深水鉆井技術(shù)進(jìn)展與展望

  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)險高、技術(shù)要求高，成本非常昂貴，資金風(fēng)險也極高；作為回報，深水勘探鉆井作業(yè)所發(fā)現的石油地質(zhì)儲量也相對比較高。因此，單位儲量發(fā)現成本并不算高。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)，常規淺水鉆井工藝和鉆井裝備表現出明顯的局限性，已經(jīng)不再適應深水鉆井；面對深水油氣勘探開(kāi)發(fā)的困難和危險性，深水鉆井新技術(shù)不斷涌現。

 

  １ 深水鉆井面臨諸多挑戰

 

  １．１ 較小的破裂梯度

 

  一般來(lái)講，特定深度巖石的破裂壓力隨著(zhù)上覆巖石壓力的增加而增大。隨著(zhù)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(zhù)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(zhù)水深的增加，海底沉積物越厚，海底表層沉積物膠結性越差。

 

  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 地層水以很高的流速流向低壓區，即淺部水層井涌。淺層水井涌是許多鉆井問(wèn)題的起因，表現為鉆井、下套管以及固井出現困難，嚴重時(shí)會(huì )導致井眼坍塌，甚至引起海底沉降，最壞的情況則是造成油氣井報廢。  淺層氣位于淺層、體積小、壓力高、危險系數大，由淺層氣引發(fā)的井噴易發(fā)生、速度快、處理困難、危險性大并且可預見(jiàn)性差。淺層氣井噴屬于嚴重的鉆井事故，危害極大，常會(huì )造成嚴重后果，例如天然氣井噴著(zhù)火，燒毀設備；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，使設備陷入地下等。

 

  １．３ 不穩定的頁(yè)巖層

 

  除了上部地層中淺層水或氣的影響，繼續鉆進(jìn)會(huì )鉆遇不穩定的頁(yè)巖地層，頁(yè)巖對水的敏感性很強，利用水基鉆井液鉆進(jìn)頁(yè)巖地層時(shí)，將有可能引發(fā)一系列鉆井事故。鉆遇頁(yè)巖地層失控引發(fā)的問(wèn)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(yè)巖地層壓力和阻止井筒壓力降低很困難，鉆遇頁(yè)巖地層的必然后果是鉆井液的漏失。

 

  １．４ 天然氣水合物問(wèn)題

 

  深水鉆井中，天然氣水合物是一種潛在的危險，它生成時(shí)會(huì )結冰阻塞管匯。天然氣水合物對井控的影響最大，它可能造成阻流管線(xiàn)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(zhù)水深的增加，溫度逐漸降低，泥線(xiàn)附近位置水溫為４℃，隨著(zhù)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(wèn)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(wèn)題。這些問(wèn)題都將有可能造成鉆井失敗。

 

  １．６ 套管設計

 

  隨著(zhù)水深的增加，表層破裂壓力極低，要下入導管為鉆具提供通道；淺部地層可能存在淺層氣和淺層水等地質(zhì)風(fēng)險，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構為碬９１４ｍｍ導管、碬５０８ ｍｍ表層套管、數層中間套管和技術(shù)套管［１］ ，還要保證鉆達目的層井眼最小直徑不小于碬２２２．２ｍｍ。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用又要求水泥漿能在較短時(shí)間內具有較高的強度。

 

  ２ 深水鉆井技術(shù)

 

  ２．１ 噴射下導管技術(shù)

 

  深水海底為較厚、松軟、高含水且未膠結的沉積地層，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］ 。

 

  噴射導管鉆井技術(shù)，是將鉆具下入導管內，利用導管及鉆具的重力和鉆井液的噴射來(lái)進(jìn)行巖石破碎的鉆井技術(shù)。利用噴射導管鉆井技術(shù)，實(shí)現鉆進(jìn)和下導管同時(shí)進(jìn)行，鉆井液返回液不通過(guò)套管與井眼的環(huán)空而 是通過(guò)鉆桿與套管的環(huán)空返回海底［２］ ，鉆至預定深度后，靜止管柱，利用地層的粘附力和摩擦力穩固導管，不需進(jìn)行固井作業(yè)，而后，起出管內鉆具或繼續鉆進(jìn)。噴射導管鉆井技術(shù)，避免了按照常規的打樁、鉆井、起鉆、下套管、固井的方式引發(fā)的鉆井問(wèn)題，實(shí)現了節約鉆井時(shí)間、減少鉆井問(wèn)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(guò)增加壓井循環(huán)排量增加流動(dòng) 阻力，從而增加井底壓力，達到壓井的目的。在鉆井過(guò)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(cháng)度上，常規壓井的回壓作用在整個(gè)井身的每一點(diǎn)上，也就是說(shuō)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，達到“動(dòng)壓穩”狀態(tài)，然后逐步替入加重鉆井液，以實(shí)現完全壓井的目的，達到“靜壓穩”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重鉆井事故。

 

  ２．３ 深水鉆井液技術(shù)

 

  深水鉆井存在井壁穩定性差、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(wèn)題。針對深水鉆井的特點(diǎn)及深水鉆井對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?xún)?yōu)良、低溫流變性穩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(wèn)題，利用雙梯度鉆井技術(shù)為避免井底壓力嚴重超過(guò)地層壓力而造成的鉆井嚴重過(guò)平衡，使得井底壓力不超過(guò)地層破裂壓力。雙梯度有兩種方式：一種是在隔水管環(huán)空內注入海水；另一種是在隔水管內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，而調整井底壓力，例如惰性氣體、輕質(zhì)塑料小球［３］。

 

  ２．４ 隨鉆測井（ＬＷＤ）與隨鉆壓力測量（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)空壓力測量）， 主要是用來(lái)測量鉆進(jìn)過(guò)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量服務(wù)既能在鉆井過(guò)程中準確有效地測量環(huán)空壓力，又可以測量地層壓力，可以直接提供孔隙壓力和流體流度數據用于確定流體類(lèi)型及界面。這為深水鉆井早期井涌監測，避免地層水氣侵入井筒引發(fā)井壁坍塌、井噴等嚴重鉆井事故提供了可能。

 

  ３ 深水鉆井技術(shù)展望

 

  ３．１ 無(wú)隔水管套管鉆井技術(shù)應用

 

  隨著(zhù)海洋鉆井的不斷發(fā)展，套管鉆井技術(shù)已經(jīng)應用于海上表層鉆進(jìn)，代替隔水導管和表層套管，避免了海底表層沉積物松軟、膠結性差、淺層流體等問(wèn)題造成井壁坍塌、下套管困難、井控事故等鉆井問(wèn)題［５］。

 

  深水鉆井井身設計（套管下入深度和套管的層數）是由淺層水、氣流和地層的破裂壓力／孔隙壓力梯度來(lái)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(wèn)題。套管鉆進(jìn)，第一次開(kāi)鉆可鉆達深度為泥線(xiàn)以下３００～４５０ｍ，即第一根套管可下入到常規鉆井中表層套管的深度。因此，第一根套管可起到隔水導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)的鉆井危險所決定，減少了下井套管的數量，降低不能用 碬２１５．９ｍｍ的套管完井（井眼過(guò)?。┑奈ｋU［６］ ，簡(jiǎn)化了井身結構、減少作業(yè)程序、提高鉆井效率、節約鉆井成本。

 

  套管鉆井有兩個(gè)主要的特點(diǎn)：①涂抹效應；②動(dòng)態(tài)當量鉆井液控制，它降低了鉆井過(guò)程中鉆井危險的發(fā)生。

 

  涂抹效應就像一個(gè)泥鏟，套管單方向旋轉形成旋轉離心力場(chǎng)，粉碎的巖屑在較小的環(huán)空內沿著(zhù)井壁表層向上運輸，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(zhuān)用鉆井液造壁效果更好，涂抹效應有利于鉆井液流失的控制和井筒的穩定性。

 

  改善當量鉆井液密度控制，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(guò)調整鉆井液的速度，控制當量鉆井液密度。例如，典型的深水表層井筒為碬８１２．８ｍｍ、鉆柱為碬１６５ｍｍ，而套管鉆井中鉆開(kāi)碬８１２．８ｍｍ的井眼，一般采用碬７１１．２ｍｍ的套管柱，這樣環(huán)空面積就減少了７５％，這對減少井筒的溝道效應有很明顯的效果。溝道效應會(huì )引發(fā)淺層流體流進(jìn)井筒而引發(fā)一系列的鉆井問(wèn)題。

 

  ３．２ 無(wú)隔水管鉆井液回收技術(shù)的應用

 

  無(wú)隔水管鉆井液回收鉆井技術(shù)就是在鉆井過(guò)程中不采用常規隔水管，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(xiàn)返回鉆井平臺。通過(guò)控制海底泵系統保證環(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)現安全鉆井作業(yè)，可以解決目前深水鉆井遇到的諸多問(wèn)題。   該技術(shù)屬于雙梯度鉆井技術(shù)范疇，該技術(shù)的應用使得地層孔隙壓力與地層壓力相對變寬，鉆井液應用范圍變大，簡(jiǎn)化井身結構（減少套管數量），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)的應用

 

  該技術(shù)是通過(guò)對回壓、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)。據相關(guān)報道，控制壓力鉆井對井眼的精確控制可以克服８０％的常規鉆井問(wèn)題，縮短ＮＰＴ（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(guò)控制井口回壓或者在井筒的某一位置安裝泵，來(lái)調整井底壓力；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(guò)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，通過(guò)改變鉆井液密度、黏度、排量等調整環(huán)空壓耗。

 

  ３．４ 深水智能鉆井技術(shù)

 

  陸地油氣田開(kāi)發(fā)已進(jìn)入中后期，油氣勘探開(kāi)發(fā)逐漸轉向海洋方向，而海上油氣儲量的９０％都賦存于水深超過(guò)１０００ｍ的地層中，隨著(zhù)水深增加，鉆井環(huán)境更復雜，作業(yè)條件更惡劣。然而，隨著(zhù)新鉆井技術(shù)、新材料技術(shù)、檢測控制、微電子技術(shù)、通信和計算機、機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)必將應運而生 ［７］ ，為復雜的深水油氣勘探開(kāi)發(fā)提供條件。 隨著(zhù)智能鉆井技術(shù)的不斷成熟，未來(lái)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 結論

 

  隨著(zhù)油氣勘探開(kāi)發(fā)不斷向深海進(jìn)軍，淺水鉆井技術(shù)已不能滿(mǎn)足深水鉆井的要求，遠海惡劣的環(huán)境條件以及復雜的深水地質(zhì)條件，都使得深水鉆井面臨更大的難題和挑戰，有可能導致深水鉆井失敗和引發(fā)嚴重的鉆井事故。隨著(zhù)對深水鉆井技術(shù)不斷地探索研究，噴射下導管技術(shù)、動(dòng)態(tài)壓井技術(shù)、深水鉆井液技術(shù)、隨鉆測井技術(shù)等逐漸完善成熟，深水油氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程已經(jīng)加速。無(wú)隔水管套管鉆井、無(wú)隔水管鉆井液回收、控制壓力等鉆井技術(shù)已初步嘗試應用于深水鉆井，緩解甚至解決了一些深水鉆井難題。隨著(zhù)深水鉆井新技術(shù)、監測控制、通信、機器人等技術(shù)不斷成熟完善，智能鉆井技術(shù)必將主宰未來(lái)的石油產(chǎn)業(yè)。