南海深水鉆完井技術挑戰(zhàn)及對策

劉正禮　胡偉杰（.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58067；.中國海洋石油總公司，北京　0000）

南海深水鉆完井技術挑戰(zhàn)及對策

劉正禮1胡偉杰2
（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067；2.中國海洋石油總公司，北京100010）

南海深水區(qū)海洋環(huán)境惡劣，臺風和孤立內(nèi)波頻發(fā)，深水鉆完井工程設計和作業(yè)難度大、風險高。為提高我國深水油氣勘探開發(fā)技術水平，實現(xiàn)海上鉆完井技術研發(fā)、工程設計和作業(yè)能力由淺水向深水和超深水的跨越式發(fā)展，經(jīng)過十余年技術攻關和作業(yè)實踐，形成了具有自主知識產(chǎn)權的深水鉆完井關鍵技術體系，首次建立了深水鉆完井作業(yè)指南、技術標準和規(guī)范體系，克服了南海特殊環(huán)境條件下的技術挑戰(zhàn)和作業(yè)難題，滿足了深水油氣鉆完井安全、高效的作業(yè)要求，并鉆成了最大作業(yè)水深2 451 m的第1批自營深水井，開啟了我國油氣勘探開發(fā)挺進深水的新征程。

南海；深水；鉆完井；歷程；技術挑戰(zhàn)；對策

我國南海是世界四大油氣聚集地之一，其中70%蘊藏于深水區(qū)。深水是挑戰(zhàn)當今油氣勘探開發(fā)技術和裝備極限的前沿領域，尤其是在南海臺風和孤立內(nèi)波頻發(fā)的惡劣海洋環(huán)境下，如何安全、高效地開展深水鉆完井作業(yè)成為了業(yè)界極為關注的焦點［1-3］。筆者在充分技術調(diào)研和分析基礎上，回顧了南海深水鉆完井作業(yè)歷史，論述了國內(nèi)外深水鉆完井技術現(xiàn)狀，統(tǒng)計分析了南海深水作業(yè)復雜情況的主要原因和面臨的主要技術挑戰(zhàn)，進而提出了已通過自主深水和超深水井成功實踐驗證的技術對策，并闡述了我國深水鉆完井技術體系的建設情況，最后得出了未來深水鉆完井技術的努力方向。

1　南海深水鉆完井歷程

南海深水鉆完井作業(yè)歷程可以追溯到20世紀80年代。1987年，國外作業(yè)者Occidental Eastern通過與我國簽訂合作協(xié)議，開始在南海白云區(qū)塊的深水鉆井作業(yè)。截至2014年，已有Occidental Eastern、Husky Oil、Devon、BG、Chevron、中海油和中石油7家國內(nèi)外作業(yè)者在南海進行了60口井的深水鉆完井作業(yè)，其中，Husky Oil公司作業(yè)井數(shù)最多，從2004—2013年期間共鉆完井作業(yè)28口，完井9口；Occidental Eastern公司在1987年鉆井1口；Devon公司在2006年鉆井1口；BG公司在2010至2011年鉆井3口；Chevron公司在2011—2012年鉆井3口；中石油在2014年鉆井2口。2006年，Husky和中海油發(fā)現(xiàn)了荔灣3-1深水氣田，并于2013年正式投產(chǎn)。深水鉆井的足跡已遍布南海北部，通過對這些井進行統(tǒng)計分析，可以基本得出南海北部深水鉆完井的技術挑戰(zhàn)和技術路線，如表1所示。

表1　南海深水鉆完井作業(yè)歷程中的關鍵井

2　國內(nèi)外深水鉆完井技術現(xiàn)狀

全球油氣勘探開發(fā)從20世紀70年代進入深水領域以來，深水鉆完井作業(yè)量和資金投入持續(xù)增加，墨西哥灣、西非海域、巴西海域是主戰(zhàn)場。隨著裝備和技術的更新?lián)Q代，深水鉆完井技術取得了長足進步，正朝自動化、智能化和本質(zhì)安全化發(fā)展［4］。

2.1國外深水鉆完井技術現(xiàn)狀

20世紀80年代以來，國外開展了一系列的深水油氣勘探開發(fā)的重大研究計劃，如美國的“DEEP STAR”、“Hoover-Diana”和歐洲的“Sea-Plan”，實現(xiàn)了3 000 m水深鉆采技術的突破［5］。深水鉆完井技術創(chuàng)新主要包括地層壓力預測精度及鉆井液密度窗口確定技術、地層窄安全壓力窗口鉆井技術、溢流早期監(jiān)測技術、鹽膏地層鉆井技術、優(yōu)異性能鉆井液及水泥漿固井技術、救援井技術和智能完井技術等。

2.2國內(nèi)深水鉆完井技術現(xiàn)狀

2012年，自主設計建造的HYSY981深水鉆井平臺的應用，正式拉開了我國自主勘探開發(fā)南海深水油氣資源的序幕。目前已由HYSY981、NH8號和NH9號平臺在南海荔灣、流花、白云和陵水深水區(qū)塊完成了22口井的深水鉆井作業(yè)，測試3口井，其中最大作業(yè)水深達2 451 m，為西太平洋第1超深水井［6］。2014年8月由HYSY981平臺完成了西沙中建島以南2口井的深水鉆井作業(yè)。2014年9月，HYSY981平臺在南海北部深水區(qū)陵水17-2-1井測試獲得高產(chǎn)油氣流，作業(yè)水深1 500 m。我國掌握了南海惡劣海洋環(huán)境下的深、遠海鉆完井技術，并且已將技術成果成功應用到了中海油海外赤道幾內(nèi)亞和剛果深水項目，取得了較好的應用效果。

3　南海深水鉆完井技術挑戰(zhàn)

引起南海深水井復雜情況的原因所占比例如圖1所示，惡劣海洋環(huán)境、淺層地質(zhì)災害和地層壓力窗口狹窄所引起的復雜情況比例達到了50%，設備工具原因所占比例也大，主要是由老舊平臺設備、井下大尺寸鉆具、防噴器系統(tǒng)和棄井工具造成的。

圖1　南海已鉆深水井復雜情況原因統(tǒng)計

3.1惡劣海洋環(huán)境

3.1.1臺風臺風生成時距離深水井位更近，移動距離短，風力強勁，且深水鉆完井作業(yè)關井需要更長的時間，因此臺風對深水平臺比淺水的挑戰(zhàn)更大。2006年，Husky Discover 534平臺在LW3-1-1井因“派比安”臺風來不及撤臺造成隔水管斷裂、防噴器落海，影響作業(yè)時間1個月，損失2 700萬美元；2009年，Husky West Hercules平臺在LH34-2-1井因“巨爵”臺風下部隔水管總成碰撞海床，極大的影響了作業(yè)進度，工期損失50 d，費用5 000多萬美元。

南海臺風頻發(fā)，每年6—11月為高發(fā)期，有2種類型：一種從菲律賓呂宋島以東洋面產(chǎn)生，然后進入南海，強度較大，預警時間較長；另外一種是發(fā)生在南海中部偏東海面上的臺風，俗稱“土臺風”，強度相對較弱，但形成快，難預防，對海上設施有很強的破壞力。南海自營深水作業(yè)中，總共遭遇19個臺風，給深水作業(yè)帶來了極大的安全威脅。

3.1.2孤立內(nèi)波這是一種主要在潮汐作用下產(chǎn)生的海洋內(nèi)部不連續(xù)的波浪形式，其巨大沖擊載荷不僅會對平臺產(chǎn)生破壞，而且會使平臺產(chǎn)生突發(fā)性的大幅度漂移運動，使平臺系泊及立管張力也急劇增加，從而出現(xiàn)拉斷系泊或立管的災害性事故，造成定位失敗、設備損壞、井下事故和鉆井液泄露污染環(huán)境等事故，同時也會給輔助船舶靠船帶來作業(yè)風險。

南海北部海域常年頻繁出現(xiàn)孤立內(nèi)波。流速較強，平均流速達1.9 m/s；作用時間短，平均20 min；流速與流向同時改變和呈周期性連續(xù)性產(chǎn)生。呂宋海峽中部是南海北部大振幅孤立內(nèi)波的主要產(chǎn)生區(qū)域，其中荔灣和流花區(qū)塊就是受孤立內(nèi)波影響很大的區(qū)域。2006年，Husky Discover 534平臺在南海所鉆LW3-1-1井遭遇內(nèi)波，啟動了緊急解脫程序，鉆具被剪斷，鉆井液排海230 m3，耽誤作業(yè)時間11.7 d，海洋環(huán)境遭到污染。2011年 Chevron West Aquarius平臺在LW13-1-1井打油水期間，遭遇流速達4.11 m/s的孤立內(nèi)波襲擊，導致平臺被推移37 m、傳輸管線破裂纏繞到拖輪螺旋槳。

3.1.3風、浪、流深水一般采用浮式平臺或者船，受風、浪、流的影響會發(fā)生漂移、縱搖、橫搖運動，對錨泊系統(tǒng)和動力定位系統(tǒng)造成不利影響。深水環(huán)境中海流速度一般較大，隨之產(chǎn)生一系列不利影響，包括增大隔水管曳力、造成隔水管渦激振動以及限制隔水管起下作業(yè)窗口等。3.1.4海底低溫水深的增加，海底溫度降低，深水海底溫度一般在2~4 ℃，超深水海域溫度可能僅有1~2 ℃，如LW21-1-1井水深2 451 m，溫度僅為2.3℃。低溫環(huán)境下容易在井口、防噴器和采油樹等設備處形成天然氣水合物，堵塞管線［7］。鉆完井液在低溫下流動性變差，易發(fā)生井漏、造成井下事故。水泥漿在低溫下凝固時間長，水泥石強度低。

3.2淺層地質(zhì)災害

通常發(fā)生在泥線下約1 500 m地層內(nèi)，在鉆完井作業(yè)期間，可能引起井控、井眼完整性和儲層可及性等問題［8］。位于南海的馬來西亞海域的深水油田于2002年成功完成的5口深水井都顯示出存在淺層流、氣、水合物和脆弱非固結(jié)地層的影響，這些井的水深位于1 300~3 000 m，而海底溫度低（約1.7 ℃），給鉆完井及后續(xù)作業(yè)造成了很大困難。

3.2.1淺層氣作業(yè)中一旦鉆到淺層氣聚集層，可能造成井口基底沖跨、發(fā)生井噴，甚至造成井口塌陷、火災、平臺傾覆等災難事故。我國南海淺層氣主要分布于大陸架區(qū)，而且甚為廣泛，如萬安盆地、鶯歌海盆地、瓊東南盆地和珠江口盆地等。

3.2.2淺層流淺層流存在不利于建立高質(zhì)量的套管尾管固井，影響井眼安全［9-10］。殼牌石油公司在中國南海Gumusut-1F井鉆井施工時就曾經(jīng)鉆遇淺層流，屬于輕微超壓區(qū)，比靜液柱壓力高近689 kPa。

3.2.3水合物水合物的形成帶來的影響包括：阻塞防噴器、阻流和壓井管線，造成井控失效；井口頭內(nèi)形成水合物，影響套管坐掛、采油樹安裝作業(yè)、引起連接器解脫困難；堵塞完井立管使油流通道切斷，處理事故耗時費力，還會使電纜工具卡在管內(nèi)，造成中部完井管柱處理事故等［11］。

3.2.4不穩(wěn)定的海床深水海床的地質(zhì)狀況有許多不穩(wěn)定因素，其中包括了斜坡滑塌、地質(zhì)疏松和流動巖漿等對作業(yè)不利的情況。一般遇到深水松軟海床會產(chǎn)生大量問題，海床不穩(wěn)定可能會造成井口掩埋和表層導管吸附不穩(wěn)下沉等事故［12-13］，因此必須評價以保證井口和井口基盤的穩(wěn)定性。2010年，Husky負責作業(yè)的LH29-1-3井因海床土質(zhì)疏松，造成水下井口下沉2.5 m，險造成井眼報廢的事故。

3.3地層壓力窗口狹窄

水深增加，上覆巖層壓力被海水水柱靜水壓力代替，巖石破裂壓力隨著水深的增加而減少，深水地層壓力窗口非常狹窄，如LW6-x-x井?444.5 mm井段作業(yè)壓力窗口僅為0.06 g/cm3，?311.1 mm井段作業(yè)壓力窗口僅為0.08 g/cm3。深水井所需的套管層數(shù)，比同樣鉆井深度的淺水井或陸地井多，有的井甚至因為所需套管層數(shù)太多而無法達到目的層［14-15］。水深越深，海底沉積物越厚，海底表層沉積物膠結(jié)性越差，將導致大量的力學問題，發(fā)生井漏的幾率非常高。深水鉆井地層壓力窗口狹窄可能引起的影響包括：鉆井液損失、井涌、卡鉆、井眼垮塌、需要下多層套管等。

4　南海深水鉆完井技術對策

4.1臺風早期預報模式與避臺技術

采用了動力隨機預報技術，通過集合天氣預報技術的海氣耦合模式，預報南海地區(qū)季風槽內(nèi)的熱帶氣旋生成和發(fā)展、移動趨勢。技術優(yōu)勢如下：減少初始條件不確定性與模式不確定性對數(shù)值預報結(jié)果影響；高分辨率和多源四維資料同化的優(yōu)勢，可以有效消除系統(tǒng)性誤差和非系統(tǒng)性誤差（觀測誤差）；臺風警報時間比國內(nèi)氣象臺早3~10 d。

基于臺風規(guī)律分析和早期預報結(jié)果，采用警戒區(qū)劃分和T-time相結(jié)合的方法，形成了包括錨泊定位和動力定位模式的深水鉆完井防臺避臺策略（圖2），成功應對了所遇的全部19次臺風。T-time為完成井的保護、做好人員撤離前或平臺航行前的準備工作所需時間；Tsafety為作業(yè)安全余量，深水為36 h。

4.2孤立內(nèi)波實時監(jiān)測預警及應對技術

通過采用多普勒聲波測速儀、耦合式溫度鏈、波浪傳感器，將監(jiān)測海域孤立內(nèi)波和波流數(shù)據(jù)通過銥星實時傳輸至浮式平臺和陸地實驗室，形成了孤立內(nèi)波全天候?qū)崟r定量監(jiān)測預警技術，自動識別孤立內(nèi)波的最大振幅、最大波致流、周期、傳播速度和傳播方向等特征參數(shù)，并可通過軟件自動提示預警，估算內(nèi)波流到達作業(yè)點時間，預警時間誤差小于30min。按照孤立內(nèi)波引起的波致流大小和波致流加速度對內(nèi)波等級進行劃分，根據(jù)作業(yè)實踐，建立了深水鉆完井孤立內(nèi)波應對技術方案，如表2所示，成功對上百次孤立波進行了有效預警和有力應對。

圖2　深水鉆完井避臺策略

表2　不同強度孤立內(nèi)波應對措施

4.3隔水管系統(tǒng)作業(yè)安全分析技術

通過理論分析、底部殘余應力法和下放鉤載法3種方法優(yōu)化了隔水管頂部張力值，優(yōu)化了隔水管—水下井口的受力狀況。基于作業(yè)工況和隔水管—井口系統(tǒng)耦合受力分析，通過有限元分析方法對隔水管系統(tǒng)的靜、動態(tài)響應和渦激振動計算，對隔水管系統(tǒng)承載能力進行了校核，確定了作業(yè)配置和安全作業(yè)窗口。通過作業(yè)窗口計算和懸掛分析給出了作業(yè)關鍵點控制及注意事項，明確了臺風期作業(yè)的風險。技術成果解決了南海惡劣海洋環(huán)境條件下深水和超深水隔水管系統(tǒng)設計及作業(yè)參數(shù)控制的難題，保障了隔水管系統(tǒng)在鉆完井作業(yè)過程中的安全性。

4.4導管入泥深度設計及水下井口穩(wěn)定性分析技術

為提高深水海底淺層土質(zhì)疏松條件下的水下井口穩(wěn)定性能，建立了導管豎向?qū)崟r承載力計算模型，形成了導管入泥深度設計方法。通過水下井口在連接鉆井、連接非鉆井、完井和自存等多種工況下的受力分析，掌握了在不同海況條件下，水下井口穩(wěn)定性與浮式平臺偏移量、隔水管-防噴器系統(tǒng)配置、井口傾斜角和表層套管固井水泥返高等多因素的關系，建立了水下井口穩(wěn)定性分析推薦做法。在南海自營深水井的應用過程中，表層導管均噴射成功，后續(xù)作業(yè)順利，保證了深水水下井口安全。

4.5淺層地質(zhì)災害預測與控制技術

制定了企業(yè)標準《深水鉆井井場評價要求》。該標準規(guī)定了井場識別、調(diào)查、評價和風險評估要求，并對錨泊/動力定位鉆井平臺的井場淺層危害因素影響進行了分析。

采用鉆領眼井和動態(tài)壓井技術來應對淺層地質(zhì)災害，建立了一套適合于深水淺層鉆井作業(yè)的淺層地質(zhì)災害控制技術。該技術通過將加重鉆井液與海水以一定比例混合得到不同密度的鉆井液，迅速泵入井筒，結(jié)合環(huán)空摩阻的作用控制井底壓力，防止淺層井涌并控制井漏與井壁坍塌，可實現(xiàn)井底壓力的自動控制，降低淺層作業(yè)風險。

4.6地層壓力預測技術

深水地層壓力預測難點在于淺部未成巖地層的壓力預測，常規(guī)成巖地層壓力計算模型已經(jīng)無法采用。根據(jù)地震層速度和室內(nèi)試驗確定淺部地層力學性質(zhì)，以統(tǒng)一強度準則計算井周塑性區(qū)應力狀態(tài)，結(jié)合超孔隙壓力理論計算井眼鉆開后超孔隙壓力分布規(guī)律，根據(jù)太沙基有效應力理論計算井周有效應力，結(jié)合水力壓裂理論計算出破裂壓力，建立了淺部地層破裂壓力計算模型，該模型解決了深水淺部地層壓力預測的難題，預測精度達到了90%。

4.7高效聚胺鉆井液體系

針對深水鉆井液作業(yè)中遇到的低溫流變性難控制、易糊篩跑漿、長隔水管段攜砂困難、泥頁巖易水化和水合物抑制等技術挑戰(zhàn)，采用關鍵處理劑自主研發(fā)和現(xiàn)場應用效果反饋-鉆井液性能改進的綜合研究方法，研發(fā)了一套基于PF-UHIB、PF-UCAP和PF-HLUBdeng 3種主劑的深水強抑制、無土相、高性水水基HEM聚胺鉆井液體系。該體系流變性能穩(wěn)定、抑制性能和攜砂能力強，具有較強的水合物抑制能力，成功應用13口深水井。

4.8低溫低密度固井水泥漿體系

深水固井的難點在于低溫水泥石強度發(fā)展慢、窄壓力窗口水泥漿漏失、異常壓力淺層流和水合物易造成井噴事故。通過開展低溫水泥漿體系、防淺層流和防水合物技術等技術研究，研發(fā)出深水低溫早強劑、緩凝劑、防竄增強劑和固井用減輕劑，研發(fā)出了深水PC-LoCEM低溫常規(guī)密度水泥漿體系和PC-LoLET低溫低密度高強水泥漿體系。這2種水泥漿體系在深水低溫環(huán)境下，水泥漿膠凝強度發(fā)展快、稠化過渡時間短、有利防止淺層流體的竄流，并且開發(fā)了配套的PC-LoS防套管漲損彈性隔離液與PC-LoF防水合物高效清洗液，最終形成了一套完備的固井水泥漿體系，在13口深水井32次作業(yè)中一次成功率100%，油氣井層段封固優(yōu)質(zhì)率100%。

5　深水鉆完井技術體系建設

基于南海及海內(nèi)外深水鉆完井技術研發(fā)、設計和作業(yè)實踐，首次總結(jié)形成了我國深水鉆完井設計和作業(yè)技術體系，制定了中海油企業(yè)標準《深水探井鉆井工程設計指南》、《深水探井鉆井作業(yè)基本要求》、《深水鉆井井場評價要求》和《深水鉆井裝置作業(yè)前檢驗規(guī)范》，編制了技術與作業(yè)指南《深水鉆井規(guī)程與指南》、《深水完井規(guī)程與指南》、《深水測試規(guī)程與指南》、《深海油氣田鉆完井技術實用指南》。

6　展望

在南海油氣勘探開發(fā)走向深、遠海的進程中，將進一步做好以下工作：加深對南海深水區(qū)水文氣象和地質(zhì)條件的認識，掌握作業(yè)極限，細化應急預案；加強對深水鉆完井新技術的研究，如深水控壓鉆井、智能完井、智能油氣田技術，持續(xù)提升鉆完井技術水平；提高對深水鉆采平臺和裝備的認識，如第7代浮式鉆完井平臺、張力腿和深吃水柱筒式鉆采平臺、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、三級井控救援裝備，為大規(guī)模自主開發(fā)南海及海外深水油氣資源做好技術儲備和保障。

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（修改稿收到日期2015-01-04）

〔編輯薛改珍〕

Countermeasures and challenges of deepwater drilling and completion technology in South China Sea

LIU Zhengli1, HU Weijie2
（1. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China; 2. China National Offshore Oil Corporation，Beijing 100010, China）

In the deepwater areas in the South China Sea, the marine environment is inclement, typhoon and isolated internal wave frequently occur, and the engineering design and operation of deepwater drilling and completion feature great difficulty and high risk. In order to improve the exploration and development technology of deepwater oil and gas in China, and realize the leapfrog development of technical research and development, engineering design and operation capacity of offshore drilling and completion from shallow water to deepwater and ultra-deepwater? , after about 10 years technological breakthroughs and operation practices, the key technical system of deepwater drilling and completion with proprietary intellectual property rights has been formed, the operation guide, technical standard and specification system of deepwater drilling and completion has been established for the first time, the technical challenges and operation difficulties under special environmental conditions in the South China Sea have been overcome, the safe and efficient operation requirements of deepwater oil and gas drilling and completion have been satisfied, the first batch of deepwater wells with the maximum operation water depth of 2 451 m have been drilled, and the new journey in the deepwater oil and gas exploration and development of China has been started.

South China Sea; deepwater; drilling and completion; course; technology challenge; countermeasures

TE52

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0014 – 05

10.13639/j.odpt.2015.01.004

國家科技重大專項“深水鉆完井及其救援井應用技術研究”（編號：2011ZX05026-001-04）；國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究”（編號：51434009）。

劉正禮，1974年生。1996年畢業(yè)于西南石油學院石油工程專業(yè)，2010年獲長江大學石油與天然氣工程專業(yè)碩士學位，現(xiàn)主要從事海洋鉆完井技術研究和管理方面的工作， 高級工程師。電話：0755-26022353。E-mail：liuzl@cnooc.com.cn。

引用格式：劉正禮，胡偉杰. 南海深水鉆完井技術挑戰(zhàn)及對策［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：14-18.