深水環(huán)境下鉆井面臨的難點(diǎn)與解決對(duì)策

張俊成，李忠慧，彭 昊，胡尹凌，李志強(qiáng)

(1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2.油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏研究室，湖北 武漢 430100)

海洋中有著大量的石油天然氣資源，在全球油氣資源總儲(chǔ)量中占比高達(dá)70%左右，而500m以上的深水海域油氣田在其中所占比例極高。因此對(duì)于海洋油氣特別是深海油氣全球已達(dá)成共識(shí)，其將是未來(lái)世界油氣資源來(lái)源的重要區(qū)域[2]?？墒?，深水環(huán)境和淺部地層情況復(fù)雜與常規(guī)陸相鉆井作業(yè)有很大不同，這給深水鉆井作業(yè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。對(duì)于海洋深水鉆井工程而言[3],水深的增加使得鉆井環(huán)境更加復(fù)雜 ,造成了許多技術(shù)難題，嚴(yán)重制約著海洋油氣開發(fā)的發(fā)展。筆者在調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)我國(guó)南海深水條件下的鉆井所面臨的問(wèn)題及挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析，并提出了一些解決方案，以此為我國(guó)南海深水油氣未來(lái)開發(fā)研究提供依據(jù)。

1 南海深水開發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)

1.1 在環(huán)境方面的挑戰(zhàn)

在環(huán)境方面，深水開發(fā)當(dāng)下主要難題是地質(zhì)災(zāi)害帶來(lái)的問(wèn)題和惡劣的海洋環(huán)境帶來(lái)的問(wèn)題。

1.1.1 淺層地質(zhì)災(zāi)害

主要包括三類：淺層氣、淺層水流動(dòng)(Shallow Water Flow，簡(jiǎn)稱 SWF[4])、天然氣水合物。此類災(zāi)害一般在鉆完井作業(yè)時(shí)泥線下約1500m的地層內(nèi)有發(fā)生，影響井的安全性。淺層氣和淺層流具有高壓力，容易高速井噴 、要求壓力波動(dòng)低和處理困難的特點(diǎn)[5]，易造成井塌,井噴。而在我國(guó)南海，淺層氣主要分布于大陸架區(qū)，而且甚為廣泛[6-7]。SWF 存在使得高質(zhì)量的套管尾管無(wú)法建立，影響井壁穩(wěn)定。天然氣水合物分解將引起地層承載力的不均勻，對(duì)海洋工程的安全有影響。而且，突然釋放的氣體會(huì)對(duì)運(yùn)輸管道產(chǎn)生破壞作用，特別是在高壓淺層氣體釋放的時(shí)候，輕則侵蝕套管，重則引起井噴[8]。除此之外合物的形成還會(huì)堵塞管線，鉆進(jìn)器具。

1.1.2 惡劣的海洋環(huán)境

(1)海底高壓、低溫環(huán)境；深水環(huán)境下,液體的溫度變化見圖1[1]所示。深水海底溫度一般在3～5℃,海水的低溫可影響到海底泥線以下450 m[9]處的巖層，使該區(qū)域巖層具有低于正常地溫梯度的溫度[10]。

(1) 低溫環(huán)境下難以井控。在溫度很低的情況下，鉆井液存在凝膠效應(yīng)，對(duì)凝固時(shí)間有很大影響，不利于深水環(huán)境窄密度窗口下安全鉆井,也影響鉆井液的攜沙能力和懸浮能力[1]，同時(shí)高粘度、小直徑節(jié)流管線導(dǎo)致高壓力摩擦壓力損失，也使得井控更加困難[11]。

(2) 鉆井液的液柱壓力在低溫條件下會(huì)增高。已有研究表明，深水鉆井中井口的鉆井液密度通常小于井筒內(nèi)鉆井液密度，井口鉆井液液柱壓力的當(dāng)量密度小于井筒的鉆井液密度[12]。

(3) 低溫會(huì)使得固井更加困難[9]。

(4) 在低溫情況下更容易行成天然氣水合物[13]。天然氣水合物一般穩(wěn)定存在于低溫環(huán)境下(0～10℃)和高壓條件下(約為10MPa以上)，在深水環(huán)境下，水合物會(huì)在0℃以上形成，會(huì)造成鉆井循環(huán)液體系的堵塞[10]。

(2)波浪流：浮式平臺(tái)和鉆井船是在深水鉆井作業(yè)中主要使用的工具，會(huì)因波、浪、流以及風(fēng)吹產(chǎn)生搖晃，這會(huì)對(duì)其錨泊系統(tǒng)以及動(dòng)力定為造成影響，使結(jié)果產(chǎn)生誤差。

(3)臺(tái)風(fēng)：臺(tái)風(fēng)破壞力極強(qiáng)，當(dāng)海上鉆井平臺(tái)或者鉆采設(shè)備碰上臺(tái)風(fēng)時(shí)會(huì)被嚴(yán)重破壞。

(4) 內(nèi)波流：部分流體發(fā)生密度變化使流體內(nèi)部不連續(xù)的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致大幅震蕩。較大的內(nèi)波會(huì)嚴(yán)重縮小鉆井作業(yè)窗口使鉆井作業(yè)無(wú)法正常開展開[14]。并且如果鉆井平臺(tái)的立柱或著隔水管等結(jié)構(gòu)遇到內(nèi)波流時(shí)會(huì)受到較大的作用力使平臺(tái)發(fā)生一定距離的偏移。

1.2 地層壓力窗口狹窄

深水鉆井壓力存在兩個(gè)特征：一是存在異常高壓，二是窄地層壓力窗口。異常壓力對(duì)深水鉆井的影響和常規(guī)陸地鉆井一樣,主要為導(dǎo)致井涌、井噴、井漏等復(fù)雜情況[15]。地層壓力窗口狹窄是由于深水井上覆巖層壓力相比于淺水井低，導(dǎo)致破裂壓力降低，地層孔隙壓力與破裂壓力窗口變窄[16-18](圖2)。

在深水鉆井作業(yè)中,往往由于地層壓力窗口窄而無(wú)法將套管位置設(shè)置的盡能的深。地層壓力窗口窄給鉆井工程帶來(lái)諸多難題。作業(yè)過(guò)程中需選用合適的鉆井液密度并選用合理的鉆井參數(shù)[3]，既要防止壓漏地層，又要防止壓力不平衡引起地層坍塌。

1.3 溢流監(jiān)測(cè)困難

溢流監(jiān)測(cè)困難是由鉆井液的溶解性和水下防噴器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)所引起[20]。

(1)鉆井液的溶解性：在深水鉆進(jìn)中，由于多方面的原因，大多情況下用的油基鉆井液。油基鉆井液較水基鉆井液更能溶解油氣，當(dāng)溢流時(shí)，侵入的油氣容易溶入鉆井液中，鉆井液上返時(shí)體積變化不大，觀察到溢流需要的更長(zhǎng)時(shí)間。

(2)水下防噴器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：深水井作業(yè)防噴器組大多位于海床，當(dāng)?shù)貙恿黧w侵入井筒后，哪怕關(guān)閉防噴器組，油氣也會(huì)快速繼續(xù)上行，造成泄露、噴發(fā)的嚴(yán)重后果。

1.4 壓井難度大

(1)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)算無(wú)隔水井段的壓井液密度，導(dǎo)致需要大量鉆井液。在深水井無(wú)隔水段井段鉆進(jìn)時(shí)，鉆進(jìn)液不回收，如果鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)溢流，就需要加入大量壓井液。而且無(wú)法獲得地層壓力，會(huì)導(dǎo)致壓井液密度無(wú)法準(zhǔn)確確定，只得按估測(cè)值的鉆井液進(jìn)行壓井，這會(huì)增加壓井難度，也會(huì)加大井漏風(fēng)險(xiǎn)。

(2)節(jié)流管線內(nèi)徑小，長(zhǎng)度長(zhǎng)，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)[20]。在壓井時(shí)由于管線長(zhǎng)、內(nèi)徑小，存在氣體交換及回壓效應(yīng)。而且深水低溫高壓環(huán)境下鉆井液黏度會(huì)增大，致使阻流、壓井管線中的壓力損失增大，在壓井時(shí)易壓漏地層使壓井失敗，因此圧井作業(yè)所用排量小。在井眼容積大而圧井排量小的情況下，循環(huán)一周所需的鉆井液量較大，因此每次壓井作業(yè)都會(huì)需要很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)完成。

2 應(yīng)對(duì)南海深水鉆井難點(diǎn)的對(duì)策

雖說(shuō)南海深水開發(fā)有著這么多的難點(diǎn)，但其油氣的儲(chǔ)量決定了這必然是進(jìn)軍方向。在上述挑戰(zhàn)中南海面臨的三淺問(wèn)題、深水低溫、深水井控技術(shù)、深水作業(yè)經(jīng)驗(yàn)少等是尤為突出的 。要實(shí)現(xiàn)南海油氣的高效開發(fā)必須針對(duì)這些難點(diǎn)進(jìn)行攻關(guān)。

2.1 三淺問(wèn)題：淺層氣，淺水流，淺層天然氣水合物

(1)在選擇井位時(shí)盡量避開，在開采中控制抽汲，鉆井過(guò)程中攜帶監(jiān)測(cè)工具，避開此類問(wèn)題；

(2)研制相關(guān)試劑解決天然氣水合物分解帶來(lái)的災(zāi)害；

(3)通過(guò)研究南海深水海況環(huán)境和地質(zhì)特征來(lái)預(yù)測(cè)“三淺”產(chǎn)生，避免災(zāi)害。具體研究“三淺”的組分、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[21]。

2.2 鉆井液

(1)針對(duì)低溫環(huán)境開發(fā)低溫早強(qiáng)防竄水泥漿體系[22];

(2)選出合適的深水作業(yè)的鉆井液體系。作為優(yōu)選鉆井液，要有以下性能:,在黏土含量及高聚物的作用下流變性要合理[23],濾矢量較小,抗溫且不易被污染, 能有效抑制水合物形成,而且環(huán)保。在此基礎(chǔ)上可以選用高鹽PHPA聚合物鉆井液體系，該體系有以下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)生物毒性小，能較快降解，能有效克制水合物生成?；蛘哌x用合成基鉆井液，主要優(yōu)點(diǎn)：使鉆速快 、有效抑制水合物合成、避免鉆屑下沉、潤(rùn)滑能力強(qiáng)、使井壁穩(wěn)定、降低卡鉆的發(fā)生率、性質(zhì)穩(wěn)定。用該鉆井液體系還可減少事故發(fā)生，降低鉆井成本。

2.3 應(yīng)對(duì)窄壓力窗口

可采用膨脹管技術(shù)。它可用于多項(xiàng)鉆探、開采作業(yè)過(guò)程,被認(rèn)為是21世紀(jì)石油鉆采的核心技術(shù)之一[24]。膨脹管技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):(1)復(fù)雜地層情況下能維持井壁穩(wěn)定;(2)減小井眼錐度，使套管下入更深,盡量以大尺寸完井;(3)讓套管層數(shù)和上部井眼尺寸減小。所以膨脹管技術(shù)也是一種具有吸引力的解決泥漿密度窗口小的方法[10]。

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2.4 深水固井

(1)注水泥時(shí)的循環(huán)溫度可采用數(shù)學(xué)模擬方法或者隨鉆測(cè)定的數(shù)據(jù)確定[1]；

(2)優(yōu)化固井工藝，準(zhǔn)確掌握地層三壓力剖面；

(3)針對(duì)性的開發(fā)出可以克服或減弱神水環(huán)境所產(chǎn)生的不良影響的深水固井新材料[25]；

(4)發(fā)展鉆井液固井液一體化技術(shù)[26]。

而在鉆采上可“Jetting in”，即噴射下管技術(shù)。相比于常規(guī)的表層鉆進(jìn)方法，該技術(shù)有以下優(yōu)勢(shì)[27]：減少了起鉆下導(dǎo)管的步驟；解決了導(dǎo)管造成井壁塌陷導(dǎo)致的井口難找的問(wèn)題；完成作業(yè)后無(wú)需固井減少了常規(guī)的程序；避免井口下沉；配合使用鉆進(jìn)工具 CADA，可減少一趟起下鉆的步驟，有效減少鉆井作業(yè)的時(shí)間，節(jié)約成本。

2.5 深水井控

(1)安裝流量計(jì),結(jié)合MWD和LWD的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提高早期檢測(cè)溢流的精度,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流[22];

(3)根據(jù)地漏試驗(yàn)和隨鉆壓力測(cè)量、鉆前預(yù)測(cè)研究等方法來(lái)比照前后地層壓力，判斷井筒內(nèi)是否出現(xiàn)溢流。

(4)采用有效的壓井技術(shù)；

(5)減少呼吸效應(yīng)降低井控風(fēng)險(xiǎn)[20]。

要很好的井控就必須掌握足夠多且精確的地層參數(shù)。隨鉆測(cè)井技術(shù)是滿足多參數(shù)、高采集頻率和精度及至少同時(shí)采用 2套不同數(shù)據(jù)采集方式要求的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量和采集系統(tǒng),還具有專家智能分析判斷功能[28]。隨鉆測(cè)井(特別是聲波全波)技術(shù)還可以預(yù)測(cè)鉆頭下方地層信息,評(píng)價(jià)巖石信息,更新鉆前模型,劃分超壓及欠壓地層[29],進(jìn)而及時(shí)修正泥漿密度,防止井涌及井漏,又能達(dá)到降低成本、提高效益的目的。隨鉆溫度測(cè)量可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井底溫度,以此判斷能否安全進(jìn)行下一步施工作業(yè),避免設(shè)備損壞。

隨鉆環(huán)空壓力監(jiān)測(cè) (DRPWD)也同樣適用于井控。隨鉆環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能及時(shí)監(jiān)測(cè)井底壓力和溫度，有助于鉆井技術(shù)人員了解井下情況，掌握鉆井液巖屑攜帶情況及鉆頭水功率大小[30]，進(jìn)而更準(zhǔn)確掌握井底壓力。除此外，使用該系統(tǒng)可有效提高鉆井效率、降低成本、避免井下環(huán)境復(fù)雜化和減少事故發(fā)生。

井下防噴器是一種井控工具，在井下能起到關(guān)閉鉆桿內(nèi)外環(huán)空的作用,并在關(guān)閉環(huán)空后能配合其他設(shè)備進(jìn)行鉆井液的循環(huán)。而且在加入重泥漿使井下壓力平衡后,開啟井下防噴器還能繼續(xù)正常作業(yè)。能有效防止溢流及溢流帶來(lái)的復(fù)雜情況。

1-正脈沖發(fā)生器；2-驅(qū)動(dòng)器短節(jié)；3-電池筒短節(jié)；4-定向儀短節(jié)；5-下數(shù)據(jù)連接器；6-上數(shù)據(jù)連接器；7-電路回放模塊及電池；8-數(shù)據(jù)回放接口；9-環(huán)空壓力傳感器；10-水眼壓力傳感器

3 結(jié)論

(1)地質(zhì)災(zāi)害、海洋環(huán)境、泥漿密度窗口窄、深水鉆井技術(shù)等問(wèn)題極大程度制約了南海深水油氣資源開發(fā)；

(2)窄密度泥漿窗口在深水鉆井上是個(gè)十分嚴(yán)重的問(wèn)題，在技術(shù)可采用膨脹管技術(shù)進(jìn)行鉆采，也可通過(guò)改良鉆井液，開發(fā)有針對(duì)性的泥漿體系來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題；

(3)在固井方面可以用噴射下管技術(shù)減小固井難度，同時(shí)也可以在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確確定上進(jìn)行探索，準(zhǔn)確的掌握地層參數(shù)，針對(duì)深水開發(fā)不良影響進(jìn)行固井新材料開發(fā)，在鉆井液方面也可以考慮開發(fā)一體化上的鉆井液固井液，既能減少固井步驟又可以有效固井；

(4)在井控上可以用隨鉆測(cè)井和隨鉆環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取地層數(shù)據(jù)、采用鉆前預(yù)測(cè)研究和地漏試驗(yàn)來(lái)綜合評(píng)估地層壓力，安裝流量計(jì)，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保證監(jiān)測(cè)精度，準(zhǔn)確掌握井筒內(nèi)情況，再配合適當(dāng)?shù)姆绹娖飨到y(tǒng)可有效防止井漏、井噴；

(5)不同技術(shù)能取到不同效果，在技術(shù)掌握及人力物力允許的情況下可多種技術(shù)結(jié)合使用，同時(shí)加大研究力度爭(zhēng)取掌握更好更實(shí)用的技術(shù)；

(6)需要針對(duì)性地開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、先進(jìn)的鉆采設(shè)備，攻克硬件上的挑戰(zhàn)；改良獲取地層參數(shù)的方法，爭(zhēng)取能在深水鉆井的更多區(qū)段取得參數(shù)，在此基礎(chǔ)上提高參數(shù)的精確度，為后續(xù)一系列作業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐。