葉吉華　劉正禮　羅俊豐　暢元江（.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58067；.中國石油大學(xué)（華東），山東青島　66580）

南海深水鉆井井控技術(shù)難點及應(yīng)對措施

葉吉華1劉正禮1羅俊豐1暢元江2
（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067；2.中國石油大學(xué)（華東），山東青島266580）

深水鉆井井控存在著海床不穩(wěn)定、地層破裂壓力低、地層壓力窗口窄、以及存在淺層氣、淺層水流、氣體水合物和海底低溫等諸多問題。在對國內(nèi)外深水井控技術(shù)充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對南海深水鉆井井控特點和難點，結(jié)合近年南海深水鉆井設(shè)計和作業(yè)實踐經(jīng)驗，詳細分析了深水鉆井井控存在的地層壓力窗口窄、溢流監(jiān)測困難、壓井難度大和壓井作業(yè)時間長、井控設(shè)備復(fù)雜、存在水合物風(fēng)險等問題，研究提出了有針對性的解決方案，并以南海深水井為例介紹了深水井控的具體措施。

深水鉆井；井控難點；溢流；壓井；水合物

在海洋深水區(qū)鉆井時，由于海洋沉積環(huán)境和作業(yè)工況的變化，地層承壓能力低，隔水管壓井、阻流管線長、摩阻大，壓井時容易導(dǎo)致井漏，發(fā)生噴漏共存、地下井噴等復(fù)雜情況，故井控難度更大。且由于深水鉆井防噴器組安裝在海底泥線處，井涌余量隨著水深的增大而減少，相對于淺水而言，油氣會在短時間內(nèi)竄入隔水管內(nèi)，更容易造成井涌井噴事故。此外，深水鉆井平臺和作業(yè)裝備的復(fù)雜性特點也給深水井控帶來巨大的挑戰(zhàn)［1-2］。

深水鉆井井控技術(shù)方面的研究與實踐主要集中在早期溢流和井涌監(jiān)測、壓井方法研究及井控設(shè)備選擇等方面，缺乏對深水鉆井井控難點及其應(yīng)對措施的系統(tǒng)分析［3-5］。筆者根據(jù)深水鉆井特點，在廣泛調(diào)研國外深水鉆井井控措施的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國南海深水鉆井作業(yè)實踐，全面、深入的剖析深水鉆井井控特點和挑戰(zhàn)，提出切實可行的解決方案，以降低深水鉆井井控風(fēng)險，指導(dǎo)深水現(xiàn)場施工。

1　南海深水鉆井井控技術(shù)難點分析

1.1地層壓力窗口窄

深水地層壓實程度低，使得相同井深的情況下，深水井地層破裂壓力梯度降低，即地層承壓能力變?nèi)?。同時，對于相同入泥深度的地層，即使地層的巖層壓力相同，由于水深增加，其破裂壓力當量梯度也會降低。導(dǎo)致鉆井作業(yè)中井涌余量減小，允許關(guān)井套管壓力變低，在處理侵入流體的井控過程中易將地層壓漏而導(dǎo)致地下井噴。相同入泥深度時水深與地層破裂壓力之間的關(guān)系見表1。

表1　入泥深度2 000 m時水深與地層破裂壓力關(guān)系

1.2溢流監(jiān)測困難

溢流監(jiān)測困難主要是由鉆井液的溶解性、作業(yè)環(huán)境條件和水下防噴器組的結(jié)構(gòu)特點而引起的。

（1）鉆井液的溶解性方面，對深水井而言，基于預(yù)防水合物生成、低溫流變性、井壁穩(wěn)定性等方面的考慮，多數(shù)情況下使用油基鉆井液，由于油基鉆井液相對水基鉆井液對油氣的溶解性強，當時井下出現(xiàn)壓力欠平衡發(fā)生溢流時，侵入井筒的油氣容易溶解到鉆井液內(nèi)，上返的過程中，鉆井液系統(tǒng)體積變化不明顯，使觀察到溢流所需的時間變長。通常采用水基鉆井液發(fā)生溢流5 min后可在鉆井液池檢測到明顯的液位變化，而油基鉆井液則需要23 min。

（2）作業(yè)環(huán)境的方面，深水區(qū)域作業(yè)環(huán)境相對惡劣，風(fēng)、浪、流易引起平臺的搖晃導(dǎo)致鉆井液池體積的變化難以準確監(jiān)測，作業(yè)人員無法及時的獲取到井出現(xiàn)溢流的信息，錯過最佳的關(guān)井時機，給井控工作增加困難。

（3）水下防噴組結(jié)構(gòu)特點的方面，深水井作業(yè)時防噴器組多數(shù)是位于海床處，在相同井深條件下，深水井油氣層到防噴器的距離比淺水井短。當?shù)貙恿黧w侵入井筒后，更易上升到防噴器以上，進入隔水管，即使關(guān)閉防噴器組，油氣也將繼續(xù)上行，進而帶來災(zāi)難性的后果。墨西哥灣深水地平線號井噴失控事件中，當進行防噴器關(guān)閉操作后，仍有大量油氣噴到轉(zhuǎn)盤上，導(dǎo)致平臺人員誤認為剪切防噴器組沒有關(guān)閉（挪威船級社事后分析報告證實地平線防噴器處于關(guān)閉狀態(tài)，實際是大量油氣已經(jīng)侵入隔水管內(nèi)，即使井口防噴器已經(jīng)關(guān)閉，隔水管內(nèi)的油氣仍然會繼續(xù)上竄到平臺），既而又關(guān)閉了套管剪切闡板，導(dǎo)致大量油氣沿套管剪切闡板處的間隙（只能剪切，不能密封）和之上未完全關(guān)閉的剪切闡板上升（由于油氣噴出時的上頂力使接頭卡在萬能防噴器處的鉆桿彎曲，鉆桿靠剪切闡板剪切口外，導(dǎo)致剪切闡板未能完全剪斷鉆桿），加劇了事件的嚴重性。

1.3壓井難度大

（1）無隔水管井段壓井液密度難以確定，鉆井液需求量大。深水井無隔水管井段鉆進時，鉆井液直接排海。若鉆井期間出現(xiàn)溢流時，由于不能回收鉆井液，需要大量的壓井液壓井。由于不能求取地層壓力，壓井液密度難以確定，只能按估計的鉆井液密度試壓井，這樣增加了壓井的難度，也增加了井漏的風(fēng)險；并且需在短時間內(nèi)配制成大量、合適密度的壓井液實施壓井，這將給后勤、作業(yè)帶來極大的困難。

（2）壓井作業(yè)窗口窄。深水環(huán)境造成的窄壓力窗口使鉆井作業(yè)過程中井涌余量減小，允許關(guān)井套管壓力變低，在處理侵入流體的井控過程中易將地層壓漏導(dǎo)致地下井噴，從而導(dǎo)致三級井控出現(xiàn)。

（3）壓井及節(jié)流管線內(nèi)徑小，長度大，作業(yè)時間長。深水鉆井隔水管阻流/壓井管線長（與水深一致），內(nèi)徑較?。ㄈ缒虾?號平臺鉆井隔水管阻流/壓井管線內(nèi)徑僅為76 mm），從而在壓井過程中存在回壓效應(yīng)和氣體交換效應(yīng)，同時深水低溫高壓環(huán)境使鉆井液黏性明顯增加，導(dǎo)致阻流、壓井管線中的管線的壓力損耗增大，在壓井過程中易壓漏地層造成壓井失敗。在壓井過程中只能采用小排量實施壓井作業(yè)（如海洋石油981和南海8號平臺通常只能采用300 L/min的排量），而深水井井眼容積大，為保證產(chǎn)量以及作業(yè)實施，深水井通常采用?311 mm井眼完鉆，循環(huán)一周的鉆井液體積較大，使得每次壓井作業(yè)都需要很長時間（如南海某深水井，水深1 020 m，溢流井深4 075 m，采用司鉆法壓井共耗時23 h），深水井高昂的作業(yè)日費（綜合日費可達到100 萬美元）使因井控處理而產(chǎn)生極高的作業(yè)費用。

1.4淺層氣、淺層水流風(fēng)險

淺層氣是指埋藏深度比較淺（一般在1 500 m以內(nèi)）、儲量比較小的各類天然氣資源。主要包括生物氣、油型氣、煤層甲烷氣、水溶氣等。淺層氣鉆探難度：由于其體積小難以預(yù)測，且層位淺，常常突然出現(xiàn)；壓力高，一旦井噴，能使井眼迅速卸載，使所有的鉆井液噴出，繼而失去一次井控的機會；層位淺，使報警信號反應(yīng)的時間短，天然氣可能在幾乎沒有報警的情況下達到地面；表層一般是薄弱地層，若發(fā)生井噴，不能強行關(guān)井，易憋裂地層，使之失去控制，造成井噴、爆炸起火、燒毀鉆機；淺井段鉆進時，井口的控制裝置較少；施工人員對淺層氣危險性認識不足也是引起事故的重要因素之一。

在表層鉆井中，淺層水流是最主要的淺層地質(zhì)災(zāi)害之一。由于表層鉆進使用的鉆井液密度受限，鉆遇高壓含水砂層時，如果不能平衡高壓含水砂層的壓力，就會引發(fā)一系列的鉆井問題，如固井質(zhì)量差、表層套管下沉、防噴器下沉、井漏等，甚至井的報廢。

對于淺層水流的識別與評價主要是利用產(chǎn)生淺層水流的砂體的物性和形成特征，鉆前應(yīng)對高壓水砂體存在的可能性進行評估。評估方法包括測井、地質(zhì)模型、反射地震、反演等地球物理方法。

1.5氣體水合物風(fēng)險

南海深水井海床附近溫度通常在3~6 ℃，水下防噴器組在此高壓低溫環(huán)境中更容易形成水合物，將會發(fā)生堵塞壓井、阻流管線，堵塞防噴器腔室，導(dǎo)致不能實現(xiàn)開關(guān)動作、鉆具被固結(jié)等嚴重事故，水合物的存在改變流體的流變性，給井控帶來風(fēng)險。若出現(xiàn)內(nèi)波流或動力系統(tǒng)失效而導(dǎo)致平臺移到紅色警戒圈外，由于水合物的作用，隔水管底部總成與防噴器不能及時解脫，在張緊力作用下隔水管串和井口管串中的弱點將有被拉斷的風(fēng)險。

1.6呼吸效應(yīng)

鉆井過程中，隨著鉆井液泵的運行和停止而出現(xiàn)的井漏和溢流現(xiàn)象稱為呼吸效應(yīng)。由于深水井作業(yè)窗口窄，循環(huán)時的當量循環(huán)密度可能超過地層破裂壓力，作業(yè)現(xiàn)場表現(xiàn)為井漏，而當鉆井液泵停止后，由于循環(huán)壓耗的消失，鉆井液液柱壓力低于地層孔隙壓力，之前漏失到地層的鉆井液回流，平臺將觀察到溢流現(xiàn)象。此外，井眼的機械壓縮和油基鉆井液的壓縮性也會引起呼吸效應(yīng)。而實施過程中，有時難以判斷是呼吸效應(yīng)，還是溢流出現(xiàn)。穩(wěn)妥、安全的做法是按溢流處理，從而產(chǎn)生大量的處理時間，花費極高的作業(yè)費用。

2　應(yīng)對措施及效果

2.1加強地層壓力和溢流的監(jiān)測

陸地及淺水鉆井時，常采用鉆前預(yù)測研究和地漏試驗的方法來評估地層壓力。而深水鉆井由于地層壓力窗口窄，地層壓力分析精度要求高，除采用常規(guī)的上述2種方法以外，還使用隨鉆壓力測量、早期溢流監(jiān)測等方法。

在深水使用隨鉆測井能及時準確地預(yù)測井涌，相對于在地面判斷溢流的常規(guī)檢測方法，隨鉆壓力測量能夠更早地發(fā)現(xiàn)具有儲備能力的地層并根據(jù)當量密度的變化準確判斷井筒內(nèi)是否出現(xiàn)溢流。2007年，南海Nagar區(qū)塊成功使用隨鉆壓力測量監(jiān)測到了到位于260~400 m井段的淺層氣，及時采取了動態(tài)壓井措施成功控制了地層流體，實現(xiàn)了安全經(jīng)濟鉆井。

早期溢流監(jiān)測是近年來深水平臺常采用的溢流監(jiān)測系統(tǒng)，其原理是采用精度極高的質(zhì)量流量傳感器對通過其中的流體實時監(jiān)測，測量出振動頻率，計算出質(zhì)量，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的流量和鉆井液密度，從而監(jiān)測井內(nèi)流體密度和流量的變化。

2.2采取有效的壓井技術(shù)

無隔水管井段，動態(tài)壓井技術(shù)是有效壓井技術(shù)，其原理是使用專用設(shè)備將加重鉆井液與海水快速混合得到所需密度的壓井液，通過鉆井液泵快速泵入井內(nèi)，利用壓井液和海水形成的綜合液柱壓力平衡地層壓力，從而安全鉆穿有淺層地質(zhì)災(zāi)害的地層。

對于安裝隔水管后的井段，考慮到水合物生成風(fēng)險、鉆頭到上層管鞋的環(huán)空體積可能大于鉆具內(nèi)容積，推薦采用司鉆法作為壓井技術(shù)（若有快速混漿裝置也可以采用非等待工程師法，即立即配制出壓井液，并用其直接壓井），縮短鉆井液靜止時間以及油氣上竄的高度。此外，壓井計算時需重點考慮阻流管匯摩阻問題，可采用阻流、壓井管線同時上返的方式，也可以采用較低的壓井排量，防止壓井過程中出現(xiàn)壓漏地層或地下井噴。

2.3提高井控設(shè)備可靠性

目前而言，深水平臺井控設(shè)備由國際上少數(shù)具有豐富經(jīng)驗的廠家提供，如Cameron，NOV Shaffer、Hydril等公司，提供的設(shè)備性能可靠，除電控、液控的正?？刂浦?，還具備了水下機器人熱插、聲納、無人模式、自動剪切等功能，可以多渠道實施防噴器組的關(guān)閉。此外，保障防噴器系統(tǒng)的維保和檢查，使其處于可用狀態(tài)是提高井控設(shè)備可靠性的重點。

南海某深水井水深1 100 m，設(shè)計井深5 700 m，鉆井平臺為越洋鉆井公司的錨泊定位半潛式鉆井平臺Legend，采用Cameron公司生產(chǎn)的防噴器組。該井在鉆井作業(yè)過程中發(fā)生了2次井涌復(fù)雜情況，分別采取了司鉆法和工程師法成功壓井，其設(shè)備狀態(tài)良好，井控作業(yè)期間未出現(xiàn)過失效。

2.4降低水合物風(fēng)險

深水鉆井應(yīng)盡可能選擇油基或者合成基鉆井液，降低水相的含量。若選用水基鉆井液應(yīng)使體系中抑制劑（通常是鹽和乙二醇）的含量達到相應(yīng)的比例，作業(yè)過程中應(yīng)盡量減少鉆井液靜止時間并保持循環(huán)，若由于如電纜測井等原因需要長時間靜止鉆井液時，需要在防噴器組上下替入水合物抑制液在防噴器組內(nèi)注入乙二醇等水合物抑制劑，可采用氣墊將任何泄露的氣體從連接器和防噴器分流開，連接器與防噴器喇叭口之間要有密封防止氣體進入，并定期向連接器內(nèi)注入水合物抑制劑。一旦井口頭連接器形成了水合物，則可采取相應(yīng)的方法清除，具體的井口頭連接器水合物清除方法見表2。

表2　井口頭連接器水合物清除方法

在南海深水井中，荔灣和流花區(qū)塊的評價和生產(chǎn)井LW3-X，LW5-X等27口井中均采用合成基鉆井液，使用效果良好，作業(yè)期間未出現(xiàn)過水合物生成現(xiàn)象。LH29-X，LW6-X，LH26-X，LH33-X等7口探井中均采用了強抵制性水基鉆井液，每口井電纜測井作業(yè)前，防噴器組上下替入水合物抵制塞，實施效果較好。

2.5減少呼吸效應(yīng)

為有效降低深水鉆井井控風(fēng)險，應(yīng)減少呼吸效應(yīng)的發(fā)生。首先應(yīng)提高地層壓力預(yù)測研究結(jié)果的準確度，選擇合適的鉆井液密度，確定合理的作業(yè)窗口。以下措施在作業(yè)實踐中被證明對減少呼吸效應(yīng)有效果：記錄鉆穿套管鞋之前停泵時的回吐量；將鉆井液性能維護在設(shè)計范圍內(nèi)；監(jiān)測常規(guī)井眼清潔指標，如扭矩、附加拉力等；在鉆具中組合隨鉆測壓工具，設(shè)立鉆井液當量循環(huán)密度上限，使用隨鉆測壓工具監(jiān)測實時的當量循環(huán)密度，控制其在預(yù)測值以內(nèi)；在起下鉆、劃眼、接立柱和下套管時避免使井眼暴露于過大的激動和抽吸壓力中；記錄鉆井液體積，漏失量，密度，可能穿過的斷層，含烴層位；每次接立柱前后，記錄鉆井液的漏失和返回量以及回流時間，當發(fā)生呼吸效應(yīng)時，鉆進時漏失量等于隨后的鉆井液返出量。

3　結(jié)論和建議

（1）分析了國內(nèi)外深水鉆井井控技術(shù)難點，闡述了深水環(huán)境下相應(yīng)井控難題產(chǎn)生的機理，揭示各難點與井控作業(yè)之間的必然關(guān)系。

（2）針對上述井控難題，成功研制專用設(shè)備--快速混漿裝置實現(xiàn)動態(tài)壓井，提出對井控設(shè)備加強維保提高其作業(yè)可靠性，形成有針對性的清除井口處水合物的具體措施并在7口探井鉆井期間成功應(yīng)用，提出減小呼吸效應(yīng)的措施。

（3）在深水鉆井設(shè)計及作業(yè)實踐中，提高地層壓力預(yù)測精度、加強溢流及井涌早期監(jiān)測及采取有效的壓井措施已被證明是解決深水鉆井井控難題的有效方案，深水鉆井中應(yīng)根據(jù)實際地層和井控設(shè)備等情況及時采取合適的壓井方案，降低井控風(fēng)險。

［1］SY/T 6426—2005，鉆井井控技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］海洋鉆井手冊編審組.海洋鉆井手冊［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2011.

［3］楊進，曹式敬.深水石油鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.石油鉆采工藝，2008，30（2）：10-13.

［4］褚道余. 深水井控工藝技術(shù)探討［J］.石油鉆探技術(shù)，2012，40（1）：52-57.

［5］IADC. Deepwater well control guidelines ［M］. Houston: International Association of drilling contractors, 2002: 29-33.

［6］羅伯特. D. 格雷斯井噴與井控手冊［M］.高振果，譯.北京：石油工業(yè)出版社，2006：1-3.

［7］王志遠，孫寶江，程海清，等.深水鉆井井筒中天然氣水合物生成區(qū)域預(yù)測［J］.石油勘探與開發(fā)，2008，35（6）：731-735.

［8］白玉湖，李清平，周建良，等.天然氣水合物對深水鉆采的潛在風(fēng)險及對應(yīng)性措施［J］.石油鉆探技術(shù)，2009，37（3）：17-21.

〔編輯宋宇〕

Technical difficulties and countermeasures in well control of
deepwater drilling in the South China Sea

YE Jihua1, LIU Zhengli1, LUO Junfeng1, CHANG Yuanjiang2
（1.Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China; 2. China University of Petroleum, Qingdao 266580, China）

Due to the differences in sedimentary environment, deepwater drilling environment, and well control equipment of deepwater strata, the well control of deepwater drilling is trapped in many problems such as seabed instability, low formation fracture pressure, narrow formation pressure vessel, and the presence of shallow gas and shallow flow, gas hydrates, and subsea low temperature. Building on a full investigation about well control of domestic and foreign deepwater drilling and considering the characteristics and difficulties of well control of deepwater drilling in the South China Sea, a targeted solution is proposed based on the recent deepwater drilling design and operating experience and a detailed analysis of existing problems in well control of deepwater drilling, such as narrow formation pressure vessel, difficult overflow monitoring, difficult and long well killing operation, complex well control equipment, and the presence of hydrates. Specific measures about deepwater well control are also provided with the deepwater wells in the South China Sea as an example. The understanding and measures presented in this paper may provide a reference for the well control operations of deepwater drilling in the South China Sea.

deepwater drilling; difficulties in well control; overflow; well killing; hydrate

TE58

B

1000 – 7393（2015） 01 – 0139 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.036

“十二五”國家科技重大專項“深水鉆完井及其救援井應(yīng)用技術(shù)研究”（編號：2011ZX05026-001-04）；國家自然科學(xué)基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究”（編號：5143009）。

葉吉華，1976年生。2000年畢業(yè)于西安石油學(xué)院石油工程專業(yè)，主要從事深水及超深水井鉆井工程設(shè)計和鉆探工作，工程師。E-mail：yejihuadeepwater@gmail.com。

2014-11-30）

引用格式：葉吉華，劉正禮，羅俊豐，等. 南海深水鉆井井控技術(shù)難點及應(yīng)對措施［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：139-142.