深水深層井鉆井關鍵技術發展與展望

劉書杰 吳怡 謝仁軍 焦金剛

1.中海石油(中國)有限公司海南分公司；2.中海油研究總院有限責任公司；3.海洋石油高效開發國家重點實驗室

國際能源署數據，近10年發現的超1億t儲量大型油氣田，60%來自深水或超深水，深水油氣已成為世界石油工業的主要增長點和科技創新的制高點［1］。而我國南海是世界四大油氣聚集地之一，石油地質儲量約為372億t，約占我國油氣總資源量的三分之一，其中70%以上蘊藏于深水、深層區域，勘探開發潛力巨大，是我國未來能源的重要接替區和增長點。按照國際通用概念，井深超過4 500 m的井稱為深井，超過6 000 m的井為超深井，超過9 000 m的井為特深井［2］。國外深水、深層井(簡稱雙深井)起步較早，特別是從2006年巴西桑托斯盆地鹽下碳酸鹽巖儲層取得突破以來，深水、深層已經成為國外油氣開發熱點區域，代表性的油田有巴西Libra、墨西哥灣Appomattox等［3］。國內深水、深層處于起步階段，目前深水深層探井已開始進行鉆井作業，作業風險集中在套管強度(圈閉壓力)、地層漏失、固井水泥等方面［4］。深水定將成為中國油氣資源接替和增儲上產的主要目標區。目前全球油氣勘探開發熱點已逐漸向深水、深層發展。雙深井將鉆遇更深的地層，加上深水的影響，相比常規深水井，將面臨海底低溫和儲層高溫并存、窄壓力窗口和異常壓力并存、地層可鉆性差和鉆井工期長、惡劣海洋環境條件等作業挑戰。隨著海洋石油勘探開發的不斷推進，已初步形成一套雙深井鉆井關鍵技術，筆者對該技術的發展進行了系統總結和分析，并對我國雙深井鉆井技術的前景進行了展望。

1 雙深井鉆井關鍵技術

通過分析雙深井的作業難點與工藝流程，其關鍵技術主要包括7個方面：井身結構優化技術、控壓鉆井技術、穩流變高承壓鉆井液體系、極高溫大溫差固井工藝、鉆井氣侵溢流早期監測信號傳輸系統、水下井口疲勞壽命延壽技術、井筒完整性技術。

1.1 井身結構優化技術

以井控、鉆井安全及固井作業等鉆井工程控制參數為約束條件，采用了雙向動態循環法代替傳統單向靜態法設計雙深井井身結構［5］。此方法基于地層壓力精準預測、淺層地質災害有效識別技術、波動壓力計算、套管強度校核和井口承載力分析結果，可有效封隔地質災害層和漏失層等復雜地層，保證水下井口穩定性，并使套管層次更加合理。地質復雜必封點則可根據所鉆遇的地層巖性來考慮其位置［6-9］：(1)淺部的松軟地層是一些未膠結的砂巖層和礫石層，地層特點是疏松易塌，一般采用高黏度鉆井液鉆穿后下入表層套管封固；(2)為安全鉆入下部高壓地層而提前準備一層套管并提高鉆井液密度；(3)封隔復雜膏鹽層及高壓鹽水層，為鉆開目的層做準備；(4)考慮備用一層套管,以應對地質加深的要求和應付預想不到的復雜情況發生。

對于雙深井井身結構設計，由于受復雜的海洋環境、地質條件、井口載荷大的影響，表層導管作為承壓的第一層管柱，是鉆井作業的第一道關卡，其尺寸、深度的設計顯得尤為重要［8］。對于表層導管下入深度設計，以考慮導管下入作業時間、排量和鉆頭伸出量的多因素深水表層導管實時承載力計算模型(式1)為基礎，根據表層導管的豎向受力平衡，可以得到基于作業參數控制的表層導管下入深度設計方法［5-7］。

式中，Qm為實時承載力，N；De為表層導管外徑，m；fh為單位面積摩擦力，Pa；φ為送入工具解脫時刻承載力影響系數；H為表層導管入泥深度，m；k為多因素承載力恢復系數；T1為導管下入到位時刻，h；為導管送入工具解脫時刻，h；T2為導管送入工具解脫后某一時刻，h。

1.2 控壓鉆井技術

精細控壓是雙深井自動化鉆井的一個實現點，通過系統監測和控制設備進行在線實時監控，保證井筒壓力平衡，實現安全高效鉆井。雙深井控壓鉆井技術主要有井口回壓模式控壓鉆井和CML雙梯度控壓鉆井［10］。井口回壓模式鉆井主要通過井口壓力的自動調節和反饋控制。主要原理是根據目標井口回壓，依據節流管匯特性曲線計算節流管匯合理的開度值，將控制的回壓轉換為對應的開度值，并傳遞給開度控制模塊，當節流管匯開度調節到對應的計算值時，井口回壓已經位于所需要調節的設定值附近，完成井口回壓的快速調節。其核心部件為MPD節流管匯［11］，主要部件和原理如圖1所示。

圖1 井口回壓模式控壓鉆井原理Fig.1 Principle of managed pressure drilling in the mode of wellhead back pressure

CML雙梯度控壓鉆井是指正常鉆井作業期間，將高密度鉆井液注入鉆柱，鉆井液從井底環空向上攜帶鉆屑返至泥線通過海底泵提供動力經回流管線返回地面，通過泥漿泵、海底泵和頂部填充泵控制泥線上鉆井液液位水平從而有效地控制井筒壓力，減少鉆井液用量，減少非生產時間，并提高鉆井安全性［1］，如圖2所示，圖中Hw為平均海平面高度，H為井口距離海底深度，Ha為井底至海底泥線深度，Hm為隔水管內鉆井液距離海底高度。CML雙梯度控壓鉆井的主要設備有：海底泵組、回流管線、止回閥、控制室等。對于雙深井，采用CML雙梯度控壓鉆井可較好適應高壓伴窄密度窗口地層，在具有窄密度窗口的層段中，可以通過增加鉆井液密度來補償循環密度當量［12-13］。與此同時，也可以通過改變環空液位高度來抵消起下鉆波動壓力以維持地層壓力穩定，防止井涌、井漏等復雜事故。從技術層面講，在深水深層鉆井中，CML雙梯度鉆井顯著優于井口回壓控壓鉆井，但是處理井控的能力弱于井口回壓控壓鉆井。

圖2 CML雙梯度控壓鉆井原理圖Fig.2 Principle of CML double-gradient managed pressure drilling

1.3 穩流變高承壓鉆井液體系

雙深井將面臨儲層高溫、地層壓力變化大的問題，對鉆井液的穩定性、流變性和承壓性具有較高的要求。目前雙深井主流的鉆井液體系有合成基鉆井液體系和油基鉆井液體系。國內主要的生產廠家為中海油服和麥克巴公司。對比分析目前雙深井使用的典型的3種鉆井液體系的高溫高壓環境下的流變性、降濾失性、潤滑性、沉降穩定性和頁巖抑制性［14-15］。對于流變性，兩種油基鉆井液動切力和低剪切速率黏度偏低，可能存在攜巖問題；對于降濾失性，X-1水基鉆井液和Y-1油基鉆井液高溫高壓環境下的濾失量較大；對于沉降穩定性，油基鉆井液沉降穩定性較好。不同鉆井液沉降穩定性性能測試結果見表1。

表1 不同鉆井液沉降穩定性測試結果Table 1 Sedimentation stability test results of different drilling fluids

雙深井鉆井液技術中還涉及到井壁強化技術，主要是現場隨鉆防漏技術。在鉆入深層時，需要將隨鉆堵漏材料加入到循環鉆井液中，提高易漏地層承壓能力，避免發生滲透性漏失。主要工藝：根據地質設計及鄰井井漏的情況統計，預估出潛在漏層，隨鉆防漏材料在距潛在漏層前50 m按循環周均勻加入循環鉆井液。如果受到鉆井液固相要求限制，可采用隨鉆段塞防漏工藝，即提前準備或隔開一個泥漿罐，配置隨鉆段塞防漏漿，在鉆入潛在漏層后，如發生鉆時加快或微量鉆井液漏失等情況，立即注入隨鉆防漏漿進行防漏，并每隔一定的時間間隔注入一段段塞，保證隨鉆防漏效果［16-18］。

1.4 極高溫大溫差固井工藝

雙深井固井工藝條件極為苛刻，溫度可達250 ℃，封固段長達3 000 m以上，頂底溫差大(90～150 ℃)，壓力窗口窄(0.2～0.4 g/cm3)。因此，雙深井固井可能存在強度衰退、稠化時間長、溫差大導致頂部強度發展緩慢、水泥漿性能難以調節、固井易漏失等問題［19-21］。對于雙深井常用的固井工藝有控壓固井(MPC)，主要技術原理為在下套管、固井前循環鉆井液、注替施工、起鉆、候凝等全部作業過程中，利用精細控壓鉆井系統，通過旋轉控制頭和回壓控制系統控制井口回壓，合理有效控制環空當量密度大于地層壓力梯度而小于地層漏失壓力梯度，使井筒處于壓穩而不漏的狀態下安全完成整個固井施工作業。控壓固井與控壓鉆井原理基本相同，采用相同的設備，但是實施起來更為復雜，固井過程中涉及到不同的流體特性及排量［22］。常規固井時，全過程靜液柱壓力過大，易漏失；全程控壓鉆井時，靜液柱壓力欠平衡，借助井口回壓和環空摩阻提供壓力補償，可減少固井漏失風險，保證固井質量，在固井過程中施加回壓，可降低氣竄風險。

固井階段除了進行控壓，還需要進行固井防漏措施、加速沖洗和提高頂替效率［23］。主要的工藝措施有：下套管前通井清潔井眼，優化鉆井液性能指標；隔離液添加顆粒堵漏材料，防止固井過程中發生漏失；采用加重沖洗液，應用鐵礦粉物理沖刷，提高沖洗效果；加重沖洗液+稀釋沖洗液混合使用，保證10 min以上紊流沖洗接觸時間，提高清洗效率；起鉆前對目的層進行倒劃眼破壞泥餅；優選一體式彈性扶正器，保證關鍵層位套管居中度達到80%以上。

1.5 鉆井氣侵溢流早期監測信號傳輸系統

由于雙深井海底地質環境復雜、壓力窗口窄，經常面臨氣侵、溢流等復雜情況。如果處理不及時，可能會造成井噴等復雜事故的發生，危害巨大［24］。鉆井氣侵溢流水下早期監測信號傳輸系統的主要功能是根據水上監測主機的需求，依靠研制的傳輸系統通過串口接收水下氣侵監測儀的數據，解算編碼成聲信號，以水聲通訊的方式傳輸到水上監測主機，實現水下氣侵情況的實時監測和數據管理，保障雙深井鉆井井控“早發現、早管控”，可滿足雙深井高作業時效的要求［25］。主要由水面單元和水下單元組成。水面單元主要由監控主機、收發組合換能器、電纜、通訊調制解調器等組成，水下單元主要由箍帶、通訊機、外伸桿和水聲換能器等組成，如圖3所示。箍帶主要是將通訊機和外伸桿與隔水管進行連接與固定。通訊機是深水氣侵監測系統的主要部件，內部安裝通訊調制解調器、控制系統、功率放大器、數據采集系統和電池等電子組件，并確保其在水下的密封。外伸桿是將水聲換能器外伸一定距離，減少隔水管對水聲信號的反射。

1.6 水下井口疲勞壽命延壽技術

圖3 氣侵溢流早期監測裝置Fig.3 Early gas cutting and overflow monitoring device

水下井口疲勞壽命關系到深水鉆完井作業安全［26］。常規深水井鉆完井作業工期約2個月，雙深井因井身結構復雜、機械鉆速低等原因，作業工期增加約1.5～2倍，給水下井口疲勞壽命帶來較大挑戰。井口疲勞壽命的影響因素有：鉆井船參數(RAO、偏移量)、隔水管配置情況、隔水管頂張力設置、海洋環境條件、海底土壤條件、表層導管配置件、表層套管配置件、高壓井口頭型號、低壓井口頭型號等。根據規范DNVGL-RP-C203，水下井口疲勞分析模型所用的疲勞曲線由以下模型確定［27］。

式中，S為應力，包含應力集中，MPa；N為應力范圍內的允許循環數；tref為厚度極限，取25 mm；a，k為確定疲勞曲線的系數，e為厚度系數，SCF為應力集中系數，均由DNVGL-RP-C203中的參數表確定。

對于不同結構，優選DNV規范中的S-N曲線和應力集中系數(SCF)來確定疲勞點。雙深井水下井口疲勞安全系數(FOS)取10［27］。對于雙深井探井的水下井口疲勞壽命需要滿足3個月的勘探需要，生產井水下井口疲勞壽命需保證滿足開發周期的需要。一般來說，雙深井水下井口抗疲勞能力弱的結構為?914.4 mm表層導管和?508 mm表層套管接頭的本體和接頭焊縫。可以通過優化作業條件、套管配置情況，針對接頭應力安全系數精確選取和合理選擇作業時間窗口，實現水下井口疲勞壽命的增加。

1.7 井筒完整性技術

雙深井的深部高溫高壓地層，井筒完整性保障面臨極大挑戰。其中由于地層信息的不確定性導致深水油氣井井身結構設計復雜，會形成由自由段和封固段套管組成的多層次密閉環空結構［28］。投產后由于井筒內地層高溫流體的徑向傳熱，導致密閉環空內流體吸收熱量產生附加膨脹壓力，造成環空圈閉壓力上升的現象。同時由于深水水下采油(氣)樹和井口結構的特殊性，導致套管間的環空壓力無法釋放，一旦當環空壓力上升超過管柱的強度極限時，極易造成套管的擠毀變形［29-30］。影響井筒環空壓力的主要因素有：生產時間、油井產量、環空流體熱物性參數、套管物性參數、水泥環物性參數等。目前雙深井井筒溫度場和壓力的計算模型主要為基于井筒地層熱固耦合作用的多環空壓力預測模型［31-32］。

雙深井井筒環空圈閉壓力防治方法主要包括：(1)提高套管鋼級；(2)增加套管壁厚；(3)全封固井；(4)采用尾管井身結構；(5)水泥漿返至上層套管鞋以下；(6)安裝破裂盤；(7)泡沫套管；(8)可壓縮隔離液；(9)真空隔熱油管；(10)隔熱封隔液；(11)采用預應力固井；(12)采用專用井口補償裝置等。

2 雙深井鉆井技術發展趨勢展望

依靠科研攻關和技術積累，雙深井鉆井技術取得了不斷的突破，但還存在較大的提升空間，是未來石油勘探開發領域的重要攻關方向。為保證雙深井勘探開發作業的高效、安全、環保、智能，雙深井鉆井技術一定具有自動化、規模化、信息化和智能化的特點。

2.1 規模化和自動化

加快研發雙深井石油鉆井自動化技術，構建規模化鉆井工藝非常必要［33］。目前，深水鉆井設備和規格參數較為復雜，但仍然缺乏自動化的性能。要想實現雙深井鉆井技術的自動化，必須跟進加強鉆井工藝流程的研究，研制出具有高度自動化的鉆井設備。隨著鉆井工藝和設備的自動化，也有利于促進雙深井鉆井技術的規模化應用。例如：深水淺層批鉆技術，可將單口井淺層作業時間從10 d降至3 d。總之，雙深井是未來油氣勘探的主流領域，只有積極推動鉆井設備和工藝的自動化發展，加快實現鉆井裝備和技術的規模化應用，提高生產效率，才能保證雙深井油氣開采的經濟效益。

2.2 信息化和智能化

隨著信息化時代的全面到來，信息化、智能化和大數據技術逐漸深入到社會生產和人類生活的各個領域，石油鉆井技術也不例外［34］。相比傳統的工業化模式，信息化極大加快了信息的傳輸，使得監控技術和勘測數據傳輸效率更高。在鉆井技術中，利用信息化技術手段，實時監測鉆井過程的各項數據，及時反饋可能存在的問題。在這種模式下，不僅提升了鉆井質量，還可以降低人力監控成本，提升經濟效益。此外，在信息化作業模式下，現場人員可遠程掌握鉆井生產情況，確保人員和鉆井的安全性。未來要保證雙深井鉆井高質量完成，需要借助智能化技術，減少簡單的、重復性工作。因此，以大數據、智能化為基礎，創新鉆井智能化工藝流程開發模式，是雙深井智能油田的必須選擇。

2.3 人員培養和團隊管理

人員培養和團隊管理是雙深井石油鉆井技術的重要組成部分，也是確保鉆井技術應用質量的關鍵，代表著雙深井鉆井技術的軟實力。因此，為提升雙深井鉆井技術的發展，加強技術人員的培訓工作，從技術應用、安全生產等角度出發，提升專業水準和工作效率。在日常工作中，鼓勵員工主動創新技術，優化鉆井技術應用方式；在人員激勵方面，把個人技術能力的成長和職業通道中階層的遞進結合起來進行綜合激勵，打造階梯激勵機制，形成針對不同梯隊人員的激勵階梯，快速培養大批的優秀雙深井鉆井人才，使雙深井鉆井事業在高質量中發展。

3 結束語

海洋油氣在深水、深層領域的突破，奠定了油氣增長的基礎。海洋油氣資源豐富，深水深層油氣田還處于勘探階段，其中鉆井技術也會更好地起到承接地質油藏和工程的橋梁作用，將會在海上勘探開發進程中起到至關重要的作用。但未來深水深層油氣田安全、高效、經濟的開發需要新的理論創新和技術突破。目前已初步形成了一套雙深井關鍵技術，包括井身結構優化技術、控壓鉆井技術、穩流變高承壓鉆井液體系、極高溫大溫差固井工藝、鉆井氣侵溢流早期監測信號傳輸系統、水下井口疲勞壽命延壽技術、井筒完整性技術。這些技術已經在雙深井鉆井中起到十分關鍵的作用，為深水深層油氣田勘探開發提供了堅實的技術基礎。未來，還需要進一步推進雙深井自動化、規模化、信息化、智能化鉆井裝備和技術的開發，培養更加專業和科學的團隊，從而實現雙深井安全高效的鉆井作業，加快推動深水深層油氣田開發的進程，保障國家能源安全。