遲愚周大強史海東李善云朱麗軍

(1.中國石油海外勘探開發(fā)公司;2.中油國際緬甸凱爾公司;3.中國石油勘探開發(fā)研究院)

緬甸深海鉆井作業(yè)面臨的風險和技術挑戰(zhàn)

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(1.中國石油海外勘探開發(fā)公司;2.中油國際緬甸凱爾公司;3.中國石油勘探開發(fā)研究院)

隨著世界石油工業(yè)不斷走向深海(1 372～2 286 m)和超深海 (＞2 286 m),鉆井方面也遇到了眾多的挑戰(zhàn)。結合世界其他地區(qū)深海和超深海鉆井存在的普遍問題和經(jīng)驗教訓,分析了緬甸西海岸 Rakhine海域深海鉆井作業(yè)將遇到的主要作業(yè)風險和技術難點,例如,鉆井船定位和惡劣海況的挑戰(zhàn),泥漿密度窗口窄,海底低溫,淺層地質危害,水合物等問題,并簡要介紹了克服這些難題的相關技術和方法,希望能為國內深海鉆井作業(yè)提供一定的借鑒。

緬甸 深海 探井 密度窗口動力定位 隔水管

1 前言

在未來幾年,中石油將作為作業(yè)者在緬甸西海岸Rakhine海域進行深水鉆探,作業(yè)水深為1 800～2 000 m,井深4 500 m左右,儲層以天然氣為主。由于世界上深水浮式鉆井平臺日費比較昂貴,綜合鉆井日費極高,因此,最大限度地優(yōu)化鉆井周期和減少停工時間已成為深水鉆井的主要挑戰(zhàn)。

目前該深海的鉆井仍是空白,可以掌握的海況、鄰井資料和地質信息都比較有限,而深海鉆井會遇到諸如惡劣的氣候、海底低溫、水合物、孔隙壓力和破裂壓力間隙小及淺層地質危害等特殊的問題,這些都將給風險預探井的設計和作業(yè)的每個環(huán)節(jié)帶來挑戰(zhàn),也是導致鉆井事故和周期延長的主要原因。另外,動力定位系統(tǒng)、超長的隔水管、海底應急斷開系統(tǒng)、水下井口和防噴器等設備故障及后勤保障等方面的問題也是導致長時間停工的潛在因素,因此,前期的精細研究和周密計劃顯得非常重要。

2 鉆井船定位問題及海況的挑戰(zhàn)[1-2]

深海鉆井平臺一般采用“錨泊定位”和“動力定位”兩種定位方式。通常1 500 m水深為錨泊定位的極限,因為巨大而笨重的錨和錨鏈會給錨泊作業(yè)帶來很多限制,雖然目前采用纖維錨鏈等技術,使錨泊定位可以達到2 000 m以上,但這種錨泊定位的半潛式平臺極少,主要用于惡劣的海況條件下作業(yè)。

而動力定位安全問題涉及到人員技能、設備及氣象等多個方面,歷來受到作業(yè)者和鉆井承包商的重視。動力定位失效形式主要有兩種:被動漂移(Drift-off)和動力偏移 (Drive-off)。被動漂移是指平臺在強大的風、浪和洋流的作用下發(fā)生的移位。動力偏移主要是由于DGPS系統(tǒng)產(chǎn)生了錯誤的定位數(shù)據(jù)及其他設備或人為等原因使平臺在推進器的作用下發(fā)生速度較快的移位。如果平臺移出紅色警戒線 (圖1),需立即斷開隔水管 (表1)。如果應急斷開不及時,會導致隔水管和井口裝置等設備損壞,甚至導致鉆井失敗。如果在試油 (氣)過程中應急斷開時,井口和防噴器出現(xiàn)問題或沒有完全關閉還可能引發(fā)海底井噴,給作業(yè)海域的安全和環(huán)境等造成重大的損害。

圖1 動力定位安全警戒線示意圖

緬甸Rakhine海域處于孟加拉灣熱帶氣旋盛行的地區(qū),熱帶氣旋活動的顛峰時期為季風開始前的4～5月份和季風結束后的9～10月份,其形成之后可以引發(fā)14級以上的強臺風和10 m以上的巨浪,具有驚人的破壞力。這種惡劣的氣候對鉆井船定位等海上鉆井作業(yè)構成了極大的威脅。

影響鉆井船定位等作業(yè)的另一個因素是各種各樣的洋流。當洋流的速度超過2節(jié)時,便會對作業(yè)產(chǎn)生較大的影響。洋流作用于隔水管和防噴器上的側向應力,使其在下入、起出或懸掛等作業(yè)過程中發(fā)生擺動和震動,增加了作業(yè)的難度和風險。當側向應力超過隔水管的極限載荷或使隔水管發(fā)生疲勞破損時,還會引起隔水管斷開或掉落海底等事故。

表1 動力定位狀態(tài)表 (圖1)

因此,必須采取一定的措施來保證定位作業(yè)的安全,主要包括:

要配備有經(jīng)驗的定位工程師并制定詳細的動力定位作業(yè)操作規(guī)程,確保及時識別出偏差和定位的異常;正確處理位置參考系統(tǒng)失效等問題,確保在緊急狀況下采取有效的應急措施;避免由于人為錯誤導致的定位問題。

鉆井船配備準確的天氣預報系統(tǒng),以便提前采取應對措施。

確保推進器、動力系統(tǒng)、DGPS系統(tǒng) (平臺須配備兩套以上)和聲納位置參考系統(tǒng)等設備工作的可靠性和連續(xù)性,并且這些設備都應有備用設備。

動力定位軟件要有很好的糾錯功能,保證DGPS數(shù)據(jù)的質量。

確保有多套基于不同原理的位置參考系統(tǒng),降低噪音和環(huán)境等對參考系統(tǒng)的干擾。

確保應急脫開系統(tǒng)和井口關斷系統(tǒng)的可用性和完整性。

選擇最佳的開鉆時間,避開4～10月的季風窗口,按計劃周期完成作業(yè),盡量避免由于鉆井時間延長而帶來的額外風險。

3 孔隙壓力和破裂壓力的間隙小,泥漿密度窗口窄[1,3,4]

在深海環(huán)境中,大段的上覆巖層被海水取代,這直接導致地層壓實程度降低,即上覆地層壓力梯度減小,從而導致地層更容易破裂,使孔隙壓力和破裂壓力非常接近。如果按照相同孔隙壓力附加量來設計泥漿比重,在深海鉆井時將會壓漏地層 (圖2)。在緬甸Rakhine海域缺少深海鉆井經(jīng)驗的情況下,如果泥漿密度設計偏低,在發(fā)生井涌時,當通過提高泥漿密度壓井時,由于超過了地層的破裂壓力又會引起井漏,使井下變得異常復雜。另外,固井時也更容易發(fā)生水泥漿嚴重漏失,導致固井失敗,這也給深海固井帶來了挑戰(zhàn)。

圖2 上覆地層為巖石和海水兩種情況下孔隙壓力和破裂壓力變化示意圖

較窄的孔隙壓力和破裂間隙使泥漿密度窗口變得極小,采用增加套管柱層數(shù)的方法來解決這一問題,通常深海鉆井的套管程序要達到6層以上,但這樣會使井深結構和作業(yè)程序更加復雜,增加了設計和作業(yè)難度 (圖3)。

圖3 泥漿密度窗口窄和套管柱設計依據(jù)示意圖

作為這一地區(qū)的第一口風險預探井,前期要通過研究緬甸勘探區(qū)塊的地震資料或周邊淺海鄰井數(shù)據(jù)進行相對準確的地層應力 (上覆巖層壓力、孔隙壓力、破裂壓力等)預測,從而為井身結構設計和泥漿設計等提供依據(jù),并要設計1～2個備用井段,作為提前下套管的應急措施。但由于地震資料質量等原因使壓力預測存在不確定性,這也給作業(yè)帶來了風險。

作業(yè)時要進行地漏試驗 (LOT)或地層整體性試驗 (FIT)來建立破裂壓力梯度剖面,作為泥漿密度選擇的上限,并采取一定的措施保證泥漿當量靜態(tài)密度和當量循環(huán)密度在壓力窗口內,具體包括:使用隨鉆測壓工具 (PWD/LWD/MWD)等進行井筒壓力和循環(huán)當量密度的監(jiān)測;配備高敏感的監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測井涌和井漏;優(yōu)化水力參數(shù)設計;制定合理的作業(yè)程序,避免壓力激動和抽吸等。另外,也可以采用雙梯度鉆井、控制壓力鉆井或膨脹套管等先進技術來解決密度窗口窄的問題。

4 海底低溫的影響[1,5,6]

隨著水深的增加,鉆井環(huán)境的溫度也越來越低,通常深海海底的溫度只有2～3℃或更低 (圖4),受其影響海床和淺部地層的溫度通常也比較低,這會給鉆井作業(yè)帶來很多問題。當鉆井液遇到低溫時,其流變性會變差,黏度和切力上升,甚至發(fā)生低溫膠凝,使當量循環(huán)密度變大,從而限制了泥漿循環(huán)速度,導致井眼清潔情況變差。開泵或起下管柱時也會產(chǎn)生過大的激動壓力和抽吸壓力,在密度窗口窄的情況下更容易引發(fā)井漏、井涌等事故。另外,由于過大的激動和抽吸壓力也限制了起下鉆速度,延長了作業(yè)時間。一般油基或合成基泥漿對溫度的敏感性要高于水基泥漿。

圖4 水深與溫度的關系圖

低溫還會對固井產(chǎn)生影響,在頂替和候凝過程中水泥漿溫度會變低,低溫導致其水化速率降低,抗壓強度發(fā)展變慢,從而使固化候凝時間延長,在存在地層流體的情況下更容易發(fā)生竄流,使固井質量變差。如果水泥沒有達到一定的抗壓強度而釋放表層套管,會導致套管下陷等問題。另外,在低溫環(huán)境下還會形成水合物,對泥漿性能和固井施工都會有不同程度的影響。所以,前期要建立準確的海水和地層溫度剖面,并選擇適應低溫的鉆井液和固井水泥漿體系,要針對低溫環(huán)境進行嚴格的數(shù)值模擬和室內模擬試驗,優(yōu)化流變參數(shù),使其各種性能滿足低溫環(huán)境及深海鉆井的要求。

5 淺層地質危害[3,5,6]

深海淺部地層由于缺乏上部壓實作用,以及沉積速度和含水量的不同,通常膠結性很差;疏松的海床和淺部地層,容易引起井漏、井塌、套管下陷、井口或防噴器組偏斜問題。如果選用水力噴射下表層套管,土壤的抗剪切強度可能較低,將無法給套管提供足夠的支撐力,導致噴射鉆井失敗。

淺水流也是深海鉆井遇到的比較普遍的問題,通常存在于泥面以下100～750 m,鉆遇時易發(fā)生井涌,在不壓漏地層的情況下,可以通過提高泥漿密度進行控制。淺水流進入井眼后,會破壞地層的強度并導致井塌或砂埋井眼,上竄到泥面會對井口海床造成沖蝕等破壞,使地層無法支持井口和導管結構。淺水流會嚴重影響淺層固井作業(yè),容易引起水竄,使固井質量較差,甚至會導致井眼報廢。

通過對緬甸海上鄰井資料和地震資料的分析,發(fā)現(xiàn)該區(qū)域地質情況比較復雜,存在不同程度欠壓實和泥火山現(xiàn)象,所以要對淺層地質危害格外重視。確定初步井位后,應加強對地震資料的分析,并實施井位海底勘察,包括海底測繪、海底取樣和地震調查等,對淺層地質危害進行評價和風險評估,為鉆井設計提供依據(jù)。如果證實淺層存在淺層氣、淺水流及水合物等危害,須變更井位。鉆井施工時可以通過提前鉆小尺寸領眼來檢驗是否存在淺層地質危害;鉆井設計時在淺部地層考慮備用一層套管,封隔淺部異常地層;淺層鉆進時還要使用MWD/LWD/PWD監(jiān)測地層情況,及時判斷是否鉆遇淺水流和水合物地層,以便采取有效措施;并隨時用水下機器人 (ROV)在海底檢查淺層水流和淺層氣情況。淺層固井時要使用低密度 (1.4～

1.6 SG)水泥漿,防止壓漏地層,設計階段和施工前都要對水泥漿進行嚴格的室內試驗;另外,要進行頂部補注水泥作業(yè),從而保證淺層固井質量。

6 隔水管、防噴器系統(tǒng)和井控相關問題[2,7,8,9]

6.1 隔水管、防噴器及控制系統(tǒng)

深水鉆井中隔水管幾乎占井身結構的一半,是連接鉆機和井口的“橋梁”(圖5)。由于隔水管的尺寸較大,隔水管中的泥漿循環(huán)和巖屑清潔都存在問題,需設置增壓管線,而壓井管線等輔助管線在緊急切斷過程中也經(jīng)常會帶來額外的問題。隔水管需連接撓性接頭,防止其本體發(fā)生過度彎曲而損壞,而其中底部的撓性接頭往往發(fā)生彎曲程度最大,是最薄弱的環(huán)節(jié)。所以,作業(yè)時要在撓性接頭位置安放角度探測器,在撓性接頭發(fā)生損壞之前要斷開隔水管。隔水管還要連接伸縮接頭,從而適應升沉運動所引起的隔水管長度變化。在惡劣海況下,伸縮接頭會由于承受過大的沖擊載荷而發(fā)生損壞。作業(yè)時要安裝升沉運動監(jiān)測器,保證伸縮接頭和隔水管的安全。另外,隔水管懸掛和起下是比較復雜和危險的作業(yè),如果可能,盡量在比較平靜的海況下進行。

隔水管通過LMRP(下部隔水管連接總成)接頭與水下防噴器相連,整個防噴器框架結構又大又重,在起下的過程中,容易出現(xiàn)送入設備或隔水導管松動及斷開等安全問題,安放到海底后,松軟的海床也可能無法給防噴器提供足夠的支撐。防噴器上部的LMRP接頭要具備可靠的應急斷開的功能,如果斷開功能失效,經(jīng)常會造成隔水管損壞,甚至井眼報廢等嚴重后果。

深海的防噴器控制系統(tǒng)要求快速、精確,所以一般采用電動液壓多元控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)非常復雜,通常液壓部分的故障要多于電力部分。所以,一般在海底安放兩套獨立的控制系統(tǒng),其中一套作為備用,并安裝ROV啟動的應急控制盤,特殊情況下可以啟動防噴器閘板的應急開關。對于深海鉆井,最大的停工事件是因為故障把隔水管和海底防噴器完全提出水面,這種故障的損失是巨大的,所以要確保隔水管和防噴器設備工作的可靠性和安全性。要對隔水管系統(tǒng)、防噴器組及控制系統(tǒng)進行嚴格的出廠測試、模擬環(huán)境測試和地面試壓等測試,這是保證其在水下能正常工作的前提。

圖5 隔水管主要部件示意圖

6.2 井控

深海鉆井的井控問題歷來是困擾作業(yè)者和承包商的難點。對于氣井鉆井來說,氣體的上升速度快,井控反應時間短,所以井涌的早期發(fā)現(xiàn)顯得特別重要。而隨著水深的增加,隔水管更長,船體也會存在較大的起伏,在這種情況下,使井涌監(jiān)測的準確性降低。如果地層存在“反吐”現(xiàn)象,這容易和真正的井涌發(fā)生混淆,必須根據(jù)經(jīng)驗進行有效的區(qū)分。

如果采用油基泥漿,地層氣體還會溶解在泥漿中,運移的過程中不容易檢測到,當運移到海面附近時體積會突然增大數(shù)百倍,會造成井噴等惡性事故。當發(fā)生井涌并關井后,也很難避免氣體進入防噴器和隔水管,這些氣體難以清除和控制,只能允許其在隔水管內膨脹;當循環(huán)到海面以上,氣體的體積將增大數(shù)十倍或上百倍,容易引起氣體爆炸等事故。當隔水管中存在大量氣體時,隔水管內外巨大的壓力差也可能會擠毀隔水管。所以,需要有豐富深海井控經(jīng)驗的人員進行前期的井控設計,制定適合深海的井涌監(jiān)測程序、井控作業(yè)程序、防噴器測試程序,以及井控應急計劃等。

7 水合物問題[5,10]

水合物是在高壓和低溫條件下由水和輕質氣體形成的冰狀混合物。如果壓力足夠,它們甚至可以在20～30℃的溫度條件下形成。深海海底較高的靜水壓力和較低的環(huán)境溫度增加了生成氣體水合物的可能性 (圖6)。通常有兩種形式的水合物會對深海鉆井產(chǎn)生影響,一種是地層中已存在的水合物,另一種是由地層中的氣體在高壓低溫條件下與水結合生成的水合物。

圖6 深海中生成水合物的潛在區(qū)域

當鉆遇含水合物的淺部地層時,在鉆進過程中或下套管固井后水合物都有可能分解 (1體積的水合物可以分解為170體積的氣體),水合物分解后會導致井涌、卡鉆、固井氣竄,并會破壞地層強度,引起井眼沖蝕、井塌等井眼穩(wěn)定性問題,甚至會破壞地層對井口系統(tǒng)的支撐,導致井口及防噴器偏斜或下陷。

當井筒中的氣體在高壓和低溫的環(huán)境中形成水合物后,這些水合物會堵塞節(jié)流壓井管線、鉆頭水眼及井眼環(huán)空等,并會使防噴器和海底斷開系統(tǒng)失效。當泥漿停止循環(huán)時,泥漿中的氣體會與泥漿中的水分結合生成水合物,這將嚴重影響泥漿流變性能等,在固井過程中也容易形成水合物,將引起水泥提前凝固等固井問題。

所以,作業(yè)前要通過研究地震資料和海底調查檢驗是否有水合物地層存在,如果存在,可以變更井位避開這些地層。因為水合物一旦形成,將很難清除,所以最好要避免水合物形成。目前防止水合物形成和減小水合物影響的方法主要有:

◇在鉆井液和固井水泥漿中添加熱動力抑制劑。傳統(tǒng)的抑制劑是NaCl和乙二醇等。

◇使用純油基泥漿或高含鹽抑制性水基泥漿可以限制水合物的形成。

◇通過泥漿循環(huán)產(chǎn)生的動力和井眼熱量及泥漿泵的機械熱量來抑制水合物的形成。

◇可以對井口系統(tǒng)和防噴器組合等連接部分進行特殊設計,減小天然氣滲入的可能性。

8 物流和后勤支持問題[3,5,11]

由于深海鉆井的日費極高,所以對后勤保障提出了較高的要求,要避免由于后勤保障問題導致的組織停工。而緬甸深海鉆井的后勤保障是一項長期而細致的工作,存在諸多的難度和挑戰(zhàn)。井位附近沒有可以提供作業(yè)支持的基地和碼頭,最近的仰光港距離鉆井井位也有540 n mile(1 n mile=1.852 km)左右,而且基礎設施比較落后,難以滿足作業(yè)需要。如果選擇新加波港作為作業(yè)支持基地,由于其距離井位約1 350 n mile,供給線太長,所以存在一定的風險和不確定性,另外其租用費相對較高。因此可以選擇租用海上浮動倉庫或選擇載荷和倉儲能力較大的鉆井船來解決這一問題,但這將導致成本的增加。

深海惡劣的氣候和超長的供給線是制約后勤保障的主要因素,所以要密切關注天氣情況,選擇馬力大、載荷大、側推能力強及生存能力強的船舶,并要制定詳細的船行時間計劃,從而保證鉆井物資的供應。鉆井材料、工具、設備等都要有充足的備用,應急工具要準備齊全,因為一旦發(fā)生損壞或短缺,會導致較長時間的停工。另外,如果選用油基泥漿,要考慮油基泥漿的運輸、處理及回收等問題,所以,作業(yè)前要制定完備而詳細的后勤保障策略,作業(yè)期間總監(jiān)要負責后勤支持的管理和與基地的協(xié)調等細節(jié)問題,要防止由于管理的疏忽導致停工。

9 結論

由于緬甸深海沒有鉆井歷史,缺少可供參考的鄰井信息。深海鉆井還會遇到惡劣的海況、超長的隔水管和特殊的地質條件等問題,并且這些問題都是相互關聯(lián)、相互影響的,這都增加了深海鉆井作業(yè)的難度。陸地和淺海鉆井所遇到的問題在深海鉆井中同樣存在,而同樣的技術問題或復雜情況,由于深海鉆井的特殊環(huán)境和高成本,情況會變得更加復雜和嚴重。

因此,鉆井準備階段要進行詳細的鉆井設計、風險分析和應急預案等,充分考慮鉆井的難度和眾多的細節(jié)問題,并借鑒世界上其他地區(qū)深海鉆井的成功經(jīng)驗,采取有效的規(guī)避和防范措施。例如,要加強地層壓力預測的準確性,預留備用井眼和套管,使用PWD監(jiān)測井底壓力,加強前期的海底和海況調查,對設備、工具進行嚴格的第三方檢驗,加強對作業(yè)人員的資格審查和監(jiān)督,避免人為的失誤等。盡量減少各種原因導致的停工,從而保證鉆井作業(yè)的順利實施并降低鉆井成本。

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2010-05-11)