 China deepwater drilling process

(續(xù)表)

中海油作為作業(yè)者成功地自主實(shí)施第一口超深水井鉆井，實(shí)現(xiàn)了從300 m到1 500 m超深水鉆井技術(shù)的跨越，對于中國海上油氣鉆井具有里程碑的意義(見圖2)。中海油深水鉆井技術(shù)研究走在了深水鉆井作業(yè)的前面，從2001年開始，進(jìn)行了充分的關(guān)鍵技術(shù)跟蹤和研究，為中海油現(xiàn)場實(shí)踐提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持和支撐[2]，如圖3所示。中國南海第一口超深水井荔灣21-1-1水深2 451 m，也是東南亞作業(yè)水深最深的超深水井，面對陡峭海底滑坡風(fēng)險(xiǎn)；表層松軟井口下沉的問題；海底低溫，形成水合物風(fēng)險(xiǎn)；破裂壓力較低，帶來井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、泥漿及水泥漿密度設(shè)計(jì)問題；風(fēng)浪流影響水防噴器(BOP)下入；距香港330 km，存在后勤供應(yīng)難題。面對各種困難和多項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，項(xiàng)目于2009年2月啟動(dòng)，在對超深水鉆井認(rèn)識幾乎為零的基礎(chǔ)上，積極收集查閱相關(guān)資料，潛心鉆研、分析和認(rèn)識超深水作業(yè)中存在的風(fēng)險(xiǎn)，并積極與國際知名深水培訓(xùn)機(jī)構(gòu)咨詢和交流，將國外深水和中海油淺水的鉆井經(jīng)驗(yàn)融入到荔灣超深水井的技術(shù)方案中，于2011年1月完成設(shè)計(jì)。2011年12月開始計(jì)劃用海洋石油981鉆井平臺(tái)實(shí)施，安全順利地開展作業(yè)，2013年12月完鉆，實(shí)現(xiàn)了勘探目標(biāo)。

圖2 中海油深水鉆井里程碑Fig.2 CNOOC deepwater drilling milestone

圖3 中海油深水鉆井技術(shù)研究歷程Fig.3 CNOOC deepwater drilling technology research progress

2 深水鉆井與淺水(及陸地)鉆井的主要差異和核心技術(shù)問題

與大陸架和淺水鉆井相比，深水鉆井面臨三大核心技術(shù)問題和挑戰(zhàn)。

(1) 海底低溫問題對鉆井的挑戰(zhàn)：當(dāng)量循環(huán)泥漿密度的準(zhǔn)確計(jì)算和動(dòng)態(tài)變化帶來的井控及環(huán)空水力學(xué)問題，鉆井液流變性，水泥漿低溫早凝，深水測試的防水合物工藝和測試液保溫問題。

(2) 深水淺部地質(zhì)問題對鉆井的挑戰(zhàn)：地層破裂壓力低，造成很窄地層空隙壓力和破裂壓力窗口；表層松軟井口下沉的井口穩(wěn)定性及深水噴射作業(yè)工藝；深水高壓淺水流、深水淺層氣、深水淺層水合物等三淺問題；深水陡峭海底滑坡風(fēng)險(xiǎn)等。

(3) 特殊的海洋環(huán)境和巨大水深帶來的水下鉆井隔水管和防噴器系統(tǒng)的使用技術(shù)問題對鉆井的挑戰(zhàn)：裝備上需要滿足深海海特殊洋環(huán)境的浮動(dòng)式動(dòng)力定位(DP)鉆井裝置、水下防噴器和隔水管系統(tǒng)等，鉆井裝備大，非生產(chǎn)時(shí)間長，設(shè)備可靠性要求高；風(fēng)浪流影響水防噴器下入；波流環(huán)境下隔水管應(yīng)急解脫與回接；預(yù)防水下防噴器的水合物生成；水下井口的鎖緊密封及控制；后勤供應(yīng)等。

深水鉆井問題無不以這三項(xiàng)核心技術(shù)問題及其相互影響和關(guān)聯(lián)為核心。如淺層井噴、井漏風(fēng)險(xiǎn)高需要?jiǎng)討B(tài)壓井鉆井工藝；深水測試安全問題；井噴應(yīng)急救援問題等。這些問題造成了深水鉆井的復(fù)雜性，如圖4所示，形成了深水鉆井高風(fēng)險(xiǎn)、高投資和高技術(shù)的三高特點(diǎn)。

深水鉆井設(shè)備和鉆井工藝和淺水(及陸地)鉆井工藝與設(shè)備的主要差別及特點(diǎn)如表4和表5所示。

圖4 深水鉆井挑戰(zhàn)Fig.4 Deepwater drilling challenges

表4 深水鉆井設(shè)備與淺水(及陸地)鉆井設(shè)備的主要差別Table 4 Essential difference of drilling equipment between deepwater and shallow-water (on-land) drilling

(續(xù)表)

表5 海洋深水鉆井與海洋淺水(及陸地)鉆井工藝的主要差別Table 5 Essential difference of drilling technology between deepwater and shallow-water (on-land) drilling

(續(xù)表)

3 深水鉆井工程設(shè)計(jì)考慮的主要因素和方法概要

海洋深水鉆井設(shè)計(jì)和作業(yè)，考慮到與淺水鉆井的相似性、大型鉆井裝備的使用以及裝備和工具技術(shù)進(jìn)步不斷加快，國外一直沒有相應(yīng)的深水井設(shè)計(jì)和建井的推薦做法發(fā)布。自從2010年美國墨西哥灣馬貢多Macondo井井噴爆炸重大事故發(fā)生后，業(yè)界重新審視深水井設(shè)計(jì)、作業(yè)和設(shè)備能力的要求。為保證安全作業(yè)，2013年3月第1次正式發(fā)布美國石油協(xié)會(huì)(API) RP96“深水井設(shè)計(jì)和建井”推薦做法[5]，總結(jié)了國際深水鉆完井的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，系統(tǒng)地提出了深水鉆完井設(shè)計(jì)考慮的關(guān)鍵技術(shù)問題和要素(見圖5)，對深水鉆完井設(shè)計(jì)和安全作業(yè)具有重要指導(dǎo)意義。提出只要是遇到了類似深水的特殊問題，如海底低溫、窄壓力窗口、淺層地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等，無論水深是多少，從技術(shù)上都必須當(dāng)做深水鉆井進(jìn)行設(shè)計(jì)和考慮。根據(jù)地區(qū)和實(shí)際井眼的復(fù)雜情況，深水鉆井設(shè)計(jì)涉及的主要內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[14]。

圖5 深水井設(shè)計(jì)考慮的關(guān)鍵技術(shù)問題和要素Fig.5 Key technical problems and considerations of deepwater well design and construction

現(xiàn)結(jié)合中海油南海及海外近40口井的深水鉆井設(shè)計(jì)和實(shí)踐總結(jié)，對鉆井設(shè)備選型和隔水管配置、深水地層壓力預(yù)測、深水表層下導(dǎo)管、深水隔水管攜巖、深水井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、深水無隔水管段送入管柱、深水井控設(shè)計(jì)、深水測試設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)因素和方法概要進(jìn)行分析說明。

3.1 深水鉆井需要考慮淺層氣和水合物等淺層地質(zhì)災(zāi)害對鉆井作業(yè)的影響

在深水鉆井，一般從泥線以下500～600 m有淺層氣現(xiàn)象，在南海目前還沒有遇到。為了正常鉆進(jìn)和開發(fā)作業(yè)，在進(jìn)行鉆井和井深結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須仔細(xì)考慮淺層氣風(fēng)險(xiǎn)和海床穩(wěn)定性及其井口入泥深度計(jì)算。在上部井段無隔水管鉆進(jìn)時(shí),ROV必須嚴(yán)密監(jiān)視井口頭的一切情況，如在井口附近發(fā)現(xiàn)有氣泡出現(xiàn),應(yīng)迅速泵入重漿進(jìn)行壓井,并開小泵正常鉆進(jìn)作業(yè)，稱為動(dòng)態(tài)壓井鉆井。如氣泡很大,則迅速移鉆井船到安全的位置,進(jìn)一步觀察淺層氣情況以決定下一步的作業(yè)。

深水鉆井由于海底高壓低溫的存在，存在著水合物對鉆完井的影響。水合物會(huì)使解脫防噴器非常困難，在業(yè)界甚至有防噴器不能解脫的現(xiàn)象。如果遇到這種情況，就只能切割井口頭從而導(dǎo)致整個(gè)井眼的報(bào)廢。鉆井期間,ROV定期向防噴器和井口頭的聯(lián)接器處注入甲醇和乙二醇，以防止和避免水合物的形成。

3.2 深水鉆井需要具有動(dòng)力定位系統(tǒng)的鉆井平臺(tái)進(jìn)行海上定位并根據(jù)水深進(jìn)行鉆機(jī)設(shè)備選配

常規(guī)水深的鉆井船一般采用的是錨鏈定位(半潛式)或直接將鉆井平臺(tái)固定在海床上(固定式平臺(tái)或自升式平臺(tái))，而深水鉆井船是通過動(dòng)力定位系統(tǒng)來進(jìn)行定位的，其有一靜態(tài)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)將采集到的海況數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)中，以井眼中心位置為目標(biāo)函數(shù)，自動(dòng)計(jì)算出平臺(tái)實(shí)時(shí)的中心位置，對比兩中心位置的偏差，給不同方向的推進(jìn)器發(fā)出不同的指令，確保兩中心位置處于允許的安全偏差范圍內(nèi)，從而使鉆井船始終處于相對固定的位置，這就是動(dòng)力定位的基本思路。

深水鉆井的硬件設(shè)備配置高，隔水管比常規(guī)的隔水管長，壓力等級高，在隔水管的上部配有一特殊的應(yīng)力短節(jié)。對于水深在1 500 m左右的鉆井，采用具有離線 操作系統(tǒng)的單井架鉆井船是提高鉆井效率的方法。其平臺(tái)的機(jī)械化程度達(dá)85%～95%,鉆臺(tái)面的操作空間大，泥漿儲(chǔ)存量大，配有高壓力等級的泥漿泵，靜態(tài)跟蹤定位系統(tǒng),供應(yīng)船馬力大。

鉆井平臺(tái)的選擇在技術(shù)上考慮的因素包括：動(dòng)力定位或錨泊半潛式鉆井平臺(tái)或鉆井船，鉆井水深和井深，設(shè)備壓力等級、隔水管尺寸和防噴器技術(shù)規(guī)格，甲板空間和鉆井可變載荷能力，鉆井泥漿重量及儲(chǔ)存和處理能力，鉆機(jī)大鉤載荷能力(甲板擺放鉆柱和套管的能力)，水下機(jī)器人能力，海洋環(huán)境使用記錄。綜合擬合法、類比法、經(jīng)驗(yàn)法三種方法，利用已建立的深水鉆井設(shè)備數(shù)據(jù)庫[最大作業(yè)水深從600英尺(183 m)到12 500英尺(3 810 m)的300多座深水鉆井平臺(tái)，其中半潛式鉆井平臺(tái)200余座，浮式鉆井船90余座]來綜合對比，再考慮深水鉆機(jī)選型及設(shè)備配置[3]。

3.3 深水鉆井需要使用大型鉆井隔水管系統(tǒng)，并根據(jù)海況進(jìn)行分析和選配

深水鉆井隔水管是海底井口與鉆井船之間最重要卻又最薄弱的連接，深水鉆井隔水管的作業(yè)分析和管理技術(shù)是整個(gè)深水鉆井作業(yè)管理體系中的重要環(huán)節(jié)。隔水管在鉆井過程中需要針對環(huán)境條件進(jìn)行實(shí)時(shí)作業(yè)監(jiān)測管理，遭遇臺(tái)風(fēng)時(shí)，隔水管的作業(yè)監(jiān)測管理尤為重要。針對中國南海海域，需要建立考慮我國復(fù)雜海況及臺(tái)風(fēng)條件下的隔水管系統(tǒng)作業(yè)分析和管理方法。在所到海區(qū)井位時(shí)，需要確定鉆前的隔水管配置優(yōu)化設(shè)計(jì)、頂張力優(yōu)化設(shè)計(jì)和作業(yè)窗口[1]。

3.4 深水鉆井需要考慮采用噴射鉆井下導(dǎo)管方法并確定入泥深度

海上淺水區(qū)的表層導(dǎo)管作業(yè)通常采用鉆孔、下導(dǎo)管然后固井的作業(yè)方式。但在深水區(qū)，為解決海底淺部地層比較松軟、海床不穩(wěn)定、地層承壓能力低、氣體水合物堵塞、淺層水流危害以及海底低溫變化等淺層土風(fēng)險(xiǎn)難題，通常采用噴射下導(dǎo)管(二合一下入)技術(shù)。導(dǎo)管入泥深度設(shè)計(jì)是噴射鉆井作業(yè)中關(guān)鍵的一環(huán)，入泥深度過大容易造成導(dǎo)管噴射下入遇卡，入泥深度過淺將由于導(dǎo)管軸向承載能力(水下井口、防噴器、以下各層套管等)不足而導(dǎo)致井口失穩(wěn)下沉，合理的設(shè)計(jì)深度是確保導(dǎo)管能夠安全定位以及后續(xù)鉆井作業(yè)能夠順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。調(diào)研的文獻(xiàn)表明，導(dǎo)管入泥深度從40 m到130 m不等，南海已鉆深水井的入泥深度為65～100 m[1]。

3.5 深水鉆井地層破裂壓力低，泥漿密度窗口窄，井壁穩(wěn)定模型需考慮水深的影響

隨著水深的增加，地層破裂梯度變小, 主要是由于上覆巖層壓力被海水水柱靜水壓力代替, 按海平面轉(zhuǎn)盤面計(jì)算的巖石破碎壓力隨著水深的增加而減少，同時(shí)海底表層沉積物膠結(jié)性更差，井筒穩(wěn)定性受到影響。地層孔隙壓力是油氣勘探研究的熱點(diǎn)問題，雖已形成多種方法和技術(shù)，但如何提高地層壓力的求取精度仍然是國內(nèi)外關(guān)注的技術(shù)難點(diǎn)，特別是在深水及地層情況比較復(fù)雜的一些地區(qū)。由于深水鉆井的特殊性，深水壓力預(yù)測有其自身的特點(diǎn)：(1)在深水地層壓力預(yù)測中計(jì)算上覆巖層壓力時(shí)必須考慮水深的影響；由于靜水壓力較高而上覆巖層壓力較低，造成淺部地層強(qiáng)度低。(2)深水鉆井的高成本要求更科學(xué)的套管程序設(shè)計(jì)，以減少和避免因井身結(jié)構(gòu)不合理造成復(fù)雜事故。這就對地層壓力鉆前預(yù)測的精度提出了更高的要求。(3)由于深水鉆井作業(yè)窗口窄，單純的一維壓力預(yù)測(單井壓力剖面)已很難滿足設(shè)計(jì)要求，需要從三維角度獲取地層壓力的空間分布信息，更準(zhǔn)確地依靠臨井地層對比，確定和判斷所鉆井對應(yīng)層位的地層孔隙壓力，保證安全、經(jīng)濟(jì)鉆井[1]。

3.6 深水鉆井井身結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)需要考慮各種鉆井安全余量，精細(xì)選取設(shè)計(jì)安全系數(shù)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究主要基于三個(gè)壓力剖面的預(yù)測，結(jié)合深水作業(yè)特殊要求考慮的隔水管余量，使其當(dāng)隔水管發(fā)生意外解脫時(shí)，仍能實(shí)現(xiàn)井筒的壓力控制，即泥線以上的液柱壓力由鉆井液液柱壓力變成海水液柱壓力，保證能平衡井筒壓力。選擇壓力剖面時(shí)，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般用坍塌壓力梯度、孔隙壓力梯度與破裂壓力梯度形成安全鉆井液密度窗口，深水作業(yè)一般ECD較大，為防止壓漏地層，建議用漏失壓力替代破裂壓力。

深水鉆井分為無隔水管鉆井階段和有隔水管鉆井階段，表層套管固井結(jié)束后才安裝隔水管，深水套管載荷計(jì)算需要選取不同的計(jì)算基準(zhǔn)面，按照套管設(shè)計(jì)的工作流程，考慮送入管柱下套管作業(yè)、隔水管解脫等特殊工況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和公司規(guī)范選取與深水井相關(guān)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)[1]。

走向深海，為鉆達(dá)深水井及其更深的目的層，鉆井水深可達(dá)3 048 m，井深可達(dá)10 668 m，對泥漿密度、溫度和套管層數(shù)要求提高，同時(shí)由于平臺(tái)能力和水下防噴器的過套管通徑的限制，對深水鉆井和井深結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，在目前技術(shù)因素限制的情況下，出現(xiàn)了窄間隙套管結(jié)構(gòu)，已用到8～9層套管或尾管(見圖6)以及使用非標(biāo)套管和尾管(711.2 mm,660.4 mm,558.8 mm,457.2 mm,406.4 mm,346.1 mm,301.6 mm和196.9 mm)[5]。從圖6可以看出，中國南海第一超深水井的井眼不深，井身結(jié)構(gòu)只有3層，還比較簡單，面對更復(fù)雜情況時(shí)井身結(jié)構(gòu)還有調(diào)整余量。

圖6 中國南海LW22-1-1與美國墨西哥灣 Mississippi Canyom 251#1-01井身結(jié)構(gòu)對比圖Fig.6 Comparison of well bore structure in the South China Sea and with the Mississippi Canyom 251 # 1-01

3.7 深水鉆井表層無隔水管鉆井需要建立送入管柱設(shè)計(jì)校核方法

與淺水和陸地鉆井不同，深水表層導(dǎo)管噴射安裝作業(yè)過程中，送入管柱會(huì)承受海流環(huán)境參數(shù)、鉆井船運(yùn)動(dòng)等的影響。送入管柱所受到的環(huán)境載荷主要是考慮海流及平臺(tái)偏移造成的彎曲應(yīng)力和平臺(tái)升沉造成的軸向振動(dòng)載荷。另外，為了保證鉆井船的作業(yè)安全，需要考慮復(fù)雜工況：深水導(dǎo)管噴射安裝過程中，若導(dǎo)管遇阻，需要上提活動(dòng)管柱降低地層阻力，因此需要考慮拔出導(dǎo)管對送入管柱的強(qiáng)度影響；如果管柱送入過程中遇卡，還需要反復(fù)過提和旋轉(zhuǎn)。因此，需要校核送入管柱的設(shè)計(jì)拉力余量以滿足作業(yè)要求。

綜合考慮波流載荷以及鉆井船的運(yùn)動(dòng)，需要建立深水作業(yè)管柱的縱橫彎曲變形模型、縱向振動(dòng)模型以及送入管柱極限載荷計(jì)算模型，形成作業(yè)管柱力學(xué)分析與安全設(shè)計(jì)方法[3]。

3.8 深水鉆井長距離大隔水管環(huán)空段攜巖的特點(diǎn)

常規(guī)情況下泥漿上返速度由泥漿排量決定，所以鉆井中必須保證足夠的泥漿排量來確保攜巖，但排量也不宜太大以避免造成ECD增加而壓漏地層，同時(shí)排量過大也會(huì)對井壁造成過度沖刷。對于深水鉆井，由于采用了長距離大直徑隔水管，若泥漿排量僅滿足在地層環(huán)空中有效的攜巖條件，隔水管內(nèi)的環(huán)空巖屑運(yùn)移速度顯然太小，不足以達(dá)到有效攜巖的要求；若首先滿足隔水管內(nèi)清除巖屑的要求，又會(huì)導(dǎo)致地層環(huán)空中鉆井液流速過大，環(huán)空壓耗隨之增大，ECD太高容易發(fā)生井壁不穩(wěn)定、地層壓漏壓塌等問題。僅地面泥漿循環(huán)系統(tǒng)無法同時(shí)保證在地層環(huán)空與隔水管內(nèi)的攜巖要求，必須在海底增加一套單獨(dú)的增壓泵系統(tǒng)，循環(huán)的攜巖效果也需重新進(jìn)行分析，另外長海水段的冷卻作用也必須考慮。

長距離、大直徑隔水管鉆井循環(huán)系統(tǒng)通常含兩套鉆井液排量供給系統(tǒng)。其一是鉆柱中的泥漿排量，經(jīng)過地層中環(huán)空，進(jìn)入隔水管；其二是隔水管井下增壓線中的泥漿排量，不經(jīng)過鉆柱及地層環(huán)空，直接從隔水管底部注入返回到鉆井船。以上循環(huán)系統(tǒng)帶來了深水鉆井隔水管內(nèi)攜巖及壓耗計(jì)算的新問題和新方法[17]。

3.9 深水鉆井長節(jié)流壓井管線和海底低溫需要建立新的壓井計(jì)算和分析模型

深水井控與陸地或淺水鉆井有很大的區(qū)別，井控要求高且更復(fù)雜。與常規(guī)防噴器相比深水防噴器多了一個(gè)超級剪切閘板；同時(shí)還必須將隔水管聯(lián)接器處的氣體循環(huán)干凈以避免在此處形成水合物，或上竄到地面導(dǎo)致二次溢流的發(fā)生；在完井平臺(tái)的防噴器上還必須多安裝一油管掛定位器以保證能順利地坐放油管懸掛器。在工藝上主要表現(xiàn)為：(1)泥線以下地層強(qiáng)度低，鉆井液密度窗口小；(2)海底高壓低溫環(huán)境，使得井筒中易形成天然氣水合物，給鉆井液性能維護(hù)以及井筒內(nèi)的壓力控制帶來挑戰(zhàn)；(3)考慮深水壓井時(shí)必須求得壓井管線和阻流管線的循環(huán)摩阻的大小，設(shè)計(jì)作業(yè)參數(shù)時(shí)需要考慮其影響；(4)深水井涌通過水下井口后，進(jìn)入隔水管的高壓氣體處于失控狀態(tài)，當(dāng)在地面井口發(fā)現(xiàn)井涌氣體時(shí)，隔水管內(nèi)已經(jīng)充滿氣體，因此對于深水，需要設(shè)置更加嚴(yán)格的井涌監(jiān)測值，以便盡早發(fā)現(xiàn)。

考慮上千米節(jié)流壓井細(xì)長管線摩阻、較低的海底溫度(2～3 ℃)及鉆井液性能變化等因素對壓井過程套壓、立壓的影響，需要針對性地建立深水司鉆法和深水工程師法，建立壓井參數(shù)計(jì)算模型，計(jì)算井涌余量等[16]。

3.10 深水測試需要考慮預(yù)防水合物生成、水下應(yīng)急解脫、撤離和地面測試安全控制等因素

深水測試與常規(guī)水深測試相比，具有更大的難度和挑戰(zhàn)性。在安全和環(huán)保方面，存在環(huán)境惡劣、災(zāi)難性事故和應(yīng)急救援困難等風(fēng)險(xiǎn),因此風(fēng)險(xiǎn)防范和應(yīng)急措施特別嚴(yán)格： (1) 鉆井裝置漂移對深水測試技術(shù)和設(shè)備提出了更高的要求，深水油氣井測試必須使用浮式鉆井平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)。平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)使得深水井測試管柱特別是泥線以上測試管柱力學(xué)行為異常復(fù)雜，給深水井測試管串設(shè)計(jì)及深水井測試管柱安全性控制帶來很大困難，隨著水深的增加，這一問題更加突出。(2) 抑制天然氣水合物生成的潛在威脅是深水天然氣測試所面臨的一個(gè)重要問題。深海海底泥面低溫環(huán)境(南海海底泥線附近的溫度可能低于3 ℃)及井下關(guān)井后壓力迅速減小將是導(dǎo)致水合物生成的主要原因，水合物的形成不僅會(huì)造成測試失敗，而且會(huì)大大增加井控風(fēng)險(xiǎn)，甚至帶來災(zāi)難性事故。(3)深水平臺(tái)地面空間小、地層壓力窗口窄、高產(chǎn)高壓，這些都給深水井測試井控和深水井測試地面安全控制帶來挑戰(zhàn)，如何解決這些難題需要尋求新的方法和技術(shù)。(4) 由于使用浮式鉆井平臺(tái)進(jìn)行測試，平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)故障、水下暗流和惡劣天氣等因素可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)見性的突發(fā)性平臺(tái)偏移井位的情況，應(yīng)配備具有快速解脫、應(yīng)急關(guān)斷及水下化學(xué)注入的電液式水下測試樹，即此時(shí)需要將泥線以上測試管柱與井下測試管柱進(jìn)行分離，防止惡性事故的發(fā)生,同時(shí)，危險(xiǎn)解除之后需要回接進(jìn)行測試[ 1]。

4 結(jié) 語

本文簡要回顧和總結(jié)了中國南海從淺海到深海的鉆井發(fā)展歷程。通過與大陸架和淺水鉆井比較并總結(jié)中海油40多口自營井的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，提出了深水鉆井面臨的三大核心技術(shù)問題和挑戰(zhàn)，對于在認(rèn)識上簡化深水鉆井錯(cuò)綜復(fù)雜的問題以及在后續(xù)深入的方法和理論研究中提煉出科學(xué)問題提供參考。

通過多角度總結(jié)和提煉深水鉆井需要考慮的技術(shù)要素及影響因素，為深水鉆井設(shè)計(jì)抓住問題本質(zhì)提供參考。提出的深水鉆井設(shè)計(jì)因素和方法概要，包括鉆井設(shè)備選型和隔水管配置、深水地層壓力預(yù)測、深水表層下導(dǎo)管、深水隔水管攜巖、深水井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、深水無隔水管段送入管柱、深水井控設(shè)計(jì)、深水測試設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析說明，對深水鉆井設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

南海深水及超深水鉆井仍然要面對的問題是：南海深水鉆井井深還不夠，深井身結(jié)構(gòu)不夠復(fù)雜；南海西部深水鉆井將面臨大溫差的高溫高壓鉆井問題；遠(yuǎn)海深水鉆井的后勤供應(yīng)和應(yīng)急救援支持問題；深水淺層地質(zhì)災(zāi)害井的復(fù)雜情況處理問題。深水開發(fā)井鉆井即將開始，但仍然準(zhǔn)備不夠、經(jīng)驗(yàn)不足。

致謝深水鉆完井工程技術(shù)研究工作得到了中國海洋石油總公司工程技術(shù)管理部、中海石油有限公司深圳分公司深水作業(yè)中心、湛江分公司深水項(xiàng)目組、中海油和相關(guān)科研院所的領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)專家的大力支持，在此表示謝意。特別感謝中國海洋石油總公司曾恒一院士、中海油工程技術(shù)部姜偉總工程師、中海油研究總院研發(fā)中心謝彬副主任、中海石油有限公司深圳分公司深水作業(yè)中心劉正禮經(jīng)理、中海石油有限公司湛江分公司深水項(xiàng)目組方滿宗經(jīng)理對研究工作的指導(dǎo)。

參與課題工作的研究人員還包括中海油工程技術(shù)部朱榮東，研究總院許亮斌、劉健、殷志明、何玉發(fā)、盛磊祥、羅洪斌、郝西寧、張玉亭、姜智博、高飛等，在此一并致謝。

[1] 蔣世全，姜偉，周建良，等.深水鉆井設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究及其在探井的應(yīng)用[C].深水鉆完井技術(shù)專集.北京:石油工業(yè)出版社，2014:1-15.

[2] 姜偉.中國海洋石油深水鉆完井技術(shù)[J].石油鉆采工藝，2015,37(1)：8.

[3] 姜偉,周俊昌,蔣世全，等.中國海洋石油深水鉆井技術(shù)及展望[C].深水鉆完井技術(shù)理論與實(shí)踐專集.北京:石油工業(yè)出版社,2015：3-8.

[4] 劉正禮.南海深水鉆完井技術(shù)挑戰(zhàn)與對策[J].石油鉆采工藝，2015,37(1)：14.

[5] American Petroleum Institure. API Recommended Practice 96 First Edition. Deepwater well design and construction[S]. 2013.

[6] 謝彬，楊建民.深水半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2014.

[7] Leffler W L, Pattarozzi R, Sterling G. Deepwater petroleum exploration amp; production: a nontechnical guide [M]. Tulsa: Pennwell, 2003.

[8] International Association of Drilling Contractors, IADC deepwater well control guidelines[S].2002.

[9] 羅明.中國海洋石油總公司志[M].北京：改革出版社，1999.

[10] 唐海雄.中國海洋石油總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).深水探井鉆井工程設(shè)計(jì)指南，Q/HS 14007—2011[S].2012.

[11] 董星亮，曹式敬，唐海雄，等.海洋鉆井手冊[M].北京:石油工業(yè)出版社，2011.

[12] Moyer M C, Lewis S B, Cotton M T, et al. Challenges associated with drilling a deepwater, subsalt exploration well in the Gulf of Mexico:Hadria Prospect[C]. SPE,2012:154928.

[13] 蔣世全,許亮斌，盛磊祥，等.深水鉆完井技術(shù)體系框架研究[C].深層、深水、非常規(guī)鉆井技術(shù)研討會(huì)暨2012年鉆井研究院(所)長會(huì)議論文集.北京：石油工業(yè)出版社，2013:3-8.

[14] 陳建兵.深水探井鉆井工程設(shè)計(jì)方法[M].北京：石油工業(yè)出版社，2014.

[15] 董艷秋.深海采油平臺(tái)破浪載荷及響應(yīng)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2005.

[16] 羅洪斌，田波，蔣世全，等.考慮海底增壓的深水鉆井當(dāng)量密度預(yù)測方法[J].石油鉆采工藝，2015,37(1)：72.

[17] 郝希寧，蘇峰，蔣世全，等，南海深水鉆井井涌余量主控因素分析[J].石油鉆采工藝，2015,37(1)：60.

[18] American Petroleum Institure. API Bulletin 97 First Edition. Well construction interface document guidelines[S]. 2013.

[19] 李中，萬滿宗，李磊.南海西部陵水區(qū)塊深水鉆井實(shí)踐[J].石油鉆采工藝，2015,37(1)：92.

FromShallowtoDeepwaterDrillingChallengesandDesignTechnicalCountermeasures

JIANG Shi-quan1, LI Feng-fei1, LIU Yi-jun2, ZHOU Jian-liang1, LI Xun-ke1, XIE Bin1

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028，China;2.CollegeofPetroleumEngineering,YangtzeUniversity,Jingzhou,Hubei434000,China)

The history of China’s offshore oil exploitation is reviewed. The general situation of deepwater wells built in the past several years in the South China Sea is introduced. We systematically summarize and discuss the key technologies of deepwater drilling engineering. The main differences between deepwater and shallow water (on-land) drilling engineering in technologies and equipment are stated. The key factors that should be considered and the design methods of the deepwater drilling design plan are given. This research could provide references for deepwater drilling design.

deep water; semi-submersible drilling platform; underwater blowout preventers; drilling; core technical issues; design considerations; design methods outline

2015-08-07

國家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05028-001)

蔣世全(1958—)，教授級高級工程師，主要從事鉆完井方面的研究。

TE52

A

2095-7297(2015)06-0361-12