海上深水井表層優(yōu)快鉆井技術(shù)研究

黃懿強 陳 彬 嚴(yán) 德 張冠洪 劉保波

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518054）

0 引言

表層作業(yè)是深水鉆井與淺水鉆井的最大區(qū)別，深水表層作業(yè)周期至少占全井周期的1/4，且隨水深的增加而增加。水深1 500 m 以內(nèi)的井，表層作業(yè)周期占全井作業(yè)周期的1/4～1/3。水深超1 500 m的超深水井，表層作業(yè)周期占全井作業(yè)周期高至2/5。深水表層建井作業(yè)主要包括浮式平臺動力定位、表層導(dǎo)管下入及水下井口系統(tǒng)安裝、二開井眼作業(yè)，以及隔水管下入和水下防噴器系統(tǒng)安裝。隔水管系統(tǒng)、水下井口是深水鉆井的關(guān)鍵因素，也是整個系統(tǒng)安全的薄弱環(huán)節(jié)，某作業(yè)者在南海曾發(fā)生過水下井口下沉、隔水管斷裂、平臺失控、防噴器落海等重大安全事故。如2006年8月，某深水平臺在躲避臺風(fēng)撤離期間發(fā)生隔水管斷裂事故，導(dǎo)致52根隔水管以及防噴器組落海，影響作業(yè)時間近1 個月。2009 年9 月，由于對臺風(fēng)的認識不足，某深水平臺鉆井隔水管系統(tǒng)在懸掛避臺航行期間，隔水管底部總成與海底發(fā)生碰撞，損失了50 d 的作業(yè)工期。

1 表層鉆井面臨的挑戰(zhàn)

針對南海深水鉆井作業(yè)情況，表層作業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)有3 個方面：一是環(huán)境方面，包括海洋環(huán)境、海底地質(zhì)條件和水深大??；二是技術(shù)方面，包括浮式平臺動力定位、水下井口穩(wěn)定性和隔水管系統(tǒng)作業(yè)安全等；三是裝備方面，主要是大型且復(fù)雜的浮式平臺、隔水管以及水下防噴器組等。本研究重點介紹環(huán)境方面的挑戰(zhàn)，具體有以下3個方面。

1.1 南海惡劣的海洋環(huán)境

風(fēng)浪流是海上作業(yè)面臨的主要海洋環(huán)境，浮式平臺受其影響會發(fā)生前后左右搖動、上下升沉以及漂移等位移活動，這給平臺定位能力、隔水管及水下井口系統(tǒng)抗環(huán)境能力、表層導(dǎo)管送入、起下隔水管防噴器組作業(yè)帶來了較大的挑戰(zhàn)。尤其是在冬春季風(fēng)期，持續(xù)的季風(fēng)環(huán)境，給現(xiàn)場作業(yè)帶來了供應(yīng)船無法靠泊、吊機無法作業(yè)等問題。

南海海洋環(huán)境惡劣，臺風(fēng)、內(nèi)波流頻發(fā)，前期在南海作業(yè)時因?qū)ε_風(fēng)規(guī)律和強度認知不足，發(fā)生了多起重大險情[1]。根據(jù)廣東氣象臺的統(tǒng)計，每年南海遭遇臺風(fēng)概率比較大的月份是6—11 月，其中9月份的概率達到了19.04%，冬季臺風(fēng)概率相對?。ㄒ妶D1）。南海臺風(fēng)有兩種生成路徑，分別是從西太平洋經(jīng)菲律賓島進入的“洋臺風(fēng)”和在南海海面上生成的“土臺風(fēng)”。深水作業(yè)遭遇臺風(fēng)時，需要更長的井眼處理及關(guān)井時間，且水下設(shè)備多且復(fù)雜，具有極高的風(fēng)險。

圖1 南海臺風(fēng)生成概率統(tǒng)計圖

內(nèi)波流，又稱為孤立內(nèi)波，是一種不連續(xù)的波浪形式，突發(fā)性強、沖擊載荷大。雖然幾乎全球的大陸邊緣海和海脊附近都存在內(nèi)波流，但南海的內(nèi)波流是全世界有記錄以來規(guī)模最大的，是南海深水鉆井需要應(yīng)對的一種棘手的海洋環(huán)境挑戰(zhàn)[2]。內(nèi)波流產(chǎn)生的巨大突發(fā)性沖擊載荷會造成浮式平臺瞬間漂移距離過大、隔水管張力繩損壞以及井下事故等復(fù)雜情況。

1.2 疏松的海床條件

海床條件主要是指海底高壓低溫環(huán)境、不穩(wěn)定的海床以及淺層地質(zhì)災(zāi)害。受水體自重及陽光遮蔽作用，水深增加，海床處水壓增加、溫度降低，通常水深大于900 m 后，水溫將低于5 ℃，在這種情況下，容易在水下防噴器和水下井口系統(tǒng)處形成天然氣水合物，堵塞流體通道。此外，海底低溫會造成鉆井液流動性和固井水泥漿強度變差的情況。

隨著水深的增加，海床處土質(zhì)含水率增加、抗剪強度降低，加之南海深水井位主要處于大陸坡架處，容易導(dǎo)致井位處海床坡度大，有滑坡等海床不穩(wěn)定風(fēng)險。疏松的海床給表層導(dǎo)管入泥深度設(shè)計和水下井口穩(wěn)定性帶來了不小的技術(shù)挑戰(zhàn)，如果設(shè)計不合理，將增加水下井口下沉失穩(wěn)的風(fēng)險。

淺層地質(zhì)災(zāi)害主要指淺層氣、淺層水流和水合物，由于埋深淺，通常在海底泥線以下1 000 m 的范圍內(nèi)，是深水表層建井作業(yè)的高危風(fēng)險，一旦鉆遇輕則井眼垮塌、井筒報廢，重則引起大的井控事故。深水鉆井作業(yè)時，會通過井場調(diào)查盡量避免在淺層地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域作業(yè)，無法規(guī)避時，需要通過工程船預(yù)先鉆探小井眼的方式進行風(fēng)險識別和釋放。

1.3 巨厚水深

水深的增加給深水表層建井作業(yè)帶來了一系列的問題，同時也是體現(xiàn)深水鉆井特點的關(guān)鍵?！逗Ｑ筱@井手冊》中規(guī)定作業(yè)水深超過500 m 為深水井、水深超過1 500 m 為超深水井。水深的增加需要長的隔水管段和大重量的防噴器系統(tǒng)，這就增加了浮式平臺的負載；起下隔水管/防噴器系統(tǒng)、起下鉆時間增加，增加了整體的作業(yè)時間；對隔水管張力器、水下井口、水下機器人等設(shè)備的要求更高。此外，對于在次深水區(qū)（300～500 m）作業(yè)的浮式平臺而言，將增加動力定位管理難度。

2 主要關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用效果

為應(yīng)對深水表層建井作業(yè)時遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)，從保障作業(yè)安全和提高作業(yè)效率角度出發(fā)，基于技術(shù)調(diào)研、理論分析和自營深水作業(yè)實踐，形成了深水浮式平臺動力定位技術(shù)、深水表層導(dǎo)管噴射設(shè)計及作業(yè)技術(shù)和深水二開大參數(shù)鉆井技術(shù)，實現(xiàn)了深水表層安全高效建井的目標(biāo)。

2.1 深水表層導(dǎo)管噴射設(shè)計及提速技術(shù)

表層導(dǎo)管噴射鉆井工藝通過組合鉆具和表層導(dǎo)管的方式，在鉆頭噴射鉆孔的同時下入表層導(dǎo)管，且表層導(dǎo)管下入至一開設(shè)計深度后，鉆具組合能與低壓井口頭上的送入工具解脫，繼續(xù)進行二開井眼鉆進作業(yè)。該工藝相比常規(guī)鉆孔后下入導(dǎo)管再固井的方式，避免了在海水中多趟起下鉆作業(yè)，大幅度提高了作業(yè)效率，且避免了在海底低溫和海床疏松的條件下進行導(dǎo)管固井作業(yè)，在深水建井作業(yè)中具有很好的適用性［3］。南海自營深水作業(yè)中，創(chuàng)新采用以508 mm×339.7 mm 復(fù)合套管代替508 mm表層套管和339.7 mm 技術(shù)套管的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，減少了一層套管，大幅度節(jié)省了工期和費用。針對優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)方案對水下井口穩(wěn)定性帶來的下沉和失穩(wěn)的風(fēng)險，進行了設(shè)計和作業(yè)優(yōu)化研究。設(shè)計方面是基于最危險的作業(yè)工況進行導(dǎo)管入泥深度設(shè)計，這個最危險的作業(yè)工況是二開套管固井水泥漿達到井眼底部時的情況，此時水下井口承擔(dān)的軸向荷載最大，導(dǎo)致井口下沉風(fēng)險最高。因此，根據(jù)此二開套管固井最危險工況確定表層導(dǎo)管安全入泥深度。作業(yè)方面是基于最危險工況的大鉤懸重作業(yè)動態(tài)控制技術(shù)，根據(jù)表層套管固井前循環(huán)和泵注水泥漿作業(yè)流程，分析施加在井口的徑向載荷變化情況，制定表層套管固井期間大鉤懸重動態(tài)控制模板，通過實時調(diào)整固井大鉤懸重，避免增加的徑向載荷作用到井口上，提高了水下井口的穩(wěn)定性。此外，通過采用大排量參數(shù)進行表層導(dǎo)管噴射作業(yè)、適當(dāng)增加噴射時鉆頭伸出量以及提高導(dǎo)管上下活動頻次和幅度等措施，實現(xiàn)了深水表層導(dǎo)管噴射的提速增效。

近年來南海自營深水井表層導(dǎo)管噴射作業(yè)數(shù)據(jù)對比如圖2 所示。從圖2 可知，單井噴射耗時逐步降低，從A井的4.75 h降低至F井的1.75 h，作業(yè)效率創(chuàng)新高；噴射速度逐步提高，A 井噴射速度僅17.07 m/h，F(xiàn)井噴射速度達到了39.35 m/h。

圖2 南海自營深水表層導(dǎo)管噴射作業(yè)數(shù)據(jù)

2.2 深水二開鉆井提速技術(shù)

隨著井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的推進和作業(yè)經(jīng)驗的增加，深水二開鉆井深度從之前的入泥500～600 m增加至800～1 000 m。入泥深度的增加，導(dǎo)致地層強度增加、可鉆性降低，為提高二開鉆井效率，使用285.75 mm 大尺寸高扭矩馬達取代以往使用244.48 mm 馬達作為隨鉆工具，可以最大程度保證機械破巖能量和表層鉆進效率，彎角設(shè)定為0.5°～1.15°，可以盡可能提高頂驅(qū)轉(zhuǎn)速，兼顧井下提速和糾斜作業(yè)能力。285.75 mm 大尺寸高扭矩馬達同時兼顧了效率和穩(wěn)定性，鉆井泵最大排量由4 000 L/min增大至5 000 L/min，最大扭矩從10 kN·m增大至13 kN·m，充分釋放鉆井參數(shù)。近年來深水井二開機械鉆速逐步提高，最高機械鉆速達到了129.56 m/h，刷新了歷史紀(jì)錄，具體如圖3所示。

圖3 南海自營深水二開鉆井機械鉆速

2.3 深水浮式鉆井平臺動力定位技術(shù)

深水作業(yè)中，尤其是水深超過1 000 m 后主要使用動力定位浮式鉆井平臺。動力定位系統(tǒng)的出現(xiàn)對于突破作業(yè)水深限制和提高平臺機動性方面進行了提升，不僅減少了復(fù)雜的拋錨工序，而且工作的水深亦不受錨系長度的限制，在應(yīng)對臺風(fēng)環(huán)境和特殊作業(yè)時更加靈活[4]。然而，水深較淺時，如400～500 m 作業(yè)水深使用動力定位浮式鉆井平臺，將面臨應(yīng)急反應(yīng)時間不夠、應(yīng)急解脫的概率增加、擾性接頭和隔水管等設(shè)備磨損概率增加等問題。相對于深水井位，水深較淺的井位的下部撓性接頭偏移角度、船位允許偏移量將減少；漂移限制中對應(yīng)的綠圈、黃圈、紅圈相對減小，預(yù)解脫和解脫的反應(yīng)及采取相應(yīng)措施可支配的時間都相應(yīng)減少[5]。應(yīng)對技術(shù)包括以下3 個方面。①獲取準(zhǔn)確的應(yīng)急反應(yīng)時間。模擬不同作業(yè)工況和海洋環(huán)境的應(yīng)急反應(yīng)時間，對比在鉆進、下套管和下防噴器組等作業(yè)工況下所需的應(yīng)急解脫時間，以確定水深能否滿足深水鉆井裝置的安全作業(yè)要求。此外，對深水動力定位鉆井裝置進行漂移試驗，獲取漂移速度，為模擬計算應(yīng)急反應(yīng)時間提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。②進行嚴(yán)格的設(shè)備選擇和系統(tǒng)測試。選用合適的結(jié)構(gòu)套管，保證足夠的強度和抗彎能力，同時對套管和井口系統(tǒng)進行校核，確保滿足詳細的隔水管分析；對動力系統(tǒng)進行徹底地檢查；建立一個差分全球定位系統(tǒng)天線，以確保吊車工作時不會有信號被遮蔽；確保聲學(xué)定位系統(tǒng)安裝和運作期間的精度。③建立完備的動力定位安全操作規(guī)程。建立通用深水浮式平臺偏移范圍計算方法，制定深水井特殊操作規(guī)程（WSOG），明確在平臺漂移范圍達到限值、失去動力、斷電和失去通信聯(lián)絡(luò)等多種情況下的應(yīng)急操作方案。

南海某深水井，作業(yè)水深465 m，由海洋石油982 深水鉆井平臺作業(yè)，該平臺配置第三代動力定位系統(tǒng)，配備6臺發(fā)電機，每臺最大功率6 400 kW，總功率約38 400 kW；配備6 臺推進器，每臺推進器可以提供約80 t推力，總推力約480 t。經(jīng)過理論分析和模擬計算，確定了平臺偏移警戒圈半徑分別為：解脫點65 m、紅圈16.2 m、黃圈9.7 m、綠圈5.8 m。作業(yè)過程中，通過加強對動力及定位系統(tǒng)進行測試，進行定位系統(tǒng)應(yīng)急演練，以及惡劣海況天氣時與守護船配合加強預(yù)警，平穩(wěn)順利度過了5 個臺風(fēng)和熱帶風(fēng)暴、16次內(nèi)波流襲擊，平臺最大偏離距離8.4 m，保證了現(xiàn)場的作業(yè)安全。

3 結(jié)語

臺風(fēng)、內(nèi)波流、深遠海風(fēng)浪流、巨厚水深是深水鉆井表層作業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，不穩(wěn)定和疏松的海床條件增加了深水浮式動力定位平臺定位能力和表層導(dǎo)管及水下井口系統(tǒng)安裝及穩(wěn)定性風(fēng)險。對于動力定位而言，受隔水管球接頭轉(zhuǎn)角限制，水深減小平臺應(yīng)急解脫概率增加，需要精確計算平臺偏移范圍，制定并認真執(zhí)行深水井特殊操作規(guī)程。針對疏松的海床條件和優(yōu)化的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，嚴(yán)格進行表層導(dǎo)管入泥深度設(shè)計和水下井口穩(wěn)定性分析，并關(guān)注二開表層套管固井作業(yè)期間管串重量的變化，及時調(diào)整大勾載荷，避免發(fā)生井口下沉。