中國海油深水鉆井技術進展及發展展望*

李 中

(1. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028; 2. 海洋石油高效開發國家重點實驗室 北京 100028)

全球海洋油氣資源44%分布在深水區。近十年來，全球重大油氣發現70%來自深水，排名前50的超大油氣開發項目中，75%是深水項目。走向具備巨大油氣開發潛力的深水區，是海洋油氣資源勘探開發發展的大趨勢[1-4]。但深海油氣勘探開發也面臨著“入地、下海”的雙重挑戰，具有高技術、高風險、高投入及高回報的“四高”特點，深水鉆井存在著諸多亟待攻破的技術難題[5-6]。

隨著我國經濟的高速發展，我國油氣資源對外依存度持續走高，中國南海是未來我國油氣資源的重要接替區。聯合國能源署估計，中國的南海油氣地質儲量可能高達700億t，70%蘊藏在深海[7]。深海油氣資源勘探開發作為國家“四深”科技戰略的重要組成部分，對于保障國家能源安全有著重大意義[8]。

中國海油在海洋油氣勘探開發過程中，經歷了跟蹤學習、合作引進、自主創新3個階段，實現了從淺水到深水、從深水到超深水、從深水勘探到開發的重大跨越。極具挑戰性的深水鉆井技術也取得了重大進展[9-11]。2012年至今，中國海油已在中國南海自主完成73口深井及超深井的鉆完井作業，并支撐發現了5個大中型深水油氣田，創造了多項作業記錄。陵水17-2作為中國首個深水自營大氣田，其11口井的平均作業水深超過1 200 m， 最大水深1 546 m，總體采用半潛式鉆井平臺批鉆鉆井規模化作業，水下生產系統開采的整體開發模式。目前該氣田已完成全部井的非儲層段鉆井作業和4口井的儲層段鉆井及完井作業，計劃2021年6月投產。目前，中國海油的深水業務已遍及全球16個作業區塊，深水鉆井技術初步具備完整體系，可滿足大部分深海鉆探開采的需求。

1 中國海油深水鉆井技術發展現狀

深水鉆井面臨著以下技術挑戰：①環境挑戰，離岸距離遠、水深、風浪流干擾；②裝備挑戰，鉆井浮式平臺、鉆井隔水管系統、水下防噴器組；③技術挑戰，海底高壓低溫、海床不穩定性、淺層地質災害、地層壓力窗口窄。

中國海油深水鉆井區塊覆蓋了高溫高壓、深層、鹽層等各種復雜工況[12-14]，不僅面臨深水鉆井常規技術挑戰，還面臨著特殊的挑戰：①更惡劣的環境條件，臺風頻繁、內波流、洋流活躍；②更復雜的地質條件，高溫高壓、巨厚鹽層；③非常規的儲層條件，碳酸鹽、低滲。

針對深水鉆井面臨的技術挑戰及困難，中國海油通過跟蹤學習、合作引進、自主研發等方式，初步形成了具有海油特色的安全高效深水鉆井關鍵技術體系，在深水鉆井領域取得了顯著成果。

1.1 深水鉆井設計技術體系

目前，中國海油已經形成以深水鉆井總體方案設計和深水鉆井工藝為代表的設計研究體系，基本具備了深水油氣田開發自主設計能力。

在技術能力方面，中國海油掌握了以下技術體系：深水工程地質預測評估技術體系、深水窄壓力窗口鉆井技術體系、深水鉆完井液及固井體系、深水鉆完井關鍵工具和裝備、應急關鍵技術和裝備、救援井技術、深水設計標準體系等。

在設計體系方面，中國海油能夠完成以下分析及設計：深水井壁穩定計算與分析、隔水管力學分析與性能校核、表層導管與井口穩定性分析、深水鉆井參數設計、深水井控設計、完整性管理設計等。

1.2 環境風險與地質災害評估及控制技術

在中國南海，臺風頻發、淺層地質災害問題突出。中國海油研發形成了環境風險與地質災害評估及控制技術，為實現深水安全鉆井提供了可靠手段。

1.2.1深水環境風險評估與控制技術

中國海油對中國南海近60年內的臺風規律進行研究后，引入海氣耦合模式，采用警戒區劃分和T-time相結合的方法(圖1)，首次提出了深水鉆井避臺策略，成功應對了所遭遇的全部19次臺風，保障了南海臺風期間深水鉆井作業設備和人員安全。

圖1 深水環境風險評估與控制技術Fig.1 Deep water environmental risk assessment and control technology

1.2.2深水海底復雜井場(滑坡區)鉆井

超深水海床由于存在未固結的松軟沉積物或存在軟弱結構面的巖石，表層土體在重力作用下沿斜坡會發生快速滑動，對深水鉆井作業的安全帶來巨大威脅。

目前，通過二維、三維地震資料分析初步識別海床土質，并結合井場調查進一步探明井場周圍土壤穩定情況，在多角度、多方法計算邊坡穩定性之后，優選鉆井井位，提前制定出防滑坡的應急預案。開鉆之前，海上鉆井平臺會利用ROV(水下機器人)對鉆井井位周邊情況進行勘探，提前下鉆具在井位周邊下壓，探明滑動情況。在滑坡潛在風險區域，鉆井將采用高抗彎強度井口，設置井口合理出泥高度，并在ROV上配備沖洗工具。在管柱下到海床之前，盡量不擾動附近地層。

1.2.3淺層氣地質災害評估及分級控制技術

淺層氣地質災害對深水鉆井危害巨大，中國海油通過對淺層氣/淺水流噴發速度、噴發高度、噴發時間與其壓力、體積的變化規律研究，建立了 “鉆導眼、主動放噴、移井位” 風險分級控制技術。該項技術可以實現多領眼淺層氣可控性放噴、淺層隨鉆探明含氣性、復合漿柱結構完成表層固井。

1.3 深水表層高效鉆井技術

中國海油在深水表層鉆井的研究和實踐中，形成了以隔水管力學分析、噴射法下表層導管、表層批鉆等為代表的深水表層高效鉆井技術。

1.3.1深水隔水管及井口穩定性分析技術

在國內率先突破深水鉆井隔水管系列關鍵技術，結合深水特殊工況，建立了基于窗口最大化隔水管頂張力優化方法、隔水管-井口系統一體化設計技術，形成了一套深水鉆井隔水管分析和作業技術，包括隔水管及井口系統力學分析、深水鉆井隔水管優化設計、隔水管安全作業及風險控制技術(圖2)等。

圖2 深水隔水管安全作業及風險控制Fig.2 Safe operation and risk control of deepwater riser

1.3.2噴射法下表層導管技術

針對深水表層鉆井作業面臨的淺層土質疏松、破裂壓力低和海底低溫等難題，中國海油研究形成了集原理、設計方法、作業控制及硬件于一體化的噴射法下表層導管技術體系(圖3)，掌握了全套的設計和作業技術，在海上應用效果良好。

圖3 深水噴射下入隔水導管Fig.3 Jetting conductor in deepwater

基于對區域地層強度的深刻認識，噴射法下表層導管技術通過優化鉆頭伸出量和噴射參數，將鉆頭伸出量由101.6～152.4 mm增加至127.0～177.8 mm、排量最大由4 100 L/min提高至5 000 L/min，從而大幅度提高了作業效率。LW21-1-1井表層導管噴射入泥深度達99.44 m，LW22-1-1井表層導管噴射入泥100.1 m。其中，LW22-1-1井表層導管噴射作業用時2.25 h，純鉆時間1.34 h，平均機械鉆速達74.70 m/h，創超深水記錄。

1.3.3深水鉆井隔水管批試壓技術

根據深水鉆井試壓的特點，以隔水管的下放回收時間及接頭密封可靠性為基礎，以安全期望值為準則，采用穩態遺傳算法對隔水管下放試壓單元進行群體隨機尋優(圖4)，建立了隔水管下放試壓優化模型，確定了隔水管試壓單元最優單根數及排列順序。經過優化，隔水管試壓頻率由原來5根一試減小至15根一試；2 500 m水深情況下，隔水管試壓由原來的21次減少為7次。同時，采用固井泵和水下試壓泵同時試壓的方法，試壓時間由原來的6 h/次縮短為1.5 h/次。

圖4 深水隔水管下放試驗目標收斂曲線Fig.4 Target convergence curve of deepwater riser lowering test

1.3.4拖拽隔水管移位深水表層批鉆技術

根據鉆井平臺移位、起下防噴器(BOP)組及前期準備所需時間，分析懸掛BOP航行的最低經濟航速，并對最低經濟航速條件下隔水管的極限強度及平臺穩定性進行分析，建立了表層批鉆適應性決策模型，并在南海深水鉆井全面推廣應用。

1.4 深水極窄壓力窗口安全鉆井技術

中國海油已在南海涉足多口深水高溫高壓井，針對海底低溫、儲層高溫、極窄壓力窗口鉆井作業技術挑戰，研發形成了多項安全鉆井技術。

1.4.1動態井身結構設計技術

深水鉆井前，海底地質不確定性高、安全風險大，通過總結多年深海鉆井經驗，制定了“井身結構實時決策樹”。在實鉆過程，“井身結構實時決策樹”能夠根據鉆井的關鍵節點來監測作業窗口，提高決策效率。

1.4.2井壁強化技術

研發了自適應預交聯凝膠顆粒(圖5)，形成配套的井壁強化技術，提高地層承壓能力，有效預防井漏。其作用機理為：架橋堵塞、骨架支撐、膨脹壓實、化學膠結、返排容易。通過對比陵水深水區塊相同井深鄰井地層資料，井壁增強技術可提高地層承壓值1.8 MPa以上，有效拓寬了安全作業窗口。

圖5 自適應預交聯凝膠顆粒Fig.5 Adaptive pre-crosslinking gel particles

1.4.3深水高溫高壓井極窄窗口壓井技術

LS25-1-3井的φ311.15 mm井眼在4 067.5 m鉆遇異常高壓層(進入砂巖0.69 m)，發生井涌(設計鉆井液密度1.47 g/cm3，實際1.78 g/cm3以上)，但上層套管鞋處承壓僅1.70 g/cm3，導致上部漏失、下部井涌的嚴峻險情。通過循環提高鉆井液密度，泵入堵漏鉆井液提高地層承壓能力，控壓打撈放射源，負壓力窗口回填，成功實現了深水領域極窄窗口下的壓井作業。

1.5 深水井控及應急救援關鍵技術

深水鉆井的井控風險高，一旦發生事故，將造成不可承受的巨大損失。由于深海作業環境、海床地質特點、井控裝備等的不同，深水鉆井井控及應急救援更加復雜，同時也帶來了很多技術難點問題，主要包括：地層承壓低導致的地層壓力窗口窄，早期溢流和井涌難以被有效監測和發現，隔水管和阻流管線長，壓井難度大，存在形成水合物風險等[15]。中國海油一直重視深水鉆井井控及安全應急技術體系建設，結合南海的深水作業經驗，深入分析深水井控面臨的問題，統籌海上應急救援力量，形成了多項深水井控及應急救援關鍵技術。

1.5.1深水井控軟件及快速決策系統

中國海油建立了一系列非常規壓井及壓井參數設計方法，形成了復雜工況下深水鉆井井噴控制技術；通過實時采集現場數據，建立井控軟件快速計算系統，實現了專家在線系統數據的快速準確提取，提高了井控應急救援的時效性與準確性。

1.5.2井口安全監控及井噴智能預警系統

針對深水長隔水管段對井控影響，首次提出“井下+水下+水上”三位一體多源信息融合的氣侵早期智能預警系統，實現“侵入即發現” 。

1.5.3動態壓井鉆進(DKD)裝備

建立了無隔水管鉆井井筒壓力的精確預測方法，研制的動態壓井鉆進(DKD)裝備(圖6)，已全面列裝于我國“奮進號”“海洋深水982”等深水鉆井平臺，成為深水表層鉆井的標配。

圖6 動態壓井系統控制回路示意圖Fig.6 Control circuit diagram of dynamic well killing system

1.5.4深水應急救援方案策劃及設計能力

基于井噴失控情景構建和風險評價，進行深水應急救援滅火作業模擬分析，編制針對性的應急工程技術方案，包括應急救援船就位方式、滅火、清障、井口重建和壓井等應急處理方案，形成我國海洋首個不同井噴失控場景的應急工程技術方案，大幅提高了中國海油應急救援能力。

1.5.5深水救援井技術

針對被救援井實際作業條件，建立了救援井井位優選方法，救援井連通技術和救援井動態壓井技術等，形成一套技術可行、經濟高效的中國海油自有的救援井探測定位技術(圖7)。研制出具有完全自主知識產權的救援井探測定位工具，并開展了相關的室內實驗和井下試驗，井下探測距離達到23 m。

圖7 深水救援井探測定位示意圖Fig.7 Schematic diagram of detection and positioning of deepwater rescue well

1.6 深水關鍵技術及裝備國產化

1.6.1深水鉆井液及固井水泥漿體系

基于關鍵材料國產化理念，中國海油建立了國內先進的鉆井液及固井水泥漿實驗室，研發了3套深水鉆井液及2套深水水泥漿體系，首次實現了體系國產化，形成了完整的產業鏈，應用成功率100%。

1.6.2深水水下井口及采油樹

相繼研發了68.95 MPa(10 000 psi)級水下井口及適應500 m水深的水下采油樹，具備相應的結構設計、機械設計、儀表設計、界面設計、控制系統界面設計等能力以及裝置加工制造能力，目前正在進行工程化、產業化產品的開發、加工和制造。

1.6.3深水智能完井工具

中國海油已經完成深水智能完井工具井下及地面控制系統的試制。該系統技術指標：適用于φ244.475 mm以上套管井徑；溫度等級100 ℃；壓力等級35 MPa；3根液壓管線可以實現最多6個生產層位的流量控制，可實現4級流量控制。目前，該系統已在南海淺水井成功應用。

1.6.4水下應急封井裝置

中國海油牽頭制造的應急封井裝置，通徑480 mm，壓力等級105 MPa，最大流量16 000 m3/d，溫度等級U級，工作水深3 000 m，各項技術指標達到國際先進水平。目前，該裝置已在煙臺碼頭完成下水實驗，挪威船級社全程見證，是國內首套水下應急封井裝置，具有完全自主知識產權，國產化率達90.26%。

2 中國海油深水鉆井技術未來發展展望

中國海油在世界范圍內參與深水區塊16個，國內3個，海外13個(作業者4個，非作業9個)。涉及中國南海、西非、北海、巴西和墨西哥灣等世界主要深水區域。未來深水油氣勘探開發技術需求依然迫切，深水鉆井仍面臨嚴峻挑戰。

2.1 未來需求

南海深水環境條件惡劣(臺風/內波流)、地質條件復雜(高溫高壓、深層花崗巖、極窄壓力窗口)，海外深水鹽層鉆井困難(鹽層蠕變造成縮徑，鹽溶致水泥漿性能變化大，固井難，易漏失)。未來主要技術需求：①復雜深水井、超深水井日趨增多，現有技術尚無法滿足要求，事故多發復雜開發井作業經驗為零；②高昂的深水鉆完井及后期修井成本是制約經濟開發的關鍵因素之一，高效鉆完井及輕型低成本修井技術是深水油氣勘探開發的持續需求；③安全應急保障能力是確保深水鉆完井本質安全的關鍵，亟需持續加強深水安全應急救援能力建設；④關鍵核心裝備是制約完全自主實施深水油氣勘探開發的核心關鍵，必須長期堅持國產化道路；⑤智能化、數字化是技術發展的主流趨勢，借助新興技術助力深水油氣田安全高效開發是可能的有效途徑。

2.2 技術發展重點

未來技術發展的重點是攻克深水鉆完井關鍵核心工具裝備，突破復雜條件深水鉆完井關鍵技術，提升深水應急救援技術能力，通過5～15年的持續攻關與工程實踐，系統建立深水鉆完修井及應急救援技術體系，實現深水油氣勘探開發全面自主作業，支撐產業目標的順利實現。

2.3 關鍵技術發展展望

2.3.1深水精細控壓鉆井技術

隨著深水勘探開發走向深部高溫高壓等復雜地層，控壓鉆井技術成為新技術發展的重點，其相關成果也受到了業界的極大關注。未來的控壓鉆井技術將向自動化、智能化方向發展。

2.3.2深水輕型修井

第一代輕型修井裝備出現于2000年，由國外公司推出并在2003年成功應用在深水鉆井船上。2004年，輕型修井裝備開始配備在輕型工程船上為歐洲北海油田、墨西哥灣提供輕型修井服務，技術也逐漸發展成熟。

深水輕型修井能夠提高修井作業的機動性，降低深水修井成本，通過高效低成本的修井增產措施，提高油氣采收率和開發的經濟效益，具備明顯的技術優勢。

2.3.3深水深層鉆井技術

深水(水深≥500 m)、深層(埋深≥3 500 m)區域勘探開發已經逐漸成為未來油氣領域的熱點，針對“雙深井”作業難點與關鍵技術，開展研究攻關，建立一套“雙深井”鉆井關鍵技術，解決“雙深井”實際生產技術難題，為安全高效實施“雙深井” 作業提供技術支持。

2.3.4深水高溫高壓開發鉆井技術

深水高溫高壓是中國海油邁向深海面臨的重要技術挑戰，對勘探開發而言，難度非常大。通常，深水高溫高壓井的地層壓力預測精度低，破裂壓力更低，分布規律認識不清。窄壓力窗口作業安全挑戰更大；早期溢流監測困難，井控難度更大。

從目前的研究技術方向而言，深水高溫高壓井壓力預測方法、窄壓力窗口安全作業技術、井控技術和控壓鉆井工藝、環空壓力管理技術等方面的研究，都非常關鍵。

2.3.5智能化深水鉆井技術

未來，智能化是深水鉆井技術的主要發展方向之一。基于大數據分析的鉆井風險監測及識別技術，如早期溢流監測、井下風險識別、E-drilling智能決策等，將進一步完善。

無鉆機鉆井技術和智能鉆井技術等，如無隔水管鉆井、海底鉆機鉆井和無鉆機鉆井，將成為未來海上鉆井的主要形式；智能完井技術，如自動監測井下數據、自動數據處理和自動干預等，將為油田長效可持續開發提供保障。

3 結束語

中國海油的深水鉆井技術歷經10余年的發展，通過不斷自主創新，形成了可以應對深水高溫高壓、深層、鹽層等各種復雜情況的中國特色深水鉆井技術，實現了中國海洋鉆井技術由深水向超深水的跨越。隨著中國海油對深海油氣資源開發的深入，深水鉆井面臨著更為復雜的作業挑戰，鉆井技術的完善與突破，深水鉆井設備的國產化等問題亟待解決。在低油價與后疫情時代，中國石油工業任重道遠，努力實現中國深海油氣可持續的高效開發，為國家的能源安全保駕護航。