深水鉆井技術的挑戰(zhàn).

 

  水深帶來的挑戰(zhàn)隨著水深的增加,鉆具、鉆井液、隔水管用量和海洋環(huán)境復雜性都相應增加,這對平臺承載能力、鉆機載荷、甲板空間等提出了更高的要求。隨著工作水深的增加,作為深水油氣開發(fā)的主要裝備)))浮式鉆井平臺已經(jīng)開發(fā)出了六代產(chǎn)品。工作水深從幾百米增加到超過3 000 m;載荷也從幾千噸增加到上萬噸。另外,隨著水深的增加,隔水管需要具備更大的抗擠壓能力,對鉆井液、完井液的流變性也提出了新的要求,同時,海底的所有裝備也要承受更低的溫度和更高的壓力。

 

  風浪流帶來的挑戰(zhàn)深水環(huán)境的風浪流會引起鉆井船的移位,導致隔水管發(fā)生變形和渦激振動,因此對其疲勞強度設計提出了更高的要求。環(huán)境載荷超出隔水管作業(yè)極限載荷時,需要斷開隔水管系統(tǒng)和水下防噴器的連接。懸掛隔水管的動態(tài)壓縮也可能造成局部失穩(wěn),增大隔水管的彎曲應力和碰撞月池的可能性。強烈的海洋風暴對鉆井平臺具有災難性的破壞作用,因此深水鉆井對海洋風暴的預測及鉆井平臺快速撤離危險海域提出了更嚴格的要求。

 

  低溫帶來的挑戰(zhàn)[5] 海水溫度隨水深增加而降低,海底溫度(即使在熱帶)一般為4e左右,有些地區(qū)達-3e。海水的低溫可以影響到海底泥線以下約數(shù)百米的巖層。低溫帶來的問題主要包括:海水低溫環(huán)境使隔水管中的鉆井液流變性發(fā)生變化,可使鉆井液的黏度和密度增大。鉆井液的黏度增大可產(chǎn)生凝膠效應,在井筒流動中產(chǎn)生較高摩擦阻力,增大套管鞋處地層被壓開的風險。鉆井液流變性的變化給井筒壓力計算和控制帶來了極大的困難。此外,海底低溫延長了水泥漿的凝固過程,使水泥漿長時間處于膠凝失重狀態(tài),發(fā)生流體竄流的機會大增,導致水泥漿機械性能變差,強度降低。海底附近的低溫高壓環(huán)境給井筒形成水合物提供了適宜的條件,如果鉆井液或壓井液中攜有一定量的天然氣,那么在海底泥線附近的井筒及防噴器中極易形成水合物,導致井控設備失效等。

 

  水合物帶來的挑戰(zhàn)[6-7] 鉆井過程中水合物的形成會帶來以下影響:1)阻塞節(jié)流、壓井管匯和鉆井液(氣)分離器,無法進行循環(huán)作業(yè);2)在防噴器中部或下部造成阻塞,妨礙油井壓力監(jiān)測;3)阻塞物在井眼環(huán)空中形成,妨礙鉆桿旋轉和移動。深水固井過程中,水泥水化放熱導致氣體水合物分解,氣體流動造成井壁不穩(wěn)定或水泥漿氣竄,環(huán)空水合物分解釋放出大量氣體可能憋漏套管鞋處地層。深水井測試中,關井、誘噴或節(jié)流效應導致井內溫度降低,低溫生成的水合物會堵塞測試管柱,造成測試失敗。水合物分解出的氣體進入井筒使鉆井液密度降低,誘發(fā)井涌和井噴。此外,如果在鉆井過程中鉆遇水合物層(藏),由于鉆井破壞了水合物藏的溫度、壓力環(huán)境,會導致水合物層中水合物的分解,影響井筒穩(wěn)定性等。

 

  窄鉆井液安全密度窗口帶來的挑戰(zhàn)[8-10] 深水造成的欠壓實,使破裂壓力梯度和地層孔隙壓力梯度之間的窗口較窄。窄密度窗口地區(qū)鉆井事故頻繁,容易發(fā)生井漏、井涌、井塌、卡鉆、涌漏同層等井下故障,窄鉆井液安全密度窗口導致套管層數(shù)增加,甚至無法鉆至目的層。窄鉆井液安全密度窗口也給深水井控帶來了很大的難題。

 

  深水鉆井地質災害[11-12] 深水地質災害包括海底表層疏松、淺層流動等引起的災害,其中淺層流動危害是重要的危害之一。海底淺層流包括淺層氣流和淺層水流。淺層流沖刷可能造成水下井口、防噴器組和導管塌陷。淺層氣流中的氣體進入海水后,海水密度降低,鉆井平臺所受浮力減小,容易造成平臺傾覆、火災等事故。海床泥水分界面以下的地層大部分是易坍塌的疏松泥巖和頁巖,易發(fā)生井壁坍塌,導致鉆井故障或事故。

 

  112 國外深水鉆井技術發(fā)展現(xiàn)狀11211 深水雙梯度鉆井技術[13-18]

 

  在深水、超深水鉆井中,由于破裂壓力梯度和地層孔隙壓力梯度之間的窗口較窄,如果采用常規(guī)鉆井技術易出現(xiàn)井漏、井涌、井塌、卡鉆和涌漏同層等井下故障,采用雙梯度鉆井技術可以從根本上解決這些問題。雙梯度鉆井技術大體以海底泥線為分界線,在井筒和隔水管之間使用不同的壓力梯度,從而擴寬井底壓力和破裂壓力之間的鉆井液密度窗口,因此可以減少套管層次,進而有效實施鉆進作業(yè),節(jié)約材料,并大幅度縮短建井周期。目前主要通過兩種方式實現(xiàn)雙梯度鉆井:一種是鉆井液通過安置在海底的鉆井泵和小直徑返回管線回到鉆井平臺,在這種設計中,如果使用隔水管,則在隔水管內充滿海水;另一種方式是鉆井液通過隔水管返回平臺,此時#9#石  油  鉆  探  技  術2011年3月為了降低隔水管環(huán)空內返回流體的密度,使之與海水相當,需在隔水管中注入低密度介質(空心微球、低密度流體、氣體)。雙梯度鉆井能夠用較大的井眼鉆至目的層,從而可以采用更有效的完井方式完井,同時可以有效控制井眼環(huán)空壓力、井底壓力,克服深水鉆井中遇到的窄安全密度窗口問題,滿足深水鉆井快速、安全、經(jīng)濟的要求。

 

  11212 深水淺層鉆井技術[19-21]

 

  為了避免鉆井過程中井內鉆井液壓力不足以平衡高壓含水地層的壓力、發(fā)生淺層流導致的各種問題,常規(guī)做法是先預鉆小井眼釋放地層壓力,然后再進入正常鉆進程序。即使如此,鉆進中也可能發(fā)生淺層流導致的井涌或井噴。為此,國外開發(fā)出一種動態(tài)壓井鉆井技術,該技術是利用大排量鉆井液循環(huán)產(chǎn)生的流動壓耗和混配的加重鉆井液兩者產(chǎn)生的壓力來平衡淺層高壓,實現(xiàn)淺層窄安全密度窗口地層的正常鉆進。該技術節(jié)省了加重鉆井液的時間,真正實現(xiàn)了邊鉆進邊加重的動態(tài)壓井鉆井作業(yè),提高了鉆井效率,縮短了鉆井周期。

 

  11213 深水鉆井水合物預測及抑制技術[22-25]

 

  深水鉆井海底為低溫高壓環(huán)境,極易促使天然氣水合物在井筒、井口管線和防噴器內形成氣體水合物,將造成堵塞,同時對鉆井液的流變性產(chǎn)生直接影響,給正常鉆進和井控工作帶來嚴重隱患。因此在深水鉆井過程中要預防天然氣水合物的形成,在預防之前還要預測水合物生成的量和生成位置,以便為采取水合物抑制措施提供依據(jù)。目前對井筒中水合物生成量的預測方法受井下復雜條件的限制,還不能做到十分精確,但可以通過建立井筒的溫度壓力場,并結合天然氣水合物生成的溫度壓力條件,來判斷水合物是否形成及其形成的具體范圍,達到預測水合物生成區(qū)域的目的。

 

  水合物抑制技術就是通過破壞水合物生成條件達到防止水合物生成的目的。目前預防和抑制水合物生成的措施有:除水法、加熱法、降壓控制法、添加熱力學抑制劑法、添加動力學抑制劑法。而添加熱力學抑制劑法是目前應用最廣的水合物抑制方法。

 

  11214 深水鉆井液及固井水泥漿技術[26-28]

 

  深水鉆井液應具有的特性包括:1)良好的頁巖抑制性;2)在低溫下有良好的流動性;3)良好的懸浮和攜巖能力,對于大位移井、大直徑井眼更為重要;4)良好的水合物抑制能力;5)濾失量低,與地層配伍性好。除了以上特性,深水鉆井液還要滿足保護油氣層和海洋環(huán)境的要求,因此油基鉆井液在深水鉆井中的應用受到限制。目前深水鉆井中最常用的鉆井液體系有高鹽/PHPA(部分水解聚丙烯酰胺)聚合物+聚合醇水基鉆井液體系和合成基鉆井液體系。水基鉆井液由于其優(yōu)良的性能和較低的成本,已被廣泛用于深水鉆井作業(yè)中。但由于典型水基鉆井液體系的塑性黏度、熱膨脹性和壓縮性均比合成基鉆井液體系低,因此合成基鉆井液也是國外深水區(qū)域常用的鉆井液體系之一。

 

  表層套管固井是深水固井的難點和關鍵點。海底的低溫是最主要的影響因素;破裂壓力梯度常常要求使用低密度水泥漿;深水鉆井設備費用高又要求水泥漿能在較短的時間內具有較高的強度。因此,深水水泥漿應具有以下基本性能:密度低;在低溫下過渡時間較短,抗壓性能優(yōu)良;失水低;與套管、地層密封和膠結的長期性能好;頂替效率高。目前國外深水固井水泥漿體系有低密度填料水泥漿體系、低溫快凝水泥漿體系、泡沫水泥漿體系、最優(yōu)粒徑分布水泥漿體系和超低密度水泥漿體系等。