深水钻井表层套管下深优化技术可行性分析

郝希宁， 孙丽丽， 殷志明， 王 宇

[1.中海油研究总院，北京 100028；2.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083]

深水钻井表层套管下深优化技术可行性分析

郝希宁1， 孙丽丽2， 殷志明1， 王 宇1

[1.中海油研究总院，北京 100028；2.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083]

深水表层套管的下入深度决定了套管鞋的承压能力和下一井段钻井作业的安全密度窗口，直接影响井身结构和套管层次。针对海外某深水区块上部井段井壁稳定性差、钻井复杂情况频发等问题，进行Pump & dump技术应用可行性分析，以增加表层无隔水管井段钻井深度，优化井身结构，降低作业工期和费用。通过水力学分析确定表层钻井所需钻井液体积等关键参数，并对钻井工期和费用进行对比，探索该技术应用于现场的可行性，为深水钻井降本增效提供新的思路和方法。研究表明，Pump & dump技术是增加表层钻井深度、优化井身结构切实可行的方法之一，每口井可节约费用上千万美元，建议在地层可钻性较好、表层套管增加下深不超过300m的目标井中考虑使用。

深水钻井；Pump & dump；深水表层；无隔水管钻井；井身结构；降本增效

0 引 言

深水油气田是全球油气资源的重要开发领域，然而，深水钻井作业投资大、风险高，如何降本增效是关键问题。深水钻井一般包括表层无隔水管作业和下部有隔水管作业两个阶段。深水表层无隔水管钻井作业，一般直接采用海水开路钻进，通过稠浆清扫来辅助携岩，保障井眼清洁。然而，随着深水勘探开发领域的拓展，浅层遇到的难度和挑战也越来越大，如浅层气、浅层水流、大段盐层等[1—2]。在巴西Santos盆地，存在大段盐层，若采用海水钻井易发生井眼扩大，且盐层上部地层段稳定性差。该区域钻井时效低，复杂情况多，尤其是表层井段，经常发生卡钻等复杂情况，甚至发生了多次井眼报废事故，给钻井作业带来了极大的挑战[3]。

为应对更加复杂的地层条件，深水表层无隔水管工艺也需要有针对性的改进和完善。Pump & dump技术，是通过泵入密度更高、抑制性和滤失性更好的钻井液来平衡地层压力，保持井壁稳定，增加表层套管下入深度，提高套管鞋承压能力，有利于扩大下部井段的作业窗口，达到优化井身结构、减少套管层次的目的[4—6]。对于复杂井，可增大产层套管尺寸，以满足勘探开发的需要。在目前低油价时代，减少钻井工期和降低作业成本更是至关重要。

Pump & dump技术在墨西哥湾已应用于很多深水井，主要用来应对浅层气或者浅层水流。其中，限制Pump & dump技术的主要因素是较大的泥浆用量和后勤支持能力[3]。由于表层井眼尺寸大，井眼清洁所需排量大，开路循环钻井所需钻井液体积大，平台可储存和提供的加重钻井液体积有限。另外，由于表层钻井排量大，对平台设备混浆能力要求较高，并且需要平台人员的熟练操作及配合。钻井液密度动态调节装置是深水表层钻井混浆的关键设备，目前，通过自主研发已实现了该设备的国产化，可满足同时混合重浆、海水和添加剂三种流体的要求，最大排量达到 8.0m3/min，密度精度控制在0.02g/cm3以内，在自营深水钻井中已替代了国外同类产品[7]。

本文基于深水钻井降本增效的需要，针对海外深水表层无隔水管钻井中遇到的复杂情况，开展Pump & dump技术应用可行性分析。通过水力参数计算分析，确定深水表层钻井所需钻井液体积和最大表层套管下入深度，并对方案优化前后的工期和费用进行对比，从技术和经济两方面探讨该技术在深水钻井井身结构优化和降本增效中的应用可行性。

1 深水表层套管下深优化技术关键参数计算分析

1.1 理论最小排量计算

对于无隔水管钻井，需要确定的最重要参数是钻井液体积。钻井液体积与排量密切相关，排量的确定需要根据保障井眼清洁所需的携岩最小排量来选取。因此，首先需要根据环空中岩屑颗粒在钻井液中的沉降速度来计算理论最小排量[8—9]，具体方法如下。

基于非牛顿流体固液两相流理论，当岩屑颗粒在钻井液中下沉力和阻力达到平衡时，得到沉降末速为

(1)

式中：vs为沉降末速，m/s；g为重力加速度；ds为岩屑直径，mm；ρs为岩屑密度，kg/m3；ρf为钻井液密度，kg/m3；Cd为阻力系数。

沉降末速的求取关键是确定阻力系数，其与岩屑大小、形状，流体的密度、流变参数、流速、岩屑浓度等因素有关，目前没有统一的计算模型。考虑到经验参数的适用范围，需根据具体情况选取适合的方法。

以宾汉流体为例，得到颗粒雷诺数为

(2)

式中：Res为颗粒雷诺数；Dw为井眼直径，m；Dp为钻柱外径，m；μ为钻井液塑性黏度，mPa·s；τ0为钻井液动切力，Pa。

当岩屑浓度较大时，需考虑岩屑浓度的影响，另外，还需考虑岩屑形状的影响，通过岩屑浓度和岩屑形状因子等对沉降末速进行修正[10—11]。

以28英寸(1英寸≈2.54cm)井眼为例。加重钻井液参数为： 密度1.20g/cm3，塑性黏度20mPa·s，动切力10Pa，岩屑直径5mm。计算得到最小排量为3.21m3/min，参照自营及海外深水实钻数据，取泵排量为3.80m3/min。

1.2 钻井液体积

对于深水表层无隔水管井段，上部地层仍使用海水开路钻进，打稠浆清扫；进入下部不稳定地层后，开始使用密度更高、抑制性更好的饱和盐水。限制该技术应用最主要的因素是平台可储存和提供的饱和盐水体积。

根据表层钻井优选出的排量、不稳定井段长度以及平均机械钻速，可以得到所需饱和盐水用量为

V=QH/vd，

(3)

式中：Q为泵排量，m3/min；H为井深，m；vd为机械钻速，m/h。

由于开路循环盐水消耗量大，储存高密度过饱和盐水，待表层钻井作业时再稀释，有利于解决平台储存能力不足的矛盾。关于过饱和盐水的稀释，需要注意其不遵从理想流体按密度配比的关系，过饱和盐水与海水混合稀释时体积不守恒[12—13]，盐离子会找到水分子间的空隙，即一桶过饱和盐水和一桶海水混合后的体积并不是两桶，不同密度下NaCl含量以及所需NaCl固体和海水如表1所示。

表1 不同密度下每立方米溶液中NaCl含量和所需海水体积Table 1 NaCl content and required seawater volume in each cubic meter at different densities

结合以往经验，在1m3饱和盐水中加入280kgNaCl固体形成过饱和盐水，在作业过程中再进行稀释，1m3过饱和盐水与海水混合后可变成2m3饱和盐水，大大缓解了平台储存及运输的矛盾。对于盐层上部井段，在影响井径扩大不明显的前提下，可考虑使用略欠饱和盐水以提高机械钻速。另外，考虑到盐水的腐蚀作用等，为防止震击器、马达等井下工具发生点蚀，需要加入防腐剂等添加剂。

对于深水钻井平台等钻井装备，泥浆池容量一般在1000m3以上，再加上浮筒和守护船可储存的体积，目标井理论所需饱和盐水尽量不要超过2000m3，以免给平台储存和供应带来太大挑战。假设泵排量为3.8m3/min，机械钻速为20m/h，需要钻井液量为11.4m3/m，折算为过饱和盐水可得到最大可钻深度为350m。然而，地层可钻性不能太差，需保障一定的机械钻速，应用于现场时，需泵入饱和盐水的不稳定层段最好不超过300m，以确保后勤可提供足够的钻井液。

2 现场应用可行性分析

海外某深水油田初始设计采用四开井身结构，由于巨厚盐层的影响，给钻井作业带来了很大的难度和挑战，多次发生上部井眼报废事故，后被迫增加一层套管，改为五开井身结构。考虑到浅部地层承压能力不足，在盐层以上套管选型及校核中减少22英寸套管的下深，将22英寸套管下至盐层顶部以上50～100m提前封固，在22英寸套管上悬挂18英寸尾管，下至盐层顶部以下150～200m，以保障上部地层的安全钻进，如表2所示。

表2 五开井身结构Table 2 Five phases well structure

由于深水钻井日费高昂，300m左右的井段增加一层套管，会大大增加钻井工期和费用，另外，18-1/8英寸×22英寸井段属于非常规井眼钻进，钻井作业时效低，平均非生产时间占30%以上，因此，作业者希望通过技术手段进行井身结构优化，保障该区块钻井作业安全、高效地完成。从已钻邻井的作业经验可知，该区域存在因几个位置的盐层隆起而造成的断层，钻井过程中可能有页岩/砂岩的崩塌，采用纯海水可能无法对蒸发岩上面相对较长的盐上段进行成功钻进。若能通过泵入加重钻井液来增加表层套管下深，可对该区块钻井作业的降本增效提供有力的支持。

以该区块某目标井为例，其五开井身结构设计如图1(a)所示，计划提前将22英寸的套管坐封在3078m处，该位置在盐层以上约50m，再通过18英寸尾管下至3564m，该位置位于盐层中部，然后进行16英寸井段的钻进，下入13-5/8英寸套管封固整个盐层。

如采用泵入饱和盐水增加表层套管下深，通过28英寸钻头开路循环钻至盐层顶部以下约150m，以提高22英寸套管鞋承压能力及封固上部不稳定层段，再下入防喷器和隔水管后，通过16英寸井段钻至盐层底部，下入13-5/8英寸套管封固整个盐层，则可减少一层套管柱，如图1(b)所示。

(a) 优化前

(b) 优化后图1 井身结构方案对比Fig.1 Comparison of well structure

结合本文中实例井，假设需采用饱和盐水钻进的井段长度为234m，泵排量为3.8m3/min，机械钻速为20m/h，计算得到所需钻井液体积如表3所示，平台储存能力可满足钻井需要。

表3 需要钻井液体积表

井身结构优化后，钻井作业可少下一层套管及固井、少起下一趟管柱，钻井工期可减少15天左右，具体工期对比如表4所示。加之避免了低效的非常规井段作业，初步估算，每口井钻井作业费用至少可节约一千万美元。

表4 钻井工期对比Table 4 Comparison of drilling duration

因此，本实例井可通过Pump & dump技术增加表层套管下深和优化井身结构，达到减少钻井工期和作业费用的目的，为深水钻井作业降本增效提供一种新的思路和方法。

3 结 语

(1) 针对含有大段盐岩的深水表层钻井阶段，通过泵入饱和盐水开路循环钻井，可增加表层套管下深，简化井身结构，缩短钻井工期，降低钻井作业成本，为目前低油价环境下深水钻井降本增效提供一种切实可行的技术手段。

(2) 平台可储存和提供的钻井液体积是制约表层钻井深度最重要的因素，通过过饱和盐水稀释等方法可缓解平台存储大量钻井液的矛盾。建议该技术应用于表层套管延长下深不超过300m的目标井。

(3) 地层可钻性、不稳定地层长度等决定了表层钻井周期和所需加重钻井液体积，对于机械钻速过低、不稳定井段长度较大的井段不建议使用Pump & dump技术。

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FeasibilityAnalysisofSurfaceCasingDepthOptimizationinDeepwaterDrilling

The strength of casing shoe and the drilling window of next section depend on the depth of shallow casing running, which influences the wellbore structure and casing level. According to the features of formation in an oversea deepwater block, in order to increase the depth of shallow casing and simplify the wellbore structure, the weighted drilling fluid is used to replace sea water for pump & dump drilling. The pump & dump drilling program and critical parameters are analyzed, so as to provide a new idea and method for reducing cost and improving efficiency in deepwater drilling. As the study shows, pump & dump is a good technology to increase shallow casing depth and optimize wellbore structure, which can reduce about $10M for a deepwater well. It is suggested to apply this technology to the deepwater well of which the drillability is good and the increasing depth of shallow casing is no more than 300m.

deepwater drilling; pump & dump; deepwater shallow layer; riserless drilling; wellbore structure; cost-saving and efficiency-increasing

2017-01-17

国家科技重大专项(2016ZX05028-001)；第七代超深水钻井平台(船)创新专项

郝希宁(1983—)，男，工程师，主要从事深水钻完井井筒流动及控制方面的研究。

TE52

A

2095-7297(2017)05-0271-05

HAO Xi-ning1， SUN Li-li2， YIN Zhi-ming1， WANG Yu1

(1.CNOOCResearchInsititute，Beijing100028,China； 2.SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences，Beijing100083,China)