海洋深水钻井关键技术及设备

Key Technology and Equipment of Deep Water Drilling
H OU F u xiang, WANG H ui, REN Rong quan, H U Zhi jian
( China N atio nal Petroleum Cor p o ration D r illing Resear ch I nstitute, B eij ing 100097 , China)
[ 7]
。
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 ( M WD、 ROV ) 。随钻测量工具根据井 设计的情况下入, M WD 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. 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( dynamic killing dr ill ing ) 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 在未建立正常循环的深水浅层井段控制浅层气及浅 层水井涌等复杂情况的钻井技术。其工作原理与固 井作业中的自动混浆原理相似, 根据作业需要, 可随 时将预先配制好的高密度压井液与正常钻进时的低 密度钻井液通过一台可自动控制密度的混浆装置调
[ 1]
的浅层地质灾害主要有浅层水、 浅层气以及天然气 水合物。在表层钻井中, 浅层水是遇到的最主要的 浅层地质灾害, 主 要是由于地层快 速沉积造成的。 钻井过程中出现浅层水可能使井壁坍塌, 固井过程 中出现浅层水可能使固井作业失败 , 浅层水从导管 外流向海底, 可能导致导管失去支撑而下沉, 使井口 失稳。 c) 窄密度窗口问题 对于相同沉积厚度的地 层, 随着水深增加, 地层的破裂压力梯度降低, 致使 破裂压力梯度和地层孔隙压力 梯度之间的窗 口较 窄, 容易发生井漏和井塌等复杂情况, 现场多采用增 加套管层数的方法来应对 , 但会带来钻井费用增加、 井眼变小而钻不到目的层等问题。 d) 气体水合物 的危害 气体水合物是 气体 ( 甲烷、 天然气、 CO2 、 N 2 等 ) 和水在一定条件 ( 高温、 高压 ) 下形成的类似于冰物质
[ 10]
术的 发展 过程 中, 出现 了 多种 实现 形式 [ 12] , 主要 包括海底泵举 升钻井液、 无隔水管钻 井、 双密度钻 井等, 如 AGR Subsea 公 司的 RMR 无 隔 水管 钻 井液回收系统[ 13] , Co noco 、 H ydril 海底钻井液举升 钻井系 统 统
摘要 : 随着世界海洋油气资源勘探开发水深的不断增加, 海况环境变得更加复杂, 钻井难度越来越 大, 对钻井工程提出了更高的要求 。针对深水钻井面临的难点, 对喷射下导管技术、 动态压井技术、 双梯度钻井技术以及微流量控制钻井技术等深水钻井技术进行了阐述 , 分析了各自特点和适用性, 为国内海洋钻井设计和施工进一步走向深水提供指导 。 关键词: 深水钻井; 钻井技术; 钻井设备 中图分类号 : T E951 文献标识码 : A
2
石油矿场机械
2009 年 12 月
高含水且未胶结的地层, 给导管井段的作业带来了 很大困难。 b) 浅层地质灾害 深水钻井作业中可能遇到
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
[ 1 7] [ 14 16]
, M TI 空心 微 球 双 梯度 钻 井 系
等。 双梯度钻井技术的本质在于降低了常规钻井液
柱的高度, 对于既定的密度窗口 , 扩大了钻井液密度 的可调范围 , 从而能够有效控制井眼环空压力和井 底压力 , 克服深水钻井中遇到的窄密度窗口问题 , 实 现安全、 经济钻井。 双梯度钻井技术的优点为: a) 钻井。 b) 有效地解决了窄密度窗口问题, 实现安全 可以优化井身 结构。采 用常规钻 井技术
[ 8]
2
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。 2. 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
2009 年 第 38 卷 第 12 期 第 1 页
石油矿场机械 OIL FIELD EQUIPMENT
2009, 38( 12 ) : 1~ 4
专题研究
文章编号 : 1001 3482( 2009) 12 0001 04
海洋深水钻井关键技术及设备
侯福祥 , 王 辉, 任荣权, 胡志坚
( 中国石油集团钻井工程技术研究院 , 北京 100097)
[ 9]
。气体水合物在深
水钻井作业中常常会遇到, 通常在超过 250 m 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。 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 。
Abstract: M ore is required o n drilling engineering and dr il ling t echno logies due t o incr easing w a t er dept h and com plicat ed marine condit ions. Based on t he pract ice in deep w at er drilling bot h at ho me and abro ad, some key t echnolog ies are discussed in t his paper, t he t echno logy of jet t y pe guide, t he dynamic killing t echnolog y, t he dual gradient drilling t echnolog y and t he m icro f low cont rol t echnolog y. T he charact erist ics and applicabilit y o f all t he t echno logies ar e analyzed, w hich play an impo rt ant ro le in enabling dr illing desig n and const ruct ion to f urt her deeper w at er drilling. Key words: deep w at er drilling; drilling t echnolog y; drilling equipment 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 3 000 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~ 2 000 m, 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5 000 104 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 [ 1 5] 。
1
深水钻井难点
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 4 个 方面[ 6] 。 a) 泥线不稳固 海底沉积形成的较厚、 松软、
收稿日期 : 2009 07 28 基金项目 : 国家高技术研究发展计划 ( 863 计划 ) ( 2007A A 09A 102) 作者简介 : 侯福祥 ( 1976 ) , 男 , 山 东菏泽 人 , 工程师 , 工学 博士 , 2007 年 毕业于 北京科 技大学 , 主要 从事石 油机械 研发 工 作 , E mail: hfx dr i@ cnpc. co m. cn 。
第 3பைடு நூலகம் 卷
第 12 期
侯福祥 , 等 : 海洋深水钻井关键技术及设备
3
解到所需密度的钻井液, 并可直接供泥浆泵向井内 连续泵送 , 代替常规的海水钻进和稠泥浆替入的钻 进与替 入方 法。 在钻 进 作 业期 间 , 只 要 PWD 和 ROV 监测到井下地层有异常高压, 即可通过人为输 入工作指令, 该装置立即就可泵送出所需要的高密 度钻井液 , 使得井眼压力在地层空隙压力和破裂压 力之间, 真正意义上实现边钻进边加重的动态压井 钻井作业。 动态压井系统主要由混合装置和控制 系统组 成。混合装置类似于固井泵的混浆装置, 其作用是 实现钻井液密度的快速转变。该装置配有 2 根进液 管线、 1 根出液管线, 其中一根进液管线连接海水管 线, 另一根连接重钻井 液池, 出 口管线连接到 循环 池, 从循环池直接将压井液泵入井内。 动态压井钻井技术需要的主要设备包 括球形 阀、 电磁流量计、 混合舱( 器) 、 剪切泵等 ; 另外还需要 配套预先设计软件和实时监测软件系统。 动态压井钻井技术的优点为: a) 可以有 效解决浅水流 诱发严重的井 漏问 题, 也是对付浅层气的有效办法。 b) 可有效实施对当量循 环密度 ( ECD) 的控 制, 延长表层套管下深, 从而增加后续层段套管下入 深度 , 有利于井身结构的优化。 c) 可减少三用船钻井液的运输量和储存量 , 降低总体成本。 d) 有利于提高表层井身质量 , 减少作业过程 中的地层压漏等问题 , 保证固井质量。 2. 3 双梯度钻井技术 双梯度钻井技术 ( Dual Gradient Drilling, 简称 DGD) 于 20 世纪 90 年代提出