深水鉆井完井的挑戰(zhàn)分析及對(duì)策

余定澤

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

石油資源十分重要，我國對(duì)深水油氣資源勘探的研究力度正在增加。深水鉆井完井在深水油氣資源勘探中具有重要地位，有必要對(duì)深水鉆井完井方面進(jìn)行研究，了解其存在的挑戰(zhàn)，并采取解決措施，對(duì)提高我國深水油氣資源開發(fā)能力具有重要意義。

1 深水鉆井完井面臨的挑戰(zhàn)

1.1 地質(zhì)條件較為特殊

通常情況下，深水鉆井完井的實(shí)施區(qū)域普遍具有較為特殊的地質(zhì)條件，其具體表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：其一，地質(zhì)環(huán)境具有較強(qiáng)的多樣性，且復(fù)雜程度較高。我國多數(shù)深水區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，例如南海存在明顯的沙地沙溝、沙脊沙坡具備移動(dòng)性，并且移動(dòng)速度較快，都會(huì)給工程的開展帶來巨大的影響。海南地區(qū)的各種環(huán)境都具有多樣性的特點(diǎn)，不同區(qū)域都會(huì)因?yàn)閹r石力學(xué)性質(zhì)的不同，導(dǎo)致地質(zhì)情況有著不同的變化效果。故而在鉆井設(shè)計(jì)與實(shí)際操作中，井筒壓力管控難度將明顯提高。其二，地溫場(chǎng)的分布方面不具備清晰性。我國多數(shù)深水區(qū)域的地溫場(chǎng)分布方面存在異常，造成各項(xiàng)工作受到不良影響。例如在南海北部的深水區(qū)，其地溫特征數(shù)據(jù)雖具有全面性，但能夠獲取的數(shù)據(jù)內(nèi)容存在限度，造成地溫特征數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)匱乏現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)測(cè)地溫梯度數(shù)據(jù)數(shù)量減少。在地溫場(chǎng)分布方面不具備清晰性的情況下，深水鉆井完井工作液流動(dòng)環(huán)境內(nèi)溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的預(yù)測(cè)難度將明顯提高。其三，“三淺”地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)的可能性較高，具體表現(xiàn)在三個(gè)方面：

(1)天然氣水合物。在我國南海地區(qū)，各種天然氣水合物都是礦產(chǎn)資源的重要組成內(nèi)容，天然氣水合物的成礦條件較為良好，南海地區(qū)的天然氣和石油資源較為豐富。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行鉆井操作時(shí)，各方面可能受到外界擾動(dòng)的影響，從而導(dǎo)致滑坡現(xiàn)象發(fā)生。

(2)淺層氣。多數(shù)深水區(qū)域存在許多淺層氣，且淺層氣地層不具備良好的承載能力與抗剪強(qiáng)度，造成孔隙壓力增大。在鉆井操作中，氣體的突然性釋放，也會(huì)造成火災(zāi)安全事故的產(chǎn)生。

(3)淺水流。多數(shù)深水區(qū)域的危險(xiǎn)性較高，在深水鉆井工程開展中，普遍未掌握其分布特點(diǎn)，造成鉆井操作風(fēng)險(xiǎn)性增強(qiáng)。從實(shí)際出發(fā)，可發(fā)現(xiàn)進(jìn)行鉆井操作時(shí)，受到潛水流地層的影響，極有可能出現(xiàn)井噴現(xiàn)象，致使砂水流形成，導(dǎo)致井口及井筒受到破壞，造成鄰井受到一定影響。

1.2 地質(zhì)災(zāi)害相對(duì)較多

深水淺部地下儲(chǔ)層具有一定程度的天然氣水合物質(zhì)及淺層水流等，因此在開展各項(xiàng)操作時(shí)，難以對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)判斷與識(shí)別，導(dǎo)致不確定性。在正式開展深水鉆井施工作業(yè)時(shí)，若未對(duì)上述因素加以重視，極有可能導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，造成鉆井事故發(fā)生的可能性增加。深水淺部地層，欠壓實(shí)程度相對(duì)較高，力學(xué)特性較多，主要有承壓能力較差及軟膠結(jié)等。在受到深水環(huán)境下具有的復(fù)雜載荷影響時(shí)，極有可能出現(xiàn)井口突發(fā)性失穩(wěn)、井漏、井塌等不良現(xiàn)象，從而造成惡劣后果。

1.3 管柱承受的載荷較為復(fù)雜

在深入分析深水鉆井完井隔水管柱系統(tǒng)后，可發(fā)現(xiàn)其屬于重要設(shè)備，能夠?qū)ι钏@井完井與陸地及潛水作業(yè)進(jìn)行有效區(qū)分。但通過調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，由于作業(yè)環(huán)境較為惡劣，工程條件具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，且在實(shí)際操作中有可能受到風(fēng)、浪及內(nèi)波等多種復(fù)雜載荷的干擾，故而海底井口—隔水管—平臺(tái)耦合系統(tǒng)有可能在深水鉆井完井作業(yè)實(shí)施中產(chǎn)生一系列安全隱患。常見的安全隱患主要有設(shè)備磨損、隨機(jī)振動(dòng)及疲勞斷裂等，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安全控制順利實(shí)施不利。此外，在深水鉆井完井隔水管柱系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題的情況下，隔水管發(fā)生斷裂問題的可能性將顯著增加，且有可能出現(xiàn)爆炸、火災(zāi)及平臺(tái)限位失效等事故。

1.4 井筒溫度及壓力場(chǎng)條件復(fù)雜

在深水鉆井工程開展的階段中，需要對(duì)淺部地層的壓實(shí)情況以及安全密度窗口情況進(jìn)行調(diào)查。如果各項(xiàng)數(shù)據(jù)都較為欠缺的情況下，很容易造成各種安全風(fēng)險(xiǎn)和事故問題的產(chǎn)生，導(dǎo)致井下故障問題發(fā)生概率明顯提升，并且對(duì)壓力管道的控制難度也有明顯增加。對(duì)于低溫高壓的環(huán)境來講，在實(shí)際工程建設(shè)施工的階段中，很有可能會(huì)產(chǎn)生大量的天然氣混合物，導(dǎo)致氣體流動(dòng)方面存在故障問題，在情況嚴(yán)重的情況下，還會(huì)導(dǎo)致油氣井報(bào)廢問題的產(chǎn)生。此外，在深部底層溫度較高的情況下，溫度的變化也會(huì)導(dǎo)致鉆井液大量流出，對(duì)井下結(jié)構(gòu)造成改變，工作人員較難對(duì)深水井壓力進(jìn)行計(jì)算，各種安全問題也會(huì)不斷產(chǎn)生。在未充分明確多相流型轉(zhuǎn)化機(jī)制的情況下，工作人員將難以對(duì)深水井筒壓力進(jìn)行有效管控，從而造成惡劣后果。

2 深水鉆井完井難題的應(yīng)對(duì)措施

2.1 預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害與淺層鉆井風(fēng)險(xiǎn)防控

對(duì)于深水鉆井工程來講，在工程開展的準(zhǔn)備階段中，需要對(duì)周邊環(huán)境、水文地質(zhì)等多種條件進(jìn)行研究，工作人員需要結(jié)合各種參數(shù)內(nèi)容和變化情況進(jìn)行明確確定，對(duì)不同參數(shù)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，加強(qiáng)變化特征的全面落實(shí)，精準(zhǔn)有效地對(duì)各種影響因素進(jìn)行分析，為后續(xù)工作的開展奠定良好的基礎(chǔ)與保障。同時(shí)，在實(shí)際工作開展的階段中，還需要加強(qiáng)對(duì)鉆井工程的開展，及時(shí)對(duì)多種不穩(wěn)定因素進(jìn)行研究，制定有效的改善措施，避免技術(shù)問題對(duì)工作造成的影響。除此之外，還需要對(duì)鉆井工程存在的機(jī)理變化進(jìn)行研究，對(duì)各種問題進(jìn)行有效處理和改善，加強(qiáng)深水鉆井的穩(wěn)定性，及時(shí)對(duì)各種問題進(jìn)行控制，避免風(fēng)險(xiǎn)問題對(duì)工程建設(shè)造成的危害與影響，以提升作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管控水平，降低不良現(xiàn)象發(fā)生的可能性。

2.2 隔水管平臺(tái)耦合機(jī)理及安全管控

考慮到在深水區(qū)域進(jìn)行鉆井完井時(shí)，有可能出現(xiàn)洋流及臺(tái)風(fēng)等現(xiàn)象，且深水鉆井設(shè)備及主體結(jié)構(gòu)將對(duì)較為復(fù)雜的載荷進(jìn)行承受，導(dǎo)致鉆井完井方面的安全設(shè)計(jì)與管控難度顯著提高。對(duì)深水井口隔水管平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)，并開展力學(xué)耦合模型數(shù)據(jù)分析工作，充分掌握隔水管系統(tǒng)在不同工作狀況下的力學(xué)耦合特性，細(xì)致化分析不同限位方法下半潛鉆井平臺(tái)的具體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)狀況，研究限位在失去效用條件時(shí)所具有的漂移特性，從而實(shí)現(xiàn)獲取半潛式鉆井平臺(tái)的響應(yīng)原理，明確隔水管的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[1]。針對(duì)從式立管之間的干涉及立管與流體場(chǎng)力學(xué)耦合作用的特點(diǎn)，需要對(duì)深水鉆井完井管柱系統(tǒng)的管理方案進(jìn)行編制，落實(shí)對(duì)隔水管與管柱結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方面的管理工作，及時(shí)解決設(shè)計(jì)問題，并采取風(fēng)險(xiǎn)管控措施，避免不良現(xiàn)象發(fā)生。

2.3 非穩(wěn)態(tài)多相流動(dòng)原理和井筒壓力管控措施

在高溫與低溫交變的狀況下，鉆井液的流動(dòng)性轉(zhuǎn)變幅度將明顯增大，造成多相流轉(zhuǎn)變機(jī)理無法得到明確，因此需要對(duì)深水鉆井完井液流體發(fā)生轉(zhuǎn)變的原因進(jìn)行深入研究，了解其規(guī)律，探究處在非定流狀況下的深水鉆井多相流變化原因。在溫度較低，但壓力較大的狀況下，將難以對(duì)天然氣水合物的相變及井筒壓力狀況進(jìn)行精準(zhǔn)估測(cè)，因此需要對(duì)天然氣水合物質(zhì)、油氣相變多相流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)建，采用具備科學(xué)性及合理性的求解算法。針對(duì)無法明確地下儲(chǔ)層壓力，且難以有效管控井筒壓力的狀況，需要實(shí)施井涌診斷與評(píng)價(jià)?？紤]到深水淺地層形成的壓力值與地下儲(chǔ)層壓力相近，從而導(dǎo)致鉆井液密度安全性顯著降低，造成鉆井完井施工中出現(xiàn)井壁坍塌及井噴等不良現(xiàn)象的可能性增加，故而對(duì)密度及井筒壓力方面進(jìn)行深入研究，增強(qiáng)安全性，實(shí)現(xiàn)有效管控井筒壓力。在開展深水井的測(cè)試操作時(shí)，考慮到管柱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度相對(duì)較高，工作情況易出現(xiàn)變化，且井筒內(nèi)部溫度及壓力場(chǎng)的分布方面呈現(xiàn)復(fù)雜化，需要對(duì)溫度及壓力場(chǎng)的分布特性進(jìn)行研究，明確受到天然氣水合物及蠟沉積堵塞現(xiàn)象影響從而出現(xiàn)的流動(dòng)障礙形成機(jī)制，有效處理深水安全高效測(cè)試方法及測(cè)試參數(shù)設(shè)計(jì)方面存在的問題。

2.4 設(shè)計(jì)理論與風(fēng)險(xiǎn)控制

在深水鉆井工程開展的階段中，工作人員需要對(duì)各種災(zāi)害性問題進(jìn)行處理，必要時(shí)還需要對(duì)深水鉆井結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，按照工程建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和原則，制定與工程結(jié)構(gòu)相吻合的設(shè)計(jì)方案。在對(duì)深水鉆井處理的過程中，需要加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的重視，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)中存在的各種弱點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)不確定信息進(jìn)行研究，保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段的明確性和有效性，這樣也能夠在一定程度上確保工程建設(shè)的完善性、安全性以及可靠性。除此之外，在設(shè)計(jì)工作開展的階段中，還需要結(jié)合實(shí)際的設(shè)計(jì)方案對(duì)穩(wěn)定變化調(diào)節(jié)制度進(jìn)行建設(shè)，編制溫度調(diào)控的相關(guān)方案，保證設(shè)備可靠性、環(huán)保型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。在完成上述研究之后，還需要以研究報(bào)告內(nèi)容作為基礎(chǔ)，對(duì)施工中可能會(huì)存在的各種風(fēng)險(xiǎn)問題進(jìn)行識(shí)別，在了解并掌握相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對(duì)不確定因素導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，創(chuàng)造工程安全系統(tǒng)模式，及時(shí)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)問題進(jìn)行控制，加強(qiáng)預(yù)防方案的全面落實(shí)。

3 未來發(fā)展建議

從整體的發(fā)展角度上進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，造成深水鉆井工程方面問題的主要因素，是深水環(huán)境以及地層的基本條件，在各種特殊性要求的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)各種困難問題的研究，制定有效的改善措施，保證各種問題以及基礎(chǔ)理論體系都能得到完善，進(jìn)而為深水油氣開采作業(yè)順利進(jìn)行提供支持。

3.1 研究淺層地質(zhì)災(zāi)害與井眼穩(wěn)定性機(jī)理

對(duì)各種不穩(wěn)定因素進(jìn)行評(píng)估和判斷的過程中，需要結(jié)合各種改善技術(shù)，對(duì)壓力相對(duì)較低的巖石附近進(jìn)行處理，保證深淺壓力的穩(wěn)定性，保證壓實(shí)程度的基礎(chǔ)上，減少各種混合物的產(chǎn)生，避免地質(zhì)災(zāi)害問題的不斷產(chǎn)生。工作人員需要加強(qiáng)對(duì)導(dǎo)管深度的研究和分析，保證設(shè)計(jì)的效果。在實(shí)際工程建設(shè)的階段中，也會(huì)存在多種問題影響工程后續(xù)的穩(wěn)定性，比如：深水淺層巖石工程力學(xué)的基本特征、區(qū)域流場(chǎng)與超壓預(yù)測(cè)、深水淺層流形成機(jī)理方面未得到充分明確，進(jìn)而導(dǎo)致深水鉆井環(huán)境方面受到不良影響。因此為解決上述問題，在未來發(fā)展中圍繞深水鉆井淺層地質(zhì)災(zāi)害與井眼穩(wěn)定性機(jī)理展開研究，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井完井風(fēng)險(xiǎn)的有效管控。

3.2 研究結(jié)構(gòu)載荷特點(diǎn)與安全管控原理

當(dāng)前我國在錨泊與動(dòng)力定位狀況下隔水管系統(tǒng)失效機(jī)理、深水管柱系統(tǒng)完整性評(píng)估及安全管控等方面仍有進(jìn)步空間。因此在未來發(fā)展中對(duì)安全高效鉆井方面進(jìn)行研究時(shí)，需要將海洋深水鉆井結(jié)構(gòu)載荷特點(diǎn)及安全管控原理作為重點(diǎn)研究方向，明確深水鉆井管柱系統(tǒng)完整性管理措施及重要部件工程性優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，為其提供可靠支持[2]。

3.3 研究多相流動(dòng)規(guī)律與井筒壓力管理機(jī)制

深水鉆井完井操作時(shí)，井筒溫壓場(chǎng)具有復(fù)雜性，且地層壓力與地層破裂壓力相近，造成安全密度窗口變窄，致使井噴與井漏現(xiàn)象發(fā)生后，井筒壓力的管控難度顯著提高。對(duì)上述內(nèi)容，其存在的主要難題是未對(duì)處在氣侵狀況下的井筒壓力進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，在計(jì)算合理的基礎(chǔ)上，對(duì)多項(xiàng)流動(dòng)規(guī)律的復(fù)雜程度進(jìn)行改善，加強(qiáng)對(duì)非穩(wěn)定狀態(tài)下的天然氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。除此之外，在完成流動(dòng)測(cè)試之后，需要在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告的基礎(chǔ)上，對(duì)深水鉆井施工的后續(xù)流程進(jìn)行規(guī)劃制定，加強(qiáng)研究報(bào)告內(nèi)容的全面落實(shí)，對(duì)各種相關(guān)規(guī)律進(jìn)行關(guān)聯(lián)性研究，減少后續(xù)問題的產(chǎn)生[3]。因此為對(duì)上述問題進(jìn)行有效應(yīng)對(duì)，在未來對(duì)安全高效鉆井完井方面進(jìn)行研究時(shí)，需要認(rèn)識(shí)到深水鉆井完井井筒多相流動(dòng)規(guī)律及井筒壓力管控手段的重要性，并圍繞上述內(nèi)容進(jìn)行研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)為復(fù)雜狀況下的測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估手段及井筒壓力精細(xì)化管控工作順利開展提供支持。

4 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)前我國深水鉆井完井面臨許多挑戰(zhàn)。對(duì)深水鉆井完井方面進(jìn)行研究，了解其面臨的挑戰(zhàn)，及時(shí)采取有效的應(yīng)對(duì)措施，并充分明確重點(diǎn)研究對(duì)象，持續(xù)進(jìn)行深入研究，進(jìn)而確保深水油氣資源勘探開發(fā)操作能夠順利完成。