海洋石油深水钻完井技术概述

海洋石油深水钻完井技术概述摘要：深水区海洋环境恶劣，台风和孤立内波频发，深水钻完井工程设计和作业难度大、风险高。在充分借鉴我国浅水钻井设计和国外深水钻完井设计及施工经验的基础上，研究并提出了深水钻完井设计的技术流程与工作方法，逐步形成了深水技术、深水科研、深水管理的三大体系，克服了深水特殊环境条件下的技术挑战和作业难题，满足了深水油气钻完井安全、高效的作业要求，具备了国内外深水自主作业能力。关键词：深水；钻完井；作业实践；超深水跨越目前，世界各国高度重视深水油气的勘探与开发，以BP、Shell、Petrobras等为代表的油公司和以Transocean等为代表的服务公司掌握了深水钻井完井关键技术，主导着深水油气勘探开发作业。我国南海是世界四大油气聚集地之一，其中70%蕴藏于深水区。深水是挑战当今油气勘探开发技术和装备极限的前沿领域，尤其是在恶劣海洋环境下，如何安全、高效地开展深水钻完井作业成为了业界极为关注的焦点[1-3]。因此，研究深水钻完井所具有的特点，把握其发展趋势，对于促进我国石油工业可持续发展、增加油气产量、保障能源安全具有重要意义。1深水钻完井设计面临的挑战在深水环境钻完井难度很大，深水钻完井设计不同于常规水深的钻完井设计，主要面临以下几个方面的挑战：2.1深水低温海水温度随水深增加而降低，深水海底温度通常约为4℃，海水的低温可以影响到海底泥线以下约数百米的岩层[4]。低温带来的问题主要包括：海水低温环境使隔水管中的钻井液流变性发生变化，在该温度下容易形成水台物，而且这样低的温度的对于钻井液和水泥浆的物理性质有很大的不利影响。会使钻井液的黏度和密度增大，钻井液的黏度增大可产生凝胶效应，在井筒流动中产生较高摩擦阻力，增大套管鞋处地层被压开的风险。容易引起钻井液稠化，使其流变性变差。低温还会延缓水泥水化导致水泥胶凝强度和水泥石抗压强度发展缓慢，流体易侵入水泥基体，容易造成油、气、水窜，后续作业无法顺利进行，影响固井质量。2.2浅层气和浅层流浅层气、浅层流是深水钻井作业经常遇到的挑战之一，特别是在墨西哥湾和中国南海，都曾经钻遇浅层气、浅层流[5]。浅层气、浅层流易造成井口倾斜倒塌，井喷失控。浅层气、浅层流具有压力高、易发生井喷、井喷速度快、允许波动压力低及处理困难的特点。主要原因是埋藏太浅，不容易被发现，或者发现时还没有安装井口，无法正常压井，因而浅层气、浅层流井控是深水钻井的一大难题。2.3天然气水合物天然气水合物是由于天然气和水在低温高压环境条件下形成的一种笼型化合物。随着深水油气勘探开发步伐的逐步加快，深水钻完井中水合物带来的危害已被人们认识到。在深水钻完井作业中当天然气和自由水的同时存在时，就有可能在井筒、阻流压井管线和防喷器等部位形成水合物，造成井筒、管道堵塞和井控困难等风险，给生产作业带来危害[6]。此外，如果在钻井过程中钻遇水合物层，由于钻井破坏了水合物藏的温度、压力环境，会导致水合物层中水合物的分解，影响井筒稳定性等。2.4风浪流影响深水一般采用浮式平台或者船，受风、浪、流的影响会发生漂移、纵摇、横摇运动，对锚泊系统和动力定位系统造成不利影响。深水环境中海流速度一般较大，随之产生一系列不利影响，包括增大隔水管曳力、造成隔水管涡激振动以及限制隔水管起下作业窗口等，因此对其疲劳强度设计提出了更高的要求。环境载荷超出隔水管作业极限载荷时，需要断开隔水管系统和水下防喷器的连接[7]。悬挂隔水管的动态压缩也可能造成局部失稳，增大隔水管的弯曲应力和碰撞月池的可能性。强烈的海洋风暴对钻井平台具有灾难性的破坏作用，因此深水钻井对海洋风暴的预测及钻井平台快速撤离危险海域提出了更严格的要求。2深水钻井关键技术2.1浅层地质灾害预测与控制技术浅层危害物预测与控制是确保深水钻井作业安全的关键技术之一。浅层危害物的预测最直接有效的方法是采用钻领眼井和动态压井技术来应对浅层地质灾害，建立了一套适合于深水浅层钻井作业的浅层地质灾害控制技术。该技术通过将加重钻井液与海水以一定比例混合得到不同密度的钻井液，迅速泵入井筒，结合环空摩阻的作用控制井底压力，防止浅层井涌并控制井漏与井壁坍塌，可实现井底压力的自动控制，降低浅层作业风险[8]。另外，研究人员还提出了应用高精度地球物理技术识别评价浅层危害物的方法，该方法的核心是利用多道数字地震剖面调查等技术并与地貌调查，浅、中、深地层剖面调查相结合，综合利用亮点识别法、相面法、声速度谱识别法等从地震资料中识别浅层气，采用反射地震识别和反演识别方法来识别浅水流。2.2井身结构及套管设计深水钻井井身结构设计应根据地层压力预测研究结果、地质必封点情况和钻井液密度窗口，结合孔隙压力、井眼稳定性、可能的浅层灾害和邻井实钻情况，并考虑易坍塌层、易漏层、特殊流体层、特殊岩性层、井眼轨迹要求等因素，在保证“压而不死，活而不喷”的前提下，设计各层套管的下入深度和尺寸。综合考虑这些因素与作业特点，以安全优先并降低作业成本为原则，提出了井身结构优化思路：导管与表层套管井段用海水钻进，采取喷射方式下入导管，表层套管井段采用开眼循环方式钻进等。井身结构优化设计方法主要包括基于导管及水下井口承载能力的导管喷射下入深度确定方法，基于开眼循环钻进的表层套管下入深度和水力参数确定方法，压力不确定条件下套管层次及下深确定方法和井身结构风险评价与优选方法[9]。探井采用“自上而下”井身结构设计方法，生产井常采用“自下而上”的方法。然后根据井口系统、平台设备能力及地质油藏要求，确定井眼尺寸。对于探井，除考虑预留一层备用套管及备用井眼外，还应考虑套管与地层之间、套管与套管之间密闭环空压力在温度变化情况下对套管完整性的影响。此外，表层导管应根据井口稳定性校核结果确定。2.3深水钻井液技术深水钻井液面临的技术难题主要有低温引起的流变性控制困难、含气砂岩所引起的气体水合物生成、泥页岩稳定、井眼清洗困难、隔水管段携岩能力差以及环保要求高等。必须在处理剂单剂优选的基础上，优化出适合于深水钻井的钻井液体系，其性能须满足以下要求：切力受温度影响较小，流变性合理，滤失量较小，抗温抗污染能力强，能够有效拟制水合物的形成，而且环保。经研究并借鉴国外主要钻井液承包商的技术成果，提出除导管和表层段采用海水钻进外，其他井段均采用合成基钻井液体系钻进，因为合成基钻井液既具有油基钻井液的优良性能，又能较好地解决油基钻井液对环境的污染问题[10]。合成基钻井液体系主要以合成基液为连续相，盐水为分散相，加上乳化剂、有机土等组成。深水低温条件下，通过调整基液和乳化剂的加量来控制和优化钻井液流变性，根据不同井段和地层对钻井液性能的需要可加入降滤失剂、流变性调节剂、水合物抑制剂和重晶石等调整体系性能。2.4深水钻井设备2.41半潜式钻井平台深水钻井中，钻井装备应能承受风浪流的反复冲击、特殊海区海冰的作用、强热带风暴的作用及海洋环境对设备的腐蚀破坏，因此，深水钻井装置面临的最大挑战是保证平台在恶劣海况下的安全性和可靠性。目前发展出了一种比较成熟的适合于深水的半潜式钻井平台。半潜式钻井平台上部为工作甲板，下部为2个下船体，用支撑立柱连接[11]。工作时下船体潜人水中，甲板处于水上安全高度，水线面积小，波浪影响小，稳定性好、支持力强、工作水深大，新发展的动力定位技术用于半潜式平台后，到本世纪初，工作水深可达3000m，同时勘探深度也相应提高到9000～12000m。2.42深水钻井船钻井船是移动式钻井装置中机动性最好的一种，其移动灵活，停泊简单，适用水深范围大，特别适于深海水域的钻井作业深水钻井船主要包括船体、锚泊或动力定位系统和自航行系统。船体用于安装钻井和航行动力设备，并为工作人员提供工作和生活场所。在钻井船上设有升沉补偿装置、减摇设备、自动动力定位系统等多种措施来保持船体定位[12]。自动动力定位是目前较先进的一种保持船位的方法，可直接采用推进器及时调整船位。以上是深水钻井船的优点，其缺点是夹板使用面积小，工作受海洋环境因素影响大。3深水完井关键技术深水完井的难点在于低温水泥石强度发展慢、窄压力窗口、水泥浆漏失、异常压力浅层流和水合物易造成井喷事故，这需要通过优化水泥浆体系性能和完井工艺两个方面来解决。3.1深水固井水泥浆深水固井水泥浆体系应具有低失水、短过渡、强度发展快、候凝时间短等特点，需根据地质资料、邻近区块情况调查研究，采用最优粒径分布理论优化水泥浆体系。深水区域常用的水泥浆体系有膨润土低密度水泥浆体系、非渗透水泥浆体系等，膨润土水泥浆体系基本组成为G级水泥、膨润土、早强剂等，非渗透水泥浆基本组成为水泥、非渗透防气窜剂、缓凝剂、减阻剂等。固井施工过程中应充分考虑井眼内的压力平衡，以防止发生流体窜流以及压漏地层等井下故障，因而要实时监控钻进参数、水泥浆流变性能等数据，通过软件模拟确保水泥浆性能、固井作业参数满足全过程平衡压力固井的要求，同时优化前置液性能和用量，提高顶替效率，实现水泥环的封隔长期有效。3.2注水泥顶替技术塞流顶替技术是一项适用于松软地层、大环空间隙条件下的顶替技术，在深水固井中应用广泛。塞流顶替的特点是流体流速剖面非常平稳，顶替液对被顶替液都进行塞流状态流动时，二者间不易掺混，有利于提高顶替效率。目前，有关塞流顶替的研究报道很少，主要有Pelipenko采用Hele-Shaw模型研究了在窄环空、套管居中时的塞流顶替数值模拟研究。3.3深水固并设备与工艺目前，国外深水固井注水泥设备正朝着小型化、自动化和智能化方向发展。在密西西比河峡谷深水一区域注泡沫水泥固井作业时，采用了橇装注水泥装置、液体外加剂添加系统、连续监测系统(CMS)和氮气系统，并通过可移动控制中心系统(MCC)将这几部分组合成一个有机整体，实现注水泥作业的实时监测与远程控制[13]。在防窜固井工艺方面，墨西哥海湾地区采用水泥脉冲技术来阻止水泥浆在候凝过程中的浅层水一气流动，泰国湾地区使用管外封隔器(ECP)技术来克服浅层气窜等问题。这些防窜措施效果较好，但施工复杂。为减少海上移动钻井装置上的固井设备，固井材料的液体化技术也成为研究热点。BJ公司以多功能液体水泥外加剂(MLA)、预混配液体水泥(LCP)并结合液体加料系统(LAS)可准确配制出不同密度的水泥浆以满足不同海洋固井需要。该液体配浆技术减少了固体干混装置，最大限度地消除了环境污染，只在运送的钢罐内残留极少量水泥等材料，便于清洗，也可存在钢罐中待条件许可时再处理。4总结深水技术领域是我国石油工业未来发展的新领域，特别是未来在陆上油气资源日趋探明和有限的条件下，走向海洋，走向深水，已经成为中国石油工业的必然。因此，关注深水、重视海洋是我国当前石油行业里要积极开展工作的一件大事。然而目前国内关于深水钻完井的研究尚处于起步阶段，在海洋深水海域进行勘探寻找油田非常困难，而对深水油气田进行最大程度的开发尤甚，而深水油气田的开发成本和风险居高不下。为进一步加快我国深水油气勘探开发的速度，必须加强深海油气钻完井技术装备方面的研究投入和研发团队建设，并创新技术革新体制，本着引进、消化、吸收、创新和运用的原则，对深水钻井关键装备和技术进行科学研发，以形成一套适合我国深水油气钻探的技术体系，为我国的深水勘探和开发提供有力的技术支撑。