高溫高壓井鉆井平臺(tái)甲板可變載荷研究

沈春華 邊瑞峰

（中石化海洋石油工程有限公司 上海201206）

高溫高壓井鉆井平臺(tái)甲板可變載荷研究

沈春華 邊瑞峰

（中石化海洋石油工程有限公司 上海201206）

高溫高壓井作業(yè)期間，各類(lèi)物資存放和常規(guī)井完全不一樣，對(duì)鉆井平臺(tái)甲板可變載荷有更高的要求。針對(duì)幾種特有的工況，通過(guò)計(jì)算實(shí)例說(shuō)明高溫高壓井作業(yè)與常規(guī)井作業(yè)甲板可變載荷之間的區(qū)別，為國(guó)內(nèi)海上高溫高壓井作業(yè)平臺(tái)提供一定的參考，也為鉆井作業(yè)方平臺(tái)選型提供一定的依據(jù)，并為將來(lái)攻克海上超高溫高壓井提供一些基礎(chǔ)信息。

高溫高壓井；鉆井平臺(tái)；可變載荷

引 言

我國(guó)海上油氣田同陸地油氣田一樣，不僅普遍存在異常高壓和高溫高壓的問(wèn)題，而且同樣具有分布范圍廣、變化范圍大的特點(diǎn)。迄今在海上發(fā)現(xiàn)的高溫高壓氣井，其溫度和壓力絕對(duì)值都非常高，壓力梯度最高可達(dá)或超過(guò)理論推算的上覆地層壓力梯度（即2.31 g/cm3當(dāng)量鉆井液密度），地溫梯度達(dá)到4℃/100 m以上。2010年至今，筆者參與了北部灣東方區(qū)塊、崖城區(qū)塊、陵水區(qū)塊和樂(lè)東區(qū)塊的高溫高壓井鉆探作業(yè)，完成了近幾年國(guó)內(nèi)90%以上的海上高溫高壓井。而高溫高壓井對(duì)作業(yè)的鉆井平臺(tái)要求更高，除考慮平臺(tái)的適應(yīng)環(huán)境、動(dòng)力設(shè)備、鉆機(jī)能力，還需要對(duì)鉆井平臺(tái)的可變載荷提出一定的要求。

1 高溫高壓井特點(diǎn)

高溫高壓鉆井最顯著特點(diǎn)是以高溫高壓為標(biāo)志。預(yù)計(jì)或?qū)崪y(cè)井底溫度大于150℃，井口壓力大于68.9 MPa且井底壓力大于140 MPa的井，稱(chēng)為高溫高壓井；井底溫度大于175℃，井口壓力大于105 MPa且井底壓力大于140 MPa的井，稱(chēng)為超高溫高壓井。

對(duì)于鉆井作業(yè)而言，高溫既會(huì)影響鉆井液性能，還會(huì)給井下及井口設(shè)備、工具、儀器的密封件和軟管等造成嚴(yán)重?fù)p害；高壓則會(huì)給鉆井作業(yè)在高強(qiáng)度設(shè)備、器材、工具、儀器儀表的配套，以及高密度鉆井液的選用、配制及其維護(hù)方面提出更高的要求。在同一裸眼井段中，由于同時(shí)存在梯度差值較大的高低壓層的處理以及對(duì)井身結(jié)構(gòu)選擇的特殊需要，因而會(huì)給固井、取心、電測(cè)及測(cè)試作業(yè)帶來(lái)一系列問(wèn)題。因此，從可變載荷的角度考慮，高溫高壓井在作業(yè)過(guò)程中需要較高的泥漿比重、較大的材料儲(chǔ)備和更多的專(zhuān)業(yè)設(shè)備。

2 高溫高壓井甲板可變載荷

作為承鉆海上高溫高壓井的鉆井平臺(tái)，需要足夠的可變載荷以滿(mǎn)足不同條件下作業(yè)的需求。

表1為國(guó)內(nèi)幾座半潛式平臺(tái)載荷數(shù)據(jù)表。

表1 國(guó)內(nèi)幾座半潛式平臺(tái)載荷數(shù)據(jù)

甲板可變載荷包括人員、備件、日用油水、鉆井載荷、專(zhuān)業(yè)服務(wù)設(shè)備、防噴器組、鉆具、套管、鉆井液以及備用的泥漿材料、固井材料、散裝材料等。

高溫高壓井作業(yè)期間，鉆井平臺(tái)需堆放更多的物資，常規(guī)的鉆具、備件、BOP組、ROV機(jī)器人等同樣適用，此處僅論述與常規(guī)井作業(yè)時(shí)的區(qū)別之處。

2.1 套 管

高溫高壓井通常需要使用壁厚更大、抗扭能力更強(qiáng)的套管。除表層套管以外，各層的技術(shù)套管和尾管都與常規(guī)井不同，因此根據(jù)設(shè)計(jì)井深的不同，套管使用也有所區(qū)別。常用套管參數(shù)如表2，表格中有底色的部分為高溫高壓井常用的套管。

表2 常用套管參數(shù)

2.2 固井材料

基于以下四個(gè)原因，高溫高壓井作業(yè)必須配備更多的固井材料和鐵礦粉等：

（1）由于井底溫度較高，水泥漿的配方比較復(fù)雜，需要更多品種的試劑材料，以滿(mǎn)足水泥漿在高溫條件下的流動(dòng)性和凝固時(shí)間要求。

（2）較高的井底壓力使僅依靠重晶石難以滿(mǎn)足固井用水泥漿的比重和流動(dòng)性的要求，因此通常使用比重更大的鐵礦粉作為加重材料。

（3）高溫高壓井通常伴有更為復(fù)雜的井下情況，常發(fā)生井漏、氣串等，并且時(shí)常需要擠水泥，因此通常要提高材料的備用比例。

（4）高溫高壓井的水泥漿配方通常比較復(fù)雜，有時(shí)需要兩種以上的混合水泥調(diào)制水泥漿，因此平臺(tái)需要裝載更多的水泥。

2.3 鉆井液

井筒內(nèi)的水泥漿始終保持滿(mǎn)的狀態(tài)，除循環(huán)用的泥漿池、沉砂池、循環(huán)系統(tǒng)管系內(nèi)部，平臺(tái)還將剩余的泥漿池都配滿(mǎn)，甚至要求有井筒內(nèi)1.5倍體積的重泥漿（用于井涌發(fā)生時(shí)及時(shí)壓井）。高溫高壓井泥漿比重明顯重于常規(guī)井，理論最高超過(guò)2.31 g/cm3（實(shí)際作業(yè)遇到的最高壓力為2.35 g/cm3）。

2.4 泥漿材料與加重材料

不管是品種還是數(shù)量，高溫高壓井的泥漿材料消耗是常規(guī)井的若干倍。若發(fā)生井漏井涌，就會(huì)有連續(xù)的堵漏壓井作業(yè)，需要消耗很多泥漿處理劑、堵漏材料和重晶石，甚至當(dāng)平臺(tái)空間不能滿(mǎn)足裝載需求時(shí)，需要幾艘輔助船來(lái)儲(chǔ)存和及時(shí)運(yùn)輸材料。

2.5 專(zhuān)業(yè)設(shè)備

為高溫高壓井進(jìn)行技術(shù)服務(wù)（錄井、固井、測(cè)井、井口等）需要更為專(zhuān)業(yè)的工具，工具的設(shè)計(jì)也更為復(fù)雜精密。很多時(shí)候，同樣的服務(wù)項(xiàng)目需要更多的設(shè)備或備用設(shè)備以應(yīng)付各類(lèi)復(fù)雜情況。這部分設(shè)備在一定程度上也增加了平臺(tái)的載荷。好在專(zhuān)業(yè)服務(wù)都是根據(jù)井深的結(jié)構(gòu)變化隨時(shí)轉(zhuǎn)移，不會(huì)全部放在鉆井平臺(tái)上。

3 幾種作業(yè)狀態(tài)的可變載荷計(jì)算實(shí)例

一般說(shuō)來(lái)，根據(jù)井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，作業(yè)可以分為多個(gè)階段。按照現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際作業(yè)情況及作業(yè)流程，鉆井平臺(tái)不能也不必同時(shí)堆放多個(gè)階段的物資，因此不同作業(yè)階段的可變載荷更符合實(shí)際需求。

下面以幾個(gè)比較有特點(diǎn)的工況來(lái)對(duì)比高溫高壓井與常規(guī)井作業(yè)的主要區(qū)別。

3.1 拖航狀態(tài)

表3為拖航狀態(tài)下常規(guī)井與高溫高壓井甲板可變載荷計(jì)算表。

表3 拖航狀態(tài)下的常規(guī)井與高溫高壓井甲板可變載荷計(jì)算t

續(xù)表3

3.2 作業(yè)狀態(tài)

作業(yè)狀態(tài)下，應(yīng)考慮載荷最大的工況。以樂(lè)東某高溫高壓井四開(kāi)階段作為計(jì)算實(shí)例，其井深結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從井身結(jié)構(gòu)看，在四開(kāi)階段需鉆井至4 015 m以上，9″5/8套管需下至4 015 m。當(dāng)鉆至4 000 m以上時(shí)，平臺(tái)處于下套管準(zhǔn)備期間，此時(shí)的甲板載荷在整個(gè)作業(yè)周期內(nèi)應(yīng)是最大載荷。

高溫高壓井和常規(guī)井存在如下區(qū)別。

3.2.1 套 管

高溫高壓井通常使用壁厚更大，抗扭能力更強(qiáng)的套管（常見(jiàn)如9″5/8-53.5套管，79.6 kg/m）。為滿(mǎn)足作業(yè)需求，通常需要增加20%余量鋪排套管，載荷見(jiàn)表4。

表4 9″5/8套管差異

3.2.2 固井材料及設(shè)備

高溫高壓井作業(yè)時(shí)，僅依靠重晶石很難滿(mǎn)足固井用水泥漿的比重和流動(dòng)性的要求，通常使用比重更大的鐵礦粉作為加重材料。

表5為固井設(shè)備及材料差異表。

表5 固井設(shè)備及材料差異t

3.2.3 泥漿材料

高溫高壓井的井下情況更為復(fù)雜，在高比重的鉆井液作用下，發(fā)生漏失風(fēng)險(xiǎn)較大，需儲(chǔ)備更多的泥漿材料和堵漏材料。事實(shí)上由于平臺(tái)甲板面積的原因，作業(yè)時(shí)通常還需要有輔助船來(lái)存儲(chǔ)堵漏泥漿材料和重晶石。在鉆遇超高溫井時(shí)，還需要儲(chǔ)備比重更高的超細(xì)重晶石，以備應(yīng)急加重之用。

表6為泥漿材料套管差異表，表7為鉆井液差異表。

表6 泥漿材料套管差異t

表7 鉆井液差異t

3.2.4 其 他

常規(guī)的專(zhuān)業(yè)服務(wù)設(shè)備已無(wú)法滿(mǎn)足高溫高壓井的需求，尤其是井下高溫對(duì)于設(shè)備的要求近乎苛刻。國(guó)際上，目前能夠?yàn)楦邷馗邏壕峁?zhuān)業(yè)技術(shù)服務(wù)（井口、測(cè)井、固井等）的公司并不多，其所用設(shè)備也比常規(guī)設(shè)備多一些。表8為其他專(zhuān)業(yè)服務(wù)設(shè)備差異表。

表8 其他專(zhuān)業(yè)服務(wù)設(shè)備差異

平臺(tái)作業(yè)時(shí)可變載荷計(jì)算見(jiàn)表9。

表9 作業(yè)狀態(tài)下的常規(guī)井與高溫高壓井甲板可變載荷計(jì)算t

3.3 風(fēng)暴狀態(tài)

平臺(tái)作業(yè)期間遇到惡劣天氣，需要對(duì)平臺(tái)卸載，以確保平臺(tái)的安全。常規(guī)做法是將鉆具懸掛于套管內(nèi)，將泥漿池放空，起萬(wàn)能防噴器，將閘板防噴器置于海底。參考樂(lè)東10-1-2井，最大載荷應(yīng)處于三開(kāi)作業(yè)即將結(jié)束，而13″3/8套管還未下至井下之時(shí)。此時(shí)遇到熱帶風(fēng)暴，平臺(tái)需調(diào)整至風(fēng)暴自存狀態(tài)，人員撤離。具體載荷見(jiàn)表10。

表10 風(fēng)暴狀態(tài)下的常規(guī)井與高溫高壓井甲板可變載荷計(jì)算t

可以看出，在風(fēng)暴狀態(tài)下，平臺(tái)甲板可變載荷不能滿(mǎn)足高溫高壓井的需求。常規(guī)的操作方法是卸載，根據(jù)風(fēng)暴情況和作業(yè)進(jìn)度，或?qū)⒋罅康募装逦镔Y卸至輔助船，危急時(shí)刻將散料直接排海，從而保證平臺(tái)的安全。然而風(fēng)暴接近時(shí)海況極差，卸載工作很難進(jìn)行，并且卸載花費(fèi)的時(shí)間一定程度上會(huì)延誤人員撤離的時(shí)機(jī)，因此卸載工作一定要提前完成。

4 結(jié) 論

綜上所述，高溫高壓井作業(yè)時(shí)，平臺(tái)的可變載荷比常規(guī)井作業(yè)要大。國(guó)內(nèi)幾座主力老平臺(tái)中只有“勘探3”號(hào)、“南海5”號(hào)能夠勉強(qiáng)滿(mǎn)足作業(yè)要求。針對(duì)東方區(qū)塊、崖城區(qū)塊、陵水區(qū)塊和樂(lè)東區(qū)塊等國(guó)內(nèi)海上主要高溫高壓井鉆探作業(yè)的鉆井作業(yè)方，進(jìn)行平臺(tái)選型時(shí)可參考本文的計(jì)算結(jié)果：選擇作業(yè)可變載荷在3 300 t以上，拖航及風(fēng)暴自存狀態(tài)可變載荷在2 000 t以上的平臺(tái)，從而確保滿(mǎn)足作業(yè)需求。

［1］張延昌，劉昆，王璞，等.半潛式鉆井平臺(tái)承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)［J］.船舶，2015（2）：1-13.

［2］陳新權(quán).深海半潛式平臺(tái)初步設(shè)計(jì)中的若干關(guān)鍵問(wèn)題研究［D］.上海交通大學(xué)，2007.

［3］劉科，蔣世全 ，付英軍.深水鉆井平臺(tái)甲板可變載荷及相關(guān)儲(chǔ)存空間設(shè)計(jì)方法［J］.中國(guó)造船，2009，50：41-46.

［4］朱江.海洋鉆井設(shè)備綜述［J］.中國(guó)海上油氣（工程），2000（6）：44-46.

［5］李文魁，薛延平，李鶴林，等.高溫高壓對(duì)井下套管強(qiáng)度影響研究［J］.石油鉆采工藝，2005（3）：15-17.

［6］劉均一，邱正松，黃維安，等.南海東方氣田高密度抗高溫鉆井液完井液室內(nèi)研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2013（4）：78-82.

［7］劉喜亮，莫天明. PDF-THERM鉆井液體系在陵水13-2-1井的應(yīng)用［J］.廣東化工，2014（13）：66-67.

Variable load research of drilling platform deck for high temperature and high pressure well

SHEN Chun-hua BIAN Rui-feng
(Sinopec Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

The storage of various materials during the operation of high temperature and high pressure wells are completely di ff erent from that for normal wells, which has a higher demand for the variable loads on the drilling platform deck. This paper presents the di ff erences of the variable deck loads between the operation of high temperature and the high pressure wells and the normal wells by the practical computation cases according to several special operation conditions. It can provide certain reference for the drilling unit of the domestic high temperature and the high pressure o ff shore wells, and a basis for the operator to choose the drilling platform, as well as some basic information to conquer the ultra high temperature and the high pressure o ff shore wells in future.

high temperature and high pressure well; drilling platform; variable load

U663.6

A

1001-9855（2017）01-0045-06

2016-07-12；

2016-09-23

沈春華（1984-），男，工程師。研究方向：移動(dòng)式鉆井平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用。邊瑞峰（1987-），男，助理工程師。研究方向：移動(dòng)式鉆井平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.01.045