深水環境下鉆井面臨的難點與解決對策

張俊成，李忠慧，彭 昊，胡尹凌，李志強

(1.長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100； 2.油氣鉆井技術國家工程實驗室防漏堵漏研究室，湖北 武漢 430100)

海洋中有著大量的石油天然氣資源，在全球油氣資源總儲量中占比高達70%左右，而500m以上的深水海域油氣田在其中所占比例極高。因此對于海洋油氣特別是深海油氣全球已達成共識，其將是未來世界油氣資源來源的重要區域[2]。可是，深水環境和淺部地層情況復雜與常規陸相鉆井作業有很大不同，這給深水鉆井作業帶來了巨大挑戰。對于海洋深水鉆井工程而言[3],水深的增加使得鉆井環境更加復雜 ,造成了許多技術難題，嚴重制約著海洋油氣開發的發展。筆者在調研的基礎上，對我國南海深水條件下的鉆井所面臨的問題及挑戰進行了分析，并提出了一些解決方案，以此為我國南海深水油氣未來開發研究提供依據。

1 南海深水開發所面臨的挑戰

1.1 在環境方面的挑戰

在環境方面，深水開發當下主要難題是地質災害帶來的問題和惡劣的海洋環境帶來的問題。

1.1.1 淺層地質災害

主要包括三類：淺層氣、淺層水流動(Shallow Water Flow，簡稱 SWF[4])、天然氣水合物。此類災害一般在鉆完井作業時泥線下約1500m的地層內有發生，影響井的安全性。淺層氣和淺層流具有高壓力，容易高速井噴 、要求壓力波動低和處理困難的特點[5]，易造成井塌,井噴。而在我國南海，淺層氣主要分布于大陸架區，而且甚為廣泛[6-7]。SWF 存在使得高質量的套管尾管無法建立，影響井壁穩定。天然氣水合物分解將引起地層承載力的不均勻，對海洋工程的安全有影響。而且，突然釋放的氣體會對運輸管道產生破壞作用，特別是在高壓淺層氣體釋放的時候，輕則侵蝕套管，重則引起井噴[8]。除此之外合物的形成還會堵塞管線，鉆進器具。

1.1.2 惡劣的海洋環境

(1)海底高壓、低溫環境；深水環境下,液體的溫度變化見圖1[1]所示。深水海底溫度一般在3～5℃,海水的低溫可影響到海底泥線以下450 m[9]處的巖層，使該區域巖層具有低于正常地溫梯度的溫度[10]。

(1) 低溫環境下難以井控。在溫度很低的情況下，鉆井液存在凝膠效應，對凝固時間有很大影響，不利于深水環境窄密度窗口下安全鉆井,也影響鉆井液的攜沙能力和懸浮能力[1]，同時高粘度、小直徑節流管線導致高壓力摩擦壓力損失，也使得井控更加困難[11]。

(2) 鉆井液的液柱壓力在低溫條件下會增高。已有研究表明，深水鉆井中井口的鉆井液密度通常小于井筒內鉆井液密度，井口鉆井液液柱壓力的當量密度小于井筒的鉆井液密度[12]。

(3) 低溫會使得固井更加困難[9]。

(4) 在低溫情況下更容易行成天然氣水合物[13]。天然氣水合物一般穩定存在于低溫環境下(0～10℃)和高壓條件下(約為10MPa以上)，在深水環境下，水合物會在0℃以上形成，會造成鉆井循環液體系的堵塞[10]。

(2)波浪流：浮式平臺和鉆井船是在深水鉆井作業中主要使用的工具，會因波、浪、流以及風吹產生搖晃，這會對其錨泊系統以及動力定為造成影響，使結果產生誤差。

(3)臺風：臺風破壞力極強，當海上鉆井平臺或者鉆采設備碰上臺風時會被嚴重破壞。

(4) 內波流：部分流體發生密度變化使流體內部不連續的現象，會導致大幅震蕩。較大的內波會嚴重縮小鉆井作業窗口使鉆井作業無法正常開展開[14]。并且如果鉆井平臺的立柱或著隔水管等結構遇到內波流時會受到較大的作用力使平臺發生一定距離的偏移。

1.2 地層壓力窗口狹窄

深水鉆井壓力存在兩個特征：一是存在異常高壓，二是窄地層壓力窗口。異常壓力對深水鉆井的影響和常規陸地鉆井一樣,主要為導致井涌、井噴、井漏等復雜情況[15]。地層壓力窗口狹窄是由于深水井上覆巖層壓力相比于淺水井低，導致破裂壓力降低，地層孔隙壓力與破裂壓力窗口變窄[16-18](圖2)。

在深水鉆井作業中,往往由于地層壓力窗口窄而無法將套管位置設置的盡能的深。地層壓力窗口窄給鉆井工程帶來諸多難題。作業過程中需選用合適的鉆井液密度并選用合理的鉆井參數[3]，既要防止壓漏地層，又要防止壓力不平衡引起地層坍塌。

1.3 溢流監測困難

溢流監測困難是由鉆井液的溶解性和水下防噴器結構的特點所引起[20]。

(1)鉆井液的溶解性：在深水鉆進中，由于多方面的原因，大多情況下用的油基鉆井液。油基鉆井液較水基鉆井液更能溶解油氣，當溢流時，侵入的油氣容易溶入鉆井液中，鉆井液上返時體積變化不大，觀察到溢流需要的更長時間。

(2)水下防噴器結構特點：深水井作業防噴器組大多位于海床，當地層流體侵入井筒后，哪怕關閉防噴器組，油氣也會快速繼續上行，造成泄露、噴發的嚴重后果。

1.4 壓井難度大

(1)無法準確測算無隔水井段的壓井液密度，導致需要大量鉆井液。在深水井無隔水段井段鉆進時，鉆進液不回收，如果鉆進時出現溢流，就需要加入大量壓井液。而且無法獲得地層壓力，會導致壓井液密度無法準確確定，只得按估測值的鉆井液進行壓井，這會增加壓井難度，也會加大井漏風險。

(2)節流管線內徑小，長度長，作業時間長[20]。在壓井時由于管線長、內徑小，存在氣體交換及回壓效應。而且深水低溫高壓環境下鉆井液黏度會增大，致使阻流、壓井管線中的壓力損失增大，在壓井時易壓漏地層使壓井失敗，因此圧井作業所用排量小。在井眼容積大而圧井排量小的情況下，循環一周所需的鉆井液量較大，因此每次壓井作業都會需要很長時間來完成。

2 應對南海深水鉆井難點的對策

雖說南海深水開發有著這么多的難點，但其油氣的儲量決定了這必然是進軍方向。在上述挑戰中南海面臨的三淺問題、深水低溫、深水井控技術、深水作業經驗少等是尤為突出的 。要實現南海油氣的高效開發必須針對這些難點進行攻關。

2.1 三淺問題：淺層氣，淺水流，淺層天然氣水合物

(1)在選擇井位時盡量避開，在開采中控制抽汲，鉆井過程中攜帶監測工具，避開此類問題；

(2)研制相關試劑解決天然氣水合物分解帶來的災害；

(3)通過研究南海深水海況環境和地質特征來預測“三淺”產生，避免災害。具體研究“三淺”的組分、壓力等參數變化在地震聲波物理特性上的響應機理[21]。

2.2 鉆井液

(1)針對低溫環境開發低溫早強防竄水泥漿體系[22];

(2)選出合適的深水作業的鉆井液體系。作為優選鉆井液，要有以下性能:,在黏土含量及高聚物的作用下流變性要合理[23],濾矢量較小,抗溫且不易被污染, 能有效抑制水合物形成,而且環保。在此基礎上可以選用高鹽PHPA聚合物鉆井液體系，該體系有以下優點：對生物毒性小，能較快降解，能有效克制水合物生成。或者選用合成基鉆井液，主要優點：使鉆速快 、有效抑制水合物合成、避免鉆屑下沉、潤滑能力強、使井壁穩定、降低卡鉆的發生率、性質穩定。用該鉆井液體系還可減少事故發生，降低鉆井成本。

2.3 應對窄壓力窗口

可采用膨脹管技術。它可用于多項鉆探、開采作業過程,被認為是21世紀石油鉆采的核心技術之一[24]。膨脹管技術的優點:(1)復雜地層情況下能維持井壁穩定;(2)減小井眼錐度，使套管下入更深,盡量以大尺寸完井;(3)讓套管層數和上部井眼尺寸減小。所以膨脹管技術也是一種具有吸引力的解決泥漿密度窗口小的方法[10]。

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2.4 深水固井

(1)注水泥時的循環溫度可采用數學模擬方法或者隨鉆測定的數據確定[1]；

(2)優化固井工藝，準確掌握地層三壓力剖面；

(3)針對性的開發出可以克服或減弱神水環境所產生的不良影響的深水固井新材料[25]；

(4)發展鉆井液固井液一體化技術[26]。

而在鉆采上可“Jetting in”，即噴射下管技術。相比于常規的表層鉆進方法，該技術有以下優勢[27]：減少了起鉆下導管的步驟；解決了導管造成井壁塌陷導致的井口難找的問題；完成作業后無需固井減少了常規的程序；避免井口下沉；配合使用鉆進工具 CADA，可減少一趟起下鉆的步驟，有效減少鉆井作業的時間，節約成本。

2.5 深水井控

(1)安裝流量計,結合MWD和LWD的實時監測數據，提高早期檢測溢流的精度,以便及時發現溢流[22];

(3)根據地漏試驗和隨鉆壓力測量、鉆前預測研究等方法來比照前后地層壓力，判斷井筒內是否出現溢流。

(4)采用有效的壓井技術；

(5)減少呼吸效應降低井控風險[20]。

要很好的井控就必須掌握足夠多且精確的地層參數。隨鉆測井技術是滿足多參數、高采集頻率和精度及至少同時采用 2套不同數據采集方式要求的現場實時數據測量和采集系統,還具有專家智能分析判斷功能[28]。隨鉆測井(特別是聲波全波)技術還可以預測鉆頭下方地層信息,評價巖石信息,更新鉆前模型,劃分超壓及欠壓地層[29],進而及時修正泥漿密度,防止井涌及井漏,又能達到降低成本、提高效益的目的。隨鉆溫度測量可實時監測井底溫度,以此判斷能否安全進行下一步施工作業,避免設備損壞。

隨鉆環空壓力監測 (DRPWD)也同樣適用于井控。隨鉆環空壓力監測系統能及時監測井底壓力和溫度，有助于鉆井技術人員了解井下情況，掌握鉆井液巖屑攜帶情況及鉆頭水功率大小[30]，進而更準確掌握井底壓力。除此外，使用該系統可有效提高鉆井效率、降低成本、避免井下環境復雜化和減少事故發生。

井下防噴器是一種井控工具，在井下能起到關閉鉆桿內外環空的作用,并在關閉環空后能配合其他設備進行鉆井液的循環。而且在加入重泥漿使井下壓力平衡后,開啟井下防噴器還能繼續正常作業。能有效防止溢流及溢流帶來的復雜情況。

1-正脈沖發生器；2-驅動器短節；3-電池筒短節；4-定向儀短節；5-下數據連接器；6-上數據連接器；7-電路回放模塊及電池；8-數據回放接口；9-環空壓力傳感器；10-水眼壓力傳感器

3 結論

(1)地質災害、海洋環境、泥漿密度窗口窄、深水鉆井技術等問題極大程度制約了南海深水油氣資源開發；

(2)窄密度泥漿窗口在深水鉆井上是個十分嚴重的問題，在技術可采用膨脹管技術進行鉆采，也可通過改良鉆井液，開發有針對性的泥漿體系來解決這個問題；

(3)在固井方面可以用噴射下管技術減小固井難度，同時也可以在數據準確確定上進行探索，準確的掌握地層參數，針對深水開發不良影響進行固井新材料開發，在鉆井液方面也可以考慮開發一體化上的鉆井液固井液，既能減少固井步驟又可以有效固井；

(4)在井控上可以用隨鉆測井和隨鉆環空壓力監測技術獲取地層數據、采用鉆前預測研究和地漏試驗來綜合評估地層壓力，安裝流量計，結合實時監測數據保證監測精度，準確掌握井筒內情況，再配合適當的防噴器系統可有效防止井漏、井噴；

(5)不同技術能取到不同效果，在技術掌握及人力物力允許的情況下可多種技術結合使用，同時加大研究力度爭取掌握更好更實用的技術；

(6)需要針對性地開發出具有自主知識產權、先進的鉆采設備，攻克硬件上的挑戰；改良獲取地層參數的方法，爭取能在深水鉆井的更多區段取得參數，在此基礎上提高參數的精確度，為后續一系列作業提供數據支撐。