深水鉆井完井的挑戰(zhàn)分析及對策

余定澤

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

石油資源十分重要，我國對深水油氣資源勘探的研究力度正在增加。深水鉆井完井在深水油氣資源勘探中具有重要地位，有必要對深水鉆井完井方面進行研究，了解其存在的挑戰(zhàn)，并采取解決措施，對提高我國深水油氣資源開發(fā)能力具有重要意義。

1 深水鉆井完井面臨的挑戰(zhàn)

1.1 地質(zhì)條件較為特殊

通常情況下，深水鉆井完井的實施區(qū)域普遍具有較為特殊的地質(zhì)條件，其具體表現(xiàn)在以下三個方面：其一，地質(zhì)環(huán)境具有較強的多樣性，且復雜程度較高。我國多數(shù)深水區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境具有較強的復雜性，例如南海存在明顯的沙地沙溝、沙脊沙坡具備移動性，并且移動速度較快，都會給工程的開展帶來巨大的影響。海南地區(qū)的各種環(huán)境都具有多樣性的特點，不同區(qū)域都會因為巖石力學性質(zhì)的不同，導致地質(zhì)情況有著不同的變化效果。故而在鉆井設計與實際操作中，井筒壓力管控難度將明顯提高。其二，地溫場的分布方面不具備清晰性。我國多數(shù)深水區(qū)域的地溫場分布方面存在異常，造成各項工作受到不良影響。例如在南海北部的深水區(qū)，其地溫特征數(shù)據(jù)雖具有全面性，但能夠獲取的數(shù)據(jù)內(nèi)容存在限度，造成地溫特征數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)匱乏現(xiàn)象，導致實測地溫梯度數(shù)據(jù)數(shù)量減少。在地溫場分布方面不具備清晰性的情況下，深水鉆井完井工作液流動環(huán)境內(nèi)溫度場與壓力場的預測難度將明顯提高。其三，“三淺”地質(zhì)災害出現(xiàn)的可能性較高，具體表現(xiàn)在三個方面：

(1)天然氣水合物。在我國南海地區(qū)，各種天然氣水合物都是礦產(chǎn)資源的重要組成內(nèi)容，天然氣水合物的成礦條件較為良好，南海地區(qū)的天然氣和石油資源較為豐富。在此基礎上，進行鉆井操作時，各方面可能受到外界擾動的影響，從而導致滑坡現(xiàn)象發(fā)生。

(2)淺層氣。多數(shù)深水區(qū)域存在許多淺層氣，且淺層氣地層不具備良好的承載能力與抗剪強度，造成孔隙壓力增大。在鉆井操作中，氣體的突然性釋放，也會造成火災安全事故的產(chǎn)生。

(3)淺水流。多數(shù)深水區(qū)域的危險性較高，在深水鉆井工程開展中，普遍未掌握其分布特點，造成鉆井操作風險性增強。從實際出發(fā)，可發(fā)現(xiàn)進行鉆井操作時，受到潛水流地層的影響，極有可能出現(xiàn)井噴現(xiàn)象，致使砂水流形成，導致井口及井筒受到破壞，造成鄰井受到一定影響。

1.2 地質(zhì)災害相對較多

深水淺部地下儲層具有一定程度的天然氣水合物質(zhì)及淺層水流等，因此在開展各項操作時，難以對其進行精準判斷與識別，導致不確定性。在正式開展深水鉆井施工作業(yè)時，若未對上述因素加以重視，極有可能導致地質(zhì)災害發(fā)生，造成鉆井事故發(fā)生的可能性增加。深水淺部地層，欠壓實程度相對較高，力學特性較多，主要有承壓能力較差及軟膠結等。在受到深水環(huán)境下具有的復雜載荷影響時，極有可能出現(xiàn)井口突發(fā)性失穩(wěn)、井漏、井塌等不良現(xiàn)象，從而造成惡劣后果。

1.3 管柱承受的載荷較為復雜

在深入分析深水鉆井完井隔水管柱系統(tǒng)后，可發(fā)現(xiàn)其屬于重要設備，能夠?qū)ι钏@井完井與陸地及潛水作業(yè)進行有效區(qū)分。但通過調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，由于作業(yè)環(huán)境較為惡劣，工程條件具有較強的復雜性，且在實際操作中有可能受到風、浪及內(nèi)波等多種復雜載荷的干擾，故而海底井口—隔水管—平臺耦合系統(tǒng)有可能在深水鉆井完井作業(yè)實施中產(chǎn)生一系列安全隱患。常見的安全隱患主要有設備磨損、隨機振動及疲勞斷裂等，對結構設計與安全控制順利實施不利。此外，在深水鉆井完井隔水管柱系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題的情況下，隔水管發(fā)生斷裂問題的可能性將顯著增加，且有可能出現(xiàn)爆炸、火災及平臺限位失效等事故。

1.4 井筒溫度及壓力場條件復雜

在深水鉆井工程開展的階段中，需要對淺部地層的壓實情況以及安全密度窗口情況進行調(diào)查。如果各項數(shù)據(jù)都較為欠缺的情況下，很容易造成各種安全風險和事故問題的產(chǎn)生，導致井下故障問題發(fā)生概率明顯提升，并且對壓力管道的控制難度也有明顯增加。對于低溫高壓的環(huán)境來講，在實際工程建設施工的階段中，很有可能會產(chǎn)生大量的天然氣混合物，導致氣體流動方面存在故障問題，在情況嚴重的情況下，還會導致油氣井報廢問題的產(chǎn)生。此外，在深部底層溫度較高的情況下，溫度的變化也會導致鉆井液大量流出，對井下結構造成改變，工作人員較難對深水井壓力進行計算，各種安全問題也會不斷產(chǎn)生。在未充分明確多相流型轉(zhuǎn)化機制的情況下，工作人員將難以對深水井筒壓力進行有效管控，從而造成惡劣后果。

2 深水鉆井完井難題的應對措施

2.1 預測地質(zhì)災害與淺層鉆井風險防控

對于深水鉆井工程來講，在工程開展的準備階段中，需要對周邊環(huán)境、水文地質(zhì)等多種條件進行研究，工作人員需要結合各種參數(shù)內(nèi)容和變化情況進行明確確定，對不同參數(shù)內(nèi)容進行調(diào)整，加強變化特征的全面落實，精準有效地對各種影響因素進行分析，為后續(xù)工作的開展奠定良好的基礎與保障。同時，在實際工作開展的階段中，還需要加強對鉆井工程的開展，及時對多種不穩(wěn)定因素進行研究，制定有效的改善措施，避免技術問題對工作造成的影響。除此之外，還需要對鉆井工程存在的機理變化進行研究，對各種問題進行有效處理和改善，加強深水鉆井的穩(wěn)定性，及時對各種問題進行控制，避免風險問題對工程建設造成的危害與影響，以提升作業(yè)風險管控水平，降低不良現(xiàn)象發(fā)生的可能性。

2.2 隔水管平臺耦合機理及安全管控

考慮到在深水區(qū)域進行鉆井完井時，有可能出現(xiàn)洋流及臺風等現(xiàn)象，且深水鉆井設備及主體結構將對較為復雜的載荷進行承受，導致鉆井完井方面的安全設計與管控難度顯著提高。對深水井口隔水管平臺系統(tǒng)進行建設，并開展力學耦合模型數(shù)據(jù)分析工作，充分掌握隔水管系統(tǒng)在不同工作狀況下的力學耦合特性，細致化分析不同限位方法下半潛鉆井平臺的具體運動響應狀況，研究限位在失去效用條件時所具有的漂移特性，從而實現(xiàn)獲取半潛式鉆井平臺的響應原理，明確隔水管的運動規(guī)律[1]。針對從式立管之間的干涉及立管與流體場力學耦合作用的特點，需要對深水鉆井完井管柱系統(tǒng)的管理方案進行編制，落實對隔水管與管柱結構體系設計方面的管理工作，及時解決設計問題，并采取風險管控措施，避免不良現(xiàn)象發(fā)生。

2.3 非穩(wěn)態(tài)多相流動原理和井筒壓力管控措施

在高溫與低溫交變的狀況下，鉆井液的流動性轉(zhuǎn)變幅度將明顯增大，造成多相流轉(zhuǎn)變機理無法得到明確，因此需要對深水鉆井完井液流體發(fā)生轉(zhuǎn)變的原因進行深入研究，了解其規(guī)律，探究處在非定流狀況下的深水鉆井多相流變化原因。在溫度較低，但壓力較大的狀況下，將難以對天然氣水合物的相變及井筒壓力狀況進行精準估測，因此需要對天然氣水合物質(zhì)、油氣相變多相流數(shù)學模型進行構建，采用具備科學性及合理性的求解算法。針對無法明確地下儲層壓力，且難以有效管控井筒壓力的狀況，需要實施井涌診斷與評價。考慮到深水淺地層形成的壓力值與地下儲層壓力相近，從而導致鉆井液密度安全性顯著降低，造成鉆井完井施工中出現(xiàn)井壁坍塌及井噴等不良現(xiàn)象的可能性增加，故而對密度及井筒壓力方面進行深入研究，增強安全性，實現(xiàn)有效管控井筒壓力。在開展深水井的測試操作時，考慮到管柱結構的復雜程度相對較高，工作情況易出現(xiàn)變化，且井筒內(nèi)部溫度及壓力場的分布方面呈現(xiàn)復雜化，需要對溫度及壓力場的分布特性進行研究，明確受到天然氣水合物及蠟沉積堵塞現(xiàn)象影響從而出現(xiàn)的流動障礙形成機制，有效處理深水安全高效測試方法及測試參數(shù)設計方面存在的問題。

2.4 設計理論與風險控制

在深水鉆井工程開展的階段中，工作人員需要對各種災害性問題進行處理，必要時還需要對深水鉆井結構進行分析，按照工程建設的相關標準和原則，制定與工程結構相吻合的設計方案。在對深水鉆井處理的過程中，需要加強對系統(tǒng)的重視，及時對系統(tǒng)中存在的各種弱點進行分析，對不確定信息進行研究，保證系統(tǒng)設計手段的明確性和有效性，這樣也能夠在一定程度上確保工程建設的完善性、安全性以及可靠性。除此之外，在設計工作開展的階段中，還需要結合實際的設計方案對穩(wěn)定變化調(diào)節(jié)制度進行建設，編制溫度調(diào)控的相關方案，保證設備可靠性、環(huán)保型的基礎上，實現(xiàn)對工程科學合理的設計。在完成上述研究之后，還需要以研究報告內(nèi)容作為基礎，對施工中可能會存在的各種風險問題進行識別，在了解并掌握相關內(nèi)容的基礎上，對不確定因素導致的風險進行轉(zhuǎn)換，創(chuàng)造工程安全系統(tǒng)模式，及時對風險問題進行控制，加強預防方案的全面落實。

3 未來發(fā)展建議

從整體的發(fā)展角度上進行分析可以發(fā)現(xiàn)，造成深水鉆井工程方面問題的主要因素，是深水環(huán)境以及地層的基本條件，在各種特殊性要求的基礎上，加強對各種困難問題的研究，制定有效的改善措施，保證各種問題以及基礎理論體系都能得到完善，進而為深水油氣開采作業(yè)順利進行提供支持。

3.1 研究淺層地質(zhì)災害與井眼穩(wěn)定性機理

對各種不穩(wěn)定因素進行評估和判斷的過程中，需要結合各種改善技術，對壓力相對較低的巖石附近進行處理，保證深淺壓力的穩(wěn)定性，保證壓實程度的基礎上，減少各種混合物的產(chǎn)生，避免地質(zhì)災害問題的不斷產(chǎn)生。工作人員需要加強對導管深度的研究和分析，保證設計的效果。在實際工程建設的階段中，也會存在多種問題影響工程后續(xù)的穩(wěn)定性，比如：深水淺層巖石工程力學的基本特征、區(qū)域流場與超壓預測、深水淺層流形成機理方面未得到充分明確，進而導致深水鉆井環(huán)境方面受到不良影響。因此為解決上述問題，在未來發(fā)展中圍繞深水鉆井淺層地質(zhì)災害與井眼穩(wěn)定性機理展開研究，從而實現(xiàn)對鉆井完井風險的有效管控。

3.2 研究結構載荷特點與安全管控原理

當前我國在錨泊與動力定位狀況下隔水管系統(tǒng)失效機理、深水管柱系統(tǒng)完整性評估及安全管控等方面仍有進步空間。因此在未來發(fā)展中對安全高效鉆井方面進行研究時，需要將海洋深水鉆井結構載荷特點及安全管控原理作為重點研究方向，明確深水鉆井管柱系統(tǒng)完整性管理措施及重要部件工程性優(yōu)化設計措施，為其提供可靠支持[2]。

3.3 研究多相流動規(guī)律與井筒壓力管理機制

深水鉆井完井操作時，井筒溫壓場具有復雜性，且地層壓力與地層破裂壓力相近，造成安全密度窗口變窄，致使井噴與井漏現(xiàn)象發(fā)生后，井筒壓力的管控難度顯著提高。對上述內(nèi)容，其存在的主要難題是未對處在氣侵狀況下的井筒壓力進行精準計算，在計算合理的基礎上，對多項流動規(guī)律的復雜程度進行改善，加強對非穩(wěn)定狀態(tài)下的天然氣運動規(guī)律進行研究。除此之外，在完成流動測試之后，需要在風險評估報告的基礎上，對深水鉆井施工的后續(xù)流程進行規(guī)劃制定，加強研究報告內(nèi)容的全面落實，對各種相關規(guī)律進行關聯(lián)性研究，減少后續(xù)問題的產(chǎn)生[3]。因此為對上述問題進行有效應對，在未來對安全高效鉆井完井方面進行研究時，需要認識到深水鉆井完井井筒多相流動規(guī)律及井筒壓力管控手段的重要性，并圍繞上述內(nèi)容進行研究，進而實現(xiàn)為復雜狀況下的測試風險評估手段及井筒壓力精細化管控工作順利開展提供支持。

4 結語

綜上所述，當前我國深水鉆井完井面臨許多挑戰(zhàn)。對深水鉆井完井方面進行研究，了解其面臨的挑戰(zhàn)，及時采取有效的應對措施，并充分明確重點研究對象，持續(xù)進行深入研究，進而確保深水油氣資源勘探開發(fā)操作能夠順利完成。