深水表層鉆井作業(yè)工藝及提速技術(shù)研究

劉坤翔

中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067

深水與超深水井表層土質(zhì)較為相似，較淺水而言，具有土質(zhì)疏松、作業(yè)壓力窗口窄、海底泥線(xiàn)溫度低等特點(diǎn)，給鉆井施工帶來(lái)一定困難，如井壁易垮易塌、鉆井液性能不易維護(hù)等。深水表層鉆井一般采用噴射下導(dǎo)管+ 二開(kāi)繼續(xù)鉆進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一趟管柱實(shí)現(xiàn)一、二開(kāi)兩個(gè)井眼的鉆進(jìn)作業(yè)，有效降低了作業(yè)時(shí)間和井眼靜置時(shí)間，避免了因淺層井眼長(zhǎng)時(shí)間暴露導(dǎo)致出現(xiàn)井壁垮塌等復(fù)雜情況，確保了表層鉆井作業(yè)安全，提高了深水井的作業(yè)效率。

1 深水表層特點(diǎn)

（1）海床巖性的特殊性：深水區(qū)海底存在淺層土質(zhì)疏松，地層承載能力低的特點(diǎn)，基本上是軟而黏稠的土壤，含水量高達(dá)70%，在海底泥線(xiàn)以下100m 范圍內(nèi)，土體不排水抗剪強(qiáng)度小于200kPa；在泥線(xiàn)附近，抗剪強(qiáng)度僅為2～5kPa。隨著水深的增加，海底淺層土體不排水抗剪強(qiáng)度和樁基承載力降低，導(dǎo)管下沉及井口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較大。

（2）海底高壓和低溫：隨著水深的增加，海底靜液柱帶來(lái)海底壓力逐漸增加，每增加10m 水深，則增加約1 個(gè)地表大氣壓，同時(shí)太陽(yáng)輻射能量降低，溫度逐漸降低，以南中國(guó)海為例，500m 水深時(shí)，海底溫壓約5MPa/ 10℃，水深增加至1000m 時(shí)，海底溫壓約10MPa/ 4℃。海底高壓低溫給鉆井作業(yè)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)為：鉆井液的黏度和切力會(huì)大幅增加，甚至出現(xiàn)膠凝現(xiàn)象；海底氣體，特別是小分子氣體，如甲烷、乙烷等，在高壓低溫（0～10℃、大于5MPa）的條件下，與水極易形成天然氣水合物，從而堵塞海底管線(xiàn)和鉆井液流通通道；海底低溫還會(huì)遲緩水泥漿的水化反應(yīng)，降低套管固井質(zhì)量。

（3）淺層地質(zhì)災(zāi)害：以南中國(guó)海深水海域?yàn)槔饕刭|(zhì)災(zāi)害有兩類(lèi)：①非活動(dòng)性地質(zhì)災(zāi)害，如古水道古河道等，這類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害一般不會(huì)鉆井作業(yè)造成影響，可以忽略；②活動(dòng)性地質(zhì)災(zāi)害，如海底斷層、天然氣水合物、淺層氣淺層流、歷史滑坡區(qū)等，活動(dòng)性地質(zhì)災(zāi)害當(dāng)前處于活躍期，會(huì)對(duì)表層鉆井作業(yè)造成危害，如淺層斷層會(huì)造成卡鉆、井漏，淺層氣會(huì)造成氣體上涌、最嚴(yán)重導(dǎo)致井噴甚至平臺(tái)燃燒，海底滑坡會(huì)造成井眼掩埋，或者使得表層導(dǎo)管失去承載能力而下沉、發(fā)生井口失穩(wěn)等。

（4）地層破裂壓力梯度低：隨著水深增加，海底土質(zhì)變軟且未膠結(jié)成巖，上部缺乏足夠的上覆巖層，地層的破裂壓力梯度降低，導(dǎo)致地層孔隙壓力與破裂壓力之間的壓力窗口變窄，容易發(fā)生井漏、井塌和井噴等復(fù)雜情況。

2 深水表層導(dǎo)管?chē)娚浼夹g(shù)

2.1 深水表層導(dǎo)管?chē)娚溷@井技術(shù)

深水鉆井表層導(dǎo)管施工具有作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、控制難度大等特點(diǎn)，深水表層一般采用噴射下導(dǎo)管+ 二開(kāi)鉆進(jìn)+下/ 固表層套管的方法，一開(kāi)導(dǎo)管，又稱(chēng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)管、隔水導(dǎo)管，簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)管，是整個(gè)深水油氣井施工過(guò)程中安裝的第一層結(jié)構(gòu)導(dǎo)管，為海底水下井口、套管懸掛、水下防噴器系統(tǒng)和水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)支撐。深水鉆完井作業(yè)中，表層導(dǎo)管必須能夠承受海上鉆井設(shè)備、隔水管系統(tǒng)以及將來(lái)完井、生產(chǎn)和修井作業(yè)時(shí)強(qiáng)加其上的多重作業(yè)載荷及復(fù)雜多變的海洋環(huán)境載荷。

導(dǎo)管一般采用914.4mm 或762.0mm，導(dǎo)管尺寸越大，導(dǎo)管與管外淺層土的接觸面積也就越大，表層套管質(zhì)固井時(shí)導(dǎo)管與表層套管之間固井水泥量也就越大，可以提供給更大的承載力和抗彎矩能力。表層噴射作業(yè)的主要作業(yè)步驟是首先在將低壓井口頭和導(dǎo)管焊接在一起，然后將底部鉆具組合裝入表層導(dǎo)管內(nèi)部，并使用專(zhuān)用工具將其與低壓井口頭連接在一起，組成噴射導(dǎo)管串，之后使用鉆桿或加重鉆桿下送至海底泥線(xiàn)。由水下機(jī)器人（ROV）確認(rèn)水深、以及導(dǎo)管垂直度符合要求后，開(kāi)始表層一開(kāi)噴射鉆進(jìn)，利用管串自重入泥，再開(kāi)泥漿泵，排量由小到大，通過(guò)水力沖刷和鉆頭切削成孔使導(dǎo)管下入，一開(kāi)導(dǎo)管?chē)娚渲令A(yù)定深度后，根據(jù)噴射過(guò)程中的摩阻和懸重情況，靜置吸附導(dǎo)管，吸附時(shí)間3～5h，待地層承載力恢復(fù)后，解鎖專(zhuān)用工具使得低壓井口頭和導(dǎo)管內(nèi)鉆柱分開(kāi)，之后繼續(xù)開(kāi)泥漿泵鉆進(jìn)二開(kāi)井眼至設(shè)計(jì)二開(kāi)中完深度，下/固表層套管，至此表層鉆井作業(yè)完成，后續(xù)轉(zhuǎn)為下入隔水管和水下防噴器組（Blow Out Preventer，簡(jiǎn)稱(chēng)BOP 組）建立鉆井液循環(huán)，并進(jìn)行后續(xù)繼續(xù)鉆井。

2.2 噴射過(guò)程中表層導(dǎo)管載荷分析

表層導(dǎo)管?chē)娚湎氯脒^(guò)程中，需要建立合理的表層導(dǎo)管下入深度計(jì)算模型來(lái)分析下入及吸附過(guò)程中導(dǎo)管串的受力情況，模型需要考慮表層導(dǎo)管載荷、表層導(dǎo)管尺寸、表層導(dǎo)管與海底土的膠結(jié)力、海底土性質(zhì)等因素。

表層導(dǎo)管的軸向載荷是影響其下入深度的主要因素，其軸向載荷大致由五部分組成：管柱上提載荷、底部鉆壓、表層導(dǎo)管自重、鉆柱自重和側(cè)壁摩擦力。

噴射管柱示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 噴射管柱示意圖

由上圖表層導(dǎo)管受力分析，在噴射下入過(guò)程中垂直方向上可得如下受力平衡方程：管柱上提力+ 導(dǎo)管側(cè)邊摩擦力+ 底部鉆頭鉆壓＝（導(dǎo)管+ 鉆柱）海水中浮重。

其中，在鉆柱和導(dǎo)管規(guī)格確認(rèn)的情況下，等式右側(cè)導(dǎo)管串浮重只與下入深度有關(guān)，表層導(dǎo)管上部所受的載荷、表層導(dǎo)管直徑、表層導(dǎo)管壁厚、側(cè)向摩擦力有關(guān)。由于表層導(dǎo)管的直徑、壁厚一般是確定的，所以表層導(dǎo)管的入泥深度只與表層導(dǎo)管上部所受的載荷和側(cè)向摩擦力有關(guān)。

2.3 深水表層導(dǎo)管?chē)娚浼夹g(shù)小結(jié)

深水表層噴射+ 解鎖后二開(kāi)鉆進(jìn)的方法在南中國(guó)海已有數(shù)十口深水井的的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，相較于傳統(tǒng)的鉆入法和打樁錘入法，表層噴射鉆井更能適應(yīng)深水表層鉆井作業(yè)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一趟管柱完成一開(kāi)井眼鉆孔、導(dǎo)管下入和二開(kāi)井眼鉆進(jìn)三個(gè)過(guò)程，節(jié)約了作業(yè)時(shí)間和成本，解決了深水表層鉆孔后下套管不易找到井口的難題，且這種方法無(wú)需固井，可避免海底低溫對(duì)水泥漿水化作用的影響和因水泥漿密度過(guò)大而壓破地層。目前該作業(yè)工藝已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外深水作業(yè)全面普及和實(shí)踐，采用噴射法安裝表層導(dǎo)管可以有效地節(jié)約鉆井時(shí)間，節(jié)約了鉆井成本。

3 深水表層鉆井提速技術(shù)

3.1 井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化及表層井眼“瘦身”

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除需滿(mǎn)足勘探開(kāi)發(fā)要求外，還應(yīng)遵循安全作業(yè)和經(jīng)濟(jì)性的原則，深水井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參考鄰井已鉆信息、地層三壓力數(shù)據(jù)（孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力）、和井口穩(wěn)定性分析結(jié)果。目前南海常見(jiàn)深水井一般采用簡(jiǎn)化后的井身結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)為三開(kāi)或四開(kāi)完鉆。同時(shí)，結(jié)合鉆機(jī)設(shè)備能力和淺部地層情況，對(duì)二開(kāi)井眼進(jìn)行瘦身，在滿(mǎn)足井口穩(wěn)定性分析和平臺(tái)偏移對(duì)井口載荷的基礎(chǔ)上，對(duì)二開(kāi)井眼進(jìn)行瘦身，將508.0mm 井眼縮小至444.5mm 或406.4mm，更小井眼可以實(shí)現(xiàn)更大機(jī)械鉆速，同時(shí)盡可能延長(zhǎng)二開(kāi)表層套管下深，為下入BOP 組建立鉆井液循環(huán)后的下一開(kāi)鉆進(jìn)提供較大作業(yè)窗口，實(shí)現(xiàn)全井三開(kāi)或四開(kāi)完鉆。

3.2 表層海水深鉆技術(shù)

深水表層鉆井作業(yè)時(shí)，隔水管和BOP 組未下入，無(wú)法建立正常鉆井液泵入和返出循環(huán)，所以一般采用海水進(jìn)行鉆進(jìn)。但是由于海水密度較低，無(wú)法有效平衡井筒內(nèi)孔隙和坍塌壓力，所以二開(kāi)井眼及套管下入深度一般不會(huì)太深，早期南中國(guó)海深水井在調(diào)研國(guó)外深水井基礎(chǔ)上，結(jié)合海域表層土質(zhì)特點(diǎn)和壓力情況，一般為二開(kāi)套管下至泥線(xiàn)以下500～600m 左右，隨著近些年已鉆深水井不斷增加，對(duì)于南中國(guó)海深水海域淺層土質(zhì)認(rèn)識(shí)不斷深刻，結(jié)合不斷優(yōu)化的深水表層作業(yè)流程，近年來(lái)二開(kāi)井眼已經(jīng)加深鉆進(jìn)至泥線(xiàn)以下約1000m 左右。海水深鉆可以實(shí)現(xiàn)更大的ROP，并為下部井眼提供更大的作業(yè)窗口，提高作業(yè)效率、節(jié)省作業(yè)工期。

3.3 大尺寸直馬達(dá)提高轉(zhuǎn)速

深水表層土壤疏松、成巖性差，因此鉆井作業(yè)中一般沒(méi)有造斜需求。目前深水表層鉆井作業(yè)一般采用專(zhuān)門(mén)的防斜打直的鐘擺鉆具組合，常采用鐘擺鉆具組合，一開(kāi)、二開(kāi)鉆具設(shè)計(jì)一般考慮使用多扶正器鐘擺鉆具組合，在鉆頭上面位置和1～2 根鉆鋌單根上面各安放一只扶正器，主要為了增加下部鉆柱的剛性和防止鉆鋌黏卡，多扶正器鐘擺鉆具組合在南海東部深水表層鉆進(jìn)已有多口井的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足直井鉆進(jìn)的前提下，解除鉆井參數(shù)限制，實(shí)現(xiàn)表層快速鉆進(jìn)。

3.4 優(yōu)化噴射管串設(shè)計(jì)和噴射技術(shù)參數(shù)

以南中國(guó)海深水L- 1 井為例，在前期噴射經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合該井土質(zhì)參數(shù)，優(yōu)化噴射管串設(shè)計(jì)，具體方案為將鉆頭伸出導(dǎo)管的伸長(zhǎng)量有原先的127mm 左右提高至266mm 左右，以此來(lái)擴(kuò)大鉆頭與地層的接觸面積和水力沖刷面積，提高機(jī)械和水力破巖效率；同時(shí)，提高噴射排量，從之前最大4000L/ min 提高至最大5200L/ min，以滿(mǎn)足更高的水力沖擊力。作業(yè)過(guò)程中，增加導(dǎo)管活動(dòng)頻率和幅度，從每鉆進(jìn)3～5m 活動(dòng)一次增加至每2～3m 活動(dòng)一次，活動(dòng)幅度也從5m/ 次左右提高至10～15m/ 次，高頻大幅度的活動(dòng)導(dǎo)管可以有效防止出現(xiàn)導(dǎo)管與地層之間的黏卡現(xiàn)象，從而使得鉆壓能最大限度傳遞至鉆頭進(jìn)行破巖。優(yōu)化后的L- 1 井噴射方案，噴射耗時(shí)2.0h，較同等海域同深度減少約60%，噴射速度為40.5m/ h，提高了約155%，整體提速效果十分顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)調(diào)研分析南中國(guó)海已鉆深水井表層高效作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化瘦身的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、海水深鉆技術(shù)、優(yōu)快創(chuàng)新鉆井工具的使用。對(duì)噴射作業(yè)進(jìn)行管串和作業(yè)工藝進(jìn)行優(yōu)化，均為順利高效的完成深水表層作業(yè)提供了有效支撐，節(jié)省了深水鉆井作業(yè)工期和成本，減少了表層作業(yè)過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患，取得較好的作業(yè)反饋和經(jīng)濟(jì)效益。