深水鉆井技術(shù)進(jìn)展與展望

摘 要

摘要：深水鉆井指作業(yè)水深大于400m而小于1500m的海洋鉆井作業(yè)。為減少甚至避免深水鉆井中由于地層破裂壓力低、淺層流體入侵井筒、頁巖不穩(wěn)定性、天然氣水合物問題、海底低溫
摘要：深水鉆井指作業(yè)水深大于400m而小于1500m的海洋鉆井作業(yè)。為減少甚至避免深水鉆井中由于地層破裂壓力低、淺層流體入侵井筒、頁巖不穩(wěn)定性、天然氣水合物問題、海底低溫等引發(fā)的諸多嚴(yán)重鉆井事故，總結(jié)了能夠緩解部分鉆井危險(xiǎn)的深水鉆井技術(shù)，例如：噴射下導(dǎo)管技術(shù)、動(dòng)態(tài)壓井技術(shù)、深水鉆井液技術(shù)、隨鉆測(cè)井與隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量技術(shù)等。針對(duì)深水鉆井新技術(shù)，包括無隔水管套管鉆井技術(shù)、無隔水管鉆井液回收技術(shù)、控制壓力鉆井技術(shù)等，分析并總結(jié)了各項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和基本原理，以期為深水油氣田勘探開發(fā)提供理論依據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用指導(dǎo)。同時(shí)，還可為實(shí)現(xiàn)智能鉆井提供相關(guān)的技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞：鉆井技術(shù)；深水油氣；套管鉆井；破裂壓力；孔隙壓力；展望；智能鉆井；技術(shù)支撐
    與大陸架和陸上勘探鉆井作業(yè)相比，深水作業(yè)的施工風(fēng)險(xiǎn)高、技術(shù)要求高，成本非常昂貴，資金風(fēng)險(xiǎn)也極高；作為回報(bào)，深水勘探鉆井作業(yè)所發(fā)現(xiàn)的石油地質(zhì)儲(chǔ)量也相對(duì)比較高。因此，單位儲(chǔ)量發(fā)現(xiàn)成本并不算高。深水鉆井是指作業(yè)水深大于400m而小于1500m的海洋鉆井作業(yè)，常規(guī)淺水鉆井工藝和鉆井裝備表現(xiàn)出明顯的局限性，已經(jīng)不再適應(yīng)深水鉆井；面對(duì)深水油氣勘探開發(fā)的困難和危險(xiǎn)性，深水鉆井新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。
1 深水鉆井面臨諸多挑戰(zhàn)
1.1 較小的破裂梯度
    一般來講，特定深度巖石的破裂壓力隨著上覆巖石壓力的增加而增大。隨著水深的增加，上覆巖層壓力被海水水柱靜水壓力代替，巖石破碎壓力隨著水深的增加而減少，特別是海底表層，破裂梯度幾乎為0。隨著水深的增加，海底沉積物越厚，海底表層沉積物膠結(jié)性越差。
1.2 淺層水、氣流
    海底淺部地層地質(zhì)年齡輕，壓實(shí)時(shí)間短，地層滲透率一般較高。通常欠壓實(shí)層的高滲透率使得高壓層內(nèi)地層水以很高的流速流向低壓區(qū)，即淺部水層井涌。淺層水井涌是許多鉆井問題的起因，表現(xiàn)為鉆井、下套管以及固井出現(xiàn)困難，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致井眼坍塌，甚至引起海底沉降，最壞的情況則是造成油氣井報(bào)廢。
    淺層氣位于淺層、體積小、壓力高、危險(xiǎn)系數(shù)大，由淺層氣引發(fā)的井噴易發(fā)生、速度快、處理困難、危險(xiǎn)性大并且可預(yù)見性差。淺層氣井噴屬于嚴(yán)重的鉆井事故，危害極大，常會(huì)造成嚴(yán)重后果，例如天然氣井噴著火，燒毀設(shè)備；又如表層套管下入深度較淺或封固質(zhì)量不好，氣體會(huì)從套管外噴出，造成套管外井噴，在地面形成大坑，使設(shè)備陷入地下等。
1.3 不穩(wěn)定的頁巖層
    除了上部地層中淺層水或氣的影響，繼續(xù)鉆進(jìn)會(huì)鉆遇不穩(wěn)定的頁巖地層，頁巖對(duì)水的敏感性很強(qiáng)，利用水基鉆井液鉆進(jìn)頁巖地層時(shí)，將有可能引發(fā)一系列鉆井事故。鉆遇頁巖地層失控引發(fā)的問題：井眼堵塞、下套管作業(yè)困難、鉆井液漏失、地層膨脹，井筒壓力降低等。利用鉆井液平衡頁巖地層壓力和阻止井筒壓力降低很困難，鉆遇頁巖地層的必然后果是鉆井液的漏失。
1.4 天然氣水合物問題
    深水鉆井中，天然氣水合物是一種潛在的危險(xiǎn)，它生成時(shí)會(huì)結(jié)冰阻塞管匯。天然氣水合物對(duì)井控的影響最大，它可能造成阻流管線和防噴器的阻塞，也可能阻塞鉆柱環(huán)空而限制鉆具活動(dòng)，甚至造成卡鉆。
1.5 溫度梯度
    深水鉆井中，隨著水深的增加，溫度逐漸降低，泥線附近位置水溫為4℃，隨著井筒深度的增加，溫度以3℃/100m的梯度逐漸上升。海底低溫將引發(fā)一些鉆井問題，比如天然氣水合物阻塞防噴器，甚至阻礙鉆具活動(dòng)，鉆井液性能降低和固井液流動(dòng)性下降等問題。這些問題都將有可能造成鉆井失敗。
1.6 套管設(shè)計(jì)
    隨著水深的增加，表層破裂壓力極低，要下入導(dǎo)管為鉆具提供通道；淺部地層可能存在淺層氣和淺層水等地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，要下入表層套管以封堵淺層水氣流；地層孔隙壓力與破裂壓力之間的窗口很窄，中間套管和技術(shù)套管用于封隔上部地層，以維持鉆進(jìn)而不壓漏地層。典型深水鉆井的井身結(jié)構(gòu)為Φ914mm導(dǎo)管、Φ508mm表層套管、數(shù)層中間套管和技術(shù)套管[1]，還要保證鉆達(dá)目的層井眼最小直徑不小于Φ222.2mm。表層套管固井也是深水固井的難點(diǎn)，海底的低溫影響是最主要的因素，由于低的破裂壓力梯度，常常要求只用低密度水泥漿，而深水鉆井的昂貴日費(fèi)用又要求水泥漿能在較短時(shí)間內(nèi)具有較高的強(qiáng)度。
2 深水鉆井技術(shù)
2.1 噴射下導(dǎo)管技術(shù)
   深水海底為較厚、松軟、高含水且未膠結(jié)的沉積地層，地層孔隙壓力與破裂壓力之間的窗口幾乎為0，通常采用打樁或鉆孔后下入導(dǎo)管固井的作業(yè)方式已不能適用深水鉆淺層的鉆井條件[1]。
   噴射導(dǎo)管鉆井技術(shù)，是將鉆具下入導(dǎo)管內(nèi)，利用導(dǎo)管及鉆具的重力和鉆井液的噴射來進(jìn)行巖石破碎的鉆井技術(shù)。利用噴射導(dǎo)管鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)和下導(dǎo)管同時(shí)進(jìn)行，鉆井液返回液不通過套管與井眼的環(huán)空而是通過鉆桿與套管的環(huán)空返回海底[2]，鉆至預(yù)定深度后，靜止管柱，利用地層的粘附力和摩擦力穩(wěn)同導(dǎo)管，不需進(jìn)行固井作業(yè)，而后，起出管內(nèi)鉆具或繼續(xù)鉆進(jìn)。噴射導(dǎo)管鉆井技術(shù)，避免了按照常規(guī)的打樁、鉆井、起鉆、下套管、固井的方式引發(fā)的鉆井問題，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約鉆井時(shí)間、減少鉆井問題，降低鉆井成本的目的。
2.2 動(dòng)態(tài)壓井技術(shù)
   動(dòng)態(tài)壓井方法：通過增加壓井循環(huán)排量增加流動(dòng)阻力，從而增加井底壓力，達(dá)到壓井的目的。在鉆井過程，動(dòng)態(tài)壓井的環(huán)空流動(dòng)壓降均勻地分布在整個(gè)井身長度上，常規(guī)壓井的回壓作用在整個(gè)井身的每一點(diǎn)上，也就是說動(dòng)力壓井法將產(chǎn)生較小的井壁壓力。其基本原理：以一定的流量泵入初始鉆井液，使井底的流動(dòng)壓力等于或大于底層的孔隙壓力，從而阻止地層流體進(jìn)一步侵入井內(nèi)，達(dá)到“動(dòng)壓穩(wěn)”狀態(tài)，然后逐步替入加重鉆井液，以實(shí)現(xiàn)完全壓井的目的，達(dá)到“靜壓穩(wěn)”狀態(tài)，從而減緩因淺層水、氣流容易引發(fā)下套管困難、井壁坍塌甚至井噴等嚴(yán)重鉆井事故。
2.3 深水鉆井液技術(shù)
    深水鉆井存在井壁穩(wěn)定性差、鉆井液用量大、地層破裂壓力窗口窄、井眼清潔困難、低溫下鉆井液流變性及淺層天然氣與形成氣體水合物等問題。針對(duì)深水鉆井的特點(diǎn)及深水鉆井對(duì)鉆井液的性能特性要求，深水鉆井鉆井液要具有防塌性能好、潤滑性優(yōu)良、低溫流變性穩(wěn)定及能有效抑制氣體水合物形式的特點(diǎn)。
    另外，深水雙梯度鉆井技術(shù)在一定程度上緩解了地層破裂壓力窗口窄的問題，利用雙梯度鉆井技術(shù)為避免井底壓力嚴(yán)重超過地層壓力而造成的鉆井嚴(yán)重過平衡，使得井底壓力不超過地層破裂壓力。雙梯度有兩種方式：一種是在隔水管環(huán)空內(nèi)注入海水；另一種是在隔水管內(nèi)特定位置注入低密度介質(zhì)，以降低其上部環(huán)空鉆井液的密度，而調(diào)整井底壓力，例如惰性氣體、輕質(zhì)塑料小球[3]。
2.4 隨鉆測(cè)井(LWD)與隨鉆壓力測(cè)量(PWD)
    LWD目前主要用于提高大位移井、高難度水平井的工程控制能力和地層評(píng)價(jià)能力，提高油氣層的鉆遇率。PWD通常是指APWD(隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量)，主要是用來測(cè)量鉆進(jìn)過程中環(huán)空中的壓力[4]。目前，斯倫貝謝Anadrill的StethoScope多功能地層壓力隨鉆測(cè)量服務(wù)既能在鉆井過程中準(zhǔn)確有效地測(cè)量環(huán)空壓力，又可以測(cè)量地層壓力，可以直接提供孔隙壓力和流體流度數(shù)據(jù)用于確定流體類型及界面。這為深水鉆井早期井涌監(jiān)測(cè)，避免地層水氣侵入井筒引發(fā)井壁坍塌、井噴等嚴(yán)重鉆井事故提供了可能。
3 深水鉆井技術(shù)展望
3.1 無隔水管套管鉆井技術(shù)應(yīng)用
    隨著海洋鉆井的不斷發(fā)展，套管鉆井技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于海上表層鉆進(jìn)，代替隔水導(dǎo)管和表層套管，避免了海底表層沉積物松軟、膠結(jié)性差、淺層流體等問題造成井壁坍塌、下套管困難、井控事故等鉆井問題[5]。
    深水鉆井井身設(shè)計(jì)(套管下入深度和套管的層數(shù))內(nèi)乳套引 由性事著量面是由淺層水、氣流和地層的破裂壓力/孔隙壓力梯度來決定的，而套管鉆井技術(shù)是可以緩解由淺層流體引發(fā)的鉆井問題。套管鉆進(jìn)，第一次開鉆可鉆達(dá)深度為泥線以下300～450m，即第一根套管可下入到常規(guī)鉆井中表層套管的深度。因此，第一根套管可起到隔水導(dǎo)管和表層套管的作用。從而套管下入深度由地層破裂壓力/孔隙壓力梯度決定而不是由淺層流體引發(fā)的鉆井危險(xiǎn)所決定，減少了下井套管的數(shù)量，降低不能用Φ215.9mm的套管完井(井眼過小)的危險(xiǎn)[6]，簡(jiǎn)化了井身結(jié)構(gòu)、減少作業(yè)程序、提高鉆井效率、節(jié)約鉆井成本。
    套管鉆井有兩個(gè)主要的特點(diǎn)：①涂抹效應(yīng)；②動(dòng)態(tài)當(dāng)量鉆井液控制，它降低了鉆井過程中鉆井危險(xiǎn)的發(fā)生。
    涂抹效應(yīng)就像一個(gè)泥鏟，套管單方向旋轉(zhuǎn)形成旋轉(zhuǎn)離心力場(chǎng)，粉碎的巖屑在較小的環(huán)空內(nèi)沿著井壁表層向上運(yùn)輸，巖屑顆粒鑲嵌在井壁的表面形成天然的封閉層。這個(gè)封閉層的不透水性較專用鉆井液造壁效果更好，涂抹效應(yīng)有利于鉆井液流失的控制和井筒的穩(wěn)定性。
    改善當(dāng)量鉆井液密度控制，或者叫做動(dòng)態(tài)鉆井液重量控制，套管與井壁之間的環(huán)空較小，這樣更有利于井眼凈化，有利于通過調(diào)整鉆井液的速度，控制當(dāng)量鉆井液密度。例如，典型的深水表層井筒為Φ812.8mm、鉆柱為Φ165mm，而套管鉆井中鉆開Φ812.8mm的井眼，一般采用Φ711.2mm的套管柱，這樣環(huán)空面積就減少了75%，這對(duì)減少井筒的溝道效應(yīng)有很明顯的效果。溝道效應(yīng)會(huì)引發(fā)淺層流體流進(jìn)井筒而引發(fā)一系列的鉆井問題。
3.2 無隔水管鉆井液回收技術(shù)的應(yīng)用
    無隔水管鉆井液回收鉆井技術(shù)就是在鉆井過程中不采用常規(guī)隔水管，鉆桿直接暴露在海水中，依靠安裝在海底井口的吸入模塊實(shí)現(xiàn)井眼和海水之間的密封，巖屑和鉆井液經(jīng)一條小直徑回流管線返回鉆井平臺(tái)。通過控制海底泵系統(tǒng)保證環(huán)空頂部壓力等于海水壓力，從而可以有效地控制海底泥面以下井眼的環(huán)空壓力、井底壓力，更好地匹配地層壓力和破裂壓力之間狹小的間隙，實(shí)現(xiàn)安全鉆井作業(yè)，可以解決目前深水鉆井遇到的諸多問題。
    該技術(shù)屬于雙梯度鉆井技術(shù)范疇，該技術(shù)的應(yīng)用使得地層孔隙壓力與地層壓力相對(duì)變寬，鉆井液應(yīng)用范圍變大，簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)(減少套管數(shù)量)，避免由隔水管破壞而引發(fā)的鉆井事故，為控制壓力鉆井提供了技術(shù)支撐。
3.3 控制壓力鉆井技術(shù)的應(yīng)用
    該技術(shù)是通過對(duì)回壓、流體密度、流體流變性，環(huán)空液位、水力摩阻和井眼幾何形態(tài)的綜合控制，使整個(gè)井筒的壓力維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間。進(jìn)行平衡和近平衡鉆井，有效控制地層流體侵入井眼，減少井涌、井漏、卡鉆等多種鉆井復(fù)雜情況，非常適合孔隙壓力和破裂壓力窗口窄的地層作業(yè)。據(jù)相關(guān)報(bào)道，控制壓力鉆井對(duì)井眼的精確控制可以克服80%的常規(guī)鉆井問題，縮短N(yùn)PT(非鉆井時(shí)間)20%～40%，單位進(jìn)尺平均成本井底19.5～39美元。
    控制壓力鉆井技術(shù)(MPD)控制的變量：①控制井口壓力，通過控制井口回壓或者在井筒的某一位置安裝泵，來調(diào)整井底壓力；②改變環(huán)空壓耗，正常鉆進(jìn)時(shí)，井底壓力是鉆井液液柱壓力和環(huán)空壓耗之和，通過改變鉆井液流態(tài)、流速和環(huán)空間隙(通常是改變鉆桿組合的外徑)就可以控制環(huán)空壓耗；③改變鉆井液參數(shù)，通過改變鉆井液密度、黏度、排量等調(diào)整環(huán)空壓耗。
3.4 深水智能鉆井技術(shù)
    陸地油氣田開發(fā)已進(jìn)入中后期，油氣勘探開發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向海洋方向，而海上油氣儲(chǔ)量的90%都賦存于水深超過1000m的地層中，隨著水深增加，鉆井環(huán)境更復(fù)雜，作業(yè)條件更惡劣。然而，隨著新鉆井技術(shù)、新材料技術(shù)、檢測(cè)控制、微電子技術(shù)、通信和計(jì)算機(jī)、機(jī)器人和超微加工等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，智能鉆井新技術(shù)必將應(yīng)運(yùn)而生[7]，為復(fù)雜的深水油氣勘探開發(fā)提供條件。隨著智能鉆井技術(shù)的不斷成熟，未來鉆井技術(shù)將向更加精確、高效、低成本、環(huán)保和安全方向發(fā)展。
4 結(jié)論
    隨著油氣勘探開發(fā)不斷向深海進(jìn)軍，淺水鉆井技術(shù)已不能滿足深水鉆井的要求，遠(yuǎn)海惡劣的環(huán)境條件以及復(fù)雜的深水地質(zhì)條件，都使得深水鉆井面臨更大的難題和挑戰(zhàn)，有可能導(dǎo)致深水鉆井失敗和引發(fā)嚴(yán)重的鉆井事故。隨著對(duì)深水鉆井技術(shù)不斷地探索研究，噴射下導(dǎo)管技術(shù)、動(dòng)態(tài)壓井技術(shù)、深水鉆井液技術(shù)、隨鉆測(cè)井技術(shù)等逐漸完善成熟，深水油氣勘探開發(fā)進(jìn)程已經(jīng)加速。無隔水管套管鉆井、無隔水管鉆井液回收、控制壓力等鉆井技術(shù)已初步嘗試應(yīng)用于深水鉆井，緩解甚至解決了一些深水鉆井難題。隨著深水鉆井新技術(shù)、監(jiān)測(cè)控制、通信、機(jī)器人等技術(shù)不斷成熟完善，智能鉆井技術(shù)必將主宰未來的石油產(chǎn)業(yè)。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：張曉東 王海娟 西南石油大學(xué))