深水表层钻井作业工艺及提速技术研究

2022-05-13刘坤翔

石油化工建设 2022年3期

刘坤翔

中海石油（中国）有限公司深圳分公司广东深圳 518067

深水与超深水井表层土质较为相似，较浅水而言，具有土质疏松、作业压力窗口窄、海底泥线温度低等特点，给钻井施工带来一定困难，如井壁易垮易塌、钻井液性能不易维护等。深水表层钻井一般采用喷射下导管+ 二开继续钻进技术，实现一趟管柱实现一、二开两个井眼的钻进作业，有效降低了作业时间和井眼静置时间，避免了因浅层井眼长时间暴露导致出现井壁垮塌等复杂情况，确保了表层钻井作业安全，提高了深水井的作业效率。

1 深水表层特点

（1）海床岩性的特殊性：深水区海底存在浅层土质疏松，地层承载能力低的特点，基本上是软而黏稠的土壤，含水量高达70%，在海底泥线以下100m 范围内，土体不排水抗剪强度小于200kPa；在泥线附近，抗剪强度仅为2～5kPa。随着水深的增加，海底浅层土体不排水抗剪强度和桩基承载力降低，导管下沉及井口失稳风险较大。

（2）海底高压和低温：随着水深的增加，海底静液柱带来海底压力逐渐增加，每增加10m 水深，则增加约1 个地表大气压，同时太阳辐射能量降低，温度逐渐降低，以南中国海为例，500m 水深时，海底温压约5MPa/ 10℃，水深增加至1000m 时，海底温压约10MPa/ 4℃。海底高压低温给钻井作业带来的风险主要表现为：钻井液的黏度和切力会大幅增加，甚至出现胶凝现象；海底气体，特别是小分子气体，如甲烷、乙烷等，在高压低温（0～10℃、大于5MPa）的条件下，与水极易形成天然气水合物，从而堵塞海底管线和钻井液流通通道；海底低温还会迟缓水泥浆的水化反应，降低套管固井质量。

（3）浅层地质灾害：以南中国海深水海域为例，主要地质灾害有两类：①非活动性地质灾害，如古水道古河道等，这类地质灾害一般不会钻井作业造成影响，可以忽略；②活动性地质灾害，如海底断层、天然气水合物、浅层气浅层流、历史滑坡区等，活动性地质灾害当前处于活跃期，会对表层钻井作业造成危害，如浅层断层会造成卡钻、井漏，浅层气会造成气体上涌、最严重导致井喷甚至平台燃烧，海底滑坡会造成井眼掩埋，或者使得表层导管失去承载能力而下沉、发生井口失稳等。

（4）地层破裂压力梯度低：随着水深增加，海底土质变软且未胶结成岩，上部缺乏足够的上覆岩层，地层的破裂压力梯度降低，导致地层孔隙压力与破裂压力之间的压力窗口变窄，容易发生井漏、井塌和井喷等复杂情况。

2 深水表层导管喷射技术

2.1 深水表层导管喷射钻井技术

深水钻井表层导管施工具有作业风险高、控制难度大等特点，深水表层一般采用喷射下导管+ 二开钻进+下/ 固表层套管的方法，一开导管，又称结构导管、隔水导管，简称导管，是整个深水油气井施工过程中安装的第一层结构导管，为海底水下井口、套管悬挂、水下防喷器系统和水下生产系统提供结构支撑。深水钻完井作业中，表层导管必须能够承受海上钻井设备、隔水管系统以及将来完井、生产和修井作业时强加其上的多重作业载荷及复杂多变的海洋环境载荷。

导管一般采用914.4mm 或762.0mm，导管尺寸越大，导管与管外浅层土的接触面积也就越大，表层套管质固井时导管与表层套管之间固井水泥量也就越大，可以提供给更大的承载力和抗弯矩能力。表层喷射作业的主要作业步骤是首先在将低压井口头和导管焊接在一起，然后将底部钻具组合装入表层导管内部，并使用专用工具将其与低压井口头连接在一起，组成喷射导管串，之后使用钻杆或加重钻杆下送至海底泥线。由水下机器人（ROV）确认水深、以及导管垂直度符合要求后，开始表层一开喷射钻进，利用管串自重入泥，再开泥浆泵，排量由小到大，通过水力冲刷和钻头切削成孔使导管下入，一开导管喷射至预定深度后，根据喷射过程中的摩阻和悬重情况，静置吸附导管，吸附时间3～5h，待地层承载力恢复后，解锁专用工具使得低压井口头和导管内钻柱分开，之后继续开泥浆泵钻进二开井眼至设计二开中完深度，下/固表层套管，至此表层钻井作业完成，后续转为下入隔水管和水下防喷器组（Blow Out Preventer，简称BOP 组）建立钻井液循环，并进行后续继续钻井。

2.2 喷射过程中表层导管载荷分析

表层导管喷射下入过程中，需要建立合理的表层导管下入深度计算模型来分析下入及吸附过程中导管串的受力情况，模型需要考虑表层导管载荷、表层导管尺寸、表层导管与海底土的胶结力、海底土性质等因素。

表层导管的轴向载荷是影响其下入深度的主要因素，其轴向载荷大致由五部分组成：管柱上提载荷、底部钻压、表层导管自重、钻柱自重和侧壁摩擦力。

喷射管柱示意图见图1。

图1 喷射管柱示意图

由上图表层导管受力分析，在喷射下入过程中垂直方向上可得如下受力平衡方程：管柱上提力+ 导管侧边摩擦力+ 底部钻头钻压＝（导管+ 钻柱）海水中浮重。

其中，在钻柱和导管规格确认的情况下，等式右侧导管串浮重只与下入深度有关，表层导管上部所受的载荷、表层导管直径、表层导管壁厚、侧向摩擦力有关。由于表层导管的直径、壁厚一般是确定的，所以表层导管的入泥深度只与表层导管上部所受的载荷和侧向摩擦力有关。

2.3 深水表层导管喷射技术小结

深水表层喷射+ 解锁后二开钻进的方法在南中国海已有数十口深水井的的作业经验，相较于传统的钻入法和打桩锤入法，表层喷射钻井更能适应深水表层钻井作业的特点，实现了一趟管柱完成一开井眼钻孔、导管下入和二开井眼钻进三个过程，节约了作业时间和成本，解决了深水表层钻孔后下套管不易找到井口的难题，且这种方法无需固井，可避免海底低温对水泥浆水化作用的影响和因水泥浆密度过大而压破地层。目前该作业工艺已经在国内外深水作业全面普及和实践，采用喷射法安装表层导管可以有效地节约钻井时间，节约了钻井成本。

3 深水表层钻井提速技术

3.1 井身结构简化及表层井眼“瘦身”

井身结构设计除需满足勘探开发要求外，还应遵循安全作业和经济性的原则，深水井身结构设计主要参考邻井已钻信息、地层三压力数据（孔隙压力、坍塌压力、破裂压力）、和井口稳定性分析结果。目前南海常见深水井一般采用简化后的井身结构，常见为三开或四开完钻。同时，结合钻机设备能力和浅部地层情况，对二开井眼进行瘦身，在满足井口稳定性分析和平台偏移对井口载荷的基础上，对二开井眼进行瘦身，将508.0mm 井眼缩小至444.5mm 或406.4mm，更小井眼可以实现更大机械钻速，同时尽可能延长二开表层套管下深，为下入BOP 组建立钻井液循环后的下一开钻进提供较大作业窗口，实现全井三开或四开完钻。

3.2 表层海水深钻技术

深水表层钻井作业时，隔水管和BOP 组未下入，无法建立正常钻井液泵入和返出循环，所以一般采用海水进行钻进。但是由于海水密度较低，无法有效平衡井筒内孔隙和坍塌压力，所以二开井眼及套管下入深度一般不会太深，早期南中国海深水井在调研国外深水井基础上，结合海域表层土质特点和压力情况，一般为二开套管下至泥线以下500～600m 左右，随着近些年已钻深水井不断增加，对于南中国海深水海域浅层土质认识不断深刻，结合不断优化的深水表层作业流程，近年来二开井眼已经加深钻进至泥线以下约1000m 左右。海水深钻可以实现更大的ROP，并为下部井眼提供更大的作业窗口，提高作业效率、节省作业工期。

3.3 大尺寸直马达提高转速

深水表层土壤疏松、成岩性差，因此钻井作业中一般没有造斜需求。目前深水表层钻井作业一般采用专门的防斜打直的钟摆钻具组合，常采用钟摆钻具组合，一开、二开钻具设计一般考虑使用多扶正器钟摆钻具组合，在钻头上面位置和1～2 根钻铤单根上面各安放一只扶正器，主要为了增加下部钻柱的刚性和防止钻铤黏卡，多扶正器钟摆钻具组合在南海东部深水表层钻进已有多口井的应用，可以实现满足直井钻进的前提下，解除钻井参数限制，实现表层快速钻进。

3.4 优化喷射管串设计和喷射技术参数

以南中国海深水L- 1 井为例，在前期喷射经验的基础上，结合该井土质参数，优化喷射管串设计，具体方案为将钻头伸出导管的伸长量有原先的127mm 左右提高至266mm 左右，以此来扩大钻头与地层的接触面积和水力冲刷面积，提高机械和水力破岩效率；同时，提高喷射排量，从之前最大4000L/ min 提高至最大5200L/ min，以满足更高的水力冲击力。作业过程中，增加导管活动频率和幅度，从每钻进3～5m 活动一次增加至每2～3m 活动一次，活动幅度也从5m/ 次左右提高至10～15m/ 次，高频大幅度的活动导管可以有效防止出现导管与地层之间的黏卡现象，从而使得钻压能最大限度传递至钻头进行破岩。优化后的L- 1 井喷射方案，喷射耗时2.0h，较同等海域同深度减少约60%，喷射速度为40.5m/ h，提高了约155%，整体提速效果十分显著。