孫 雯

(長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 荊州 434000)

1 前言

在近十年來發(fā)現(xiàn)的大型油氣田中，約60%為海洋油氣田，其中約44%的油氣資源位于300 m以下的水域［1］，深水油氣資源為勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域。因此深水油氣資源的勘探與開發(fā)受到我國的高度重視，國內(nèi)采用深水標(biāo)準(zhǔn)為500～1 500 m。盡管深水油氣田儲(chǔ)量大、產(chǎn)量高，單位油氣產(chǎn)量的成本較低［2］，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)潛力，但深水作業(yè)的投資大、風(fēng)險(xiǎn)高、技術(shù)難度大。因此深水鉆井新技術(shù)是解決深水鉆井技術(shù)難題的重要前提，也是降低開發(fā)成本，符合環(huán)保要求，提高鉆井安全的重要保證。

2 深水鉆井面臨的難題與挑戰(zhàn)

2.1 水深的影響

由于水深大于500 m，鉆井平臺(tái)由固定式向移動(dòng)式鉆井平臺(tái)和浮式鉆井船發(fā)展，同時(shí)水下設(shè)備對(duì)平臺(tái)的載荷增加，需要大型的鉆井平臺(tái)和復(fù)雜的水下裝備。水深使得鉆井平臺(tái)承受更大的載荷，需要更好的動(dòng)力定位和系泊方式。為提高抗擊大流速洋流的能力，水下控制和操作設(shè)備應(yīng)具有更高的精密度，靈活性和智能性。

2.2 海底低溫的影響

由表1可知，泥線附近的溫度維持在4℃［2］，海底低溫能迅速引起井下鉆井液粘度、膠凝強(qiáng)度的上升、鉆井液觸變性的顯著增加，特別對(duì)于油基鉆井液體系，這些影響顯得特別突出。對(duì)鉆井液密度也有一定影響，最大鉆井液密度出現(xiàn)在海底泥線處。

表1 不同海域的海水溫度 /℃

2.3 天然氣水合物

天然氣水合物存在于高壓、低溫條件下，類似于冰的固體物質(zhì)，一旦在鉆井液循環(huán)管線中生成，則很難清除，會(huì)堵塞導(dǎo)管、隔水管、海底防噴組，造成嚴(yán)重的鉆井事故。此外天然氣水合物在分解(融解)時(shí)，體積為固態(tài)時(shí)候的170倍，容易導(dǎo)致管道的爆裂，對(duì)深水鉆井作業(yè)安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

2.4 淺層氣體和淺層水流

淺層氣所處的層位淺，體積小，壓力高，難以預(yù)測(cè)且經(jīng)常出現(xiàn)，危險(xiǎn)系數(shù)大。淺層氣體的突然釋放，會(huì)對(duì)管道和平臺(tái)造成破壞，高壓淺層氣釋放會(huì)引發(fā)井噴、爆炸起火、燒毀設(shè)備，釀成重大的安全事故。

淺水流發(fā)生的幾率較大，約占深水鉆井的70%。淺水流出后淺層流圈閉系統(tǒng)的壓力降低，井壁就會(huì)垮塌，從而引起關(guān)聯(lián)漏失，破壞基底穩(wěn)定性，引起井口下陷事故。此外淺水流中可能會(huì)攜帶氣體水合物進(jìn)入井中，引起井口、BOP、隔水管和壓井阻流管線堵塞。

2.5 破裂壓力梯度低

地層破裂壓力窗口窄，難以控制鉆井液密度安全的鉆過地層，鉆井液密度過小，地層流體將會(huì)侵入鉆井液體系，帶來一系列井控問題，鉆井液密度過大，容易導(dǎo)致地層壓裂、坍塌，從而出現(xiàn)卡鉆、井徑擴(kuò)大、鉆井液漏失、洗井困難等作業(yè)難題。

2.6 苛刻的環(huán)保政策

為有效的保護(hù)海洋環(huán)境，符合國際環(huán)保慣例，我國對(duì)鉆屑、廢棄鉆井液、廢水、鉆井噪聲、廢棄井口及平臺(tái)有著嚴(yán)格的要求，向海洋直接排放的廢棄物必須做到無毒、無污染、可生物降解?？量痰沫h(huán)保政策對(duì)深水鉆井的施工工藝、鉆井液處理系統(tǒng)、深水管道等產(chǎn)生顯著的影響，同時(shí)也增加了鉆井作業(yè)成本。

3 深水鉆井技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 鉆井平臺(tái)和鉆井船

國際上常采用的鉆井平臺(tái)為半潛式平臺(tái)、鉆井船、TLP平臺(tái)、SPAR平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)，它們均為浮式平臺(tái)，依靠自身浮力來支撐上部重量，借助系泊系統(tǒng)或動(dòng)力定位系統(tǒng)來定位［3］。半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船主要用于鉆井作業(yè)，其他的平臺(tái)形式主要用于油氣開采和儲(chǔ)存油氣。半潛式鉆井平臺(tái)鉆井時(shí)，船體潛入水中，平臺(tái)處于水上，水線面積小，波浪影響小，穩(wěn)定性好，自持能力強(qiáng)，工作水深大，但投資大、維持費(fèi)用高，水下器具設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。鉆井船容易受波浪影響，但可用機(jī)動(dòng)船和駁船改裝，可快速投入使用。據(jù)2010年統(tǒng)計(jì)全球有152條半潛式鉆井平臺(tái)、89條鉆井船、24座TLP平臺(tái)、17座SPAR平臺(tái)應(yīng)用于水深500以上的深水鉆井［3］。

由于深水作業(yè)，鉆井平臺(tái)的平臺(tái)面積和艙儲(chǔ)空間有限，輔助船是深水不間斷作業(yè)的保障。據(jù)統(tǒng)計(jì)2007年底全球的各類錨泊、拖航、供應(yīng)或伴航服務(wù)船只超過3 500條，輔助船的標(biāo)準(zhǔn)主要體現(xiàn)在功率大小、倉儲(chǔ)容量、抗風(fēng)能力、供應(yīng)水、燃料、鉆井液、水泥等材料的能力。

國際上深水鉆井平臺(tái)、深水井下設(shè)備及配套技術(shù)，深水鉆井輔助船等設(shè)備都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，國內(nèi)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，發(fā)展明顯滯后，存在較多的技術(shù)壁壘，關(guān)鍵裝備的核心部件均為進(jìn)口產(chǎn)品呈現(xiàn)“空殼化”，另外深海裝備的發(fā)展缺乏風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)機(jī)制，一系列高附加值裝備和大型海洋工程裝備仍為空白。

3.2 深水鉆井井控工藝

國外主要針對(duì)深水、低溫情況下氣液兩相流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，為深水鉆井的早期井涌檢測(cè)和后期井涌控制奠定了理論基礎(chǔ)，提出了多種深水井涌的流動(dòng)模型，但對(duì)一兩種流態(tài)進(jìn)行了定性分析，既沒有考慮鉆屑對(duì)于流體流動(dòng)和井底壓力的影響，也沒有考慮溫度和壓力對(duì)天然氣水合物分解的影響，理論突破上存在瓶頸，井控工藝的實(shí)施主要采用PWD技術(shù)。PWD工具能夠通過泥漿脈沖實(shí)時(shí)的向地面反饋井下環(huán)空壓力，便于早期、準(zhǔn)確、快速的發(fā)現(xiàn)溢流，及時(shí)關(guān)井，避免事故發(fā)生。PWD技術(shù)主要用于淺水流和早期溢流的偵測(cè)，鉆進(jìn)及起下鉆時(shí)溢流的檢測(cè)，以及地層呼吸效應(yīng)的判斷，國內(nèi)的深水井控的理論和工藝較之國外有很大差距，國內(nèi)主要借鑒國外的先進(jìn)理論和方法。

3.3 深水鉆井液體系

世界深水鉆井較為活躍的地區(qū)包括墨西哥灣和西非、巴西等海域，使用的鉆井液體系主要為油基和合成基體系鉆井液。鉆井液需要解決淺層氣、氣體水合物以及低溫下鉆井液流變性的控制等問題。深海鉆探的水深大、壓力高、溫度低，要求鉆井液不僅要具備冷卻鉆頭、攜帶巖屑、清洗井眼、降低循環(huán)壓耗、穩(wěn)定井壁等能力，還應(yīng)當(dāng)在高壓低溫狀況下游良好的流變性能，影響鉆井液流變性主要因素為溫度，流變性變化主要表現(xiàn)在黏度、切力大幅度上升，甚至顯著的膠凝現(xiàn)象，這與鉆井液中的黏土含量、土粒分散度、黏土顆粒的的電動(dòng)電位、高分子量聚合物類型及其分子鏈的舒展程度，以及黏土顆粒、高分子量聚合物、水分子之間的相互作用有關(guān)［4］。

4 深水鉆井技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 雙梯度鉆井技術(shù)

雙梯度鉆井技術(shù)是針對(duì)窄密度窗口提出的，該技術(shù)能夠使得海底以上隔水管內(nèi)流體密度與海水密度相近，鉆井液柱的壓力計(jì)算以海底為參考點(diǎn)，地層孔隙壓力和破裂壓力之間區(qū)域就相對(duì)變寬，目前采用的雙梯度鉆井技術(shù)主要包括雙密度鉆井、無隔水管鉆井、海底泵舉升鉆井液(工作原理示意圖如圖1所示)來減少井涌、井噴、井漏事故，不再需要多層套管體系、節(jié)省下套管時(shí)間和固井時(shí)間，減少和降低鉆井事故的時(shí)間和成本，也降低了對(duì)鉆井裝備的要求。如墨西哥灣的鉆井成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性研究和概率風(fēng)險(xiǎn)成本的分析，保守的推算采用雙梯度鉆井可節(jié)約鉆井成本6%～25%。

圖1 常規(guī)鉆井和雙梯度鉆井基本原理示意圖

雙梯度鉆井技術(shù)在我國還處于起步階段，與世界先進(jìn)技術(shù)相比差距較大。國內(nèi)初步形成SMD工藝設(shè)計(jì)技術(shù)體系，開展海底泥漿吸入模塊室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。國外對(duì)雙梯度鉆井技術(shù)非常重視，有多種雙梯度鉆井系統(tǒng)的研發(fā)成果，如Conoco與Hydril公司海底泥漿舉升鉆井系統(tǒng)，挪威AGR Subsea公司開發(fā)的無隔水管鉆井液回收(RMR)系統(tǒng)等。

4.2 無隔水管鉆井液回收技術(shù)

無隔水管鉆井液回收(RMR)技術(shù)屬于雙梯度鉆井技術(shù)的范疇，系統(tǒng)工作時(shí)將鉆柱暴露與海水中，依靠海底吸入模塊實(shí)現(xiàn)井眼與海水的分隔，依靠海底泵模塊和回流管線為鉆井液提供動(dòng)力和回流通道。通過控制海底泵系統(tǒng)來保證環(huán)空頂部壓力與海底靜壓相等，從而更好的控制井身內(nèi)壓力，使得鉆井液靜水壓力處于地層壓力與破裂壓力之間，解決窄密度窗口的問題，實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)。RMR系統(tǒng)的工作原理圖，如圖2所示［5］。

圖2 RMR系統(tǒng)的工作原理圖

無隔水管相對(duì)常規(guī)鉆減少了鉆井液的用量，使得鉆井液應(yīng)用范圍變大，避免鉆井液泄露，減少套管用量，增強(qiáng)了深水鉆井淺層事故的預(yù)防能力。但無隔水管系統(tǒng)的回流管柱受力復(fù)雜，鉆井液水力學(xué)理論和方法還不夠成熟，海底吸入設(shè)備、海底泵設(shè)備、控制系統(tǒng)等設(shè)計(jì)難度大，密封性、工作可靠性是RMR系統(tǒng)的基本前提，國內(nèi)對(duì)于無隔水管系統(tǒng)的研究和使用還為空白。

4.3 鉆屑回注技術(shù)

鉆屑回注技術(shù)經(jīng)過發(fā)展和完善已經(jīng)成為了國際公認(rèn)的環(huán)保安全的鉆井液廢棄物處理技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井液廢棄物的零排放，符合日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求，處理成本低于其他廢棄物處理技術(shù)。綜合分析國外鉆屑回注工程案例其回注成本為25～62.5$/m3。鉆屑回注的基本步驟如圖3所示［6］。

圖3 鉆屑注入的基本步奏

國外的鉆屑回注技術(shù)已經(jīng)基本成熟，已經(jīng)完成過了回注技術(shù)對(duì)環(huán)境潛在的傷害評(píng)估方案、施工條例和法律法規(guī)的制定。我國2003年蓬萊19-3油田首次試探性使用鉆屑回注技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)國內(nèi)油基泥漿的零排放，鉆屑處理徹底，無二次污染，處理費(fèi)用比運(yùn)回陸地后處理要低。

4.4 微流量控制鉆井技術(shù)

微流量控制鉆井技術(shù)是通過對(duì)鉆井液流量的控制，從而達(dá)到對(duì)井眼壓力的精確控制，鉆井液流量的監(jiān)測(cè)和控制是保證鉆井液閉環(huán)控制和鉆井閉環(huán)控制的前提。利用鉆井液的不可壓縮性，平臺(tái)控制單元施加任何微小壓力變化都會(huì)在環(huán)空中得到快速響應(yīng)，壓力變化傳輸速度可達(dá)到聲速。

微流量控制技術(shù)能夠有效的減少平臺(tái)設(shè)備的復(fù)雜程度，依靠鉆井液微小的壓力變化能直接探測(cè)到地層的孔隙壓力和破裂壓力，并能實(shí)現(xiàn)鉆井液性能實(shí)時(shí)控制，通過地面簡(jiǎn)單的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井液當(dāng)量密度的調(diào)節(jié)，該項(xiàng)技術(shù)降低鉆井的風(fēng)險(xiǎn)性，并且鉆井控制的自動(dòng)化程度高，能與常規(guī)鉆井液控制技術(shù)配合使用，常規(guī)鉆井液控制系統(tǒng)經(jīng)過簡(jiǎn)單改造后，就能實(shí)現(xiàn)鉆井液的微流量控制，并且人員操作方便，人機(jī)工程界面友好。微流量控制技術(shù)與海底鉆井液泵送系統(tǒng)相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)，特征對(duì)比如表2所示［7］。

表2 微流量控制技術(shù)與海底鉆井液泵送系統(tǒng)特征對(duì)比

5 結(jié)論

隨著國家對(duì)海洋石油資源開發(fā)的高度重視，石油勘探與鉆采由淺水逐步的向深水推進(jìn)，深水鉆井具有高技術(shù)含量、高投入、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，同時(shí)深水環(huán)境下惡劣的鉆井環(huán)境和復(fù)雜地質(zhì)條件，對(duì)我國在深水鉆井的工程設(shè)備、鉆井工藝、控制技術(shù)上提出了巨大的難題和挑戰(zhàn)。但隨著新型深水鉆井工程設(shè)備的成功應(yīng)用，新鉆井工藝和鉆井液技術(shù)的深入研究和發(fā)展，檢測(cè)控制設(shè)備及新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，自動(dòng)化控制技術(shù)的不斷成熟，環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，必然使得我國深水鉆井更加環(huán)保、安全、高效。

［1］ 楊 進(jìn)，曹式敬.深水石油鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油鉆采工藝，2008，30(2):10-13.

［2］ 張曉東，王海娟.深水鉆井技術(shù)進(jìn)展與展望天然氣工業(yè)［J］.石油鉆采工藝，2010，30(9):46-48，54.

［3］ 廖謨圣.世界超深水鉆井平臺(tái)發(fā)展綜述［J］.中國海洋平臺(tái)，2008，23(4):1-7

［4］ 岳前升，胡友林.深水鉆井液與完井液［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2012.

［5］ 項(xiàng)先忠，趙雄虎.鉆屑回注技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨［J］.中國海上油氣，2009，21(4):268～270.

［6］ J.D.Brown，V.V Urvant.Development of a Riserles Mud-Recovery System Offshore Sakhalin Island［J］.SPE/IADC Drilling Conference，2007(3):142-145.

［7］ Helio Santos，Christian Leuchtenberg.Micro-Flux Control:The Next Generation in Drilling Process for Ultra-deep water［J］.Offshore Technology Conference，2003(4):78-81.