深水表層鉆井作業工藝及提速技術研究

劉坤翔

中海石油（中國）有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067

深水與超深水井表層土質較為相似，較淺水而言，具有土質疏松、作業壓力窗口窄、海底泥線溫度低等特點，給鉆井施工帶來一定困難，如井壁易垮易塌、鉆井液性能不易維護等。深水表層鉆井一般采用噴射下導管+ 二開繼續鉆進技術，實現一趟管柱實現一、二開兩個井眼的鉆進作業，有效降低了作業時間和井眼靜置時間，避免了因淺層井眼長時間暴露導致出現井壁垮塌等復雜情況，確保了表層鉆井作業安全，提高了深水井的作業效率。

1 深水表層特點

（1）海床巖性的特殊性：深水區海底存在淺層土質疏松，地層承載能力低的特點，基本上是軟而黏稠的土壤，含水量高達70%，在海底泥線以下100m 范圍內，土體不排水抗剪強度小于200kPa；在泥線附近，抗剪強度僅為2～5kPa。隨著水深的增加，海底淺層土體不排水抗剪強度和樁基承載力降低，導管下沉及井口失穩風險較大。

（2）海底高壓和低溫：隨著水深的增加，海底靜液柱帶來海底壓力逐漸增加，每增加10m 水深，則增加約1 個地表大氣壓，同時太陽輻射能量降低，溫度逐漸降低，以南中國海為例，500m 水深時，海底溫壓約5MPa/ 10℃，水深增加至1000m 時，海底溫壓約10MPa/ 4℃。海底高壓低溫給鉆井作業帶來的風險主要表現為：鉆井液的黏度和切力會大幅增加，甚至出現膠凝現象；海底氣體，特別是小分子氣體，如甲烷、乙烷等，在高壓低溫（0～10℃、大于5MPa）的條件下，與水極易形成天然氣水合物，從而堵塞海底管線和鉆井液流通通道；海底低溫還會遲緩水泥漿的水化反應，降低套管固井質量。

（3）淺層地質災害：以南中國海深水海域為例，主要地質災害有兩類：①非活動性地質災害，如古水道古河道等，這類地質災害一般不會鉆井作業造成影響，可以忽略；②活動性地質災害，如海底斷層、天然氣水合物、淺層氣淺層流、歷史滑坡區等，活動性地質災害當前處于活躍期，會對表層鉆井作業造成危害，如淺層斷層會造成卡鉆、井漏，淺層氣會造成氣體上涌、最嚴重導致井噴甚至平臺燃燒，海底滑坡會造成井眼掩埋，或者使得表層導管失去承載能力而下沉、發生井口失穩等。

（4）地層破裂壓力梯度低：隨著水深增加，海底土質變軟且未膠結成巖，上部缺乏足夠的上覆巖層，地層的破裂壓力梯度降低，導致地層孔隙壓力與破裂壓力之間的壓力窗口變窄，容易發生井漏、井塌和井噴等復雜情況。

2 深水表層導管噴射技術

2.1 深水表層導管噴射鉆井技術

深水鉆井表層導管施工具有作業風險高、控制難度大等特點，深水表層一般采用噴射下導管+ 二開鉆進+下/ 固表層套管的方法，一開導管，又稱結構導管、隔水導管，簡稱導管，是整個深水油氣井施工過程中安裝的第一層結構導管，為海底水下井口、套管懸掛、水下防噴器系統和水下生產系統提供結構支撐。深水鉆完井作業中，表層導管必須能夠承受海上鉆井設備、隔水管系統以及將來完井、生產和修井作業時強加其上的多重作業載荷及復雜多變的海洋環境載荷。

導管一般采用914.4mm 或762.0mm，導管尺寸越大，導管與管外淺層土的接觸面積也就越大，表層套管質固井時導管與表層套管之間固井水泥量也就越大，可以提供給更大的承載力和抗彎矩能力。表層噴射作業的主要作業步驟是首先在將低壓井口頭和導管焊接在一起，然后將底部鉆具組合裝入表層導管內部，并使用專用工具將其與低壓井口頭連接在一起，組成噴射導管串，之后使用鉆桿或加重鉆桿下送至海底泥線。由水下機器人（ROV）確認水深、以及導管垂直度符合要求后，開始表層一開噴射鉆進，利用管串自重入泥，再開泥漿泵，排量由小到大，通過水力沖刷和鉆頭切削成孔使導管下入，一開導管噴射至預定深度后，根據噴射過程中的摩阻和懸重情況，靜置吸附導管，吸附時間3～5h，待地層承載力恢復后，解鎖專用工具使得低壓井口頭和導管內鉆柱分開，之后繼續開泥漿泵鉆進二開井眼至設計二開中完深度，下/固表層套管，至此表層鉆井作業完成，后續轉為下入隔水管和水下防噴器組（Blow Out Preventer，簡稱BOP 組）建立鉆井液循環，并進行后續繼續鉆井。

2.2 噴射過程中表層導管載荷分析

表層導管噴射下入過程中，需要建立合理的表層導管下入深度計算模型來分析下入及吸附過程中導管串的受力情況，模型需要考慮表層導管載荷、表層導管尺寸、表層導管與海底土的膠結力、海底土性質等因素。

表層導管的軸向載荷是影響其下入深度的主要因素，其軸向載荷大致由五部分組成：管柱上提載荷、底部鉆壓、表層導管自重、鉆柱自重和側壁摩擦力。

噴射管柱示意圖見圖1。

圖1 噴射管柱示意圖

由上圖表層導管受力分析，在噴射下入過程中垂直方向上可得如下受力平衡方程：管柱上提力+ 導管側邊摩擦力+ 底部鉆頭鉆壓＝（導管+ 鉆柱）海水中浮重。

其中，在鉆柱和導管規格確認的情況下，等式右側導管串浮重只與下入深度有關，表層導管上部所受的載荷、表層導管直徑、表層導管壁厚、側向摩擦力有關。由于表層導管的直徑、壁厚一般是確定的，所以表層導管的入泥深度只與表層導管上部所受的載荷和側向摩擦力有關。

2.3 深水表層導管噴射技術小結

深水表層噴射+ 解鎖后二開鉆進的方法在南中國海已有數十口深水井的的作業經驗，相較于傳統的鉆入法和打樁錘入法，表層噴射鉆井更能適應深水表層鉆井作業的特點，實現了一趟管柱完成一開井眼鉆孔、導管下入和二開井眼鉆進三個過程，節約了作業時間和成本，解決了深水表層鉆孔后下套管不易找到井口的難題，且這種方法無需固井，可避免海底低溫對水泥漿水化作用的影響和因水泥漿密度過大而壓破地層。目前該作業工藝已經在國內外深水作業全面普及和實踐，采用噴射法安裝表層導管可以有效地節約鉆井時間，節約了鉆井成本。

3 深水表層鉆井提速技術

3.1 井身結構簡化及表層井眼“瘦身”

井身結構設計除需滿足勘探開發要求外，還應遵循安全作業和經濟性的原則，深水井身結構設計主要參考鄰井已鉆信息、地層三壓力數據（孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力）、和井口穩定性分析結果。目前南海常見深水井一般采用簡化后的井身結構，常見為三開或四開完鉆。同時，結合鉆機設備能力和淺部地層情況，對二開井眼進行瘦身，在滿足井口穩定性分析和平臺偏移對井口載荷的基礎上，對二開井眼進行瘦身，將508.0mm 井眼縮小至444.5mm 或406.4mm，更小井眼可以實現更大機械鉆速，同時盡可能延長二開表層套管下深，為下入BOP 組建立鉆井液循環后的下一開鉆進提供較大作業窗口，實現全井三開或四開完鉆。

3.2 表層海水深鉆技術

深水表層鉆井作業時，隔水管和BOP 組未下入，無法建立正常鉆井液泵入和返出循環，所以一般采用海水進行鉆進。但是由于海水密度較低，無法有效平衡井筒內孔隙和坍塌壓力，所以二開井眼及套管下入深度一般不會太深，早期南中國海深水井在調研國外深水井基礎上，結合海域表層土質特點和壓力情況，一般為二開套管下至泥線以下500～600m 左右，隨著近些年已鉆深水井不斷增加，對于南中國海深水海域淺層土質認識不斷深刻，結合不斷優化的深水表層作業流程，近年來二開井眼已經加深鉆進至泥線以下約1000m 左右。海水深鉆可以實現更大的ROP，并為下部井眼提供更大的作業窗口，提高作業效率、節省作業工期。

3.3 大尺寸直馬達提高轉速

深水表層土壤疏松、成巖性差，因此鉆井作業中一般沒有造斜需求。目前深水表層鉆井作業一般采用專門的防斜打直的鐘擺鉆具組合，常采用鐘擺鉆具組合，一開、二開鉆具設計一般考慮使用多扶正器鐘擺鉆具組合，在鉆頭上面位置和1～2 根鉆鋌單根上面各安放一只扶正器，主要為了增加下部鉆柱的剛性和防止鉆鋌黏卡，多扶正器鐘擺鉆具組合在南海東部深水表層鉆進已有多口井的應用，可以實現滿足直井鉆進的前提下，解除鉆井參數限制，實現表層快速鉆進。

3.4 優化噴射管串設計和噴射技術參數

以南中國海深水L- 1 井為例，在前期噴射經驗的基礎上，結合該井土質參數，優化噴射管串設計，具體方案為將鉆頭伸出導管的伸長量有原先的127mm 左右提高至266mm 左右，以此來擴大鉆頭與地層的接觸面積和水力沖刷面積，提高機械和水力破巖效率；同時，提高噴射排量，從之前最大4000L/ min 提高至最大5200L/ min，以滿足更高的水力沖擊力。作業過程中，增加導管活動頻率和幅度，從每鉆進3～5m 活動一次增加至每2～3m 活動一次，活動幅度也從5m/ 次左右提高至10～15m/ 次，高頻大幅度的活動導管可以有效防止出現導管與地層之間的黏卡現象，從而使得鉆壓能最大限度傳遞至鉆頭進行破巖。優化后的L- 1 井噴射方案，噴射耗時2.0h，較同等海域同深度減少約60%，噴射速度為40.5m/ h，提高了約155%，整體提速效果十分顯著。

4 結語

通過調研分析南中國海已鉆深水井表層高效作業經驗，優化瘦身的井身結構設計、海水深鉆技術、優快創新鉆井工具的使用。對噴射作業進行管串和作業工藝進行優化，均為順利高效的完成深水表層作業提供了有效支撐，節省了深水鉆井作業工期和成本，減少了表層作業過程中的安全風險和隱患，取得較好的作業反饋和經濟效益。