深水钻井技术现状及发展趋势分析

牛茂猛

牛茂猛

中海油田服务股份有限公司湛江分公司广州湛江524000

摘要:海洋中有着大量的石油天然气资源，在全球油气资源总储量中占比高达70%左右，而500m以上的深水海域油气田在其中所占比例极高。因此对于海洋油气特别是深海油气全球已达成共识，其将是未来世界油气资源来源的重要区域。深海油气开采是高风险、高投资、高技术、高回报的行业。本文就对深水钻井技术现状与发展进行了探讨。

关键词：深水钻井；钻井技术；海底钻井

1当前我国深水开发所面临的现状与挑战

1.1在环境方面的挑战

1.1.1浅层地质灾害

主要包括三类:浅层气、浅层水流动(ShallowWaterFlow，简称SWF)、天然气水合物。此类灾害一般在钻完井作业时泥线下约1500m的地层内有发生，影响井的安全性。浅层气和浅层流具有高压力，容易高速井喷、要求压力波动低和处理困难的特点，易造成井塌，井喷。而在我国南海，浅层气主要分布于大陆架区，而且甚为广泛。SWF存在使得高质量的套管尾管无法建立，影响井壁稳定。天然气水合物分解将引起地层承载力的不均匀，对海洋工程的安全有影响。而且，突然释放的气体会对运输管道产生破坏作用，特别是在高压浅层气体释放的时候，轻则侵蚀套管，重则引起井喷。除此之外合物的形成还会堵塞管线，钻进器具。

1.1.2恶劣的海洋环境

(1)海底高压、低温环境;深水海底温度一般在3～5℃，海水的低温可影响到海底泥线以下450m处的岩层，使该区域岩层具有低于正常地温梯度的温度。(2)波浪流:浮式平台和钻井船是在深水钻井作业中主要使用的工具，会因波、浪、流以及风吹产生摇晃，这会对其锚泊系统以及动力定为造成影响，使结果产生误差。(3)台风:台风破坏力极强，当海上钻井平台或者钻采设备碰上台风时会被严重破坏。(4)内波流:部分流体发生密度变化使流体内部不连续的现象，会导致大幅震荡。较大的内波会严重缩小钻井作业窗口使钻井作业无法正常开展开。并且如果钻井平台的立柱或着隔水管等结构遇到内波流时会受到较大的作用力使平台发生一定距离的偏移。

1.2地层压力窗口狭窄

深水钻井压力存在两个特征:一是存在异常高压，二是窄地层压力窗口。异常压力对深水钻井的影响和常规陆地钻井一样，主要为导致井涌、井喷、井漏等复杂情况。地层压力窗口狭窄是由于深水井上覆岩层压力相比于浅水井低，导致破裂压力降低，地层孔隙压力与破裂压力窗口变窄。在深水钻井作业中，往往由于地层压力窗口窄而无法将套管位置设置的尽能的深。地层压力窗口窄给钻井工程带来诸多难题。

1.3溢流监测困难

1.3.1钻井液的溶解性

在深水钻进中，由于多方面的原因，大多情况下用的油基钻井液。油基钻井液较水基钻井液更能溶解油气，当溢流时，侵入的油气容易溶入钻井液中，钻井液上返时体积变化不大，观察到溢流需要的更长时间。

1.3.2水下防喷器结构特点

深水井作业防喷器组大多位于海床，当地层流体侵入井筒后，哪怕关闭防喷器组，油气也会快速继续上行，造成泄露、喷发的严重后果。

1.4压井难度大

1.4.1无法准确测算无隔水井段的压井液密度，导致需要大量钻井液。在深水井无隔水段井段钻进时，钻进液不回收，如果钻进时出现溢流，就需要加入大量压井液。而且无法获得地层压力，会导致压井液密度无法准确确定，只得按估测值的钻井液进行压井，这会增加压井难度，也会加大井漏风险。

1.4.2节流管线内径小，长度长，作业时间长。在压井时由于管线长、内径小，存在气体交换及回压效应[1]。而且深水低温高压环境下钻井液黏度会增大，致使阻流、压井管线中的压力损失增大，在压井时易压漏地层使压井失败，因此圧井作业所用排量小。在井眼容积大而圧井排量小的情况下，循环一周所需的钻井液量较大，因此每次压井作业都会需要很长时间来完成。

2深水钻井技术未来发展中的难点与对策

2.1三浅问题

2.1.1在选择井位时尽量避开，在开采中控制抽汲，钻井过程中携带监测工具，避开此类问题。

2.1.2研制相关试剂解决天然气水合物分解带来的灾害。

2.1.3通过研究南海深水海况环境和地质特征来预测“三浅”产生，避免灾害。具体研究“三浅”的组分、压力等参数变化在地震声波物理特性上的响应机理。

2.2钻井液

(1)针对低温环境开发低温早强防窜水泥浆体系;(2)选出合适的深水作业的钻井液体系。作为优选钻井液，要有以下性能:在黏土含量及高聚物的作用下流变性要合理，滤矢量较小，抗温且不易被污染，能有效抑制水合物形成，而且环保。

2.3应对窄压力窗口可采用膨胀管技术

(1)复杂地层情况下能维持井壁稳定;(2)减小井眼锥度，使套管下入更深，尽量以大尺寸完井;(3)让套管层数和上部井眼尺寸减小。所以膨胀管技术也是一种具有吸引力的解决泥浆密度窗口小的方法[2]。

2.4深水固井

(1)注水泥时的循环温度可采用数学模拟方法或者随钻测定的数据确定;(2)优化固井工艺，准确掌握地层三压力剖面;(3)针对性的开发出可以克服或减弱神水环境所产生的不良影响的深水固井新材料;(4)发展钻井液固井液一体化技术[3]。

2.5深水井控

(1)安装流量计，结合MWD和LWD的实时监测数据，提高早期检测溢流的精度，以便及时发现溢流;(2)选用合适的防喷器系统;(3)根据地漏试验和随钻压力测量、钻前预测研究等方法来比照前后地层压力，判断井筒内是否出现溢流。(4)采用有效的压井技术;(5)减少呼吸效应降低井控风险。要很好的井控就必须掌握足够多且精确的地层参数。随钻测井技术是满足多参数、高采集频率和精度及至少同时采用2套不同数据采集方式要求的现场实时数据测量和采集系统，还具有专家智能分析判断功能[4]。随钻测井(特别是声波全波)技术还可以预测钻头下方地层信息，评价岩石信息，更新钻前模型，划分超压及欠压地层，进而及时修正泥浆密度，防止井涌及井漏，又能达到降低成本、提高效益的目的。随钻温度测量可实时监测井底温度，以此判断能否安全进行下一步施工作业，避免设备损坏。结论：

(1)地质灾害、海洋环境、泥浆密度窗口窄、深水钻井技术等问题极大程度制约了南海深水油气资源开发;(2)窄密度泥浆窗口在深水钻井上是个十分严重的问题，在技术可采用膨胀管技术进行钻采，也可通过改良钻井液，开发有针对性的泥浆体系来解决这个问题;(3)在固井方面可以用喷射下管技术减小固井难度，同时也可以在数据准确确定上进行探索，准确的掌握地层参数，针对深水开发不良影响进行固井新材料开发，在钻井液方面也可以考虑开发一体化上的钻井液固井液，既能减少固井步骤又可以有效固井;(4)在井控上可以用随钻测井和随钻环空压力监测技术获取地层数据、采用钻前预测研究和地漏试验来综合评估地层压力，安装流量计，结合实时监测数据保证监测精度，准确掌握井筒内情况，再配合适当的防喷器系统可有效防止井漏、井喷;(5)不同技术能取到不同效果，在技术掌握及人力物力允许的情况下可多种技术结合使用，同时加大研究力度争取掌握更好更实用的技术。

参考文献：

[1]高德利,王宴滨.深水钻井管柱力学与设计控制技术研究新进展[J].石油科学通报,2016,1(01):61-80.

[2]刘秀全,陈国明,畅元江,姬景奇,傅景杰,宋强.深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移预警界限[J].石油勘探与开发,2016,43(04):641-646+668.

[3]杨金华.全球深水钻井现状与前景[J].石油科技论坛,2014,33(01):46-50.

[4]陈国明,刘秀全,畅元江,许亮斌.深水钻井隔水管与井口技术研究进展[J].中国石油大学学报(自然科学版),2013,37(05):129-139.