海上深水井表層優快鉆井技術研究

黃懿強 陳 彬 嚴 德 張冠洪 劉保波

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518054）

0 引言

表層作業是深水鉆井與淺水鉆井的最大區別，深水表層作業周期至少占全井周期的1/4，且隨水深的增加而增加。水深1 500 m 以內的井，表層作業周期占全井作業周期的1/4～1/3。水深超1 500 m的超深水井，表層作業周期占全井作業周期高至2/5。深水表層建井作業主要包括浮式平臺動力定位、表層導管下入及水下井口系統安裝、二開井眼作業，以及隔水管下入和水下防噴器系統安裝。隔水管系統、水下井口是深水鉆井的關鍵因素，也是整個系統安全的薄弱環節，某作業者在南海曾發生過水下井口下沉、隔水管斷裂、平臺失控、防噴器落海等重大安全事故。如2006年8月，某深水平臺在躲避臺風撤離期間發生隔水管斷裂事故，導致52根隔水管以及防噴器組落海，影響作業時間近1 個月。2009 年9 月，由于對臺風的認識不足，某深水平臺鉆井隔水管系統在懸掛避臺航行期間，隔水管底部總成與海底發生碰撞，損失了50 d 的作業工期。

1 表層鉆井面臨的挑戰

針對南海深水鉆井作業情況，表層作業面臨的主要挑戰有3 個方面：一是環境方面，包括海洋環境、海底地質條件和水深大小；二是技術方面，包括浮式平臺動力定位、水下井口穩定性和隔水管系統作業安全等；三是裝備方面，主要是大型且復雜的浮式平臺、隔水管以及水下防噴器組等。本研究重點介紹環境方面的挑戰，具體有以下3個方面。

1.1 南海惡劣的海洋環境

風浪流是海上作業面臨的主要海洋環境，浮式平臺受其影響會發生前后左右搖動、上下升沉以及漂移等位移活動，這給平臺定位能力、隔水管及水下井口系統抗環境能力、表層導管送入、起下隔水管防噴器組作業帶來了較大的挑戰。尤其是在冬春季風期，持續的季風環境，給現場作業帶來了供應船無法靠泊、吊機無法作業等問題。

南海海洋環境惡劣，臺風、內波流頻發，前期在南海作業時因對臺風規律和強度認知不足，發生了多起重大險情[1]。根據廣東氣象臺的統計，每年南海遭遇臺風概率比較大的月份是6—11 月，其中9月份的概率達到了19.04%，冬季臺風概率相對小（見圖1）。南海臺風有兩種生成路徑，分別是從西太平洋經菲律賓島進入的“洋臺風”和在南海海面上生成的“土臺風”。深水作業遭遇臺風時，需要更長的井眼處理及關井時間，且水下設備多且復雜，具有極高的風險。

圖1 南海臺風生成概率統計圖

內波流，又稱為孤立內波，是一種不連續的波浪形式，突發性強、沖擊載荷大。雖然幾乎全球的大陸邊緣海和海脊附近都存在內波流，但南海的內波流是全世界有記錄以來規模最大的，是南海深水鉆井需要應對的一種棘手的海洋環境挑戰[2]。內波流產生的巨大突發性沖擊載荷會造成浮式平臺瞬間漂移距離過大、隔水管張力繩損壞以及井下事故等復雜情況。

1.2 疏松的海床條件

海床條件主要是指海底高壓低溫環境、不穩定的海床以及淺層地質災害。受水體自重及陽光遮蔽作用，水深增加，海床處水壓增加、溫度降低，通常水深大于900 m 后，水溫將低于5 ℃，在這種情況下，容易在水下防噴器和水下井口系統處形成天然氣水合物，堵塞流體通道。此外，海底低溫會造成鉆井液流動性和固井水泥漿強度變差的情況。

隨著水深的增加，海床處土質含水率增加、抗剪強度降低，加之南海深水井位主要處于大陸坡架處，容易導致井位處海床坡度大，有滑坡等海床不穩定風險。疏松的海床給表層導管入泥深度設計和水下井口穩定性帶來了不小的技術挑戰，如果設計不合理，將增加水下井口下沉失穩的風險。

淺層地質災害主要指淺層氣、淺層水流和水合物，由于埋深淺，通常在海底泥線以下1 000 m 的范圍內，是深水表層建井作業的高危風險，一旦鉆遇輕則井眼垮塌、井筒報廢，重則引起大的井控事故。深水鉆井作業時，會通過井場調查盡量避免在淺層地質災害區域作業，無法規避時，需要通過工程船預先鉆探小井眼的方式進行風險識別和釋放。

1.3 巨厚水深

水深的增加給深水表層建井作業帶來了一系列的問題，同時也是體現深水鉆井特點的關鍵。《海洋鉆井手冊》中規定作業水深超過500 m 為深水井、水深超過1 500 m 為超深水井。水深的增加需要長的隔水管段和大重量的防噴器系統，這就增加了浮式平臺的負載；起下隔水管/防噴器系統、起下鉆時間增加，增加了整體的作業時間；對隔水管張力器、水下井口、水下機器人等設備的要求更高。此外，對于在次深水區（300～500 m）作業的浮式平臺而言，將增加動力定位管理難度。

2 主要關鍵技術及應用效果

為應對深水表層建井作業時遇到的技術挑戰，從保障作業安全和提高作業效率角度出發，基于技術調研、理論分析和自營深水作業實踐，形成了深水浮式平臺動力定位技術、深水表層導管噴射設計及作業技術和深水二開大參數鉆井技術，實現了深水表層安全高效建井的目標。

2.1 深水表層導管噴射設計及提速技術

表層導管噴射鉆井工藝通過組合鉆具和表層導管的方式，在鉆頭噴射鉆孔的同時下入表層導管，且表層導管下入至一開設計深度后，鉆具組合能與低壓井口頭上的送入工具解脫，繼續進行二開井眼鉆進作業。該工藝相比常規鉆孔后下入導管再固井的方式，避免了在海水中多趟起下鉆作業，大幅度提高了作業效率，且避免了在海底低溫和海床疏松的條件下進行導管固井作業，在深水建井作業中具有很好的適用性［3］。南海自營深水作業中，創新采用以508 mm×339.7 mm 復合套管代替508 mm表層套管和339.7 mm 技術套管的井身結構優化方案，減少了一層套管，大幅度節省了工期和費用。針對優化后的井身結構方案對水下井口穩定性帶來的下沉和失穩的風險，進行了設計和作業優化研究。設計方面是基于最危險的作業工況進行導管入泥深度設計，這個最危險的作業工況是二開套管固井水泥漿達到井眼底部時的情況，此時水下井口承擔的軸向荷載最大，導致井口下沉風險最高。因此，根據此二開套管固井最危險工況確定表層導管安全入泥深度。作業方面是基于最危險工況的大鉤懸重作業動態控制技術，根據表層套管固井前循環和泵注水泥漿作業流程，分析施加在井口的徑向載荷變化情況，制定表層套管固井期間大鉤懸重動態控制模板，通過實時調整固井大鉤懸重，避免增加的徑向載荷作用到井口上，提高了水下井口的穩定性。此外，通過采用大排量參數進行表層導管噴射作業、適當增加噴射時鉆頭伸出量以及提高導管上下活動頻次和幅度等措施，實現了深水表層導管噴射的提速增效。

近年來南海自營深水井表層導管噴射作業數據對比如圖2 所示。從圖2 可知，單井噴射耗時逐步降低，從A井的4.75 h降低至F井的1.75 h，作業效率創新高；噴射速度逐步提高，A 井噴射速度僅17.07 m/h，F井噴射速度達到了39.35 m/h。

圖2 南海自營深水表層導管噴射作業數據

2.2 深水二開鉆井提速技術

隨著井身結構優化技術的推進和作業經驗的增加，深水二開鉆井深度從之前的入泥500～600 m增加至800～1 000 m。入泥深度的增加，導致地層強度增加、可鉆性降低，為提高二開鉆井效率，使用285.75 mm 大尺寸高扭矩馬達取代以往使用244.48 mm 馬達作為隨鉆工具，可以最大程度保證機械破巖能量和表層鉆進效率，彎角設定為0.5°～1.15°，可以盡可能提高頂驅轉速，兼顧井下提速和糾斜作業能力。285.75 mm 大尺寸高扭矩馬達同時兼顧了效率和穩定性，鉆井泵最大排量由4 000 L/min增大至5 000 L/min，最大扭矩從10 kN·m增大至13 kN·m，充分釋放鉆井參數。近年來深水井二開機械鉆速逐步提高，最高機械鉆速達到了129.56 m/h，刷新了歷史紀錄，具體如圖3所示。

圖3 南海自營深水二開鉆井機械鉆速

2.3 深水浮式鉆井平臺動力定位技術

深水作業中，尤其是水深超過1 000 m 后主要使用動力定位浮式鉆井平臺。動力定位系統的出現對于突破作業水深限制和提高平臺機動性方面進行了提升，不僅減少了復雜的拋錨工序，而且工作的水深亦不受錨系長度的限制，在應對臺風環境和特殊作業時更加靈活[4]。然而，水深較淺時，如400～500 m 作業水深使用動力定位浮式鉆井平臺，將面臨應急反應時間不夠、應急解脫的概率增加、擾性接頭和隔水管等設備磨損概率增加等問題。相對于深水井位，水深較淺的井位的下部撓性接頭偏移角度、船位允許偏移量將減少；漂移限制中對應的綠圈、黃圈、紅圈相對減小，預解脫和解脫的反應及采取相應措施可支配的時間都相應減少[5]。應對技術包括以下3 個方面。①獲取準確的應急反應時間。模擬不同作業工況和海洋環境的應急反應時間，對比在鉆進、下套管和下防噴器組等作業工況下所需的應急解脫時間，以確定水深能否滿足深水鉆井裝置的安全作業要求。此外，對深水動力定位鉆井裝置進行漂移試驗，獲取漂移速度，為模擬計算應急反應時間提供基礎數據。②進行嚴格的設備選擇和系統測試。選用合適的結構套管，保證足夠的強度和抗彎能力，同時對套管和井口系統進行校核，確保滿足詳細的隔水管分析；對動力系統進行徹底地檢查；建立一個差分全球定位系統天線，以確保吊車工作時不會有信號被遮蔽；確保聲學定位系統安裝和運作期間的精度。③建立完備的動力定位安全操作規程。建立通用深水浮式平臺偏移范圍計算方法，制定深水井特殊操作規程（WSOG），明確在平臺漂移范圍達到限值、失去動力、斷電和失去通信聯絡等多種情況下的應急操作方案。

南海某深水井，作業水深465 m，由海洋石油982 深水鉆井平臺作業，該平臺配置第三代動力定位系統，配備6臺發電機，每臺最大功率6 400 kW，總功率約38 400 kW；配備6 臺推進器，每臺推進器可以提供約80 t推力，總推力約480 t。經過理論分析和模擬計算，確定了平臺偏移警戒圈半徑分別為：解脫點65 m、紅圈16.2 m、黃圈9.7 m、綠圈5.8 m。作業過程中，通過加強對動力及定位系統進行測試，進行定位系統應急演練，以及惡劣海況天氣時與守護船配合加強預警，平穩順利度過了5 個臺風和熱帶風暴、16次內波流襲擊，平臺最大偏離距離8.4 m，保證了現場的作業安全。

3 結語

臺風、內波流、深遠海風浪流、巨厚水深是深水鉆井表層作業面臨的挑戰，不穩定和疏松的海床條件增加了深水浮式動力定位平臺定位能力和表層導管及水下井口系統安裝及穩定性風險。對于動力定位而言，受隔水管球接頭轉角限制，水深減小平臺應急解脫概率增加，需要精確計算平臺偏移范圍，制定并認真執行深水井特殊操作規程。針對疏松的海床條件和優化的井身結構設計，嚴格進行表層導管入泥深度設計和水下井口穩定性分析，并關注二開表層套管固井作業期間管串重量的變化，及時調整大勾載荷，避免發生井口下沉。