深水鉆井技術現狀及發展趨勢*

孫 雯

(長江大學，湖北 荊州 434000)

1 前言

在近十年來發現的大型油氣田中，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的重要領域。因此深水油氣資源的勘探與開發受到我國的高度重視，國內采用深水標準為500～1 500 m。盡管深水油氣田儲量大、產量高，單位油氣產量的成本較低［2］，具有較高的技術經濟潛力，但深水作業的投資大、風險高、技術難度大。因此深水鉆井新技術是解決深水鉆井技術難題的重要前提，也是降低開發成本，符合環保要求，提高鉆井安全的重要保證。

2 深水鉆井面臨的難題與挑戰

2.1 水深的影響

由于水深大于500 m，鉆井平臺由固定式向移動式鉆井平臺和浮式鉆井船發展，同時水下設備對平臺的載荷增加，需要大型的鉆井平臺和復雜的水下裝備。水深使得鉆井平臺承受更大的載荷，需要更好的動力定位和系泊方式。為提高抗擊大流速洋流的能力，水下控制和操作設備應具有更高的精密度，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、膠凝強度的上升、鉆井液觸變性的顯著增加，特別對于油基鉆井液體系，這些影響顯得特別突出。對鉆井液密度也有一定影響，最大鉆井液密度出現在海底泥線處。

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，一旦在鉆井液循環管線中生成，則很難清除，會堵塞導管、隔水管、海底防噴組，造成嚴重的鉆井事故。此外天然氣水合物在分解(融解)時，體積為固態時候的170倍，容易導致管道的爆裂，對深水鉆井作業安全構成嚴重的威脅。

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，難以預測且經常出現，危險系數大。淺層氣體的突然釋放，會對管道和平臺造成破壞，高壓淺層氣釋放會引發井噴、爆炸起火、燒毀設備，釀成重大的安全事故。

淺水流發生的幾率較大，約占深水鉆井的70%。淺水流出后淺層流圈閉系統的壓力降低，井壁就會垮塌，從而引起關聯漏失，破壞基底穩定性，引起井口下陷事故。此外淺水流中可能會攜帶氣體水合物進入井中，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，容易導致地層壓裂、坍塌，從而出現卡鉆、井徑擴大、鉆井液漏失、洗井困難等作業難題。

2.6 苛刻的環保政策

為有效的保護海洋環境，符合國際環保慣例，我國對鉆屑、廢棄鉆井液、廢水、鉆井噪聲、廢棄井口及平臺有著嚴格的要求，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。苛刻的環保政策對深水鉆井的施工工藝、鉆井液處理系統、深水管道等產生顯著的影響，同時也增加了鉆井作業成本。

3 深水鉆井技術現狀

3.1 鉆井平臺和鉆井船

國際上常采用的鉆井平臺為半潛式平臺、鉆井船、TLP平臺、SPAR平臺、浮式生產儲油裝置(FPSO)，它們均為浮式平臺，依靠自身浮力來支撐上部重量，借助系泊系統或動力定位系統來定位［3］。半潛式鉆井平臺和鉆井船主要用于鉆井作業，其他的平臺形式主要用于油氣開采和儲存油氣。半潛式鉆井平臺鉆井時，船體潛入水中，平臺處于水上，水線面積小，波浪影響小，穩定性好，自持能力強，工作水深大，但投資大、維持費用高，水下器具設計較為復雜。鉆井船容易受波浪影響，但可用機動船和駁船改裝，可快速投入使用。據2010年統計全球有152條半潛式鉆井平臺、89條鉆井船、24座TLP平臺、17座SPAR平臺應用于水深500以上的深水鉆井［3］。

由于深水作業，鉆井平臺的平臺面積和艙儲空間有限，輔助船是深水不間斷作業的保障。據統計2007年底全球的各類錨泊、拖航、供應或伴航服務船只超過3 500條，輔助船的標準主要體現在功率大小、倉儲容量、抗風能力、供應水、燃料、鉆井液、水泥等材料的能力。

國際上深水鉆井平臺、深水井下設備及配套技術，深水鉆井輔助船等設備都有了長足的發展，國內技術基礎薄弱，發展明顯滯后，存在較多的技術壁壘，關鍵裝備的核心部件均為進口產品呈現“空殼化”，另外深海裝備的發展缺乏風險承擔機制，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

國外主要針對深水、低溫情況下氣液兩相流動規律進行了研究，為深水鉆井的早期井涌檢測和后期井涌控制奠定了理論基礎，提出了多種深水井涌的流動模型，但對一兩種流態進行了定性分析，既沒有考慮鉆屑對于流體流動和井底壓力的影響，也沒有考慮溫度和壓力對天然氣水合物分解的影響，理論突破上存在瓶頸，井控工藝的實施主要采用PWD技術。PWD工具能夠通過泥漿脈沖實時的向地面反饋井下環空壓力，便于早期、準確、快速的發現溢流，及時關井，避免事故發生。PWD技術主要用于淺水流和早期溢流的偵測，鉆進及起下鉆時溢流的檢測，以及地層呼吸效應的判斷，國內的深水井控的理論和工藝較之國外有很大差距，國內主要借鑒國外的先進理論和方法。

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、降低循環壓耗、穩定井壁等能力，還應當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在黏度、切力大幅度上升，甚至顯著的膠凝現象，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［4］。

4 深水鉆井技術發展趨勢

4.1 雙梯度鉆井技術

雙梯度鉆井技術是針對窄密度窗口提出的，該技術能夠使得海底以上隔水管內流體密度與海水密度相近，鉆井液柱的壓力計算以海底為參考點，地層孔隙壓力和破裂壓力之間區域就相對變寬，目前采用的雙梯度鉆井技術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、節省下套管時間和固井時間，減少和降低鉆井事故的時間和成本，也降低了對鉆井裝備的要求。如墨西哥灣的鉆井成本進行經濟性研究和概率風險成本的分析，保守的推算采用雙梯度鉆井可節約鉆井成本6%～25%。

圖1 常規鉆井和雙梯度鉆井基本原理示意圖

雙梯度鉆井技術在我國還處于起步階段，與世界先進技術相比差距較大。國內初步形成SMD工藝設計技術體系，開展海底泥漿吸入模塊室內實驗研究。國外對雙梯度鉆井技術非常重視，有多種雙梯度鉆井系統的研發成果，如Conoco與Hydril公司海底泥漿舉升鉆井系統，挪威AGR Subsea公司開發的無隔水管鉆井液回收(RMR)系統等。

4.2 無隔水管鉆井液回收技術

無隔水管鉆井液回收(RMR)技術屬于雙梯度鉆井技術的范疇，系統工作時將鉆柱暴露與海水中，依靠海底吸入模塊實現井眼與海水的分隔，依靠海底泵模塊和回流管線為鉆井液提供動力和回流通道。通過控制海底泵系統來保證環空頂部壓力與海底靜壓相等，從而更好的控制井身內壓力，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，實現安全鉆進。RMR系統的工作原理圖，如圖2所示［5］。

圖2 RMR系統的工作原理圖

無隔水管相對常規鉆減少了鉆井液的用量，使得鉆井液應用范圍變大，避免鉆井液泄露，減少套管用量，增強了深水鉆井淺層事故的預防能力。但無隔水管系統的回流管柱受力復雜，鉆井液水力學理論和方法還不夠成熟，海底吸入設備、海底泵設備、控制系統等設計難度大，密封性、工作可靠性是RMR系統的基本前提，國內對于無隔水管系統的研究和使用還為空白。

4.3 鉆屑回注技術

鉆屑回注技術經過發展和完善已經成為了國際公認的環保安全的鉆井液廢棄物處理技術，它能夠實現鉆井液廢棄物的零排放，符合日趨嚴格的環保要求，處理成本低于其他廢棄物處理技術。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已經基本成熟，已經完成過了回注技術對環境潛在的傷害評估方案、施工條例和法律法規的制定。我國2003年蓬萊19-3油田首次試探性使用鉆屑回注技術，首次實現國內油基泥漿的零排放，鉆屑處理徹底，無二次污染，處理費用比運回陸地后處理要低。

4.4 微流量控制鉆井技術

微流量控制鉆井技術是通過對鉆井液流量的控制，從而達到對井眼壓力的精確控制，鉆井液流量的監測和控制是保證鉆井液閉環控制和鉆井閉環控制的前提。利用鉆井液的不可壓縮性，平臺控制單元施加任何微小壓力變化都會在環空中得到快速響應，壓力變化傳輸速度可達到聲速。

微流量控制技術能夠有效的減少平臺設備的復雜程度，依靠鉆井液微小的壓力變化能直接探測到地層的孔隙壓力和破裂壓力，并能實現鉆井液性能實時控制，通過地面簡單的操作實現對鉆井液當量密度的調節，該項技術降低鉆井的風險性，并且鉆井控制的自動化程度高，能與常規鉆井液控制技術配合使用，常規鉆井液控制系統經過簡單改造后，就能實現鉆井液的微流量控制，并且人員操作方便，人機工程界面友好。微流量控制技術與海底鉆井液泵送系統相比具有顯著的優勢，特征對比如表2所示［7］。

表2 微流量控制技術與海底鉆井液泵送系統特征對比

5 結論

隨著國家對海洋石油資源開發的高度重視，石油勘探與鉆采由淺水逐步的向深水推進，深水鉆井具有高技術含量、高投入、高風險的特點，同時深水環境下惡劣的鉆井環境和復雜地質條件，對我國在深水鉆井的工程設備、鉆井工藝、控制技術上提出了巨大的難題和挑戰。但隨著新型深水鉆井工程設備的成功應用，新鉆井工藝和鉆井液技術的深入研究和發展，檢測控制設備及新技術的不斷涌現，自動化控制技術的不斷成熟，環保意識的不斷增強，必然使得我國深水鉆井更加環保、安全、高效。

［1］ 楊 進，曹式敬.深水石油鉆井技術現狀及發展趨勢［J］.石油鉆采工藝，2008，30(2):10-13.

［2］ 張曉東，王海娟.深水鉆井技術進展與展望天然氣工業［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發展綜述［J］.中國海洋平臺，2008，23(4):1-7

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

［5］ 項先忠，趙雄虎.鉆屑回注技術研究進展及發展趨［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.