西非深水鉆井實踐與認識

褚道余,張忠強,張靈軍

（1.中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司,上海200120;2.中國石油化工集團上海海洋石油局鉆井分公司,上海200120;3.中國石化集團國際石油勘探開發公司,北京 100191）

西非深水鉆井實踐與認識

褚道余1,張忠強2,張靈軍3

（1.中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司,上海200120;2.中國石油化工集團上海海洋石油局鉆井分公司,上海200120;3.中國石化集團國際石油勘探開發公司,北京 100191）

JDZ B-1井是中石化作為作業者完成的第一口海洋深水探井,該井位于西非幾內亞灣尼日利亞—圣多美和普林西比聯合開發區內,作業水深1 655 m。井區地質情況較為復雜,地層破裂壓力低,鉆井作業壓力窗口窄,井眼穩定性差。特別是該井目的層距海底泥線淺（只有778 m）以及目的層段長等,給鉆井工程設計帶來了諸多挑戰。針對鉆井施工中面臨的挑戰與深水鉆井的特點,從井身結構設計到施工中均采取了合適的鉆井技術和措施,有效地解決了問題,取全取準了各項資料,高效、優質地完成了該井的施工任務。該井的成功完鉆,為中石化海洋深水鉆井積累了經驗,可供該區域及國內海洋深水鉆井借鑒。

西非;海洋鉆井;深水;井身結構;鉆井技術

Abstract:JDZB-1 is the first deepwater well drilled by SINOPEC as an operator,which is located at JDZ（Nigeria-Sao Tome&Principe Joint Development Zone）in Gulf of Guinea,and its water depth is 1 655 m.There are a lot of challenges in drilling this deepwater well,such as complex formation,low formation fracture pressure,small margin between formation fracture pressure and pore pressure,hole stability,especially the pay zone is only 778 m below mud line.Based on the challenges in drilling and deepwater drilling technology,optimized the well structure design and took reasonable measures while drilling operation,and successfully solve problems and got required information about this well.The success will exert great effect on deep water drilling in the future,and also provide a good reference to the development of drilling techniques in this area and in China.

Key words:west Africa;offshore drilling;deepwater;well structure;drilling technology

JDZ B-1井位于西非幾內亞灣尼日利亞—圣多美和普林西比聯合開發區東北部的2號區塊（JDZ-2）內,區塊水深1 400～2 000 m,平均水深1 600 m,距尼日利亞海岸線約150～200 km。該井是中石化作為作業者完成的第一口海洋深水探井,作業水深1 655 m,設計井深3 558 m,實際完鉆井深3 580 m。該井使用Transocean Sedco 702半潛式動力定位鉆井平臺施工,該平臺于2009年8月23日從 SNEP Co.的Bonga海上油田移至JDZ B-1井井位,并于10月6日結束全部作業,建井周期為44.17 d,取全取準了各項資料,高效、優質地完成該口井的施工任務。

海洋深水通常面臨海床不穩定、地層破裂壓力低、淺層氣、淺層水流、天然氣水合物及海底低溫等諸多挑戰,使深水鉆井變得極其復雜[1]。JDZ B-1井是一口海洋超深水探井,地層孔隙壓力和破裂壓力之間的窗口比較窄,井眼穩定性差,特別是該井目的層距海底泥線只有778 m,目的層段長,而且鄰井資料少,鉆井施工中面臨諸多挑戰。該井的成功完鉆,為海洋深水鉆井積累了不少經驗,可供海洋深水鉆井借鑒。

1 地質簡況

本井自上而下鉆遇地層依次為:上中新統至第四系上阿格巴達（Agbata）組、中中新統中阿格巴達組、下中新統下阿格巴達組和漸新統上阿卡塔（Akata）組。阿格巴達組位于阿卡塔組之上,與阿卡塔組呈漸變接觸。阿格巴達組由砂巖、粉砂巖和頁巖互層組成;阿卡塔組由大套海相厚層暗色頁巖或泥巖、粉砂巖及濁積砂巖組成。該地區上部為半深海黏土或軟泥沉積,淺部地層成巖性差,易垮塌,主要目的層之一的8.2 Ma層埋深淺（海底以下僅778 m）,地層成巖性差,儲層疏松。本井自海底以下778 m到井底有多個目的層段。

2 井身結構設計及其考慮的因素

井身結構設計是鉆井設計的關鍵,根據地層孔隙壓力、破裂壓力、復雜地層及目的層位,合理地設計井身結構非常重要。由于深水地層上覆巖石的密度僅在泥線以下地層巖石密度大于海水的密度,這樣產生的破裂壓力的當量泥漿密度遠小于淺水泥線以下相同深度地層的破裂壓力當量泥漿密度,且在深水鉆井中使用的泥漿密度大于海水的密度而增加了靜液柱壓力致使孔隙壓力與破裂壓力之間的窗口變得狹小[2],另外從鉆井平臺開始泥漿靜液柱壓力都作用于地層,所以深水井的井身結構使用多層套管。本井所處深水區塊缺乏鄰井資料,很難準確預測地層壓力及淺層地質危害,所以井身結構設計一層備用套管,以保證能夠鉆到設計深度。

JDZB-1井使用的井身結構為:Φ762 mm導管+Φ508 mm套管+Φ244.5 mm套管,備用一層Φ339.73 mm套管供應急情況使用,見圖1。

圖1 JDZ B-1井井身結構Fig.1 Well structure of the well JDZ B-1

該井井身結構及套管程序設計時考慮的因素如下:

（1）Φ762 mm導管采用噴射（Jetting）方法安置,導管封固主要是由導管與地層土壤之間的黏附力來固定導管,不進行固井作業。在海洋深水環境中地層破裂壓力比較低,采用常規海洋鉆井中下導管后固井的作業方法,由于固井時經常發生井漏,無法封固導管,采用噴射（Jetting）方法安置導管,避免了導管固井時井漏導致井口失穩,減少了風險,提高了作業效率。

導管的下深根據上部地層軟泥層的厚度來確定。本井淺層第一反射界面在泥線以下83 m左右,所以本井導管下至泥線以下83 m。

由于鉆井平臺的搖擺,超過千米長度的隔水管擺動所產生的彎矩,使得第一層導管承受的彎曲應力要比常規水深大得多,所以在設計時必須要考慮導管的抗彎能力[2]（圖2）,從圖中可以看出上部第一根與第二根導管所受彎曲應力最大。

根據Φ762 mm導管受力情況,合理設計Φ762 mm導管串結構,JDZ B-1井Φ762 mm導管的設計為:上部第1～3根壁厚38.1 mm,其他4根壁厚25.4 mm。

（2）Φ508 mm套管主要用于封堵住淺部地層可能存在的地質風險,同時對防噴器組起支撐作用,用以建立循環。因本井段使用海水鉆井,為鉆屑直接返至海底的開路循環,故在允許的情況下該井段應盡可能長些,以提供地層的承載能力。由于本井的最上部的油氣層在泥線以下778 m,所以該井Φ508 mm套管下至井深2 384 m（泥線以下704 m）。

圖2 典型導管彎矩隨井深變化Fig.2 The typical relation of bending stress and well depth

（3）根據該井地層孔隙壓力和破裂壓力,Φ311.2 mm井眼設計鉆至井深3 108 m,鉆穿幾個主要目的層,若能成功地鉆至預定深度,就下Φ244.5 mm套管,用Φ215.9 mm井眼鉆至最終設計井深;若該井段無法鉆至預計層位,可把Φ311.2 mm井眼擴至Φ444.5 mm,下Φ339.73 mm套管,最后用Φ311.2 mm井眼鉆至最終設計井深。備用一層Φ339.73 mm套管為鉆遇高壓地層或易漏地層時的應急封固。

3 鉆具組合

在深水鉆井中,鉆遇地層情況比較復雜,地層壓力和地層破裂壓力窗口窄,鉆井成本高,要實時地掌握井下工程參數與地層特性,以便能及時判斷井下情況并采取對策。所以在深水鉆井中,下部鉆具組合一般都帶有隨鉆測量（MWD）、隨鉆測井（LWD）及隨鉆測壓（PWD）的隨鉆監測工具[3]。

Φ762 mm導管采用噴射（Jetting）方法安置,先連接好Φ762 mm導管,在Φ762 mm導管內下入鉆具,根據導管的長度,配置在導管內鉆具長度,使Φ660 mm鉆頭出導管152～203 mm左右,鉆具通過Vetco公司的DAT（Drill Ahead Tool）工具與Φ762 mm導管低壓井口頭相連,當導管安置到位后釋放DAT工具的心軸,繼續鉆Φ660 mm井眼,鉆完Φ660 mm井段后起鉆至DAT工具的心軸在Φ762 mm導管低壓井口頭位置時,可以把DAT工具退出,見圖3。具體鉆具組合為:Φ660 mm牙輪鉆頭 +Φ244.5 mm馬達 +Φ213 mm APWD（隨鉆測壓）/LWD/MWD+Φ508 mm扶正器+Φ210 mm無磁鉆鋌+Φ209.55 mm鉆鋌×8根+配合短節+DAT工具+Φ139.7 mm加重鉆桿×12根+Φ139.7 mm鉆桿,一開和二開采用同一套鉆具組合。

三開鉆具組合為:Φ311.2 mm鉆頭+Φ213 mm LWD/PWD/MWD+Φ210 mm短鉆鋌 +Φ305 mm無磁扶正器+Φ209.5 mm無磁鉆鋌+Φ308 mm扶正器 +Φ209.5 mm鉆鋌 ×5根 +Φ203.2 mm震擊器+配合接頭+Φ139.7 mm加重鉆桿×15根+Φ139.7 mm鉆桿。

四開鉆具組合為:Φ215.9 mm鉆頭+Φ171 mm PD675+Φ167 mm短無磁鉆鋌+Φ171 mm LWD/PWD/MWD+Φ165 mm無磁鉆鋌+Φ165 mm鉆鋌×6根+Φ127 mm加重鉆桿×18根+Φ165 mm振擊器+Φ127 mm加重鉆桿×8根+Φ127 mm鉆桿。在四開井段使用了斯倫貝謝公司的旋轉導向工具PD675AA,目的是更好地控制井眼軌跡,避免鉆遇斷層,提高鉆井效率。

4 主要作業程序及技術措施

4.1 噴射安置Φ762 mm導管及Φ660 mm井段

（1）噴射安置Φ762 mm導管及Φ660 mm井段鉆進。因使用海水開路循環,為了無隔水管階段鉆進時預防淺層氣,預先準備了318 m3的密度為1.62 g/cm3的壓井泥漿,準備好DKD（Dynamic Kill Drilling）設備。

（2）Φ762 mm導管串及內管柱長度的確定。根據導管串長度配好內管柱的長度,也可以根據配合的內管柱長度對最下部的一根導管進行適當切割,以滿足鉆頭出導管152～203 mm左右的要求,且把最下部的導管下端沿內圈切成坡口。在把鉆具下入導管內,接上Φ762 mm導管送入及繼續鉆進工具（DAT工具）后,用 ROV（水下機器人）確認實際鉆頭出露導管的長度。

圖3 噴射及Φ660 mm井段鉆具組合Fig.3 BHA of jetting andΦ660 mm hole interval

（3）噴射安置導管作業。用Φ139.7 mm鉆桿送導管到海底泥線,接頂驅循環海水,由馬達帶動鉆頭旋轉,導管保持不轉。剛進入地層6 m,排量為400 L/min左右,然后慢慢地提高排量,最后排量在4000 L/min,ROV在海底觀察巖屑返出,確保巖屑在導管內返出,導管外無返出。鉆壓控制的原理是:用鉆入泥線以下管串自身重力鉆進,保持泥線以上導管和鉆桿處于垂直拉伸狀態,即保持中和點在泥線以下。每進尺半根立柱長度左右,替入10～15 m3稠泥漿,清掃井眼。

（4）導管噴射到位,替入30 m3稠泥漿攜出導管內巖屑,靜置數小時（本井為3.75小時）,等摩擦力恢復,ROV檢查30″導管頭水平儀的指示,確保井口垂直,地層足以支持導管,釋放DAT工具的心軸,繼續鉆Φ660 mm井眼。

（5）在鉆Φ660 mm井眼時,ROV在海底用聲納掃描,及時發現有無淺層氣。每鉆完一立柱,泵入10～15 m3胍膠（Guargum）清掃巖屑,下部井段每鉆150 m泵入30 m3胍膠清掃巖屑,及15 m3般土漿保護井壁;每鉆完一立柱上下劃眼一次,同時MWD測斜;根據APWD,保持 ECD（循環泥漿當量）密度在1.08 g/cm3左右,以保證液柱壓力足以支撐井壁;鉆至本井段預計井深后,替入兩倍井眼容積的密度為1.27 g/cm3的般土漿,井底EMW（當量泥漿密度）密度在1.1 g/cm3左右,保護井眼。

（6）Φ508 mm套管固井期間,ROV在海底井口附近觀察返出情況。

4.2 Φ311.2 mm及Φ215.9 mm井段

（1）根據預測,Φ508 mm套管鞋處地層破裂壓力比較低,鉆完Φ508 mm套管鞋及水泥塞,進入新地層3 m,準備做地層漏失試驗。在漏失試驗前,替入15 m3濃度為40μg/kg超細碳酸鈣粉末的泥漿至井底,以提供地層的承載能力;在鉆進期間,泥漿循環池中加入碳酸鈣粉末與 G-Seal石墨粉,暫堵滲透性好砂巖層,提供泥漿的潤滑性及降低泥餅的摩阻以防止壓差卡鉆。

（2）因套管鞋處的破裂壓力低,鉆進過程中,控制機械鉆速,通過APWD密切監視環空的ECD（循環泥漿當量）,接近LOT值（地層破裂壓力值）時,停止鉆進,循環泥漿,同時開啟隔水管提升管線,降低 ECD。

（3）鉆至本井段預計井深后,在裸眼段起鉆,邊循環邊起鉆,同時控制起鉆速度,防止抽汲,以免造成壓力過大波動,使井壁失穩或造成漏失;這樣起鉆至套管鞋后循環至井眼干凈后測井。

4.3 鉆井液工藝

海洋深水鉆井液必需具有抑制水合物的生成、低溫及高溫下保持好的流變學性能、具有良好潤滑性和抑制性、避免和控制井漏及不會對海洋環境造成危害等性能[4]。

噴射安置Φ762 mm導管及Φ660 mm井段使用海水及胍膠清掃巖屑,以及黏度大于100 mPa·s的般土漿保護井壁。

Φ311.2 mm及Φ215.9 mm井段鉆進時使用MI Paradril合成基鉆井液體系,這種合成基鉆井液體系的合成基與水比約76∶24,其優點是:（1）具有較強的水合物抑制性;（2）高溫高壓濾失量低（小于5 mL/30 min）,造壁性強,形成的井壁濾餅具有較好的韌性及潤滑性,從而起到穩定井壁、減少泥頁巖水化膨脹的作用;攜屑和懸浮能力強,井眼清潔情況良好;（3）在平衡地層壓力的情況下,盡量維持低的鉆井液密度,減少了壓差卡鉆的幾率;（4）流變性好,井眼凈化能力強。

由于Φ311.2 mm及Φ215.9 mm井段鉆遇的地層泥巖易水化膨脹,因而會引起垮蹋、起下鉆遇阻等復雜情況的發生,使用MI Paradril SBM鉆井液體系較好的解決了Φ311.2 mm及Φ215.9 mm井段的難題。鉆至預計井深后進行測井,測井用時6.31 d,其中做MDT（地層取樣及測壓）及CST（井壁取心）都無需通井;電測結束,不通井,直接下套管。從起鉆結束到開始下套管共6.89 d,在下套管過程中井眼通暢。使用MI Paradril SBM鉆井液體系不僅很好地滿足了工程要求,而且也節省作業時間,保證了鉆井的順利進行、井徑規則,很好的滿足了地質和工程的要求。

為防止污染海洋環境,合成基鉆井液及鉆屑不允許直接排放人海。采用VERTI-G Cuttings Dryer（垂直式巖屑甩干機）,把鉆屑甩干,使鉆屑中的含油量達到環保排放標準,再進行排海。

4.4 合適的固井工藝及措施

Φ508 mm套管采用內管注水泥法進行固井,節省了時間。Φ244.5 mm套管固井采用水下釋放塞固井。水泥漿的設計根據地層破裂壓力,準確設計了首漿與尾漿的水泥漿密度,確保水泥能返到預計的深度。

Φ508 mm套管固井首漿密度為1.43 g/cm3,附加量為裸眼容量的150%,尾漿密度為1.90 g/cm3,附加量為裸眼容積的50%,首漿返至海底泥線,尾漿返至套管鞋至上150 m,這樣既保證水泥漿返至海底,同時也確保套管鞋處的固井質量,保證后續作業順利進行。

Φ244.5 mm套管固井首漿密度為1.50 g/cm3,附加量為裸眼容量的50%,尾漿密度為1.90 g/cm3,附加量為裸眼容積的50%,首漿返至8.2 Ma之上150 m左右,尾漿返至套管鞋至上150 m,固井碰壓為3 999 kPa,水泥漿返至預定深度。最后試壓合格,滿足下一步作業的要求。

4.5 合理棄井方案

根據Φ215.9 mm井段的油氣情況,在Φ215.9mm裸眼井段連續打了兩個水泥塞,且第二水泥塞在Φ215.9 mm套管鞋上下各100 m,并對第二水泥塞試壓10.5 MPa,合格后用與井內鉆井液密度相同的鹽水替出井筒內的合成基鉆井液,在Φ215.9 mm套管井深1 988 m下一橋塞（為BJ公司的ETI-CR橋塞）,且在橋塞之上打50 m的水泥塞。最后用ROV在井口戴上防腐帽。把平臺移離井口50 m,起隔水管及防噴器。這樣既確保了井下安全,又快速完成棄井。

在深水海域所鉆探井的棄井一般保留井口,因在深水海域鉆一口探井成本相當高,對于有良好的油氣顯示的,一般保留井口,將來采用水下井口完井開采。對于沒有好的油氣顯示的探井或干井,可以切割套管,回收套管與井口頭,永久棄井,但在深水鉆井作業,每天日費高,切割套管,回收上來的套管與井口頭的價值低于消耗的鉆井成本,所以一般不切割和回收套管及井口頭,而是保留井口。

5 結論與認識

（1）在海洋深水鉆井中,Φ914 mm或Φ762 mm導管一般采用噴射方法安置,與常規水深中采用的固井方法不同,所以導管串的長度要根據海底以下軟泥層厚度確定合適的長度,確保導管能噴射安置到位;在噴射安置過程中,確保巖屑在導管內返出,導管外無返出,控制合適的鉆壓,不要破壞地層的黏附力,保證地層的摩擦力足以支撐導管。

（2）Φ914 mm或Φ762 mm導管使用DAT工具,即可以釋放繼續鉆進及回收的送入工具,免去了一趟起下鉆及無隔水管時的導向,提高了鉆井效益。

（3）在深水區塊缺乏鄰井資料,很難準確預測地層壓力及淺層地質危害,所以井身結構設計時應設計一層到兩層套管作為備用,以保證能夠鉆到設計的深度。

（4）在深水鉆井中,鉆遇地層情況比較復雜,地層壓力和地層破裂壓力窗口窄,鉆井成本高,要實時地掌握井下工程參數與地層特性,能及時判斷井下情況及采取對策。所以在深水鉆井中,下部鉆具組合一般都帶有隨鉆測量、隨鉆測井及隨鉆測壓的隨鉆監測工具。

（5）在深水鉆井中,因地層的破裂壓力確實低,控制機械鉆速以保證環空循環當量泥漿密度（ECD）不要超過地層破裂當量泥漿密度（LOT）,所以機械鉆速不能反映鉆遇地層情況,不能用機械鉆速來判斷鉆遇地層,必須使用LWD來判斷地層。

（6）在Φ311.2 mm及Φ215.9 mm井段使用合成基鉆井液,成功地避免了因鉆遇的地層泥巖易水化膨脹而會引起垮蹋、起下鉆遇阻等復雜情況的發生,保證井眼規則通暢,測井及下套管都無需通井,節省了時間,提高了鉆井效益。

[1]柯珂,管志川,張君亞,等.西非深水JDZ-2-1井鉆井工程整體風險分析[J].石油鉆采工藝,2009,31（5）:5-10.

[2]IADC.IADC Deepwater Well Control Guidelines[M].International Association of Drilling Contractors,1998:1-11.

[3]卓魯斌,葛云華,汪海閣.深水鉆井早期井涌檢測方法及其未來趨勢[J].石油鉆采工藝,2009,31（1）:22-26.

[4]陳磊,郭昭學,孫凱,等.海洋深水鉆井技術研究[J].天然氣技術,2009,3（6）:37-39.

The practice and knowledge of drilling deepwater well in west Africa

Chu Daoyu1,Zhang Zhongqiang2,Zhang Lingjun3

（1.SINOPEC Shanghai Of fshore Petroleum Company,Shanghai200120;2.Drilling Branch of SINOPEC Shanghai Offshore Petroleum Bureau,Shanghai200120;3.SINOPEC International Petroleum Exploration&Development Corporation,Beijing100191）

TE242

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2010.04.111

1008-2336（2010）04-0111-06

2010-08-27;改回日期:2010-09-07

褚道余,男,1970年生,高級工程師,碩士,主要從事海洋鉆井技術與項目管理工作。E-mail:chudy.shhy@sinopec.com。