海洋深水救援井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

劉書杰　李相方　何英明　耿亞楠　周建良

（1.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京　102249；2.中海油研究總院，北京　100028；3.中國石油大學石油天然氣工程學院，北京　102249）

海洋深水救援井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

劉書杰1，2李相方3何英明2耿亞楠2周建良2

（1.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249；2.中海油研究總院，北京100028；3.中國石油大學石油天然氣工程學院，北京102249）

深水鉆井具有較高風險，在救援井設(shè)計方面，國內(nèi)外沒有相關(guān)標準規(guī)范可參照，深水井實施救援井作業(yè)的數(shù)量也很少。為了保證深水油氣田安全高效開發(fā)，結(jié)合中國南海深水鉆井的需要，對深水救援井的井位選擇、井眼軌跡設(shè)計方法、探測定位技術(shù)、連通技術(shù)、動態(tài)壓井方法等一系列關(guān)鍵技術(shù)進行了整理和分析。救援井的井位選擇需考慮海底地質(zhì)條件、洋流、風向、熱輻射、商業(yè)保險等因素，救援井井眼軌跡需根據(jù)連通點位置、探測定位工具的要求、軌跡實施難度進行設(shè)計，連通方式首選直接鉆通事故井井眼，動態(tài)壓井方案的制定應(yīng)結(jié)合鉆井船的能力優(yōu)選最高效安全的壓井方案。研究結(jié)果對于建立深水救援井設(shè)計體系具有一定的參考價值。

鉆井工程；深水；救援井；探測定位；連通技術(shù)；壓井

海洋深水區(qū)域已經(jīng)成為全球能源的重要接替區(qū)，深水勘探開發(fā)已成為熱點，同時也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。深水鉆井具有高技術(shù)、高投入、高風險等特點，深水一旦發(fā)生井噴事故將造成巨大的環(huán)境污染及經(jīng)濟損失。救援井是為控制事故井井噴，在離事故井一段距離設(shè)計、施工的與事故井進行連通的井［1］。由于救援井的特殊性，其關(guān)鍵技術(shù)與常規(guī)鉆井技術(shù)存在較大的區(qū)別。田崢等［2］對救援井的井位選擇、軌跡連通、壓井和棄井等幾項關(guān)鍵技術(shù)，進行了概括介紹； 吳瑤等［3］指出救援井與事故井相對位置的精確探測是實施救援的關(guān)鍵，并利用軟件模擬半徑為139.7 mm的井噴井，在其附近設(shè)置1個1 A電流源和一個接地電極，研究了電流源和事故井距離、兩電極距離、事故井半徑對事故井套管上電流密度的影響，為深水油氣勘探救援井精確探測提供了理論依據(jù)。在前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國南海深水鉆井的需要，從救援井井口位置選擇、井眼軌跡設(shè)計、探測定位、連通方式、動態(tài)壓井方法等方面進行了研究。

1　井口位置選擇

救援井井口位置的選擇是一項整體工程管理內(nèi)容，在井眼軌跡可行及滿足探測定位要求的情況下，救援井井口距離事故井井口越近井深越小，因此可以在最短的時間內(nèi)以最小的成本連通事故井，成功壓井。但是井口位置選擇還需綜合考慮作業(yè)區(qū)塊的海洋氣象條件（季風、流、浪及海冰）、海底地質(zhì)風險、熱輻射、商業(yè)保險要求等。

1.1海底地質(zhì)風險

救援井井口位置選擇的首要考慮因素是井場地質(zhì)條件可以滿足安全高效鉆井作業(yè)的要求，需對救援井井位淺層土質(zhì)情況、有無斷裂及滑移跡象、有無海底障礙物、泥火山、湖泊等問題進行井場調(diào)查，確保救援井井位不會發(fā)生淺層地質(zhì)災(zāi)害。

1.2熱輻射

考慮到事故井可能發(fā)生井噴著火，必須考慮熱輻射的影響，確保實施救援井的鉆井船在熱輻射波及范圍之外，圖1是南海某井如果發(fā)生井噴爆炸著火熱輻射影響范圍模擬結(jié)果，可以看出，熱輻射波及范圍在200 m以內(nèi)。

圖1　熱輻射分布

1.3風向因素

救援井井位的確定需考慮作業(yè)海域季風特征及盛行風向，根據(jù)救援井作業(yè)實施季節(jié)進行選擇，救援井井位宜在事故井的上風位置或者垂直于風向的側(cè)位，可以在實施鉆井作業(yè)時規(guī)避井噴流體隨風漂移的威脅。

1.4商業(yè)保險要求

救援井及事故井井口間距的確定除了受救援井軌跡設(shè)計要求及探測定位工具的影響外，還受保險公司商業(yè)保險的限制，保險公司會對救援井鉆井風險進行綜合評估，確定可以接受的最小井口間距，如果投保方井口間距小于保險公司規(guī)定的最小井口間距，則需要交納高額的額外保險費用。

2　方案設(shè)計

2.1井眼軌跡設(shè)計

救援井井眼軌跡的設(shè)計，在保證可實施的前提下，需要優(yōu)先考慮滿足探測定位工具的要求，提高連通成功率，而后考慮軌跡難度、造斜點選擇、造斜率大小等因素。

救援井軌跡設(shè)計中要結(jié)合探測工具的能力，留足探測距離，滿足探測次數(shù)及切入角要求。常見的救援井軌跡有3種：直接連通、逐步逼近、Bypass方法［4］。在救援井軌跡可以滿足要求的前提下，優(yōu)先推薦Bypass方法，通過Bypass消除誤差橢圓，提高連通成功率；如果連通點淺，Bypass方法造成救援井軌跡狗腿度較大，推薦采用逐步逼近法，救援井軌跡逐步逼近事故井井眼，通過多次探測提高連通成功率。直接連通方法一般適用于連通點非常淺的情況，如果采用Bypass方法或者逐步逼近法，狗腿度會非常大，無法實施，直接連通方法一般會采用被動探測工具大角度連通。3種方法中直接連通方法連通成功率最低，如圖2所示。

圖2　井眼軌跡設(shè)計方法

2.2探測定位

根據(jù)救援井測距工具的原理不同可將其分為主動測距系統(tǒng)和被動測距系統(tǒng)。主動測距系統(tǒng)主要是通過自身來改變或產(chǎn)生某些信號量獲得測量結(jié)果，被動測距系統(tǒng)則是通過感知目標對某個物理量的影響來獲得測量結(jié)果。兩者的區(qū)別在于測量者是否對測量對象施加影響。其中被動測距系統(tǒng)主要是通過檢測事故井中套管、鉆桿等對地磁的影響，從而獲得事故井和救援井之間的相對距離關(guān)系；主動測距系統(tǒng)則是通過對事故井中套管、鉆桿施加一定的激勵量，產(chǎn)生磁場、電流等物理量的改變，從而獲得兩者之間的相對距離關(guān)系。目前，常用的探測工具為：美國SDI公司的MagTrac MWD Ranging System，為被動測距類型；美國Vector Magnetics公司的PMR、Wellspot、RGR、WSAB，其中除PMR工具為被動測距外，其余為主動測距類型。

主動電磁測距系統(tǒng)（國外一般使用Wellspot導向工具［5-8］）探測距離一般大于50 m，并且具有較高的精度，但是在切入角大于45°時幾乎無法實現(xiàn)測距作業(yè)，同樣由于主動電磁測距系統(tǒng)需要在裸眼或者鉆柱內(nèi)下入測量工具，因此一般無法實現(xiàn)隨鉆測量，需要較為頻繁的起下鉆作業(yè)以提供測距工具的下入通道，作業(yè)時間一般較長，無法實時為鉆井作業(yè)提供防碰的信息。另外，油基鉆井液對測距結(jié)果會有影響，測量點少。被動電磁測距工具自帶MWD，無需頻繁起下鉆作業(yè)，油基鉆井液對測距結(jié)果沒有影響，測量點多，但只能以一定的距離間隔（＜25 m）進行測距。2種測距作業(yè)系統(tǒng)技術(shù)均較為成熟，各有優(yōu)缺點，在全球的救援井測距作業(yè)中都有較為成功的應(yīng)用案例。

2.3連通方式

目前主要的連通方法有：直接鉆通、射孔連通、壓裂連通、定向射孔+壓裂連通。隨著救援井測距系統(tǒng)、測斜工具的快速發(fā)展，直接連通成功率大大提高。射孔、壓裂除需要測距系統(tǒng)外還需要額外的裝備，特別是壓裂連通，還需要考慮平臺的空間能否滿足設(shè)備擺放的要求，對于海上作業(yè)存在一定的難度。因此除特殊工藝需要，建議采用直接鉆通方式作為首選連通方式。

壓裂連通方式要考慮最大、最小水平主應(yīng)力的方向，救援井及事故井布井方位均與最小水平主應(yīng)力方向一致，救援井布置在事故井左（右）側(cè)，壓裂連通成功率最高，如圖3所示。如果壓裂連通不成功，可以考慮定向射孔+壓裂連通方法。

2.4動態(tài)壓井方法

動態(tài)壓井的基本原理是以一定的流量泵入初始壓井液，通過利用壓井液在環(huán)空流動時的摩擦阻力配合壓井液靜液柱壓力使井底的流動壓力等于或者大于地層壓力，從而阻止地層流體進一步侵入到井內(nèi)達到“動壓穩(wěn)”狀態(tài)，然后逐步替入加重壓井液以實現(xiàn)完全壓井的目的，達到“靜壓穩(wěn)”狀態(tài)［8-9］。動態(tài)壓井方法與常規(guī)壓井方法的不同之處就在于利用了壓井液在環(huán)空流動時的摩擦阻力。

國際上使用比較多的救援井動態(tài)壓井模擬軟件是Schlumberger公司的OLGA ABC軟件，該軟件基于多相流理論，可以模擬不同壓井液密度、不同排量下救援井壓井方案。一般來說救援井動態(tài)壓井方案的設(shè)計應(yīng)結(jié)合進行救援井作業(yè)的鉆井船作業(yè)能力（泥漿泵能力、泥漿池容量等），模擬多種井況下多種壓井方案，優(yōu)選泵排量小、所需壓井液量小、壓井時間短、套管鞋處壓力小的方案作為推薦方案。

3　設(shè)計案例

中國海上還沒有救援井實施案例，但是深水油氣田的開發(fā)要求必須進行相應(yīng)的救援井設(shè)計，因此，隨著近年來深水油氣田的快速開發(fā)，中海油積累了豐富的救援井設(shè)計經(jīng)驗。以中國南海某深水救援井設(shè)計為例進行案例分析［10］，根據(jù)南海氣候、井位附近地質(zhì)條件、熱輻射波及范圍（通過計算波及范圍在200 m以內(nèi)）等，確定了救援井井位為事故井北偏東135°方位，距事故井300 m；綜合考慮事故井連通點位置，探測工具測距要求及井眼軌跡實施難度進行了軌道設(shè)計，推薦采用逐步逼近法；建議探測工具采用Wellspot工具中的RGRⅡ和WSAB系統(tǒng)配合使用，RGRⅡ負責前期遠距離探測尋找事故井套管，WSAB工具負責近距引導靠近；針對事故井井口狀況、實際作業(yè)鉆井船能力進行了不同壓井排量、不同壓井液密度動態(tài)壓井方案設(shè)計，并針對事故井情況進行了棄井方案設(shè)計，結(jié)果如表1、圖4。

4　結(jié)論

（1）深水救援井作業(yè)是一項復雜的系統(tǒng)工程，救援井井口位置選擇、井眼軌跡設(shè)計、探測定位、連通方式、動態(tài)壓井方法、棄井設(shè)計等是深水救援井的關(guān)鍵技術(shù)。

圖3　壓裂連通方法

（2）井口位置的選擇，必須滿足井眼軌跡可行及探測定位工具的要求，除此之外還需綜合考慮作業(yè)區(qū)塊的海洋氣象條件、海底地質(zhì)風險、熱輻射、商業(yè)保險要求等。

（3）Bypass方法可以消除誤差橢圓，提高連通成功率，是救援井井眼軌跡設(shè)計的首選，如果軌跡無法滿足Bypass的要求優(yōu)先考慮采用逐步逼近方法。

（4）探測定位分為主動測距系統(tǒng)和被動測距系統(tǒng)，要根據(jù)實際情況優(yōu)選探測定位工具。直接鉆通是首選的連通方式，如果直接鉆通失敗推薦采用壓裂連通方式。

（5）對救援井動態(tài)壓井方法進行了介紹，并指出壓井方案應(yīng)考慮進行救援井作業(yè)的鉆井船作業(yè)能力，保證切實可行。

表1　動態(tài)壓井方案設(shè)計

圖4　救援井軌跡示意圖及與井眼中心距

［1］魏超南，陳國明.“深水地平線”鉆井平臺井噴事故剖析與對策探討［J］.鉆采工藝，2012，35（5）：18-21.

［2］田崢，周建良，唐海雄，等.深水鉆井中救援井關(guān)鍵技術(shù)［J］.海洋工程裝備與技術(shù)，2014，1（2）：106-110.

［3］吳瑤，毛劍琳，李峰飛，等.深水油氣勘探救援井精確探測技術(shù)研究［J］.石油鉆采工藝，2014，36（4）：26-29.

［4］錢愛東.淺談海上救援井鉆井設(shè)計思路［J］.石油天然氣學報，2013，35（10）：330-332.

［5］GRACE R D, Blowout and well control handbook［M］. Oxford: Gulf Professional Publishing, 2003.

［6］LERAAND F, WRIGHT J W, ZACHRY M B, et al. Relief well planning and drilling for a North Sea underground blowout ［J］. Journal of Petroleum Technology, 1992, 44 （3）: 266-273.

［7］GRACE R D, KUCKES A F,BRANTON J O. Perations at a deep relief well, the TXO marshall［R］. SPE 18059,1988.

［8］Vector Magnetics. Vector magnetics brochure［EB/OL］. ［2011-01］.http://www. vectormagnetics.com/oil-gas.

［9］高永海，孫寶江，趙欣欣，等.深水動態(tài)壓井鉆井技術(shù)及水力參數(shù)設(shè)計［J］.石油鉆采工藝，2010，32（5）：8-12.

［10］李峰飛，葉吉華，陽文學.電磁探測定位系統(tǒng)及其在救援井設(shè)計中的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：154-159.

（修改稿收到日期2015-04-13）

〔編輯付麗霞〕

Key drilling technology for marine deepwater relief wells

LIU Shujie1,2, LI Xiangfang3, HE Yingming2, GENG Yannan2, ZHOU Jianliang2
（1.College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
2.Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China;
3.Oil and Gas Engineering College, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

There is great risk in deepwater drilling and there is no international standard for reference regarding the design of relief well drilling, and not many relief wells are drilled for deepwater wells. In order to ensure safe and efficient development of deepwater oil/gas fields and in conjunction with the requirement of deepwater drilling in the South China Sea, a number of key technologies have been arranged and analyzed such as selection of relief well location, method of wellbore trajectory design, detection and location technology, connection technique, dynamic well killing technique, etc. The selection of relief well location should take into consideration the submarine geological conditions, ocean currents, wind directions, thermal radiation, commercial insurance, etc. The trajectory of relief well should be designed according to the location of connecting point, the requirement of detection and location tools and difficulty in following the trajectory. The preferred connecting method is to directly penetrate the borehole of trouble well. The formulation of dynamic killing program should be the most efficient and safest killing plan according to the capacity of the drilling ship. The research result is of certain reference value to establishing the design system for deepwater relief wells.

drilling engineering; deepwater; relief wells; detection and location; connection technology; well killing

TE53

A

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0015 – 04

10.13639/j.odpt.2015.03.004

國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究”（編號：51434009）；中海油綜合科研項目“中海油鉆完井井控技術(shù)管理體系研究”（編號：2014-YXKJ-001）。

劉書杰，1966年生。1989年畢業(yè)于中國石油大學（華東）鉆井工程專業(yè)，中國石油大學（北京）在讀博士研究生，現(xiàn)主要從事海洋石油鉆完井方面的設(shè)計研究工作，教授級高級工程師。電話：010-84523668。E-mail：liushj@cnooc.com.cn。

引用格式：劉書杰，李相方，何英明，等.海洋深水救援井鉆井關(guān)鍵技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2015，37（3）：15-18.