中國海洋油氣鉆完井技術的進展與展望

李 中 謝仁軍 吳 怡 袁俊亮

1. 中海油研究總院有限責任公司 2. 海洋石油高效開發國家重點實驗室

0 引言

我國是油氣資源消費大國，近年來油氣對外依存度持續攀升。而我國海上油氣資源豐富，目前，海上油氣生產已經成為保障國家能源安全的重要增長極[1-4]，2020年我國海上油氣產量突破6 500×104t油氣當量，創歷史新高，其中，原油產量同比增長240.3×104t，占國內原油產量總增量的80%以上，加快海上油氣生產既是自身發展的需求，同時也是保障國家能源安全、建設海洋強國的戰略需求[5-9]。

“十三五”期間，中國海洋石油集團有限公司（以下簡稱中國海油）鉆完井技術人員堅持需求導向，發揮專業擔當，通過理論創新和科研攻關，相繼突破了渤海中深層高效鉆完井、海上稠油規模化熱采、（超）深水油氣田開發鉆完井、南海高溫高壓鉆完井、非常規油氣增產、海上應急救援等關鍵技術，打破了隨鉆測井與旋轉導向鉆井系統、深水鉆井表層導管、水下應急封井裝置、水下井口采油樹等關鍵工具裝備的國外壟斷，助力中國海洋石油工業的高質量發展。為此，筆者重點回顧和總結了“十三五”期間中國海油鉆完井技術的研究進展，并對未來海上鉆完井重點研究方向進行了前景展望。

1 海洋石油鉆完井面臨的問題與挑戰

“十三五”初期，海洋石油鉆完井領域面對重要戰略機遇，也面臨嚴峻挑戰，關鍵核心技術積累不足，工具裝備基礎薄弱，難以支撐重要領域的優快發展。其中，面臨的主要問題和挑戰體現在以下方面。

1.1 稠油開發挑戰

渤海灣稠油（地層原油黏度大于350 mPa·s）地質儲量高，但動用程度低，地面原油黏度大于10 000 mPa·s的稠油儲量尚未得到動用。稠油冷采開發方式動用程度偏低，而熱采技術作為稠油開發的主要手段，依然面臨嚴峻的問題：如篩管損壞及出砂情況嚴重；熱采井口刺漏及套管升高的問題突出，影響到平臺及人員安全等。

1.2 深水及超深水挑戰

深水鉆井關鍵工具、設備和大部分服務還依靠進口，在成本和效益壓力下，降本增效迫在眉睫。深水探井作業日臻完善，但開發井鉆完井技術尚處于空白。中國海油所作業深水井的地質條件相對簡單，未來待開發領域將面臨深水高溫高壓、巨厚鹽膏層等復雜地質環境。此外，南海臺風、內波流等對深水鉆井作業的影響，目前還缺乏有效的應對手段和措施。

1.3 高溫高壓挑戰

高溫高壓探井作業具備一定經驗，但在高溫高壓開發井方面的經驗為零。隨著鶯—瓊盆地、西湖凹陷等區域的勘探發現，亟需加快高溫高壓油氣的開發步伐。相對于探井而言，高溫高壓開發井存在諸多難點與挑戰：開發井井深和水平位移大幅提升，井身結構、管柱防腐、隨鉆/定向等井下工具考驗嚴峻；井斜與裸眼段長度增大，鉆井液沉降、ECD控制、井控等風險突出；產量高、生產年限長，沖蝕、腐蝕等井筒完整性問題顯著。

1.4 關鍵工具裝備挑戰

以隨鉆測井和旋轉導向鉆井系統為代表的部分關鍵鉆采工具裝備起步較晚，基本處于跟蹤和追趕國外中、低端裝備的水平，相對于國外已形成的體系化、系列化產品存在的差距，主要體現在：已有設備尺寸單一，無法滿足全部井段的隨鉆測井和高難度井、水平井作業需求；缺乏高端隨鉆測井和旋轉導向鉆井裝備；隨鉆測井資料處理和解釋技術滯后，缺乏相應解釋軟件。此外，在完井及防砂工具、水下井口采油樹、深海鉆井機具等方面與國際先進水平也存在較大差距，不能完全滿足勘探開發與技術發展的需求。

2 海洋石油鉆完井技術的主要進展

“十三五”期間，中國海油鉆完井始終瞄準關鍵問題挑戰，產學研用協同創新，相繼突破了渤海中深層高效鉆完井、海上稠油規模化熱采、超深水油氣田開發、南海高溫高壓鉆完井等關鍵技術。打破了隨鉆測井與旋轉導向鉆井系統、深水鉆井表層導管等一批關鍵工具裝備的國外壟斷。所取得的主要進展如下。

2.1 海上中深層高效鉆完井技術

隨著中淺層勘探成熟度提高，進軍海上中深層勢在必行[10]。其中渤海中深層鉆完井存在以下難點：①潛山卡層難：地震精度不足，地層界面精準卡層難度大；②可鉆性差：孔店組砂礫巖、潛山花崗片麻巖抗壓強度高達18 000～40 000 psi（1 psi=6.89 kPa，下同），可鉆性極差；③地層壓力復雜：安全密度窗口窄，井身結構復雜，潛山裂縫儲層保護難度大；④測試風險高：高溫、腐蝕性流體、裂縫性地層測試安全控制難度大。針對上述挑戰，中國海油研發形成了中深層高效鉆完井技術體系，取得顯著成效，支撐渤中19-6大型凝析氣田發現，試驗性開發已投產。

2.1.1 深埋潛山精準卡取及評價技術

地質工程一體化團隊基于潛山上覆地層元素變化規律、潛山界面指征元素及礦物變化規律，創建了巖性判別的元素—礦物圖版法，精準卡取潛山頂界面，鉆后深度誤差小于5 m。基于錄井有效性評價指數及測井聲波幅度、成像等多因子，創建了裂縫儲層錄/測一體化隨鉆評價技術，首次實現國內裂縫型儲層取樣。

2.1.2 深部潛山硬地層鉆井提速技術

研發了適用于潛山地層的橫向均勻高頻沖擊扭力沖擊器（圖1），并配合忍者齒PDC鉆頭，建立了深部潛山硬地層鉆井提速技術[11]，高研磨性地層機械鉆速比常規馬達＋PDC鉆頭分別提高135%，實現了一個井段一趟鉆。最終5 000 m當量井深鉆井周期最高降低62%，創造了我國海上鉆井新紀錄。

圖1 橫向均勻高頻沖擊扭力沖擊器結構圖

2.1.3 中深層地層壓力隨鉆預監測技術

基于已鉆井地震數據與目標井地震數據之間的映射關系，考慮地層的映射關系和壓實程度差異，利用已鉆井測/錄/鉆井信息，推演目標井的虛擬測/錄井數據，實現鉆頭前100 m范圍內壓力剖面的隨鉆精確預監測，技術應用于渤中多口高風險探井現場作業，精度達到90%以上。

2.1.4 高含腐蝕性氣體油套管防腐技術

基于井下真實腐蝕環境及腐蝕理論，針對不同等級防腐管材，開展大量室內腐蝕模擬實驗，科學篩選油套管防腐等級，將生產套管與油管的材質由雙相不銹鋼優化為超級13Cr，在防腐材質方面降本幅度達35%。

2.2 海上稠油規模化熱采技術

相比陸地稠油熱采相比，海上稠油規模化熱采技術主要表現為：①平臺空間受限，陸地常規熱采設備及技術無法照搬；②安全環保要求嚴，井下及井口安全控制更嚴格；③海上日費高，對作業時效和井筒長效壽命要求更高。中國海油歷經十余年海上熱采研究和探索試驗，“十三五”期間在渤海多個稠油油田熱采規模性開發項目上創造了新紀錄，基本形成350 ℃、5～8個輪次、一體化注采管柱鉆采設計和作業技術能力。

2.2.1 熱采井套損及井口抬升防控技術

針對海洋特殊環境條件，通過導管涂層隔熱、預應力固井、隔熱油管、環空注氮等工藝，結合研發的地錨、熱應力補償器、熱采專用套管頭等裝備，形成一套熱采井井口抬升防控技術。

2.2.2 熱采井長效防砂技術

針對350 ℃蒸汽吞吐使用環境條件，開展了系列長效防砂模擬和耐蝕性能等試驗，采用金屬網布復合篩管+熱伸縮補償器等組合防砂技術實現熱采井長效防砂，已在渤海某稠油油田成功多輪次驗證。

2.2.3 熱采井高溫井下安全控制系統

為解決海上熱采井井筒安全問題，中國海油研制了熱采井系列完井工具，整體耐溫等級達到350 ℃、耐壓等級達到21 MPa，形成滿足海上熱采井高溫井下安全控制系統，已在渤海某稠油油田成功應用。

2.2.4 熱采井注采管柱一體化技術

結合射流泵管柱特點及海上平臺安全要求，開展了工具研制及相關試驗（圖2），目前渤海油田同心管射流泵注采一體化已在現場試運行并初步取得成功。

圖2 熱采井同心管射流泵注采一體化管柱圖

2.3 深水油氣田開發鉆完井技術

“十三五”期間，中國海油進入深水實現油氣資源開發領域，掌握了（超）深水開發鉆采設計能力，具備了1 500 m（超）深水油氣田開發鉆完井作業能力，支撐了我國首個自營超深水大氣田——“深海一號”成功投產（圖3），實現了水深由300 m到1 500 m、由勘探到開發的跨越。同時成功嘗試深水高溫高壓鉆井和測試作業，創西太平洋第一水深2 619 m鉆井紀錄。

圖3 “深海一號”氣田水下生產系統示意圖

2.3.1 深水鉆完井設計技術體系構建

形成了以深水鉆完井總體方案設計、深水鉆完井工藝為代表的研究設計技術體系，基本具備了深水油氣田開發自主設計能力，完成了以“深海一號”自營超深水氣田為代表的多個水下油氣田開發方案設計，并成功實施作業投產。

2.3.2 環境風險與地質災害評估控制技術

針對南海臺風頻發、淺層地質災害發育等技術挑戰，研發形成了環境風險與地質災害評估及控制技術，包括深水環境風險評估與控制技術、深水海底復雜井場鉆井、淺層地質災害評估及分級控制技術等，為實現深水安全鉆井提供了可靠手段[12]。

2.3.3 深水淺層高效鉆井技術

深水鉆井事故60%來自于淺層鉆井，針對深水表層鉆井難點，中國海油研究形成了表層導管噴射、淺層破裂壓力預測等深水淺層高效鉆井技術。基于不同土質沉積環境，考慮超孔隙壓力特點，建立了深水淺部地層破裂壓力模型，應用于多個深水油氣田的鉆探過程中，預測精度由70%提高至90%。形成的噴射下導管技術體系，實現了一趟管柱完成兩開井眼鉆進作業，已在國內外數十口井深水井成功應用，作業成功率100%[13-14]。

2.3.4 深水井控預警關鍵技術

深水鉆井井控風險高，一旦發生事故，損失難以估量，中國海油持續重視深水鉆井井控及安全應急技術體系建設，形成了深水井控軟件及快速決策系統、井口安全監控及井噴智能預警系統等多項關鍵技術。構建了現場數據與井控軟件快速計算系統，實現了專家在線系統的數據快速提取，提高了井控應急救援的時效性與準確性。針對深水長隔水管段對井控的影響，研發了“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”。

2.4 海上高溫高壓鉆完井技術

南海是世界三大海上高溫高壓區域之一，由于地處歐亞、太平洋和印澳板塊交匯處，地質構造復雜。目前鉆遇的井底溫度最高紀錄達249 ℃（圖4），井底壓力達142 MPa，壓力梯度2.4 MPa/100 m，南海高溫高壓鉆完井是公認的世界級難題，開發難度巨大。

圖4 全球主要高溫高壓油氣區對比圖

“十三五”期間，我國海上高溫高壓鉆完井團隊經歷了從合作起步，自主攻關，到掌握全套鉆完井核心技術的過程，相繼發現了5個大中型海上高溫高壓氣田，形成了具有自主知識產權的海上高溫高壓鉆完井關鍵技術體系，目前正在走向深水高溫高壓和超高溫高壓開發領域[15-17]。

2.4.1 高溫高壓異常壓力精確預測及控制技術

創建了多源多機制成因的異常壓力預測方法，將異常地層壓力預測精度由傳統方法的70%提高至95%。研發的雙向動態循環井身結構設計方法，將井身結構層次由7層降至5層。研發了多參數實時聯動調控微壓差連續循環鉆井系統，使井下事故復雜時效由65%降至5%，大幅提高了高溫高壓井鉆井的成功率。

2.4.2 海上高溫高壓多級屏障井筒完整性技術

建立了基于井筒精細描述的井筒壓力溫度耦合預測方法，形成了考慮腐蝕、溫度、磨損等因素的套管柱強度設計，研發了“五防”“自修復”水泥漿體系，提高固井質量優良率至95%，創建了高溫高壓高含CO2氣井多級屏障井筒完整性技術，解決了環空帶壓問題。

2.4.3 海上高溫高壓井控及完井管柱安全控制技術

形成了高溫高壓天然氣不同井型溢流及壓井期間井控模擬技術，建立了水平井微過平衡鉆井工藝技術，保障了窄壓力窗口鉆井作業安全；構建了雙封隔器復合管柱的力學分析方法，通過“雙封隔器”射孔生產聯作管柱，簡化工序同時保障完井管柱安全。

2.4.4 海上高溫高壓優質高效作業技術

研發了高溫高壓環保型水基雙效鉆完井液體系及耐高溫綜合提速工具，提高機械鉆速160%以上，創建了高溫高壓叢式井防碰井段“三效一體”作業技術，單井工期節省2.5 d，實現了海上高溫高壓井優質高效作業。

2.5 非常規油氣增產技術

自20世紀初中國海油開始涉足非常規領域，2006年首次開展了海上壓裂作業，經過十余年發展，截至2020年底共計完成52井次海上壓裂作業，已形成了一系列針對非常規煤層氣、致密氣和海上低滲透儲層的壓裂改造技術，可滿足中國海油開發及生產的需求。

2.5.1 陸上煤層氣

中國海油在國內擁有32個陸上煤層氣區塊，主要分布于沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣等，地質條件復雜，割理裂縫發育，具有低壓、低滲、低飽和度的特性。為應對以上技術難題，形成了一套適用于不同煤層特征的壓裂增產技術體系，包括活性水壓裂，泡沫壓裂、清潔壓裂液壓裂、同步壓裂等技術。

2.5.2 陸上致密氣

中國海油在國內擁有致密氣資源量約5 000×108m3，集中在鄂爾多斯盆地東緣的臨興—神府區塊，主力目標層孔隙度約10%、滲透率約1 mD。目前已形成直井/定向井分層壓裂技術、水平井分段壓裂技術，并在臨興—神府致密氣區塊進行應用。

2.5.3 海上壓裂增產技術

建立了海上低滲油氣田開發技術體系并形成企業標準，在前期甜點選擇、開發井網優化部署、壓裂方案優化及效果評估、壓裂充填防砂等方面，形成了具有海油特色的關鍵技術，并建成一艘專業壓裂作業船——海油石油640，可以滿足中小規模海上壓裂改造作業，截至2020年中國海油實施海上壓裂52井次。

2.6 國產化鉆采工具裝備研發

海洋油氣開發中，部分核心鉆采裝備長期依賴進口，為此中國海油持續加強“三新三化”建設，力爭逐步推進核心設備的國產化。“十三五”期間，鉆采領域工具裝備國產化取得實質性進展，以國產隨鉆測井及旋轉導向鉆井系統為典型代表，深水鉆井表層導管、水下應急封井裝置、水下井口及采油樹等成功試驗或應用。

2.6.1 隨鉆測井及旋轉導向鉆井系統

中海油服成功自主研發了我國首套Drilog隨鉆測井系統與Welleader旋轉導向鉆井系統（圖5），使我國成為全球第2個擁有這兩項核心技術的國家。

圖5 國產Welleader旋轉導向鉆井系統示意圖

其中Drilog系統攻克了隨鉆聲波、隨鉆測壓、隨鉆探邊3項高端功能，高速率脈沖遙傳技術傳輸速率同比提升24倍；Welleader系統增加了垂直造斜、高造斜率、近鉆頭測量、垂直鉆井等功能，鉆井時效同比提高20%，截至2020年底，已在國內成功完成520井次的作業，累計鉆進50×104m。

2.6.2 深水鉆井表層導管

牽頭研發制造了深水鉆井表層導管（圖6），性能得到充分驗證，可完全替代國外同類產品，已應用于陵水等深水、超深水區域8口井現場鉆井作業，取得了良好的應用效果。單井節約材料費40萬元，節約鉆機時間約3 h，合計單井節約綜合成本100萬元。

圖6 國產深水鉆井表層導管現場應用照片

2.6.3 水下應急封井裝置

牽頭研發制造了水下應急封井裝置（圖7），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，其中關鍵零部件的國產化率已達到了90%，技術指標達到國際同類產品先進水平，使我國成為極少數能夠生產水下應急封井裝置的國家。

圖7 國產水下應急封井裝置圖

2.6.4 水下井口及水下樹

深水方面，研發了10 000 psi級水下井口及適應500 m水深的水下采油樹（圖8），具備相應的結構設計、機械設計、儀表設計、控制系統界面設計能力以及加工制造能力，目前正在進行產業化產品的開發、加工和制造。淺水方面，研發了我國首套淺水水下井口及采油樹系統并在渤海完成海試，驗證系統的可靠性、安全性和功能性。

圖8 國產水下井口與水下采油樹圖

2.7 海上應急救援技術體系

中國海油依托國家科技重大專項、國家重點研發計劃等科研項目，針對應急防控救援井技術難題，開展了10余年的技術攻關[18]，創新形成了海上鉆井井噴失控井噴參數估算方法、海上救援井設計技術、救援井與事故井井眼連通關鍵技術、救援井非常規壓井等技術體系。

2.7.1 海上鉆井井噴失控井噴參數估算方法

開展了海上鉆井井噴失控多相流井噴失控試驗，建立了井噴參數與井噴高度的關系模型，建立了鉆井井噴失控條件下的井噴地層壓力估算方法，建立了水下井口鉆井井噴失控地層參數反演算法。

2.7.2 海上救援井設計技術體系

創建了適合海上的救援井設計流程及設計方法，形成了中海油救援井復雜性評估方法、救援井井位迭代優選方法、Bypass軌跡設計及連通等關鍵設計技術，首次形成國內海上救援井設計技術體系和設計指南。

2.7.3 救援井與事故井井眼連通關鍵技術

開展了救援井探測定位系統研究分析，構建救援井電磁探測定位工具理論模型，形成救援井探測定位工具優選方案，形成救援井井口位置及連通點選擇基本原則，首次提出四階段的救援井軌道設計方法，建立救援井與事故井連通前測距定位方案。

2.7.4 救援井非常規壓井技術

建立了救援井不同連通方式下的救援井壓井模型，首次開展室內實驗得到了救援井連通點處零表觀液速流型轉化準則，創建考慮流型轉化的救援井全井段壓力計算模型。

3 海洋石油鉆完井技術發展前景展望

目前全球已有100多個國家和地區在海上進行油氣勘探活動，40多個國家和地區在150多個海上油氣田進行開采。海上原油日產量已超過100×104t，約占世界總量的25%，并日益增加，全球海上油氣生產已經成為重要的能源增長極[19]。未來，在海洋油氣勘探開發過程中仍面臨新的挑戰[20-21]，亟需相關技術攻關與儲備，詳述于下。

3.1 復雜領域鉆完井技術

超高溫高壓、超稠油開發、深水深層等復雜領域是世界范圍油氣發展的熱點方向，同時也是技術難度高峰[21]。未來技術發展應緊扣安全和提效主題，主要發展方向包括工程地質精準識別、超稠油多輪次吞吐低成本鉆完井及注采、窄窗口控壓鉆井及固井技術、深部復雜地層儲層保護技術等。

3.2 裝備材料持續國產化

目前深水水下井口及采油/采氣樹、深水防噴器、耐超高溫井下工具，以及高規格防腐管材、高密度無固相完井液等部分關鍵裝備材料尚依賴進口，價格居高不下，采辦周期長，制約著部分油氣田的開發效益。未來，加大國內油氣勘探開發力度，需要持續加強上述關鍵裝備、材料的基礎性研究與國產化應用。

3.3 交叉學科人才培養

創新是發展的不竭動力，學科交叉與跨學科交流則是創新的源泉。未來需要在石油工程與地質力學、地球物理學、信息技術、人工智能等交叉學科加強人才培養[22]，在油氣行業與航空航天、水利水電、船舶工業、電子科技等行業，增進跨領域交流。

3.4 數字化與智能化

中國海油初步建立了E-drilling系統，未來將在以下領域持續加強數字化建設。智能鉆井方面：智能鉆機、井下實時大容量信道通訊、基于Python大數據的鉆井溢流預警、深水應急救援、海上平臺關鍵區域“天眼”監控等。智能完井方面：智能井下控制、自動監測井下數據、數據分析和自動干預系統等。

3.5 綠色能源轉型

開展天然氣水合物資源評價及開采技術攻關，聚焦先導示范區，加大取樣評價力度、突破高效開發和流動安全技術，建立多氣合采試開發技術體系，形成天然氣水合物試采方案設計和現場實施能力。探索發展地熱能開發關鍵技術，發展地熱資源勘查與評價技術，研究儲備干熱巖鉆井關鍵技術，支持建設地熱資源開發利用示范區。為“碳達峰、碳中和”目標貢獻海油力量。

4 結論與建議

“十三五”期間，中國海油立足科技自主創新，攻克多項關鍵核心技術，相繼突破了渤海中深層高效鉆完井、海上稠油規模化熱采、（超）深水油氣田開發、南海高溫高壓鉆完井、非常規油氣增產、海上應急救援等關鍵技術，打破了隨鉆測井與旋轉導向鉆井系統、深水鉆井表層導管、水下應急封井裝置、水下井口采油樹等關鍵裝備工具的國外壟斷，助力實現中國海洋石油工業的高質量發展。未來中國海油將加強科技自主創新，加快進軍深海步伐，在油氣增儲上產、關鍵技術攻關、綠色能源轉型上銳意進取，為建設海洋強國不懈奮斗。