深水鉆井技術(shù)的挑戰與發(fā)展狀況

  深水鉆井技術(shù)的挑戰.

 

  水深帶來(lái)的挑戰隨著(zhù)水深的增加,鉆具、鉆井液、隔水管用量和海洋環(huán)境復雜性都相應增加,這對平臺承載能力、鉆機載荷、甲板空間等提出了更高的要求。隨著(zhù)工作水深的增加,作為深水油氣開(kāi)發(fā)的主要裝備)))浮式鉆井平臺已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了六代產(chǎn)品。工作水深從幾百米增加到超過(guò)3 000 m;載荷也從幾千噸增加到上萬(wàn)噸。另外,隨著(zhù)水深的增加,隔水管需要具備更大的抗擠壓能力,對鉆井液、完井液的流變性也提出了新的要求,同時(shí),海底的所有裝備也要承受更低的溫度和更高的壓力。

 

  風(fēng)浪流帶來(lái)的挑戰深水環(huán)境的風(fēng)浪流會(huì )引起鉆井船的移位,導致隔水管發(fā)生變形和渦激振動(dòng),因此對其疲勞強度設計提出了更高的要求。環(huán)境載荷超出隔水管作業(yè)極限載荷時(shí),需要斷開(kāi)隔水管系統和水下防噴器的連接。懸掛隔水管的動(dòng)態(tài)壓縮也可能造成局部失穩,增大隔水管的彎曲應力和碰撞月池的可能性。強烈的海洋風(fēng)暴對鉆井平臺具有災難性的破壞作用,因此深水鉆井對海洋風(fēng)暴的預測及鉆井平臺快速撤離危險海域提出了更嚴格的要求。

 

  低溫帶來(lái)的挑戰[5] 海水溫度隨水深增加而降低,海底溫度(即使在熱帶)一般為4e左右,有些地區達-3e。海水的低溫可以影響到海底泥線(xiàn)以下約數百米的巖層。低溫帶來(lái)的問(wèn)題主要包括:海水低溫環(huán)境使隔水管中的鉆井液流變性發(fā)生變化,可使鉆井液的黏度和密度增大。鉆井液的黏度增大可產(chǎn)生凝膠效應,在井筒流動(dòng)中產(chǎn)生較高摩擦阻力,增大套管鞋處地層被壓開(kāi)的風(fēng)險。鉆井液流變性的變化給井筒壓力計算和控制帶來(lái)了極大的困難。此外,海底低溫延長(cháng)了水泥漿的凝固過(guò)程,使水泥漿長(cháng)時(shí)間處于膠凝失重狀態(tài),發(fā)生流體竄流的機會(huì )大增,導致水泥漿機械性能變差,強度降低。海底附近的低溫高壓環(huán)境給井筒形成水合物提供了適宜的條件,如果鉆井液或壓井液中攜有一定量的天然氣,那么在海底泥線(xiàn)附近的井筒及防噴器中極易形成水合物,導致井控設備失效等。

 

  水合物帶來(lái)的挑戰[6-7] 鉆井過(guò)程中水合物的形成會(huì )帶來(lái)以下影響:1)阻塞節流、壓井管匯和鉆井液(氣)分離器,無(wú)法進(jìn)行循環(huán)作業(yè);2)在防噴器中部或下部造成阻塞,妨礙油井壓力監測;3)阻塞物在井眼環(huán)空中形成,妨礙鉆桿旋轉和移動(dòng)。深水固井過(guò)程中,水泥水化放熱導致氣體水合物分解,氣體流動(dòng)造成井壁不穩定或水泥漿氣竄,環(huán)空水合物分解釋放出大量氣體可能憋漏套管鞋處地層。深水井測試中,關(guān)井、誘噴或節流效應導致井內溫度降低,低溫生成的水合物會(huì )堵塞測試管柱,造成測試失敗。水合物分解出的氣體進(jìn)入井筒使鉆井液密度降低,誘發(fā)井涌和井噴。此外,如果在鉆井過(guò)程中鉆遇水合物層(藏),由于鉆井破壞了水合物藏的溫度、壓力環(huán)境,會(huì )導致水合物層中水合物的分解,影響井筒穩定性等。

 

  窄鉆井液安全密度窗口帶來(lái)的挑戰[8-10] 深水造成的欠壓實(shí),使破裂壓力梯度和地層孔隙壓力梯度之間的窗口較窄。窄密度窗口地區鉆井事故頻繁,容易發(fā)生井漏、井涌、井塌、卡鉆、涌漏同層等井下故障,窄鉆井液安全密度窗口導致套管層數增加,甚至無(wú)法鉆至目的層。窄鉆井液安全密度窗口也給深水井控帶來(lái)了很大的難題。

 

  深水鉆井地質(zhì)災害[11-12] 深水地質(zhì)災害包括海底表層疏松、淺層流動(dòng)等引起的災害,其中淺層流動(dòng)危害是重要的危害之一。海底淺層流包括淺層氣流和淺層水流。淺層流沖刷可能造成水下井口、防噴器組和導管塌陷。淺層氣流中的氣體進(jìn)入海水后,海水密度降低,鉆井平臺所受浮力減小,容易造成平臺傾覆、火災等事故。海床泥水分界面以下的地層大部分是易坍塌的疏松泥巖和頁(yè)巖,易發(fā)生井壁坍塌,導致鉆井故障或事故。

 

  112 國外深水鉆井技術(shù)發(fā)展現狀11211 深水雙梯度鉆井技術(shù)[13-18]

 

  在深水、超深水鉆井中,由于破裂壓力梯度和地層孔隙壓力梯度之間的窗口較窄,如果采用常規鉆井技術(shù)易出現井漏、井涌、井塌、卡鉆和涌漏同層等井下故障,采用雙梯度鉆井技術(shù)可以從根本上解決這些問(wèn)題。雙梯度鉆井技術(shù)大體以海底泥線(xiàn)為分界線(xiàn),在井筒和隔水管之間使用不同的壓力梯度,從而擴寬井底壓力和破裂壓力之間的鉆井液密度窗口,因此可以減少套管層次,進(jìn)而有效實(shí)施鉆進(jìn)作業(yè),節約材料,并大幅度縮短建井周期。目前主要通過(guò)兩種方式實(shí)現雙梯度鉆井:一種是鉆井液通過(guò)安置在海底的鉆井泵和小直徑返回管線(xiàn)回到鉆井平臺,在這種設計中,如果使用隔水管,則在隔水管內充滿(mǎn)海水;另一種方式是鉆井液通過(guò)隔水管返回平臺,此時(shí)#9#石  油  鉆  探  技  術(shù)2011年3月為了降低隔水管環(huán)空內返回流體的密度,使之與海水相當,需在隔水管中注入低密度介質(zhì)(空心微球、低密度流體、氣體)。雙梯度鉆井能夠用較大的井眼鉆至目的層,從而可以采用更有效的完井方式完井,同時(shí)可以有效控制井眼環(huán)空壓力、井底壓力,克服深水鉆井中遇到的窄安全密度窗口問(wèn)題,滿(mǎn)足深水鉆井快速、安全、經(jīng)濟的要求。

 

  11212 深水淺層鉆井技術(shù)[19-21]

 

  為了避免鉆井過(guò)程中井內鉆井液壓力不足以平衡高壓含水地層的壓力、發(fā)生淺層流導致的各種問(wèn)題,常規做法是先預鉆小井眼釋放地層壓力,然后再進(jìn)入正常鉆進(jìn)程序。即使如此,鉆進(jìn)中也可能發(fā)生淺層流導致的井涌或井噴。為此,國外開(kāi)發(fā)出一種動(dòng)態(tài)壓井鉆井技術(shù),該技術(shù)是利用大排量鉆井液循環(huán)產(chǎn)生的流動(dòng)壓耗和混配的加重鉆井液兩者產(chǎn)生的壓力來(lái)平衡淺層高壓,實(shí)現淺層窄安全密度窗口地層的正常鉆進(jìn)。該技術(shù)節省了加重鉆井液的時(shí)間,真正實(shí)現了邊鉆進(jìn)邊加重的動(dòng)態(tài)壓井鉆井作業(yè),提高了鉆井效率,縮短了鉆井周期。

 

  11213 深水鉆井水合物預測及抑制技術(shù)[22-25]

 

  深水鉆井海底為低溫高壓環(huán)境,極易促使天然氣水合物在井筒、井口管線(xiàn)和防噴器內形成氣體水合物,將造成堵塞,同時(shí)對鉆井液的流變性產(chǎn)生直接影響,給正常鉆進(jìn)和井控工作帶來(lái)嚴重隱患。因此在深水鉆井過(guò)程中要預防天然氣水合物的形成,在預防之前還要預測水合物生成的量和生成位置,以便為采取水合物抑制措施提供依據。目前對井筒中水合物生成量的預測方法受井下復雜條件的限制,還不能做到十分精確,但可以通過(guò)建立井筒的溫度壓力場(chǎng),并結合天然氣水合物生成的溫度壓力條件,來(lái)判斷水合物是否形成及其形成的具體范圍,達到預測水合物生成區域的目的。

 

  水合物抑制技術(shù)就是通過(guò)破壞水合物生成條件達到防止水合物生成的目的。目前預防和抑制水合物生成的措施有:除水法、加熱法、降壓控制法、添加熱力學(xué)抑制劑法、添加動(dòng)力學(xué)抑制劑法。而添加熱力學(xué)抑制劑法是目前應用最廣的水合物抑制方法。

 

  11214 深水鉆井液及固井水泥漿技術(shù)[26-28]

 

  深水鉆井液應具有的特性包括:1)良好的頁(yè)巖抑制性;2)在低溫下有良好的流動(dòng)性;3)良好的懸浮和攜巖能力,對于大位移井、大直徑井眼更為重要;4)良好的水合物抑制能力;5)濾失量低,與地層配伍性好。除了以上特性,深水鉆井液還要滿(mǎn)足保護油氣層和海洋環(huán)境的要求,因此油基鉆井液在深水鉆井中的應用受到限制。目前深水鉆井中最常用的鉆井液體系有高鹽/PHPA(部分水解聚丙烯酰胺)聚合物+聚合醇水基鉆井液體系和合成基鉆井液體系。水基鉆井液由于其優(yōu)良的性能和較低的成本,已被廣泛用于深水鉆井作業(yè)中。但由于典型水基鉆井液體系的塑性黏度、熱膨脹性和壓縮性均比合成基鉆井液體系低,因此合成基鉆井液也是國外深水區域常用的鉆井液體系之一。

 

  表層套管固井是深水固井的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。海底的低溫是最主要的影響因素;破裂壓力梯度常常要求使用低密度水泥漿;深水鉆井設備費用高又要求水泥漿能在較短的時(shí)間內具有較高的強度。因此,深水水泥漿應具有以下基本性能:密度低;在低溫下過(guò)渡時(shí)間較短,抗壓性能優(yōu)良;失水低;與套管、地層密封和膠結的長(cháng)期性能好;頂替效率高。目前國外深水固井水泥漿體系有低密度填料水泥漿體系、低溫快凝水泥漿體系、泡沫水泥漿體系、最優(yōu)粒徑分布水泥漿體系和超低密度水泥漿體系等。