深水钻井设计的技术流程与工作方法*

叶吉华 刘正礼 罗俊丰

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司)

深水钻井设计的技术流程与工作方法*

叶吉华 刘正礼 罗俊丰

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司)

深水钻井设计面临海洋环境恶劣、压力窗口窄、浅层地质灾害危害大、作业费用高昂和深水海底低温高压等严峻挑战。在充分借鉴我国浅水钻井设计和国外深水钻井设计及施工经验的基础上,研究并提出了深水钻井设计的技术流程与工作方法。以“海洋石油981”钻井平台在南海实施钻探的第1口自营深水井为例进行了实际应用,结果表明采用本文提出的深水钻井设计技术流程与工作方法,使钻井作业时效达86%。目前该技术流程与工作方法已推广应用在“海洋石油981”、“南海8号”深水钻井平台数十口自营深水钻井设计和海外刚果深水钻井设计实践中,均取得了良好的应用效果,可为其他类似深水钻井设计提供参考。

深水;钻井设计;技术流程;工作方法;“海洋石油981”;南海

我国南海是世界四大油气聚集地之一,深水区蕴藏了约210亿t的石油地质储量[1-2]。随着荔湾3-1、流花34-1和流花29-1等油气田的发现,南海发现大型深水油气田的前景更加广阔[3-4]。优质的深水钻井设计是深水钻井施工的基础,是深水油气井钻井作业安全顺利的保证,是提高钻井效率,降低作业费用的前提[5-9]。深水钻井设计内容涉及面广、涵盖知识点多、技术难度大,而我国深水钻井起步较晚,深水钻井设计技术相比国外尚存在一定差距。目前针对深水钻井设计分析的文献资料很少,现有的文献资料主要集中在深水钻井挑战介绍及相关专题研究方面[10-14]。本文在充分借鉴我国浅水钻井设计和国外深水钻井设计及施工经验基础上,分析了深水钻井设计面临的挑战,提出了深水钻井设计的技术流程和工作方法,并以“海洋石油981”钻井平台在南海实施钻探的第1口自营深水井为例进行了实际应用,取得了良好效果。本文提出的深水钻井设计技术流程与工作方法目前已在数十口南海深水钻井设计及海外刚果深水钻井设计中取得成功应用,可为其他类似深水钻井设计提供参考。

1 深水钻井设计面临的挑战与解决方案

由于深水环境和钻井作业工况的复杂性,深水钻井设计不同于常规水深的钻井设计,主要面临以下几个方面的挑战:

1)海洋环境恶劣。首先,随着水深的增加,要求钻井平台作业能力相应增加,且要求隔水管更长、防喷器组(BOP)井控能力更强、钻井液容积更大以及设备的压力等级更高,对设备的可靠性要求更加苛刻。其次是内波流的影响。对我国南海而言,特有的内波流以及季风气候的影响须在钻井设计中考虑。2012年4月到7月间,南海自营深水井作业期间监测到的内波流次数达到14次,其中5月份和7月份分别遇到6次和5次。2013年5月,南海第1口自营深水井钻井作业期间遭遇强度最大的一次内波流,流速达到2.22 m/s,致使平台漂移4.9 m。整体上来说,内波流虽方向有规律,但发生时间不定、流速无常、区域分布差异较大,给深水钻井平台定位和钻井隔水管作业带来了安全风险。第三是台风的影响。南海台风频发,每年6—11月为台风高发期。“海洋石油981”作业的4口自营深水井中有2口井分别遭遇4次台风和2次台风,共影响作业时间近一个月。

2)压力窗口窄。由于深水区地层覆盖了深度上千米的海水,独特的海底表层沉积物使得深水地层破裂压力和孔隙压力之间的差别小,容易发生井漏、井喷等复杂情况。在深水钻井设计中,往往由于作业窗口小而使得套管鞋深度设计不够深。另外,深水区域的井所需的套管柱层数常常比有着相同钻进深度的浅水区域的井或陆上的井多,有的井甚至因为没有可用的套管而无法达到最终的钻井目的。

3)浅层地质灾害危害大。深水浅层地质灾害通常发生在泥线以下1 000 m范围内,主要包括浅层气、浅层水、天然气水合物和不稳定海床。在深水钻井作业期间,如钻遇浅层地质灾害,可能引起井控以及井眼完整性失效、储层损害等问题,严重时可能造成井口基底冲垮、井口塌陷,甚至造成井喷和平台倾覆等灾难事故。

4)作业费用高昂。深水钻井作业面临恶劣的海洋环境和复杂的工程地质条件,使得深水钻井作业环境复杂、钻井作业工况多,对深水钻井平台和设备作业能力和可靠性要求更加苛刻,呈现出平台大型化、设备智能化、作业自动化的特点,使得平台租金和钻井作业费用居高不下,如“海洋石油981”综合日费超过了100万美元。此外,深水钻井通常离岸距离远(目前在我国南海已完钻的4口深水井离岸距离均在300 km以上,其中最远的深水井离岸距离达到378 km)、后勤补给线长、应急储备物料多、应急保障性要求高,也增加了深水钻井作业费用。

5)深水海底低温高压环境的影响。除了上述面临的挑战之外,深水钻井设计还要考虑海底低温高压环境的影响。深水海底温度压力环境容易形成水合物,一旦形成则会堵塞钻井液循环通道或钻井系统的其他管路,如堵塞防喷器等,导致隔水管下部总成与防喷器脱离困难等。另外,深水海底低温环境还会降低钻井液和水泥浆流动性,增加流动阻力,压漏地层,导致钻井液漏失、固井质量差等后果。

针对上述深水钻井设计所面临的挑战,在设计中可采取如下解决方案:

1)深水钻井设计中要考虑恶劣海洋环境给平台选型、定位和隔水管系统配置等带来的影响,对于存在强海流、季风、台风和强内波流等区域的井,在充分统计历史数据规律上,须进行海洋环境对深水移动式钻井装置检验与选型、锚泊或动力定位平台作业安全和隔水管系统设计及配置作业影响的专项研究,选择能满足恶劣海洋环境要求的钻井装置,如第五、六代浮式钻井装置,并做好平台应急解脱程序及撤离预案。

2)在深水井身结构设计和井控设计时须充分考虑地层压力窗口窄所造成的限制,根据计划井钻前地震数据和邻井随钻获取地层压力资料开展地层压力预测和井壁稳定性研究,通过选择安全的钻井液密度窗口、设计合理的井身结构、结合钻井液性能和压井阻流管线特点进行井控分析、选择低密度水泥浆等方法应对压力窗口窄的挑战。

3)深水钻井设计前须对计划井位开展包括浅层地质灾害在内的井场调查,并须根据调查分析结果,结合计划井的具体情况,提出浅层地质灾害研究和分析的内容,包括浅层气、浅层流、水合物、海底河道、断层、海底滑坡、泥火山等,尽量避免在存在浅层地质灾害风险的井位作业,对于无法避开浅层地质灾害的井位,在设计中须做好井口稳定性、井漏、动态压井技术及压井液密度和用量等方面的分析计算,制定相应预防措施及物资准备计划。

4)高昂的作业费用给深水钻井设计在平台选型、器材配置和作业工艺选择等方面带来了制约,设计时须统计分析周边已实施深水井或相似水深、作业环境深水井的作业工期,为本井工期预测提供依据;在钻井程序设计上尽量采用交叉、离线和批钻作业等工艺,缩短作业工期;制定合理的运输计划,选用满足计划井作业环境的工作船,减少相关费用。

5)深水钻井设计中要选用适合低温的钻井液、水泥浆体系,依据地层承压能力和压力窗口设计钻井液和水泥浆性能,做好水合物生成预防措施等方面应对由于低温高压环境带来的影响。

2 深水钻井设计的技术流程与工作方法

2.1 钻前资料收集

钻前资料收集应尽可能详尽,主要内容及方法为:

1)已钻深水井信息。通过国内外技术调研,尽量收集已钻深水井的相关资料,尤其是作业条件、水深等与计划井相似的区域井资料。

2)区域和邻井资料。与地质部门沟通,搜集统计区块及临近区块的勘探背景、区域地质背景,包括但不限于钻井工程设计、钻井日报、钻井液日报、相关专业完井报告、电测资料、录井资料、测试资料、取心资料等。

3)作业前的气象、水文资料。通过开展海洋环境调查、井场调查和统计作业区域历史气象、水文数据,对作业区域的气象条件、水文资料进行收集,掌握计划井位海底温度压力参数,了解计划井作业区域内的季风、洋流、水温、渔业等情况。

4)基地状况与条件。通过作业基础实地考察、与当地作业者交流等方式,收集服务商资源、基地情况、仓储、码头、后勤支持能力、交通状况、社会环境、法律法规要求等。

2.2 相关井资料综合分析

对已有的相关资料进行综合分析,总结出作业经验,辨识存在的风险,制定预防措施。具体方法为:统计、分析已实施井作业期间出现的事故、复杂情况、难点以及取得的经验,并对井身结构、钻井液体系及性能、水泥浆体系及性能、喷射钻具结构、出鞋长度、低压头出泥高度、钻头使用情况、套管使用情况进行统计、分析,找出作业的难点和风险;汇总作业工期,进行各阶段的时效分析。分析随钻测量、取心、测试等资料以及测试过程存在的问题,了解地层存在的风险。相关井资料综合分析的目的是通过分析已实施邻井作业过程中存在的风险、事故、复杂情况,找出关键问题,提出解决问题的方法,为后续钻井设计提供参考和借鉴。

2.3 计划井地质资料分析

分析地质部门提供的计划井地质资料,明确地质要求,与邻井资料相结合,整理出计划井在地质方面的风险和难点,并结合所收集资料的分析结果,制定针对性的防范措施和应对方法,使钻井方案满足计划井的地质目的。具体内容为:分析地质分层(标明层系名称、顶底垂深、岩性描述),构造特征、储层特征、流体特征,预测的最高地层压力和温度以及地层压力温度随井深的变化关系,断层分布及特点,容易导致发生井下事故和复杂情况的风险提示等;同时,对井场调查结果进行分析,评估井位处滑坡、浅层气、浅层流、水合物、断层、古河道等浅层灾害,并对喷射可行性进行分析。

2.4 钻前研究

在之前所做工作的基础上,进行以下7个方面的钻前研究工作,通过联合专业服务单位和科研机构进行专题立项研究,为钻井设计提供依据。

1)浅层地质灾害分析。根据井场调查和资料分析结果,结合待钻井情况,提出浅层地质灾害研究和分析的需求及应对措施。

2)海洋环境调查和研究。开展海洋环境调查和研究,为钻井平台选型、定位、隔水管分析和钻井作业等设计工作提供基础数据。

3)地层压力预测。根据地质部门提供的地震资料与邻井实施情况,预测地层压力,包括地层孔隙压力、坍塌压力、破裂压力和上覆岩层压力等,并结合邻井钻井液使用情况,推荐各井段钻井液密度。

4)井壁稳定性分析。根据地质部门所提供的地震资料与邻井地质及测井资料,进行地应力和井壁失稳分析研究,预测井周应力分布,推荐在使用油基钻井液和抑制性水基钻井液等不同钻井液体系时的合理钻井液密度。

5)导管入泥深度和井口稳定性分析。根据邻井资料和土工试验结果,进行导管设计,确定导管尺寸、入泥深度、钻具伸出管鞋长度等,然后根据隔水管-导管系统受力分析结果,进行井口稳定性分析,确定导管钢级、壁厚和出泥高度并进行井口的选型。

6)隔水管配置设计与作业窗口研究。根据海洋环境调查数据和钻井平台隔水管系统参数,进行隔水管排列的合理设计,形成下放列表,确定所需的张紧力、钻井作业窗口、下放/回收作业窗口、悬挂作业窗口(动力定位平台还需要进行避台撤离分析等),为隔水管柱的安全作业提供保障。

7)钻井平台就位分析。对于锚泊定位的钻井装置,须进行锚泊系统和抛锚作业分析,形成初步抛锚设计;对于动力定位的钻井装置,应根据气象、水文资料、钻井液密度、隔水管及防喷器情况、补偿器能力进行隔水管分析(锚泊定位作业同样需要进行隔水管校核),确定安全作业条件,校核平台的作业能力。

2.5 钻井装置选择合理性及能力评估

钻井装置选择合理性及能力评估的目的是确保钻井装置在计划井位的作业安全。一方面,要查验钻井装置和主要属具的各类合格证书、作业许可证、管理制度、原始记录资料及其承包商的资质证书;查验钻井装置近1年或近5口井的设备故障、改造记录,检验钻井装置及主要属具。另一方面,要对钻井装置选择报告中有关钻井装置选择依据、钻井装置能力评估的内容进行分析,重点包括:定位方式分析,重点结合井及环境条件确定是锚泊定位还是动力定位;钻井能力分析,包括提升能力以及循环系统、固控系统、钻柱补偿系统、动力系统、救生能力和平台最大可接纳人员能力分析;井控装置分析,根据计划实施井压力预测、水深、钻具、井场调查结果,评估其压力等级、剪切和悬挂能力、水合物预防能力以及应急关断和应急解脱能力。

2.6 井身结构及套管设计

深水钻井井身结构设计应根据地层压力预测研究结果、地质必封点情况和钻井液密度窗口,结合孔隙压力、井眼稳定性、可能的浅层灾害和邻井实钻情况,并考虑易坍塌层、易漏层、特殊流体层、特殊岩性层、井眼轨迹要求等因素,在保证“压而不死,活而不喷”的前提下,设计各层套管的下入深度和尺寸。探井常采用“自上而下”井身结构设计方法,生产井常采用“自下而上”的方法。典型的深水井套管程序见表1。

表1 典型的深水井套管程序

然后根据井口系统、平台设备能力及地质油藏要求,确定井眼尺寸。对于探井,除考虑预留一层备用套管及备用井眼外,还应考虑套管与地层之间、套管与套管之间密闭环空压力在温度变化情况下对套管完整性的影响。此外,表层导管应根据井口稳定性校核结果确定。

2.7 钻井相关专业设计

在井身结构设计的基础上,结合专题研究结果、邻井资料和计划井地质资料,通过与各专业服务商合作的方式,开展包括定向井、钻头及钻具组合设计、钻井液设计、固井设计、水力参数设计、摩阻扭矩分析、井控设计、取心设计和弃井设计等。根据钻井作业程序以及邻井作业时效和钻井装置历史作业效率编制进度计划,汇总所有专业设计,整理出使用材料计划,并考虑应备用材料。

2.8 作业程序、进度计划及费用评估

根据地质目标、井身结构、平台情况,从动员开始到复员,分井段编写各作业程序,并测算出全井每一道工序的施工时间,包括动复员时间,最后做出全井进度计划,并制定钻井工程进度计划表和绘制钻井工程进度计划曲线图。依据钻井设计、承包商服务、设备及工具费率、所需材料数量和价格等,按照相关取费标准及预算格式的规定,编制钻井费用。

2.9 风险分析和处置预案准备

根据前期邻井资料分析以及计划井的具体情况,进行作业风险分析。针对各阶段作业内容,辨识出存在的风险,找出可能的原因;按照风险分析方法,推测出风险发生的几率和危害程度,制定降低风险的具体措施,并分析制定措施后的风险影响等级(风险影响等级分类见表2)。对于仍处于高风险的作业,应制定具体、详细、操作性强的防范措施;对于重大风险,如溢油、台风等,须制定相应的应急预案。

表2 风险影响等级分类

根据上述工作内容,深水钻井设计阶段分别为概念设计、基本设计、详细设计,各个设计阶段需要完成的内容见表3。

表3 深水钻井设计阶段划分及内容要求

3 南海自营深水井钻井设计实例与效果

以“海洋石油981”在我国南海实施钻探作业的第1口自营深水井为例,详细分析深水井钻井设计的关键环节。

1)钻前资料收集。收集了Husky、Deven公司在南海已实施33口深水井的相关资料,主要是荔湾和流花区块的钻井资料,重点是钻井工程设计、钻井日报、钻井液日报、相关专业完井报告、电测资料、取心资料等。

2)邻井资料分析。自2006年起,Husky、Deven公司在南海深水区域共作业33口井,发生深水井复杂情况共计56次(表4),分析发现对南海深水作业影响较大的主要问题是BOP故障、井漏等。

表4 南海已实施深水井事故统计

3)地质资料分析。根据地质资料,该井水深达1 496 m,对平台及隔水管系统要求高;较长的无隔水管井段对送入管柱要求高;泥线处温度仅4℃,水泥浆性能要求适应低温环境,水泥石起强度时间要求短,钻井液在低温环境下要求流变性变化小;油顶埋深浅,入泥深度仅570 m,给套管下入深度设计带来难度。

4)钻前研究,即根据计划井实施情况进行相关研究。浅层地质灾害研究表明,该井海底以下约132.0～170.4 m及486.4～529.7 m将钻遇透镜状沉积体,存在浅层水流和气流的风险较小;海洋环境调查和研究表明,计划井所在区域存在流速超过2 m/s的内波流,台风将对作业安全、连续性、后勤供应产生较大影响;地层压力预测和井壁稳定性研究结果表明,计划井地层为正常压力体系,地层破裂压力低,作业窗口窄,φ445 mm井段作业压力窗口仅为0.06 g/cm3, φ311 mm井段作业压力窗口仅为0.08 g/cm3;导管入泥深度和井口稳定性研究表明,计划井设计表层导管为φ944 mm,入泥深度为78 m,选用Dril Quip生产的SS-15型井口系统;此外,还对计划井进行了相关的隔水管排列钻前设计和校核,推荐了隔水管排列方案和张紧力。

5)钻井装置选择合理性及能力评估。“海洋石油981”的作业水深可达3 000 m,作业井深可达10 000 m,配置有105 MPa防喷器组。结合计划井的井深、可能达到的大钩负荷、地层压力、作业区域环境等因素对钻井装置选择合理性及能力进行了全面的评估,其结果是该平台完全具备钻该计划井的作业能力。

6)井身结构及套管设计。基于地层压力预测研究结果,考虑了孔隙压力、井眼稳定性和可能的浅层灾害、油层埋浅等影响。该井井身结构设计结果为:导管1 607 m,入泥78 m,支撑井口和隔水管载荷;表层套管1 990 m,无隔水管钻进,入泥461 m,下至扇形沉积体前,将上部松散地层封住,且将套管鞋座入泥岩内;技术套管2 090 m,入泥561 m,下入到显示层之前,提高管鞋处的地层承压强度,同时有2层套管固井降低油气沿套管鞋外上窜到海床的可能性;φ311 mm井眼钻至完钻井深2 371 m,预留φ244.5 mm套管备用,应对井下复杂情况。

7)各相关专业设计。在学习和参考国外深水钻井设计方法以及Husky、Deven公司在南海深水区作业经验的基础上,通过对计划井海洋环境、工程地质条件和平台设备作业能力的深入分析,开展了各相关专业技术设计,最终采用了Ultraldrill钻井液体系和LITE SET水泥浆体系,选择了φ168 mm钻杆作为送入管柱,采用了φ660 mm XR+C、φ445 mm STS916及φ311 mm ST617钻头。

8)风险分析和处置预案准备。计划井钻井设计中全面考虑了内波流、浅层地质灾害、新平台工具设备的完整性和可靠性、导管喷射下沉和下入不到位、井喷、井漏、井壁失稳和水合物等风险因素、风险原因及可能造成的后果,并制定了预防、控制和处理措施。

2012年6月15日,“海洋石油981”在南海实施的第1口自营深水井钻探作业顺利完成,实现了地质目的,井身质量、固井质量、测井质量均满足相关要求,作业时效达到了86%,充分证明了本文提出的深水钻井设计方法的可行性。目前该技术流程与工作方法已推广应用在我国“海洋石油981”和“南海8号”钻井平台数十口自营深水钻井设计和海外刚果深水钻井设计实践中,均取得了良好的应用效果。

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Technical process and working method of deep water well drilling design

Ye Jihua Liu Zhengli Luo Junfeng
(Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518067)

Deep water well drilling design is confronted with the severe challenges of harsh marine environment,narrow pressure window,shallow geo-hazard,high operating costs,high pressure and low temperature condition at deepwater seabed,etc.Based on the domestic shallow water well drilling design and international deepwater well drilling design&operating experience,the technical process and working method were studied and proposed for deep water well drilling design.The technical process and working method were applied to the first self-financed deep water well drilled with“H YSY 981”rig in the South China Sea,the result showed that the drilling operation efficiency was up to 86%.So far,the technical process and working method have been applied in the drilling design for dozens of self-financed deep water wells drilled with“H YSY 981”and“NH8”rigs and for deepwater wells drilled in Congo,and achieved excellent effects. It can provide reference for the similar deep water well drilling design.

deep water;drilling design;technical process;working method;“HYSY 981”rig;the South China Sea

2013-11-21改回日期:2014-03-07

(编辑:孙丰成)

*国家科技重大专项“深水钻完井及其救援井应用技术研究(编号:2011ZX05026-001-04-20120523)”部分研究成果。

叶吉华,男,工程师,2000年毕业于原西安石油学院石油工程专业,主要从事深水及超深水井钻井工程设计和钻探工作。E-mail:yejh@cnooc.com.cn。