深海天然氣及其水合物開發模式與鉆采技術探討

高德利

中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室

0 引言

隨著全球油氣需求量的持續增長與油氣科學技術的不斷進步，海洋油氣勘探開發正在從淺水區（水深小于300 m）向次深水區（水深介于300～500 m）、深水區（水深介于500～1 500 m）及超深水區（水深超過1 500 m）加速推進。深海油氣資源勘探開發日趨活躍，如墨西哥灣、西非、巴西、北海、澳大利亞及中國南海等深水海域。近年來，全球重大油氣發現大多數（約占70%）都來自海洋深水區（以下簡稱深海），深海將成為油氣資源重要的接替區之一[1]。同時，深海油氣勘探開發也面臨著“入地、下海”的雙重挑戰，具有高技術、高風險、高投入及高回報的“四高”特點。其中的“高回報”和巨大的附加效益（如船舶技術進步、信息技術綜合應用、海洋地質勘測、海防劃界、軍事情報獲取等），吸引了世界相關國家及公司的持續高強度投入與大規模勘探開發活動。由于深海油氣勘探開發具有“四高”的基本特征，出現任何作業事故都有可能極大地增加作業時間和成本，嚴重時還有可能導致災難性的后果，因而必須對事關深海油氣勘探開發的安全高效作業模式及其技術支撐體系進行持續研究與實踐：一方面掌握其基本的科學規律與先進的勘探開發模式，另一方面力求不斷取得相關工程技術與裝備支撐體系的重大創新與突破。相關研究與實踐在國內外均不斷取得新的進展[2]。

中國南海油氣資源豐富，但其中70%上以都埋藏于深水區，油氣勘探開發工作因而面臨著許多技術難題和挑戰。歷經10多年的探索和實踐，我國海洋油氣鉆探的最大水深已超過2 600 m，實現了從淺水到超深水的跨越，同時也發現了豐富的深海天然氣和海域天然氣水合物（以下簡稱水合物）資源，亟待進行安全高效開發。這就對深海天然氣及其水合物的開發模式及其技術支撐體系提出了迫切的需求，需要通過創新驅動，積極探索相適應的安全高效開發模式，不斷實現關鍵核心技術與裝備的重大突破。本文主要討論了深海天然氣及其水合物的安全高效開發模式及其技術支撐體系相關問題，以期為同行及相關企業提供有益的參考。

1 深海天然氣及其水合物開發模式探討

較之于淺水或陸地，深海天然氣工程最大的特點就是需要浮式鉆采作業、水下井口及相適應的天然氣生產與集輸系統等。這不僅增加了工程作業的風險及技術系統的復雜性，而且也大幅度增加了工程成本。因此，在深海天然氣開發工程中應盡可能地減少水下井口及配套設施的數量，縮短浮式作業時間，并通過實施水平井或以水平井為基本特征的復雜結構井工程，大幅度提高深海天然氣田的單井天然氣產量以及最終采收率。為此，有必要圍繞深海天然氣田安全高效開發目標，優選比較適用的工程模式及其配套技術與裝備，同時積極探索更加先進適用的工程模式及其技術支撐體系。

1.1 深海常規天然氣開發模式

通過浮式鉆完井作業建立水下井口與井眼系統，在此基礎上建立水下天然氣生產與集輸處理控制系統，以及實施海底天然氣管道建設工程，最終形成“浮式鉆完井+水下生產與集輸系統+管道外輸”的深海常規天然氣工程模式。在美國墨西哥灣、中國南海等深水海域的油氣開發中，均采用了這種工程模式。例如，2006年發現的南海荔灣3-1天然氣田，其發現井LW3-1-1探井（水深1 480 m）位于深水海域，是典型的深海天然氣田，其開發就是采用了上述工程模式——一方面通過浮式鉆完井等作業建成了多口天然氣生產井及水下生產系統，另一方面通過深水管道工程建成了海底管道設施將產出的天然氣輸送到珠海上岸，并在該管線爬坡至陸坡邊緣處（水深約200 m）建立了一個中心處理平臺[3]。

另一種開發模式則屬于完全的浮式作業模式，即在深海油氣工程作業過程中均采用浮式作業模式，在國內外的海洋油氣開發中已被大規模的推廣應用。如巴西、西非等深水海域的石油開發工程模式，在我國南海石油開發中也采用了這種工程模式，如南海流花11-1油田，就是最早采用這種工程模式進行高效開發的次深水油田[4]。流花11-1油田位于南海東部24/09區塊及香港特別行政區東南方向240 km處，所在海域水深為311 m，于1987年發現，1996年3月29日建成投產，是國內第一個采用上述浮式鉆采模式進行水平井開發的次深水稠油油田。該油田開發通過浮式鉆完井作業建設了水下井口和水平井井網系統，使用半潛式浮式生產系統及懸掛柔性立管系統控制原油生產，再經過浮式生產儲卸裝置進行船運外輸。當然，就深海天然氣工程而言，對浮式鉆采模式提出了更高的要求，必須對浮式生產的天然氣進行必要的液化處理，以便于高效船運外輸，相應的工程模式應為“浮式鉆完井+水下鉆采系統+浮式生產與天然氣液化處理系統+船運外輸”。這種工程模式，不依賴于海底管道輸送設施，可能更適用于深遠海天然氣田安全高效開發的實際需求。為此，今后在關注一般多功能浮式鉆采作業裝備的同時，還應該特別關注海上浮式液化天然氣（Floating Lique fied Natural Gas，簡稱“FLNG”）的加工與運輸裝備（特種船舶）。

另外，如果在深海常規天然氣生產中伴有凝析油流出，就必須進行天然氣與凝析油的分離處理。如果能夠進行水下分離與集輸處理，當然是一種比較理想的高效開發模式——這樣可以使天然氣直接通過海底管道系統輸送，使少量凝析油通過立管浮式生產與儲卸并通過船運外輸。如果采用浮式生產與分離、集輸處理等技術，則是一種比較成熟的開發模式——這樣分離出的少量凝析油可通過船運外輸，而大量的天然氣一方面可以進入海底管道系統進行輸送，另一方面也可以根據實際約束條件原地進行浮式液化處理并船運外輸。

1.2 海域水合物鉆采模式

天然氣水合物俗稱“可燃冰”，是一種可以被開發利用的非常規天然氣資源，在儲層中的相態呈現為一種“固態”。深水海底附近的高壓低溫環境有利于水合物的形成與儲存，超過90%的水合物都位于水深超過800 m的深水海域，鉆采難度很大。針對水合物的鉆采難題，國內外盡管已經提出了降壓、熱采、注入化學劑、CO2置換等多種開采方法，并且在某些海域實施了降壓試采工程，但迄今為止尚未實現商業化開發目標，仍面臨著重大的技術挑戰[5]，需要深入開展創新研究與現場試驗，力爭在海域水合物安全高效開發工程方面實現重大技術突破。為此，有必要積極探索與試驗“水平井或復雜結構井浮式鉆完井+水合物原位分解開采+水下或浮式生產與集輸處理系統+管道或船運外輸”的安全高效開發模式及其技術支撐體系，推進中國南海水合物向商業化開發目標加快發展。其中，以水平井或以水平井為基本特征的復雜結構井，被認為是高效開發海域水合物的先進井型技術，相應的鉆采工程技術也極具挑戰性，相關研究已經取得了重要的進展[6-8]。

另外，如果海域水合物來源于其下部的深層常規天然氣藏，則有必要探討上、下共采的立體化綜合開發模式。試想，這里的深層常規天然氣儲層處于高溫高壓地質環境中，而淺層水合物儲層則處于低溫和次高壓環境中，基于先進井型技術來控制利用上、下兩類儲層的溫壓效應，可望同時鉆采深海天然氣及其水合物資源，實現其立體化高效開發的目標。

1.3 深水大位移井鉆采模式

較之于淺水和陸地，海洋深水鉆采工程特別昂貴，主要原因是深水鉆采工程依賴于浮式作業平臺，并且需要建立和使用水下井口及生產系統。在客觀條件具備的情況下，有可能在淺水區建立固定的鉆采作業平臺并實施超大位移井工程[9]，如圖1所示。從淺水區定向鉆采深水區油氣藏，既不需要租用浮式作業平臺，也無須建立水下井口及相應的浮式鉆采系統，由此不僅可以大幅度的降低工程成本和風險，而且還特別有利于安全環保及后續的生產與集輸處理、防護與維修等工程作業。目前，大位移井技術已經取得了重要的進展[10]。

圖1 深水靶向大位移井及其安全鉆井壓力窗口示意圖

另外，由于海域水合物在泥線以下埋藏較淺，要通過實施水平井或復雜結構井工程進行高效開發，其工程作業風險較大。因此，有可能基于大位移井技術優選水下井口的位置（井位），以便規避深水條件下淺層水合物水平井或復雜結構井高效開發的鉆采作業風險并降低施工難度，相關的工程設計控制技術有待于深入研究與試驗。

2 “U”形井開發模式與連通控制方法

“U”形井技術，就是采用定向鉆井技術，使地面相距數百米甚至更遠的兩口井或多口井，在地下數百米甚至數千米的目的層處定向連通對接[8]。采用“U”形井技術高效熱采稠油、水合物等非常規油氣資源，是一種原位改性高效開發模式。除此以外，“U”形井技術還被應用于鹽礦、堿礦、地下煤層氣化、地熱等鉆采工程，以及油氣管道的穿越工程中。按連通對接兩口井的類型可將“U”形井分為3種：水平井與直井連通、定向井與水平井連通、水平井與水平井連通。其中，第一種井型被稱為連通井或對接井，在實際工程中應用較多，技術也比較成熟；后兩種井型統稱為“U”形水平井，國內外報道較少。

“U”形井技術，對于深海特種油氣藏的高效開發具有獨特的作用。例如，在海域水合物的高效開發中，“U”形井技術具有先進性與廣闊的應用前景。由定性分析可知，“U”形連通井或水平井不僅具有水平井的特征，而且有兩個井口，便于對海域水合物原位分解形成的氣（天然氣）、液（水）、固（砂）三相流進行高效分離與處理，其中一個井口專門用于生產天然氣，而另一個井口則可以用來排水和除砂，從而實現海域水合物的安全高效開采。“U”形井連通對接階段的井眼軌跡控制方法，是“U”形井工程的關鍵技術之一，主要存在著以下3項技術難點：

1）中靶精度要求高。在水平井與直井連通中，靶點為直井底部約為500 mm的洞穴；在定向井（或水平井）與水平井連通中，靶點即為目標井待連通的水平段井眼軌跡，其直徑通常為216 mm。

2）井眼軌跡控制技術要求高。在水平井與直井連通中，如果井眼軌跡控制不當，錯過水平井與洞穴的連通，則需要回填后再側鉆進行下一次嘗試；在定向井或水平井與水平井連通中，如果不能實現一次性連通，則需要將垂深抬高后再進行下一次嘗試。此外，由于要實現定向井（或水平井）與水平井的精確連通，在后續的施工中一般要求在對接連通處下入套管，所以兩口井的連通夾角要小于4°。

3）磁導向鉆具組合的近鉆頭磁短節對井眼軌跡控制的影響較大。由于在鉆頭后面安裝有長度為0.5 m左右的磁短節，因而難以準確預測造斜工具的造斜率，同時造斜工具的造斜能力也會受到影響。另外，磁短節的安裝也會影響到導向鉆具組合工具面的擺放與控制。

2.1 水平井與直井連通控制方法

已有不少學者對于水平井與直井連通的井眼軌跡控制進行了研究。筆者基于前人的研究成果，建立了一種新的井眼軌跡控制模型，相應的坐標系如圖2所示。其中O—NED表示大地坐標系，O表示原點并選在直井井口，N軸指向正北方向，E軸指向正東方向，D軸鉛垂向下指向地心；以當前井底p為原點，建立井底右手直角坐標系p—xyz，z軸指向鉆頭鉆進方向，x軸指向井眼高邊方向，y軸按右手法則確定；測點m表示探管所在位置，其在坐標系p—xyz中的矢量表示r的球坐標形式為（r,θ0,φ0），可以由磁導向鉆井測距工具精確測得；連通點t表示直井洞穴所在的位置，其在坐標系p—xyz中的矢量表示r1的球坐標形式為（r1,θ1,φ1），可以通過計算獲得。

圖2 水平井與直井連通的坐標系

該井眼軌跡控制模型設計的基本思路為：首先測得測點m相對于鉆頭的位置，然后計算出連通點t相對于鉆頭的位置，接著調整工具面角，最后通過“斜面圓弧+切線段”來進行待鉆軌道的優化設計。使用該模型進行一次井眼軌跡控制后，就免得在以后的每次測量時都再來調整一次，只有在后續的井眼軌跡偏差較大的情況下，才有必要再次使用。這可以使得水平井與直井的連通對接過程變得相對簡單一些。

2.2 定向井/水平井與水平井連通對接控制方法

這樣的“U”形水平井連通對接方法，包括井眼的軌跡扭方位控制和軌道修正優化設計。

因為基于磁導向鉆井測距工具的測點只是實鉆水平井上的一個測點，而非目標點，所以現有的限定井眼方向三維軌道設計方法不適用于定向井/水平井與水平井的連通設計。要實現定向井/水平井與水平井的精確連通，勢必對井眼軌跡控制提出更高的要求。因此，筆者團隊采用穩斜扭方位模式建立了定向井/水平井與水平井連通過程中的井眼軌跡控制計算模型，其建立在水平井著陸與飛機降落時的情形十分相似的基礎之上。在上述類比中，鉆頭就好比飛機，已鉆水平井的水平段就好比飛機所要降落的滑行跑道，要想使鉆頭準確平穩地進入已鉆水平井的水平段，就要保證在進行最后連通時，正鉆井的井眼軌跡處于已鉆水平井的水平段所處的鉛垂面內，進而通過“起降式”完成最后的連通。坐標系和井眼軌跡控制計算模型分別如圖3、4所示[11]。

圖3 定向井/水平井與水平井連通的坐標系

圖4 定向井/水平井與水平井連通的軌跡控制模型圖

在圖3中，O—NED表示大地坐標系，O為原點，N軸指向正北方向，E軸指向正東方向，D軸鉛垂向下指向地心。以當前井底p為原點，建立井底右手直角坐標系p—xyz，z軸指向軌道的前進方向，x軸指向井眼高邊方向，y軸按右手法則確定。其他符號及其說明與圖2相同。

在圖4中，點m表示已完鉆水平井上的一個測點，其所在水平段所處的鉛垂面記為V；n為鉛垂面V的單位法向矢量，水平面H與鉛垂面V相交于點t表示目標連通點。由待鉆點p（當前井底）至鉛垂面V上點d的軌道剖面由4段組成，即：。三段圓弧全部采用穩斜扭方位模式完成，并且點b處的軌跡切線所在鉛垂面與V面平行，點c到V面的距離等于點b到V面的一半。此外，為軌道剖面在水平面H上的水平投影圖。其他符號及其說明與圖2相同。

該模型的約束條件為軌道剖面結束點處于鉛垂面V上，并且結束點d處的井眼方位與鉛垂面V的方位相同。該模型比以前的方法更適用于定向井/水平井與水平井連通過程中的井眼軌跡控制，可以有效提高“U”形水平井連通對接的成功率。

3 深水鉆井技術研究

深水鉆井技術是深海油氣勘探開發不可或缺的關鍵核心技術之一，有關研究與實踐在國內外備受關注。深水鉆井作業主要包括深水導管安裝、表層套管井段鉆井、水下防噴器組及隔水管安裝、后續鉆井等4個主要作業環節。其中“后續鉆井”的技術難度取決于油氣藏特性與埋深、不同的井型技術要求（直井、水平井、復雜結構井等）和所鉆地層的復雜性。深水鉆井導管和隔水管安裝作業特征如圖 5所示[12]。

近10多年來，筆者帶領團隊與相關企業密切合作，針對深水鉆井工程力學與關鍵技術問題開展了大量的科學研究與工程實踐，主要取得了以下研究進展[2,12-13]：

1）深水井身結構與井筒完整性。綜合考慮深水鉆井的客觀約束條件和作業工藝特點，提出了適用于深水井身結構設計的不同作業安全系數選取方法及套管柱強度設計的推薦做法，并給出了一套先進的深水井身結構優化設計流程。針對深水鉆井作業的特點，綜合考慮隔水管段井筒傳熱、鉆井液增注、套管及其環空溫壓效應等諸多因素的影響，建立了深水鉆井套管環空循環溫度預測計算模型，以及由溫度效應導致的環空增壓計算模型，并闡明了相關因素的影響規律，提出了深水井筒完整性設計控制新方法。

2）深水導管入泥深度設計與噴射安裝控制研究。相關研究成果揭示了深水導管與海底土體相互作用的機理，提出了綜合海洋環境、鉆井動載等多因素的導管與土體相互作用本構關系；采用不同的樁土接觸面模型，對深水鉆井導管的承載能力進行了計算分析，揭示了深水導管作為“循環通道”和“持力結構”兩大功能的動態力學特性，建立了深水導管噴射法入泥深度預測模型。該模型考慮了深水海底淺層土中黏性土和砂性土的土力學性質和海底分層土側向摩擦力的影響；同時，考慮了深水環境載荷及無隔水管作業工況的特點，以軸向靜載荷為主進行設計，形成了深水無隔水管送入管柱的強度靜力設計與動力校核方法，并根據校核結果控制深水導管噴射安裝作業過程中鉆壓等關鍵操作參數。

圖5 深水鉆井導管和隔水管安裝作業示意圖

3）深水鉆井隔水管力學行為研究。考慮到深水鉆井隔水管安裝過程中特殊的邊界條件，建立了深水鉆井隔水管安裝過程中多種動力學行為分析模型及控制方程，揭示了控制深水鉆井隔水管安裝過程力學行為的關鍵參數，并獲得了相應的安全作業窗口；采用傳遞矩陣和譜分析方法，對深水鉆井隔水管的頂張力進行了優化分析，得到了不同作業參數下的頂張力的最優值；還對深水鉆井隔水管緊急脫離時的力學行為進行了深入研究[14]。

4）通過多年的校企協同攻關，取得了以“海洋深水鉆探關鍵技術創新及產業化”項目為代表的重要成果，并由筆者牽頭獲得了2017年度“北京市科學技術獎一等獎”。該項成果的主要創新內容包括：①通過攻克海洋深水區的淺部地層壓力預測、井身結構與套管優化設計、救援井工程設計與壓井、超壓致密蓋層綜合提速及淺層土力學參數隨鉆測量等諸多理論和技術難題，掌握了深水鉆探工程全套設計要素和方法，制定了我國深水鉆探設計標準、作業規程和技術指南；②形成了深水表層導管入泥深度預測與控制方法，以及深水隔水管綜合力學分析與安全作業窗口預測方法，為深水鉆探工程安全高效作業提供了重要的技術支持；③建立了深海油氣工程科技創新與人才培養基地，自主研發了深水鉆井力學模擬實驗裝置，形成了“產、學、研、用”一體化的創新平臺條件。該項成果在我國南海及海外多個深水或超深水鉆探區塊得以成功應用，有力地推動了海洋深水鉆探行業的科技進步，助推了我國海洋深水鉆探工程從淺水區到超深水區歷史性跨越的實現。

5）復雜結構井磁導向鉆井技術研究。以水平井為基本特征的復雜結構井，是高效開發非常規、海洋、低滲透等復雜油氣田的先進井型技術，在國內外備受關注。磁導向鉆井技術可以實現鄰井距離的精確探測與控制，是上述復雜結構井與叢式井鉆井工程的關鍵技術之一。特別是在深海油氣鉆探與開發工程中，多分支井、“U”形井、救援井等復雜結構井測距與叢式井防碰，都對磁導向鉆井技術提出了新的要求。根據鄰井相對空間位置關系（鄰井軌跡平行和非平行井段），利用會聚角和異面夾角來表征非平行井段的不平行程度，提出了考慮井下磁干擾、會聚角和異面夾角大小的磁導向鉆井隨鉆測距算法，建立了雙水平井和連通井磁導向鉆井糾偏控制計算模型，自主研發了鄰井距離隨鉆電磁測控系統軟硬件，并通過現場試驗與應用驗證了其先進性[15]。相關研究成果揭示了套管周圍空間的磁場分布規律，提出了基于鄰井不同井深管柱磁場強度同步測量的隨鉆磁導向測距與防碰新方法，建立了相應的計算模型。結合現代數據信號采集處理技術和傳統的隨鉆測量（MWD）技術，自主研發了隨鉆磁導向測距與防碰系統軟硬件樣機（圖6），并成功進行了被動磁測距主動防碰模擬試驗。

圖6 隨鉆磁導向測距與防碰系統及其技術原理圖

4 結束語

1）中國南海深水區天然氣及其水合物的安全高效開發面臨著許多技術挑戰，迫切需要建立相適應的工程模式及其技術支撐體系，尋求“地質—工程—市場”一體化的解決方案。對于深海常規天然氣田，應積極試驗與建立“水平井或復雜結構井浮式鉆完井+水下鉆采系統+浮式生產、集輸與FLNG處理系統+船運外輸”的開發模式及其技術支撐體系；而對于鄰近淺水區的深水天然氣田，則可以考慮采用大位移水平井開發模式，將“水下井口”轉移到淺水區固定鉆采平臺上來，從而大幅度提高其綜合開發效益。

2）以實現海域水合物商業化開發為目標，應積極試驗與建立“水平井或復雜結構井浮式鉆完井+水合物原位分解開采+水下或浮式生產與集輸處理系統+管道或船運外輸”的開發模式及其技術支撐體系。另外，由于水合物埋藏在海底以下的淺部（如南海某海域的水合物埋藏在泥線以下200～300 m之間），難以實施水平井或“U”形井等復雜結構井工程，可考慮將井位選在水深較淺的海底，通過實施大位移井工程進行安全高效開發，或采用吸力錨技術與裝備建立水下井口。

3）通過持續的創新驅動，不斷提升深水鉆探、開采及儲運一體化技術體系的先進性與安全高效應用水平。同時，在深海天然氣工程中應高度重視安全環保問題，要特別注意防止發生井噴、泄漏等惡性事故。伴隨著信息、材料、人工智能等相關學科領域的科技進步，深海天然氣工程必然朝著信息化與智能化的方向加速發展。

4）國內外普遍重視深海石油和天然氣資源的勘探開發，相關技術與裝備的研發與應用不斷取得新的進展，若希望了解更多的相關研究與發展情況，請閱讀本文的相關參考文獻。