劉坤翔

中海石油（中國）有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067

深水與超深水井表層土質(zhì)較為相似，較淺水而言，具有土質(zhì)疏松、作業(yè)壓力窗口窄、海底泥線溫度低等特點(diǎn)，給鉆井施工帶來一定困難，如井壁易垮易塌、鉆井液性能不易維護(hù)等。深水表層鉆井一般采用噴射下導(dǎo)管+ 二開繼續(xù)鉆進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一趟管柱實(shí)現(xiàn)一、二開兩個(gè)井眼的鉆進(jìn)作業(yè)，有效降低了作業(yè)時(shí)間和井眼靜置時(shí)間，避免了因淺層井眼長時(shí)間暴露導(dǎo)致出現(xiàn)井壁垮塌等復(fù)雜情況，確保了表層鉆井作業(yè)安全，提高了深水井的作業(yè)效率。

1 深水表層特點(diǎn)

（1）海床巖性的特殊性：深水區(qū)海底存在淺層土質(zhì)疏松，地層承載能力低的特點(diǎn)，基本上是軟而黏稠的土壤，含水量高達(dá)70%，在海底泥線以下100m 范圍內(nèi)，土體不排水抗剪強(qiáng)度小于200kPa；在泥線附近，抗剪強(qiáng)度僅為2～5kPa。隨著水深的增加，海底淺層土體不排水抗剪強(qiáng)度和樁基承載力降低，導(dǎo)管下沉及井口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較大。

（2）海底高壓和低溫：隨著水深的增加，海底靜液柱帶來海底壓力逐漸增加，每增加10m 水深，則增加約1 個(gè)地表大氣壓，同時(shí)太陽輻射能量降低，溫度逐漸降低，以南中國海為例，500m 水深時(shí)，海底溫壓約5MPa/ 10℃，水深增加至1000m 時(shí)，海底溫壓約10MPa/ 4℃。海底高壓低溫給鉆井作業(yè)帶來的風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)為：鉆井液的黏度和切力會(huì)大幅增加，甚至出現(xiàn)膠凝現(xiàn)象；海底氣體，特別是小分子氣體，如甲烷、乙烷等，在高壓低溫（0～10℃、大于5MPa）的條件下，與水極易形成天然氣水合物，從而堵塞海底管線和鉆井液流通通道；海底低溫還會(huì)遲緩水泥漿的水化反應(yīng)，降低套管固井質(zhì)量。

（3）淺層地質(zhì)災(zāi)害：以南中國海深水海域?yàn)槔饕刭|(zhì)災(zāi)害有兩類：①非活動(dòng)性地質(zhì)災(zāi)害，如古水道古河道等，這類地質(zhì)災(zāi)害一般不會(huì)鉆井作業(yè)造成影響，可以忽略；②活動(dòng)性地質(zhì)災(zāi)害，如海底斷層、天然氣水合物、淺層氣淺層流、歷史滑坡區(qū)等，活動(dòng)性地質(zhì)災(zāi)害當(dāng)前處于活躍期，會(huì)對表層鉆井作業(yè)造成危害，如淺層斷層會(huì)造成卡鉆、井漏，淺層氣會(huì)造成氣體上涌、最嚴(yán)重導(dǎo)致井噴甚至平臺(tái)燃燒，海底滑坡會(huì)造成井眼掩埋，或者使得表層導(dǎo)管失去承載能力而下沉、發(fā)生井口失穩(wěn)等。

（4）地層破裂壓力梯度低：隨著水深增加，海底土質(zhì)變軟且未膠結(jié)成巖，上部缺乏足夠的上覆巖層，地層的破裂壓力梯度降低，導(dǎo)致地層孔隙壓力與破裂壓力之間的壓力窗口變窄，容易發(fā)生井漏、井塌和井噴等復(fù)雜情況。

2 深水表層導(dǎo)管噴射技術(shù)

2.1 深水表層導(dǎo)管噴射鉆井技術(shù)

深水鉆井表層導(dǎo)管施工具有作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、控制難度大等特點(diǎn)，深水表層一般采用噴射下導(dǎo)管+ 二開鉆進(jìn)+下/ 固表層套管的方法，一開導(dǎo)管，又稱結(jié)構(gòu)導(dǎo)管、隔水導(dǎo)管，簡稱導(dǎo)管，是整個(gè)深水油氣井施工過程中安裝的第一層結(jié)構(gòu)導(dǎo)管，為海底水下井口、套管懸掛、水下防噴器系統(tǒng)和水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)支撐。深水鉆完井作業(yè)中，表層導(dǎo)管必須能夠承受海上鉆井設(shè)備、隔水管系統(tǒng)以及將來完井、生產(chǎn)和修井作業(yè)時(shí)強(qiáng)加其上的多重作業(yè)載荷及復(fù)雜多變的海洋環(huán)境載荷。

導(dǎo)管一般采用914.4mm 或762.0mm，導(dǎo)管尺寸越大，導(dǎo)管與管外淺層土的接觸面積也就越大，表層套管質(zhì)固井時(shí)導(dǎo)管與表層套管之間固井水泥量也就越大，可以提供給更大的承載力和抗彎矩能力。表層噴射作業(yè)的主要作業(yè)步驟是首先在將低壓井口頭和導(dǎo)管焊接在一起，然后將底部鉆具組合裝入表層導(dǎo)管內(nèi)部，并使用專用工具將其與低壓井口頭連接在一起，組成噴射導(dǎo)管串，之后使用鉆桿或加重鉆桿下送至海底泥線。由水下機(jī)器人（ROV）確認(rèn)水深、以及導(dǎo)管垂直度符合要求后，開始表層一開噴射鉆進(jìn)，利用管串自重入泥，再開泥漿泵，排量由小到大，通過水力沖刷和鉆頭切削成孔使導(dǎo)管下入，一開導(dǎo)管噴射至預(yù)定深度后，根據(jù)噴射過程中的摩阻和懸重情況，靜置吸附導(dǎo)管，吸附時(shí)間3～5h，待地層承載力恢復(fù)后，解鎖專用工具使得低壓井口頭和導(dǎo)管內(nèi)鉆柱分開，之后繼續(xù)開泥漿泵鉆進(jìn)二開井眼至設(shè)計(jì)二開中完深度，下/固表層套管，至此表層鉆井作業(yè)完成，后續(xù)轉(zhuǎn)為下入隔水管和水下防噴器組（Blow Out Preventer，簡稱BOP 組）建立鉆井液循環(huán)，并進(jìn)行后續(xù)繼續(xù)鉆井。

2.2 噴射過程中表層導(dǎo)管載荷分析

表層導(dǎo)管噴射下入過程中，需要建立合理的表層導(dǎo)管下入深度計(jì)算模型來分析下入及吸附過程中導(dǎo)管串的受力情況，模型需要考慮表層導(dǎo)管載荷、表層導(dǎo)管尺寸、表層導(dǎo)管與海底土的膠結(jié)力、海底土性質(zhì)等因素。

表層導(dǎo)管的軸向載荷是影響其下入深度的主要因素，其軸向載荷大致由五部分組成：管柱上提載荷、底部鉆壓、表層導(dǎo)管自重、鉆柱自重和側(cè)壁摩擦力。

噴射管柱示意圖見圖1。

圖1 噴射管柱示意圖

由上圖表層導(dǎo)管受力分析，在噴射下入過程中垂直方向上可得如下受力平衡方程：管柱上提力+ 導(dǎo)管側(cè)邊摩擦力+ 底部鉆頭鉆壓＝（導(dǎo)管+ 鉆柱）海水中浮重。

其中，在鉆柱和導(dǎo)管規(guī)格確認(rèn)的情況下，等式右側(cè)導(dǎo)管串浮重只與下入深度有關(guān)，表層導(dǎo)管上部所受的載荷、表層導(dǎo)管直徑、表層導(dǎo)管壁厚、側(cè)向摩擦力有關(guān)。由于表層導(dǎo)管的直徑、壁厚一般是確定的，所以表層導(dǎo)管的入泥深度只與表層導(dǎo)管上部所受的載荷和側(cè)向摩擦力有關(guān)。

2.3 深水表層導(dǎo)管噴射技術(shù)小結(jié)

深水表層噴射+ 解鎖后二開鉆進(jìn)的方法在南中國海已有數(shù)十口深水井的的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，相較于傳統(tǒng)的鉆入法和打樁錘入法，表層噴射鉆井更能適應(yīng)深水表層鉆井作業(yè)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一趟管柱完成一開井眼鉆孔、導(dǎo)管下入和二開井眼鉆進(jìn)三個(gè)過程，節(jié)約了作業(yè)時(shí)間和成本，解決了深水表層鉆孔后下套管不易找到井口的難題，且這種方法無需固井，可避免海底低溫對水泥漿水化作用的影響和因水泥漿密度過大而壓破地層。目前該作業(yè)工藝已經(jīng)在國內(nèi)外深水作業(yè)全面普及和實(shí)踐，采用噴射法安裝表層導(dǎo)管可以有效地節(jié)約鉆井時(shí)間，節(jié)約了鉆井成本。

3 深水表層鉆井提速技術(shù)

3.1 井身結(jié)構(gòu)簡化及表層井眼“瘦身”

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除需滿足勘探開發(fā)要求外，還應(yīng)遵循安全作業(yè)和經(jīng)濟(jì)性的原則，深水井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參考鄰井已鉆信息、地層三壓力數(shù)據(jù)（孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力）、和井口穩(wěn)定性分析結(jié)果。目前南海常見深水井一般采用簡化后的井身結(jié)構(gòu)，常見為三開或四開完鉆。同時(shí)，結(jié)合鉆機(jī)設(shè)備能力和淺部地層情況，對二開井眼進(jìn)行瘦身，在滿足井口穩(wěn)定性分析和平臺(tái)偏移對井口載荷的基礎(chǔ)上，對二開井眼進(jìn)行瘦身，將508.0mm 井眼縮小至444.5mm 或406.4mm，更小井眼可以實(shí)現(xiàn)更大機(jī)械鉆速，同時(shí)盡可能延長二開表層套管下深，為下入BOP 組建立鉆井液循環(huán)后的下一開鉆進(jìn)提供較大作業(yè)窗口，實(shí)現(xiàn)全井三開或四開完鉆。

3.2 表層海水深鉆技術(shù)

深水表層鉆井作業(yè)時(shí)，隔水管和BOP 組未下入，無法建立正常鉆井液泵入和返出循環(huán)，所以一般采用海水進(jìn)行鉆進(jìn)。但是由于海水密度較低，無法有效平衡井筒內(nèi)孔隙和坍塌壓力，所以二開井眼及套管下入深度一般不會(huì)太深，早期南中國海深水井在調(diào)研國外深水井基礎(chǔ)上，結(jié)合海域表層土質(zhì)特點(diǎn)和壓力情況，一般為二開套管下至泥線以下500～600m 左右，隨著近些年已鉆深水井不斷增加，對于南中國海深水海域淺層土質(zhì)認(rèn)識(shí)不斷深刻，結(jié)合不斷優(yōu)化的深水表層作業(yè)流程，近年來二開井眼已經(jīng)加深鉆進(jìn)至泥線以下約1000m 左右。海水深鉆可以實(shí)現(xiàn)更大的ROP，并為下部井眼提供更大的作業(yè)窗口，提高作業(yè)效率、節(jié)省作業(yè)工期。

3.3 大尺寸直馬達(dá)提高轉(zhuǎn)速

深水表層土壤疏松、成巖性差，因此鉆井作業(yè)中一般沒有造斜需求。目前深水表層鉆井作業(yè)一般采用專門的防斜打直的鐘擺鉆具組合，常采用鐘擺鉆具組合，一開、二開鉆具設(shè)計(jì)一般考慮使用多扶正器鐘擺鉆具組合，在鉆頭上面位置和1～2 根鉆鋌單根上面各安放一只扶正器，主要為了增加下部鉆柱的剛性和防止鉆鋌黏卡，多扶正器鐘擺鉆具組合在南海東部深水表層鉆進(jìn)已有多口井的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)滿足直井鉆進(jìn)的前提下，解除鉆井參數(shù)限制，實(shí)現(xiàn)表層快速鉆進(jìn)。

3.4 優(yōu)化噴射管串設(shè)計(jì)和噴射技術(shù)參數(shù)

以南中國海深水L- 1 井為例，在前期噴射經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合該井土質(zhì)參數(shù)，優(yōu)化噴射管串設(shè)計(jì)，具體方案為將鉆頭伸出導(dǎo)管的伸長量有原先的127mm 左右提高至266mm 左右，以此來擴(kuò)大鉆頭與地層的接觸面積和水力沖刷面積，提高機(jī)械和水力破巖效率；同時(shí)，提高噴射排量，從之前最大4000L/ min 提高至最大5200L/ min，以滿足更高的水力沖擊力。作業(yè)過程中，增加導(dǎo)管活動(dòng)頻率和幅度，從每鉆進(jìn)3～5m 活動(dòng)一次增加至每2～3m 活動(dòng)一次，活動(dòng)幅度也從5m/ 次左右提高至10～15m/ 次，高頻大幅度的活動(dòng)導(dǎo)管可以有效防止出現(xiàn)導(dǎo)管與地層之間的黏卡現(xiàn)象，從而使得鉆壓能最大限度傳遞至鉆頭進(jìn)行破巖。優(yōu)化后的L- 1 井噴射方案，噴射耗時(shí)2.0h，較同等海域同深度減少約60%，噴射速度為40.5m/ h，提高了約155%，整體提速效果十分顯著。

4 結(jié)語

通過調(diào)研分析南中國海已鉆深水井表層高效作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化瘦身的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、海水深鉆技術(shù)、優(yōu)快創(chuàng)新鉆井工具的使用。對噴射作業(yè)進(jìn)行管串和作業(yè)工藝進(jìn)行優(yōu)化，均為順利高效的完成深水表層作業(yè)提供了有效支撐，節(jié)省了深水鉆井作業(yè)工期和成本，減少了表層作業(yè)過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患，取得較好的作業(yè)反饋和經(jīng)濟(jì)效益。