深水钻井的难点及关键技术

深水钻井的难点及关键技术

随着油气资源的持续开采, 陆地未勘探的领域越来越少, 油气开发难度越来越大。占地球面积70%以上的海洋有着丰富的油气资源, 油气开发重点正逐步由陆地转向海洋, 并走向深海。目前, 国外钻井水深已达3000 m以上, 而我国海上油气生产一直在水深不足500 m的浅海区进行, 我国南海拥有丰富的油气资源, 但这一海域水深在500~ 2 000m, 我国目前还不具备在这样水深海域进行油气勘探和生产的技术。周边国家每年从南沙海域生产石油达5 000×10 4 t以上, 相当于我国大庆油田的年产量, 这种严峻的形势迫使必须加快我国南海等海域的深水油气勘探开发。石油工业没有关于“深水”的预先定义。“深水”的定义随时间、区域和专业在不断变化。随着科技的进步和石油工业的发展，“深水”的定义也在不断发展。据2002年在巴西召开的世界石油大会报道，油气勘探开发通常按水深加以区别：水深400m以内为常规水深400m-1500m为深水，超过1500m为超深水。但深度不是唯一的着眼点，只要越过大陆架，典型的深水问题就会出现。

一、深水钻井的难点

与陆地和浅水钻井相比,深水钻井有着更为复杂的海况条件,面临着更多的难题,主要表现在以下几个方面。

1、不稳定的海床

由于滑坡形成的快速沉积，浊流沉积，陆坡上松软的、未胶

结的沉积物形成了厚、松软、高含水、未胶结的地层。这种地层由于沉积速度、压实方式以及含水量的不同，所以它们的活性很大，给导管井段的作业带来了很大困难。河水和海水携带细小的沉积物离海岸越来越远，这些沉积物由于缺乏上部压实作用，所以胶结性差。在某些地区，常表现为易于膨胀和分散性高，这将会导致过量的固相或细颗粒分散在钻井液中。

2、较低的破裂压力梯度

对于相同沉积厚度的地层来说，随着水深的增加，地层的破裂压力梯度在降低，致使破裂压力梯度和地层孔隙压力梯度之间的窗口较窄，容易发生井漏等复杂情况。在深水钻井作业中，将套管鞋深度尽可能设置得深的努力往往由于孔隙压力梯度与破裂压力梯度之间狭小的作业窗口而放弃。结果，深水区域的井所需的套管柱层数，常比有着相同钻进深度的浅水区域的井或陆上的井多。有的井甚至没有可用的套管而没有达到最终的钻井目的。

3、气体水合物的危害

气体水合物是气体( 甲烷、天然气、CO2、N2等) 和水在一定条件(高温、高压)下形成的类似于冰物质。气体水合物在深水钻井作业中常常会遇到，通常在超过 250m水深的海域都会形成水合物, 一旦形成很难去除。气体水合物是一种潜在的危害, 生成时结冰堵塞管汇, 气化时生成大量气体, 生成或气化过程都伴有热效应。在海洋深水钻井作业中，由于同时存在低温、高压、

水、天然气这些必要条件，气体水合物很容易产生。在深水钻井作业过程中，气侵钻井液在一定的温度和压力条件下可能会生成水合物，从而会堵塞BOP管线、隔水管和水下井口头等。水合物对井控的影响最大, 可能会造成节流管线和防喷器组堵塞, 也可能会堵塞在钻柱环空而限制钻具活动, 甚至造成卡钻。

4、浅层水流

钻井过程中发生浅层水流可能使井壁坍塌，最终导致井控问题。固井过程中发生浅层水流可能使固井作业失败。固井后发生浅层水流，地层浅层水从导管外流向海底，这种浅层水的流动可能是导管失去支撑而下沉，井口失稳。

5、深水低温

随着水的深度的加大，钻井环境的温度也将越来越低，由此会带来给钻井以及采油作业带来很多问题。如在低温下，钻井液的粘度和切力大幅度上升，而且会出现显著的胶凝现象，增加形成天然气水合物的可能性。

6、井眼清洗

深水钻井时, 由于开孔直径、套管和隔水管的直径都比较大, 如果钻井液流速不足就难以达到清洗井眼的目的。由此还会造成钻井液用量大的问题等。

二、深水钻井关键技术

以上深水钻井面临的特殊环境和难点对钻井技术提出了更高的要求, 催生了相应的深水钻井技术。

1、喷射下导管技术

导管柱要承受所有套管柱、水下采油树以及防喷器组的重力, 并为其提供支撑，必须能够抵抗由于移动钻井和未来可能的修井作业而导致的弯矩。为了避免钻柱对井口头和防喷器组件的磨损, 导管应垂直安装, 倾斜通常要小于 1。。海上浅水区的导管作业通常采用钻孔、下导管然后固井的作业方式。在深水区, 由于海底浅部地层比较松软, 存在着泥线不稳定问题, 采用常规的钻孔——下导管——固井方式比较困难, 而且作业风险高、时间长, 对于日费昂贵的深水钻井作业显然不合适。目前新出现的深水喷射下导管技术是利用水射流和管串的重力, 边喷射开孔边下导管, 同时在喷射管柱中下入动力钻具组合以提高作业效率。常用的动力钻具组合包括泥浆马达、钻铤和钻头等部件。钻具组合下入到泥线, 泥浆马达提供液力冲刷和钻头旋转, 岩屑和沉积物沿导管和喷射钻具组合之间的环空上返, 并通过送入工具上的返出口排放到外面。已钻( 冲刷) 出的井眼轮廓小于套管直径, 套管依靠自重穿透软的泥线地层, 下入到井眼中。

喷射下导管钻井的主要控制参数为钻压。保持适当的钻压, 才能保持导管在施工过程中处于垂直状态, 使钻具外环空畅通, 钻井过程顺利进行。钻压控制的原则是保持泥线以上导管和钻杆处于垂直拉伸状态, 即控制钻压大于入泥导管的浮重, 小于入泥喷射管串总浮重, 保持中性点在泥线以下。

喷射下导管技术的优点为:

a)喷射下导管技术可在钻进的同时下导管,解决了深水表层钻孔后下导管不容易下入的难题。

b)喷射下导管技术可节约钻井时间, 对于日花费上百万美元的深水钻井来说, 效益可观。

c)喷射下导管作业结束后无需固井, 可避免因水泥浆密度过大而压破地层, 同时可避免低温等因素影响固井质量而造成井口下沉。

喷射下导管技术需要的关键设备包括动力钻具组合( 钻头、钻铤、泥浆马达和其他部件)、随钻测量和监视设备( MWD、ROV) 。随钻测量工具根据井设计的情况下入, MWD 用来确认导管下入的垂直度。ROV 是喷射下导管钻进不可缺少的关键设备。喷射钻进过程中内管柱钻头与套管鞋的距离、井口头岩屑的返出、下入工具和继续钻进工具的解脱、泥线附件地层“呼吸”现象的判断、浅层流识别以及表层固井作业、井口头高度的确定等, 都需要 ROV 辅助完成。

2、动态压井钻井技术

喷射下导管钻井过程中必须监测浅层水流, 以降低由浅层水流带来的风险。为了控制浅层水流的危害, 需要利用动态压井系统来实现钻井液密度的快速转变, 使压井钻井液的密度在地层压力和破裂压力窗口之间。动态压井技术是深水表层建井工艺中的关键技术。深水钻表层时, 由于还未安装隔水管, 无法建立井下到平台的循环通道。动态压井技术就是针对在未建立正常循