深水钻井与深海油气开发及研究进展

二、深水/超深水钻井-基本定义 1. 中海油编委会.《海洋钻井手册》. 北京： 石油工业出版社，2009.6，P619：第十五 章-深水钻井，定义如下： 2. 针对我国钻井装备能力和钻井技术水平， 规定：水深500m以内为常规水深， 500m1500m为深水，水深超过1500m则 称为超深水。
二、深水/超深水钻井-浮式钻采系统
二、深水/超深水钻井- LW3-1-1井
钻完井周期： 2006.4.27－6.17
中国深水 域第一口 探井！
•水深：1480m •完钻井深：3843m
Sb
S a
二、深水/超深水钻井- 研究与实践 深水钻井力学与安全设计技术研究：
① 深水条件下三维地层压力预测技术 ② 深水钻井地层破裂压力及井壁稳定性评估技术 ③ 深水井身结构及套管柱优化设计技术 ④ 深水作业管柱力学与安全设计技术 ⑤ 深水钻井流体力学与水力参数设计技术 ⑥ 深水钻井浅层流预测与控制技术 ⑦ 深水钻井工程设计软件系统 ⑧ 深水管柱力学模拟实验系统
一、我国深海油气资源-南海
我国南海深水领域 油气勘探形势
2002年，中海油推出12 个深水区块对外招标
一、我国深海油气资源-地质储量大
二、深水/超深水钻井-人类壮举
地球的主要分层
“上天、 入地、下 海”，是 人类征服 大自然的 壮举。
海洋深水油气资源开 发，面临“下海、入地” 的双重挑战，需要研 究解决许多重大的高 科技难题。
二、深水/超深水钻井-特点与挑战
海床以上 温度随深 度下降； 海床以下 温度随深 度上升。
海水温度分布
地层温度分布
二、深水/超深水钻井-特点与挑战
深水钻井中浅层水流的危害及其防治 1）冲蚀套管，严重时导
致套管屈曲破裂； 2）冲蚀浅部地层，导致 井口失稳； 3）引起井涌、井喷等井 控问题， 4）延长钻井作业的非生 产时间，造成严重的经 济损失。
Slip joint伸缩接头
RISER TENSION SLIP JOINT OUTER BARREL UPPER BALL JOINT
SLIP JOINT INNER BARREL
KILL AND CHOICE LINES
RISER JOINTS
LOWER BALL JOINT
BOP
Mudline
二、深水/超深水钻井- 无隔水管钻井
深水作业管柱力学与安全设计技术 •
作业管柱最大振动载 荷 (kN) 600 450 300 150 0 0 1000 2000 水深 (m) 3000
作业管柱最大振动载 荷 (kN)
管柱的纵向振动影响因 素分析 127 mm 钻杆
139.7 mm 钻杆 149.2 mm 钻杆
泥线2492m 2592m
36
• 结构套管柱
100m
20
558
m
• 表层套管柱
948m
3050m(shoe)
井底到泥线 距离1114m
1508m
13 / -3
3060m
(26)
8
• 中间套管柱 裸眼段 146m
540m
3450m(shoe)
3460m
4000m
(17-1/2)
3606m
二、深水/超深水钻井- LW3-1-1井身结构
二、深水/超深水钻井- 概念设计 –CNOOC
深水钻井概念设计工作流程
二、深水/超深水钻井- 基本设计 –CNOOC
深水钻井基本设计工作流程
二、深水/超深水钻井- 详细设计 –CNOOC
深水钻井详细设计工作流程
二、深水/超深水钻井- LW21-1-1井
补心海拔31m
海面（水深2461m）
LW21-1-1
海洋深水钻井平台及生产系统 ，是国家实力的体现。 生产出的每一船原油，是国家 海洋主权的有效行使。
二、深水/超深水钻井-井身结构
30"/36" 20" 13 3/8"
9 5/8"
7"
二、深水/超深水钻井-特点与挑战

水深－Deepwater 不稳定海床－ Unstable Seabed 地层强度低－ Low Fracture Gradient 深水低温－Low Temperature 浅层流（水/气）－Shallow Flow 气体水合物 －Gas Hydrates

二、深水/超深水钻井-特点与挑战
隔水管长，钻机负荷增 加，对钻井装备要求高
恶劣的作业 环境：起下 作业昂贵； 对安全可靠 性要求高。
二、深水/超深水钻井-特点与挑战 • • • • 风 波浪 海流 钻井平台偏 移、升沉、 摇摆等运动
伸缩接头 球形接头
深水钻井管柱 力学与控制
隔水管
球形接头 防喷器
管柱下端弯曲应力 (MPa)
0 kN 400 kN 800 kN
200 kN 600 kN 1000 kN
1200 1000 800 600 400 200 0 0 200 400 600
800
1000
管柱下端轴向载荷 (kN)
海流作用下送入管柱顶端弯曲应力随水深的变化
海流作用下送入管柱下端弯曲应力随轴向载荷的变化
深水钻井隔水管系统
Marine riser = drilling riser, get returns to surface, well control, communications link
二、深水/超深水钻井-特点与挑战 使用海底钻井液助推系统时，如下图所示。
此系统相当于一个三通 Qm=Q1+Q2 假若泥浆助推系统中泵 入的液体密度为 2 ， 则混和后，隔水管段中 钻井液密度计算公式：
一、我国深海油气资源
•南海是世界四大油气聚集地之一，石油地质储量约 为230~300亿吨，占我国油气总资源量的三分之一， 其中70%蕴藏于153.7万平方公里的深海区。 •迄今，越南、菲律宾、马来西亚、新加坡等周边国 家在南海开采石油，在南沙海域已钻井1000多口，发 现含油气构造200多个，油气田180个，每年从我国传 统的疆界内外拿走约3800万吨油、380亿方天然气， 早已形成事实上的“开发热”。而我国只对其中10%海 域进行了勘探。
快速的沉积形成了厚、松软、 高含水、未胶结的地层。
二、深水/超深水钻井-特点与挑战
地层强度低（Lower Fracture Gradient）
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。右图为破裂 压力梯度与水深 的关系曲线。
井身结构设计 参数：
井涌余量取0.35ppg 预设井涌体积取5bbl 抽吸压力取0.2ppg
二、深水/超深水钻井- 无隔水管钻井
深水作业管柱力学与安全设计技术 • 深水管柱纵横弯曲变形模型
轴向载荷 + 横向载荷 纵横弯曲变形 弯曲载荷
d2 d2y d dy EI 2 T x P x 2 dx dx dx dx
采用加权残值法进行求解，单元试函数设为：
yi Ci,0 Ci,1x Ci,2 x2 Ci,3 x3 Ci,4 x4 , x [0, li ],(i 1,2, , n)
管柱的纵横弯曲变形
(2)纵向振动模型：
钻井船升沉 管柱纵向振动 轴向振动载荷
2u d2 y u dy u m 2 2 C EA 0 dt t dt s s t
二、深水/超深水钻井-发展现状
36″下深 水深(m) （m，BML） 井名 作业者 LW3-1-1 HUSKY 1480 82.2 LW3-1-2 HUSKY 1343.8 67.2 LW3-1-3 HUSKY 1454.4 68.8 LW4-1-1 HUSKY 1630.2 68.8 LW9-1-1 HUSKY 1668.5 68.7 CNOOC 2461 100? LW21-1-1 赤几S-1 CNOOC 1101 80 BY6-1-1 DEVON 1020 72 Murphy Block K Murphy Oil 1876 100 (100) GOM BLOCK 951 ChevronTexaco 3051 101 (87)
一、我国深海油气资源
国外深海勘探开发最活跃海域是墨西哥湾、西 非海域、巴西近海和北海，目前的最大钻井水 深已超过3000米。我国深海油气勘探开发仍在 初期，深海钻探能力仅达600m，开发作业能 力为503m。我国对外招标的南海深水区块的 水深为1500m～3000m，正在进行勘探开发， 但公司自主作业实施钻井工程仍为空白。 随着油气勘探开发走向海洋深水，国内急需自 主产权的海洋深水钻探与开发技术与装备。
二、深水/超深水钻井-基本定义
•“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。
Q1 1 Q2 2 Q1 Q2
环空压耗
ECD ESD(1 Ca ) s Ca
p1 p2 0.00981H
二、深水/超深水钻井-特点与挑战
不稳定的海床（Unstable Sea Floor）
由于滑坡形成的快速沉积
浊流沉积 陆坡上松软的、未 胶结的沉积物和不 稳定的海床
深水钻井与深海油气开发
高德利
提纲
一、我国深海油气资源 二、深水/超深水钻井 三、GOM特大井喷事故 四、结束语
一、我国深海油气资源
• 占地球表面积71%的海洋覆盖域，蕴藏着 丰富的矿产资源，包括石油、天然气、气 体水合物及镍、钴、锰、铅、锌、金、银、 铝等金属矿产资源。 • 在全世界范围内，随着经济社会的发展， 陆地资源开发利用日趋枯竭，从而使海洋 矿产资源的开发利用受到广泛关注，甚至 呈现出越演越烈的全球竞争局面。
Depth
Aquifer ( 含水层) Pore Pressure
Shale Sand
Pressure
二、深水/超深水钻井-发展现状
世界近海钻井开始于1938年，40年后钻井水深达到300m，又经过 15年达到600m，此后4年增加到900m，2年后达到1200m，其后几 个月就发展到2100m。目前，钻井水深已超过3000m，并基本上形 成了一套完整的深水钻井技术与准备。
-20
-10
0
10
20
30
平台相对海底井口偏移量 (m)
不同平台偏移量对应的管柱变形曲线
500 弯曲正应力 (MPa) 400 300 200 100 0 0 1000 水深 (m) 2000 3000
管柱截面最大轴向应力随平台偏移量的变化
1400 水深 500 m 水深 1000 m 水深 1500 m 水深 2000 m 水深 2500 m 水深 3000 m
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
EROSION SAND
Drive the conductor through the SWF zone to eliminate the annulus where the water can flow. 500ft-1,000 ft BML is feasible.
Seawater Hydrostatic Pressure
管柱的纵向振动
二、深水/超深水钻井- 无隔水管钻井
深水作业管柱力学与安全设计技术
-20 20
截面最大轴向应力 (MPa)
管柱位移 (m) -10 0 10 -25 175 375
•
管柱的纵横弯曲变形影 800 响因素分析
600 400 200 0 -30
管柱顶端 管柱下端
水深 (m)
575 775 975 1175
一、我国深海油气资源
• 1994年11月16日，《联合国海洋法公约》正式生效， 它确定了未来全球千年的海洋划界框架和全球海洋管 理体制。根据《公约》，地球上1.09亿平方公里的海域 将转为沿海国的主权管辖海域，中国据此获得的主权 管辖海域达到300多万(陆大道认定460万)平方公里。 • 中国第三次油气资源评价结果：中国石油资源量为 1070多亿吨，天然气资源量为54.54万亿立方米，其中 海洋石油为246亿吨，海洋天然气为15.79万亿立方米。 • 对此，仍然需加大勘探力度，提高勘探精细程度和资 源探明率，不断寻找新的资源替代区。