南海深水鉆完井技術(shù)挑戰(zhàn)及對(duì)策

南海深水鉆完井技術(shù)挑戰(zhàn)及對(duì)策

劉正禮胡偉杰（中海石油（中國）有限公司深圳分公司.中國海洋石油總公司）摘要：南海深水區(qū)海洋環(huán)境惡劣，臺(tái)風(fēng)和孤立內(nèi)波頻發(fā)，深水鉆完井工程設(shè)計(jì)和作業(yè)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。為提高我國深水油氣勘探開發(fā)技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)海上鉆完井技術(shù)研發(fā)、工程設(shè)計(jì)和作業(yè)能力由淺水向深水和超深水的跨越式發(fā)展，經(jīng)過十余年技術(shù)攻關(guān)和作業(yè)實(shí)踐，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深水鉆完井關(guān)鍵技術(shù)體系，首次建立了深水鉆完井作業(yè)指南、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，克服了南海特殊環(huán)境條件下的技術(shù)挑戰(zhàn)和作業(yè)難題，滿足了深水油氣鉆完井安全、高效的作業(yè)要求，并鉆成了最大作業(yè)水深近2500m的第1批自營深水井，開啟了我國油氣勘探開發(fā)挺進(jìn)深水的新征程。我國南海是世界四大油氣聚集地之一，其中70%蘊(yùn)藏于深水區(qū)。深水是挑戰(zhàn)當(dāng)今油氣勘探開發(fā)技術(shù)和裝備極限的前沿領(lǐng)域，尤其是在南海臺(tái)風(fēng)和孤立內(nèi)波頻發(fā)的惡劣海洋環(huán)境下，如何安全、高效地開展深水鉆完井作業(yè)成為了業(yè)界極為關(guān)注的焦點(diǎn)。筆者在充分術(shù)調(diào)研和分析基礎(chǔ)上，回顧了南海深水鉆完井作業(yè)歷史，論述了國內(nèi)外深水鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀，統(tǒng)計(jì)分析了南海深水作業(yè)復(fù)雜情況的主要原因和面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，進(jìn)而提出了已通過自主深水和超深水井成功實(shí)踐驗(yàn)證的技術(shù)對(duì)策，并闡述了我國深水鉆完井技術(shù)體系的建設(shè)情況，最后得出了未來深水鉆完井技術(shù)的努力方向。1南海深水鉆完井歷程南海深水鉆完井作業(yè)歷程可以追溯到20世紀(jì)80年代。1987年，國外作業(yè)者OccidentalEastern通過與我國簽訂合作協(xié)議，開始在南海白云區(qū)塊的深水鉆井作業(yè)。截至2014年，已有OccidentalEasternHuskyOil、Devon、BGChevron中海油和中石油7家國內(nèi)外作業(yè)者在南海進(jìn)行了60口井的深水鉆完井作業(yè)，其中，HuskyOil公司作業(yè)井?dāng)?shù)最多，從2004-2013年期間共鉆完井作業(yè)28,完井9;OccidentalEastern公司在1987年鉆井1口；Devon公司在2006年鉆井1口；BG公司在2010至2011年鉆井3口；Chevron公司在2011—2012年鉆井3口；中石油在2014年鉆井2口。2006年，Husky和中海油發(fā)現(xiàn)了荔灣3-1深水氣田，并于2013年正式投產(chǎn)。深水鉆井的足跡已遍布南海北部，通過對(duì)這些井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以基本得出南海北部深水鉆完井的技術(shù)挑戰(zhàn)和技術(shù)路線，如表1所示。2國內(nèi)外深水鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀全球油氣勘探開發(fā)從20世紀(jì)70年代進(jìn)入深水領(lǐng)域以來，深水鉆完井作業(yè)量和資金投入持續(xù)增加，墨西哥灣、西非海域、巴西海域是主戰(zhàn)場。隨著裝備和技術(shù)的更新?lián)Q代，深水鉆完井技術(shù)取得了長足進(jìn)步，正朝自動(dòng)化、智能化和本質(zhì)安全化發(fā)展。國外深水鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代以來，國外開展了一系列的深水油氣勘探開發(fā)的重大研究計(jì)劃，如美國的“DEEPSTAR“Hoover-Diana”和歐洲的“SeaPlan”，實(shí)現(xiàn)了3000m水深鉆采技術(shù)的突破。深水鉆完井技術(shù)創(chuàng)新主要包括地層壓力預(yù)測精度及鉆井液密度窗口確定技術(shù)、地層窄安全壓力窗口鉆井技術(shù)、溢流早期監(jiān)測技術(shù)、鹽膏地層鉆井技術(shù)、優(yōu)異性能鉆井液及水泥漿固井技術(shù)、救援井技術(shù)和智能完井技術(shù)等。國內(nèi)深水鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀2012年，自主設(shè)計(jì)建造的HYSY981深水鉆井平臺(tái)的應(yīng)用，正式拉開了我國自主勘探開發(fā)南海深水油氣資源的序幕。目前已由HYSY981NH8號(hào)和NH9號(hào)平臺(tái)在南海東部和南海西部深水區(qū)塊完成了20余口井的深水鉆井和測試作業(yè)，其中最大作業(yè)水深近2500m,目前為西太平洋第1超深水井。2014年8月由HYSY981平臺(tái)完成了中建島以南2口井的深水鉆井作業(yè)。2014年9月，HYSY981平臺(tái)在南海北部深水區(qū)某井測試獲得高產(chǎn)油氣流，作業(yè)水深1500m左右。我國掌握了南海惡劣海洋環(huán)境的深、遠(yuǎn)海鉆完井技術(shù)，并且已將技術(shù)成果成功應(yīng)用到了中海油海外赤道幾內(nèi)亞和剛果深水項(xiàng)目，取得了較好的應(yīng)用效果。3南海深水鉆完井技術(shù)挑戰(zhàn)引起南海深水井復(fù)雜情況的原因所占比例如圖1所示，惡劣海洋環(huán)境、淺層地質(zhì)災(zāi)害和地層壓力窗口狹窄所引起的復(fù)雜情況比例達(dá)到了50%,設(shè)備工具原因所占比例也大，主要是由老舊平臺(tái)設(shè)備、井下大尺寸鉆具、防噴器系統(tǒng)和棄井工具造成的。惡劣海洋環(huán)境臺(tái)風(fēng)臺(tái)風(fēng)生成時(shí)距離深水井位更近，移動(dòng)距離短，風(fēng)力強(qiáng)勁，且深水鉆完井作業(yè)關(guān)井需要更長的時(shí)間，因此臺(tái)風(fēng)對(duì)深水平臺(tái)比淺水的挑戰(zhàn)更大。2006年，Discover534平臺(tái)在LW31-1井因“派比安”臺(tái)風(fēng)來不及撤臺(tái)造成隔水管斷裂、防噴器落海，影響作業(yè)時(shí)間1個(gè)月，損失2700萬美元；2009年，WestHercules平臺(tái)在LH34-2-1井因“巨爵”臺(tái)風(fēng)下部隔水管總成碰撞海床，極大的影響了作業(yè)進(jìn)度，工期損失50d,費(fèi)用5000多萬美元。南海臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，每年6-11月為高發(fā)期，有2種類型：一種從菲律賓呂宋島以東洋面產(chǎn)生，然后進(jìn)入南海，強(qiáng)度較大，預(yù)警時(shí)間較長；另外一種是發(fā)生在南海中部偏東海面上的臺(tái)風(fēng)，俗稱“土臺(tái)風(fēng)”，強(qiáng)度相對(duì)較弱，但形成快，難預(yù)防，對(duì)海上設(shè)施有很強(qiáng)的破壞力。南海自營深水作業(yè)中，總共遭遇19個(gè)臺(tái)風(fēng)，給深水作業(yè)帶來了極大的安全威脅。孤立內(nèi)波這是一種主要在潮汐作用下產(chǎn)生的海洋內(nèi)部不連續(xù)的波浪形式，其巨大沖擊載荷不僅會(huì)對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生破壞，而且會(huì)使平臺(tái)產(chǎn)生突發(fā)性的大幅度漂移運(yùn)動(dòng)，使平臺(tái)系泊及立管張力也急劇增加，從而出現(xiàn)拉斷系泊或立管的災(zāi)害性事故，造成定位失敗、設(shè)備損壞、井下事故和鉆井液泄露污染環(huán)境等事故，同時(shí)也會(huì)給輔助船舶靠船帶來作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。南海北部海域常年頻繁出現(xiàn)孤立內(nèi)波。流速較強(qiáng)，平均流速約2.0m/s;作用時(shí)間短，平均20min;流速與流向同時(shí)改變和呈周期性連續(xù)性產(chǎn)生。呂宋海峽中部是南海北部大振幅孤立內(nèi)波的主要產(chǎn)生區(qū)域，其中荔灣和流花區(qū)塊就是受孤立內(nèi)波影響很大的區(qū)域。2006年，Discover534平臺(tái)在南海所鉆某井遭遇內(nèi)波，啟動(dòng)了緊急解脫程序，鉆具被剪斷，鉆井液排海230m3,耽誤作業(yè)時(shí)間11.7d,海洋環(huán)境遭到污染。2011年WestAquarius平臺(tái)在某井打油水井期間，遭遇流速超過4.0m/s的孤立內(nèi)波襲擊。風(fēng)、浪、流深水一般采用浮式平臺(tái)或者船，受風(fēng)、浪、流的影響會(huì)發(fā)生漂移、縱搖、橫搖運(yùn)動(dòng)，對(duì)錨泊系統(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng)造成不利影響。深水環(huán)境中海流速度一般較大，隨之產(chǎn)生一系列不利影響，包括增大隔水管曳力、造成隔水管渦激振動(dòng)以及限制隔水管起下作業(yè)窗口等。海底低溫水深的增加，海底溫度降低，深水海底溫度一般在2~4C,超深水海域溫度可能僅有1~2C,如某井水深2500m,溫度不到3C。低溫環(huán)境下容易在井口、防噴器和采油樹等設(shè)備處形成天然氣水合物，堵塞管線。鉆完井液在低溫下流動(dòng)性變差，易發(fā)生井漏、造成井下事故。水泥漿在低溫下凝固時(shí)間長，水泥石強(qiáng)度低。淺層地質(zhì)災(zāi)害通常發(fā)生在泥線下約1500m地層內(nèi)，在鉆完井作業(yè)期間，可能引起井控、井眼完整性和儲(chǔ)層可及性等問題。位于南海的馬來西亞海域的深水油田于2002年成功完成的5口深水井都顯示出存在淺層流、氣、水合物和脆弱非固結(jié)地層的影響，這些井的水深位于1300~3000m,而海底溫度低（約1.7C）,給鉆完井及后續(xù)作業(yè)造成了很大困難。淺層氣作業(yè)中一旦鉆到淺層氣聚集層，可能造成井口基底沖跨、發(fā)生井噴，甚至造成井口塌陷、火災(zāi)、平臺(tái)傾覆等災(zāi)難事故。我國南海淺層氣主要分布于大陸架區(qū)，而且甚為廣泛，如萬安盆地、鶯歌海盆地、瓊東南盆地和珠江口盆地等。淺層流淺層流存在不利于建立高質(zhì)量的套管尾管固井，影響井眼安全。殼牌石油公司在中國南海Gumusut-1F井鉆井施工時(shí)就曾經(jīng)鉆遇淺層流，屬于輕微超壓區(qū)，比靜液柱壓力高近689kPa水合物水合物的形成帶來的影響包括：阻塞防噴器、阻流和壓井管線，造成井控失效；井口頭內(nèi)形成水合物，影響套管坐掛、采油樹安裝作業(yè)、引起連接器解脫困難；堵塞完井立管使油流通道切斷，處理事故耗時(shí)費(fèi)力，還會(huì)使電纜工具卡在管內(nèi)，造成中部完井管柱處理事故等。不穩(wěn)定的海床深水海床的地質(zhì)狀況有許多不穩(wěn)定因素，其中包括了斜坡滑塌、地質(zhì)

疏松和流動(dòng)巖漿等對(duì)作業(yè)不利的情況。一般遇到深水松軟海床會(huì)產(chǎn)生大量問題，海床不穩(wěn)定可能會(huì)造成井口掩埋和表層導(dǎo)管吸附不穩(wěn)下沉等事故，因此必須評(píng)價(jià)以保證井口和井口基盤的穩(wěn)定性。2010年，Husky負(fù)責(zé)作業(yè)的LH291-3井因海床土質(zhì)疏松，造成水下井口下沉2.5m,險(xiǎn)造成井眼報(bào)廢的事故。地層壓力窗口狹窄巖石破裂壓力隨著水深的增加而減少，深水地層壓力窗口非常狹窄，如南海某井?444.5mm井段作業(yè)壓力窗口僅為0.06g/cm3,?311.1mm井段作業(yè)壓力窗口僅為0.08g/cm3。深水井所需的套管層數(shù)，比同樣鉆井深度的淺水井或陸地井多，有的井甚至因?yàn)樗杼坠軐訑?shù)太多而無法達(dá)到目的層。水深越深，海底沉積物越厚，海底表層沉積物膠結(jié)性越差，將導(dǎo)致大量的力學(xué)問題，發(fā)生井漏的幾率非常高。深水鉆井地層壓力窗口狹窄可能引起的影響包括：鉆井液損失、井涌、卡鉆、井眼垮塌、需要下多層套管等。4南海深水鉆完井技術(shù)對(duì)策臺(tái)風(fēng)早期預(yù)報(bào)模式與避臺(tái)技術(shù)采用了動(dòng)力隨機(jī)預(yù)報(bào)技術(shù)，通過集合天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的海氣耦合模式，預(yù)報(bào)南海地區(qū)季風(fēng)梢內(nèi)的帶氣旋生成和發(fā)展、移動(dòng)趨勢(shì)。技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：減少初始條件不確定性與模式不確定性對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果影響；高分辨率和多源四維資料同化的優(yōu)勢(shì)，可以有效消除系統(tǒng)性誤差和非系統(tǒng)性誤差（觀測誤差）；臺(tái)風(fēng)警報(bào)時(shí)間比國內(nèi)氣象臺(tái)早3~10do基于臺(tái)風(fēng)規(guī)律分析和早期預(yù)報(bào)結(jié)果，采用警戒區(qū)劃分和『time相結(jié)合的方法，形成了包括錨泊定位和動(dòng)力定位模式的深水鉆完井防臺(tái)避臺(tái)策略（圖2）,成功應(yīng)對(duì)了所遇的全部19次臺(tái)風(fēng)。T-time為完成井的保護(hù)、做好人員撤離前或平臺(tái)航行前的準(zhǔn)備工作所需時(shí)間；Tsafety為作業(yè)安全余量，深水為36ho孤立內(nèi)波實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警及應(yīng)對(duì)技術(shù)通過采用多普勒聲波測速儀、耦合式溫度鏈、波浪傳感器，將監(jiān)測海域孤立內(nèi)波和波流數(shù)據(jù)通過鉞星實(shí)時(shí)傳輸至浮式平臺(tái)和陸地實(shí)驗(yàn)室，形成了孤立內(nèi)波全天候?qū)崟r(shí)定量監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別孤立內(nèi)波的最大振幅、最大波致流、周期、傳播速度和傳播方向等特征參數(shù)，并可通過軟件自動(dòng)提示預(yù)警，估算內(nèi)波流到達(dá)作業(yè)點(diǎn)時(shí)間，預(yù)警時(shí)間誤差小于30min。按照孤立內(nèi)波引起的波致流大小和波致流加速度對(duì)內(nèi)波等級(jí)進(jìn)行劃分，根據(jù)作業(yè)實(shí)踐，建立了深水鉆完井孤立內(nèi)波應(yīng)對(duì)技術(shù)方案，如表2所示，成功對(duì)上百次孤立波進(jìn)行了有效預(yù)警和有力應(yīng)對(duì)。隔水管系統(tǒng)作業(yè)安全分析技術(shù)通過理論分析、底部殘余應(yīng)力法和下放鉤載法3種方法優(yōu)化了隔水管頂部張力值，優(yōu)化了隔水管一水下井口的受力狀況?；谧鳂I(yè)工況和隔水管一井口系統(tǒng)耦合受力分析，通過有限元分析方法對(duì)隔水管系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和渦激振動(dòng)計(jì)算，對(duì)隔水管系統(tǒng)承載能力進(jìn)行了校核，確定了作業(yè)配置和安全作業(yè)窗口。通過作業(yè)窗口計(jì)算和懸掛分析給出了作業(yè)關(guān)鍵點(diǎn)控制及注意事項(xiàng)，明確了臺(tái)風(fēng)期作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。技術(shù)成果解決了南海惡劣海洋環(huán)境條件下深水和超深水隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)及作業(yè)參數(shù)控制的難題，保障了隔水管系統(tǒng)在鉆完井作業(yè)過程中的安全性。導(dǎo)管入泥深度設(shè)計(jì)及水下井口穩(wěn)定性分析技術(shù)為提高深水海底淺層土質(zhì)疏松條件下的水下井口穩(wěn)定性能，建立了導(dǎo)管豎向?qū)崟r(shí)承載力計(jì)算模型，形成了導(dǎo)管入泥深度設(shè)計(jì)方法。通過水下井口在連接鉆井、連接非鉆井、完井和自存等多種工況下的受力分析，掌握了在不同海況條件下，水下井口穩(wěn)定性與浮式平臺(tái)偏移量、隔水管-防噴器系統(tǒng)配置、井口傾斜角和表層套管固井水泥返高等多因素的關(guān)系，建立了水下井口穩(wěn)定性分析推薦做法。在南海自營深水井的應(yīng)用過程中，表層導(dǎo)管均噴射成功，后續(xù)作業(yè)順利，保證了深水水下井口安全。淺層地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測與控制技術(shù)制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《深水鉆井井場評(píng)價(jià)要求》。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了井場識(shí)別、調(diào)查、評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要求，并對(duì)錨泊/動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)的井場淺層危害因素影響進(jìn)行了分析。采用鉆領(lǐng)眼井和動(dòng)態(tài)壓井技術(shù)來應(yīng)對(duì)淺層地災(zāi)害，建立了一套適合于深水淺層鉆井作業(yè)的淺層地質(zhì)災(zāi)害控制技術(shù)。該技術(shù)通過將加重鉆井液與海入井筒，結(jié)合環(huán)空摩阻的作用控制井底壓力，防止淺層井涌并控制井漏與井壁坍塌，可實(shí)現(xiàn)井底壓力的自動(dòng)控制，降低淺層作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。地層壓力預(yù)測技術(shù)深水地層壓力預(yù)測難點(diǎn)在于淺部未成巖地層的壓力預(yù)測，常規(guī)成巖地層壓力計(jì)算模型已經(jīng)無法采用。根據(jù)地震層速度和室內(nèi)試驗(yàn)確定淺部地層力學(xué)性質(zhì)，以統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算井周塑性區(qū)應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合超孔隙壓力理論計(jì)算井眼鉆開后超孔隙壓力分布規(guī)律，根據(jù)太沙基有效應(yīng)力理論計(jì)算井周有效應(yīng)力，結(jié)合水力壓裂理論計(jì)算出破裂壓力，建立了淺部地層破裂壓力計(jì)算模型，該模型解決了深水淺部地層壓力預(yù)測預(yù)測精度達(dá)到了90%。高效聚胺鉆井液體系針對(duì)深水鉆井液作業(yè)中遇到的低溫流變性難控制、易糊篩跑漿、長隔水管段攜砂困難、泥頁巖易水化和水合物抑制等技術(shù)挑戰(zhàn)，采用關(guān)鍵處理劑自主研發(fā)和現(xiàn)場應(yīng)用效果反饋-鉆井液性能改進(jìn)的綜合研究方法，研發(fā)了一套基于PFUHIRPF-UCAP和PF-HLUBdeng3種主齊的深水強(qiáng)抑制、無土相、高性水水基HEM聚胺鉆井液體系。該體系流變性能穩(wěn)定、抑制性能和攜砂能力強(qiáng)，具有較強(qiáng)的水合物抑制能力，成功應(yīng)用13口深水井。低溫低密度固井水泥漿體系深水固井的難點(diǎn)在于低溫水泥石強(qiáng)度發(fā)展慢、窄壓力窗口水泥漿漏失、異常壓力淺層流和水合物易造成井噴事故。通過開展低溫水泥漿體系、防淺層流和防水合物技術(shù)等技術(shù)研究，研發(fā)出深水低溫早強(qiáng)劑、緩凝劑、防竄增強(qiáng)