陵水17-2氣田深水鉆完井關鍵技術研究與應用*

黃 熠 劉書杰 周建良 劉和興 孟文波 黃 鑫 柳亞亞 殷啟帥 宋 宇

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057;2.中國石油大學(北京) 北京 102249； 3.中國海洋石油集團有限公司 北京 100010)

1 陵水17-2氣田鉆完井面臨的挑戰

陵水17-2氣田位于南海瓊東南盆地深水區的陵水凹陷，距海南島約150 km，平均作業水深1 500 m，是中國首個深水自營大氣田，也是中國海油第1個進行獨立自主前期研究的大型深水氣田工程，目前已探明地質儲量超過千億m3，主要生產凝析油和天然氣[1]。陵水17-2氣田已完成全部鉆完井作業，并于2021年6月底投產，這標志著中國深水鉆完井技術體系已經初步形成，可滿足大部分深海鉆探開發需求，大大增強了中國深水油氣勘探開發能力。不同于陸地及淺水鉆完井，由于作業水深的不斷增加，陵水17-2氣田鉆完井主要面臨以下問題和挑戰：①深水導致的低溫環境；②極窄壓力窗口；③深水地質災害；④深水井控風險。

1.1 海底低溫環境

在中國南海深水海域，海床處的溫度約為2～4 ℃。通過室內試驗，得到了陵水17-2氣田所在海域溫度與鉆井液流變關系，如圖1所示。從圖1可以看出，溫度對鉆井液、完井液的黏度及流變性影響巨大，而鉆完井液在井底-泥面-轉盤面運移時要經歷低溫環境，在泥線以下要經歷井底高達30～200 ℃的高溫環境，深水大溫差環境對深水安全鉆井造成巨大挑戰。此外，海底低溫同樣會造成水泥漿水化速率減小，影響淺層固井質量[2-3]。

圖1 溫度與鉆井液流變圖

同時，天然氣水合物對深水鉆完井作業影響巨大。水合物的生成往往導致井口連接器的凍結，影響隔水管在緊急情況下的脫開；而在海底泥面附近，隔水管、防噴器與鉆具的環空之間形成的水合物會造成鉆具卡鉆。此外，弱壓井、節流管線處的水合物形成堵塞，會對井控時防噴器組的正常開關造成嚴重影響；鉆井過程中，環境因素的變化可能造成水合物分解，從而導致地層強度變弱、井眼擴徑等問題。研究表明，水合物能夠釋放出170倍自身體積的氣體，在密閉環境中一旦受熱分解，由此產生的壓力可高達幾十兆帕，極有可能導致管柱及相關設備破裂。

1.2 極窄壓力窗口

隨著鉆完井作業向水深更深處進軍，地層的破裂壓力梯度也隨之降低，進而導致地層破裂壓力梯度與地層孔隙壓力梯度之間的窗口較窄，而陵水17-2氣田屬于典型的超深水環境，該氣田深水極窄鉆井作業壓力窗口低至0.02 g/cm3[4-6]。

極窄壓力窗口對深水鉆完井作業影響較大，主要表現為：與常規鉆井相比，更加復雜的井身結構帶來成本和工期的增加；對鉆完井前期設計提出了更高的要求，要準確把握地層壓力情況，從而為深水井井身結構優化及雙梯度鉆井等技術的應用提供支持。

1.3 深水地質災害

南海深水區域地質條件復雜，深水鉆井還面臨著淺層流、淺層氣、海床表面不穩定以及海底表層土質疏松等地質問題的挑戰(圖2)。深水海底的高壓環境下，大量淺層氣往往通過壓實作用被圈閉在地層中。在深水鉆完井作業中，由于鉆井液密度窗口窄，鉆遇淺層氣將造成嚴重后果。此外，相較于淺層氣，鉆遇高壓氣囊狀淺層氣危害性更高，理論研究表明，其氣體噴出速率每小時高達幾十萬立方米，進而造成固井質量下降，表層套管損壞，井口下沉，甚至井口報廢等一系列嚴重后果[7-8]。

圖2 深水鉆井地質災害示意圖

1.4 深水井控

深水鉆完井的井控風險高，由于深海作業環境、海底地質特點、井控設備等條件不同，深水鉆井井控及應急救援更加復雜[9]。深水鉆完井作業時，防噴器組通常安裝在海底，要求能夠及時發現溢流現象。氣體在井下呈壓縮狀態，向上滑脫運移時，不易發現。當氣體過防噴器組進入隔水管后，隨著液柱壓力的降低開始加速膨脹運移，體積膨脹可超過百倍，井控風險極大。此外較長的壓井管線也限制了壓井循環的流速，極窄壓力窗口和低溫水合物風險也給深水井控帶來不少問題[10]。

2 陵水17-2氣田高效開發鉆完井關鍵技術

2.1 深水復雜條件安全高效建井技術

2.1.1深水表層規模化批鉆技術

深水探井作業僅僅考慮某一口井的鉆井和測試作業，當一口井完成鉆井、測試和永久棄井之后，才能進行下一口井的作業，導致作業程序重復、成本高、周期長。在深水開發井作業中，根據勘探開發需要，并結合油氣藏特征，綜合分析起下BOP(防噴器)、懸掛隔水管航行及鉆具準備時間差異，通過建立批鉆最優化方案選擇模型，選擇最高效作業模式，優化作業步驟，以達到最大程度節省作業時間及作業成本的目的[11-12]。

深水表層規?；@技術在陵水17-2氣田9口井取得成功應用。每批次的表層批鉆作業可節約工期8～10 d，節約作業成本約5 000萬元人民幣；每批次測試作業，工期可節約15 d，作業成本約降低1億元人民幣。較探井表層建井周期、開發井表層建井周期縮短21.5%；相對批復工期提前33.34 d，綜合提效52.33%，經濟效益顯著。

2.1.2深水開發井上下部完井一體化模式

受作業平臺的空間緊湊、關鍵水下設備及物資交貨周期長等因素的影響，國際上通用深水完井程序為“下部完井、下橋塞臨時棄井、轉至下口井、井筒重入、上部完井、清噴作業”，完井作業步驟復雜[13]。陵水17-2氣田在開發過程中不局限于國際上傳統的上下部進行深水完井作業的模式，通過一系列努力后實現了上下部完井一體化作業。

首先，對水下采氣樹及關鍵完井工具進行了提前采辦。其次，優選鉆井平臺，并進行了深水完井適應性改造、大型設備的模塊化設計與升級。選用了第七代深水鉆井平臺“藍鯨一號”，進行了數十項項深水完井及下入水下采氣樹適應性改造工作，雙井架可以更高效地進行管柱預接及拆甩作業，更大的甲板空間使得大型設備有了同時就位的可能。陵水17-2氣田開發井地面防砂設備模塊化研究設計，使設備占用平臺甲板面積最小化，極大提升現場作業時效，保障了防砂作業安全高效實施。深水完井地面清噴流程模塊化升級，重點考慮了模塊內部管線的可維護性，提高了對模塊下部管線檢測的便易性，更集成、更高效、更安全。最后，多個后勤保障基地讓完井準備及后續支持更加游刃有余。各基地之間信息互通，資源共享，合理調配，協同保障現場作業物資供應。

深水開發井上下部完井一體化模式在陵水17-2氣田開發中成功實施，打破了國外深水完井分上下部施工的固定作業模式，節省場地超50%，降低完井作業風險，無需臨時棄井和重入，可節約工期50船天，為中國自營深水氣田開發提質增效和早日投產見氣提供了有力保障。

2.2 深水井筒環空壓力管控技術

深水井筒中環空壓力管控一直是深海油氣開采中的重要一環。由于地層信息不明確和技術缺陷的影響，深水油氣井會產生多層次的環空結構，且深水油氣井井口為完全密閉，環空壓力無法通過泄壓通道進行釋放，多種因素耦合作用加劇了井筒環空壓力所帶來的風險[14]。

陵水17-2氣田井口采用水下井口，套管掛及密封總成鎖緊力560 klbs(254 t)，作業期間加裝鎖緊環，套管掛及密封總成額定鎖緊力增加至2 000 klbs(907.2 t)，鎖緊環上端通過鎖環插入高壓井口內壁鎖槽實現鎖緊，下端插入φ244.475 mm套管掛內壁實現金屬密封。

通過控制環空水泥返高和使用破裂盤是目前使用最廣泛、可靠性最好、控制精度最高的環控壓力緩解措施[15]。破裂盤安裝在套管合適位置，通過控制金屬薄片參數，在設定壓差下破裂，進而釋放環空壓力，達到緩解圈閉環空壓力、升高峰值的目的，該技術發展成熟、性能可靠，在全球范圍內都得到了廣泛應用。陵水17-2氣田所用破裂盤均安裝于泥線以下100 m位置的φ339.725 mm套管串，是環空壓力緩解必要措施之一。

2.3 井控安全屏障構建技術

臨時封井必須滿足2道屏障，在陵水17-2氣田開發過程中創建了“3+1”道屏障安全控制臨時封井技術，保障施工安全，提高作業效率。

第1道屏障：φ244.475 mm套管浮箍雙氣密單流閥設計，防止流體串通至套管內；第2道屏障：浮箍以下保留2～3根套管，水泥鞋塞設計，增加安全保障；第3道屏障：下入臨時棄井橋塞；1道安全措施：計算解脫井口后能夠平衡地層壓力所需替入的鹽水比重，下入臨時棄井橋塞時同時替入高比重鹽水。對于3道屏障均試壓并負壓測試合格，再增加1道安全措施，確保井控安全?！?+1”道屏障安全控制臨時封井技術較注水泥塞的方式節約了候凝和鉆水泥塞的時間，不僅提高了效率，且保證了井筒清潔，為后續作業創造了良好的環境。

2.4 深水高產井高效安全測試技術

深水單井產能高，工藝復雜，測試風險較高。陵水17-2氣田項目組經過技術攻關和自主研發，建立了一套深水高產井高效安全測試技術。該技術創建了基于水合物生成、運移、沉積、堵塞演化機制的動態高效防治方法，可對測試過程中存在的水合物堵塞情況進行有效預防，創新形成了深水測試快速部署技術。

2.4.1深水測試水合物防治技術

水合物的生成會帶來嚴重的井控風險[16-17]。陵水17-2氣田項目組通過建立深水氣井測試全流程全周期溫度預測模型，明確了水合物在深水氣井管柱內的生成、運移、沉積及堵塞時的演化機制(圖3)，創建了深水測試全流程全周期溫度場動態預測方法，預測精度提高到95%以上。在此基礎上首創了基于拓展安全作業窗口的“允許生成、防止堵塞”水合物高效防治方法。該方法依據水合物運移沉積特征以及管柱內水合物堵塞演化特征，確定水合物抑制劑用量，與目前常用的完全抑制的方法相比，水合物抑制劑用量減少50%以上。

圖3 天然氣水合物相態曲線[18]

2.4.2深水測試快速部署技術

深水測試地面設備多、工作量大，且放噴量高，對地面設備和流程管線性能也提出了更高的要求[19-20]。陵水17-2氣田項目組通過將深水測試地面設備模塊化和集成化，實現了對地面設備流程布局的全面優化，有效節省了作業成本(表1)。與業內技術相比，該技術將測試準備時間縮短12 d，設備占地面積較傳統模式降低30%，且實現了不占用鉆機、臺風期間正常作業，鉆后立即測試的目標，避免了臨時棄井、起下隔水管、井筒重入等過程，實現了鉆后立即測試，單井測試時間縮短16 d，節省費用9 500萬人民幣。在此基礎上，發展建立了自主化的深水測試地面設備模塊化專項技術，且在陵水17-2氣田等項目中應用效果良好，積極促進了中國深水測試技術的發展。

表1 深水測試地面設備安裝技術對比

3 結論

1)針對陵水17-2氣田在鉆完井作業中面臨的諸多困難，通過技術攻關，建立了以深水表沉規?；@技術及深水開發井上下部完井一體化模式為代表的深水復雜條件下安全高效建井技術，形成了井筒環空壓力管控方法，構建了井控安全屏障單元體系，創建了以深水測試水合物防治及快速部署技術為代表的深水高產井高效安全測試技術。

2)陵水17-2氣田深水鉆完井關鍵技術的成功創新及應用，實現了中國鉆完井技術的重大突破，打破了國外技術壟斷，助力了中國鉆完井工藝從淺水到深水的階段性跨越，為中國南海深水油氣資源自主勘探開發提供了強有力的技術支撐，為中國能源安全提供了堅實的技術基礎。