楊 進(jìn), 路保平

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋工程研究院，北京 102249；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

?專家視點(diǎn)?

極地冷海鉆井技術(shù)挑戰(zhàn)及關(guān)鍵技術(shù)

楊 進(jìn)1, 路保平2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋工程研究院，北京 102249；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

北極冷海地區(qū)油氣資源豐富，是目前國(guó)際石油公司關(guān)注的熱點(diǎn)，了解極地冷海鉆井技術(shù)挑戰(zhàn)和關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)推進(jìn)極地冷海鉆井技術(shù)進(jìn)步、實(shí)現(xiàn)極地冷海油氣資源的高效開(kāi)發(fā)具有重要意義。為此，通過(guò)大量文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)地考察，分析了國(guó)內(nèi)外極地冷海鉆井裝備及關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀和主要研究進(jìn)展，得到了以下認(rèn)識(shí)：惡劣的作業(yè)環(huán)境、長(zhǎng)距離的后勤保障和苛刻的環(huán)保要求，是極地冷海油氣勘探開(kāi)發(fā)面臨的首要難題；坐底式平臺(tái)、人工島、抗冰自升式平臺(tái)和浮式平臺(tái)等是目前極地冷海鉆井作業(yè)采用的關(guān)鍵裝備，低溫鉆機(jī)、全封閉抗冰平臺(tái)及耐低溫新型材料等是極地冷海鉆井亟待突破的關(guān)鍵裝備及材料。調(diào)研分析認(rèn)為：凍土層鉆井技術(shù)、低溫鉆井液和固井技術(shù)、萬(wàn)米大位移井鉆井技術(shù)、極地災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及控制技術(shù)和鉆井廢棄物環(huán)保排放技術(shù)是未來(lái)極地冷海鉆井技術(shù)的主要攻關(guān)方向，是實(shí)現(xiàn)極地冷海油氣資源高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。

極地；冷海；低溫；凍土層；鉆井裝備；海上鉆井

北極地區(qū)海洋油氣資源開(kāi)發(fā)潛力巨大，據(jù)統(tǒng)計(jì),目前北極地區(qū)已探明的常規(guī)油氣儲(chǔ)量超過(guò)400×108m3(2 400億桶)[1-3]，主要分布于美國(guó)阿拉斯加和加拿大西北部的波弗特海(Beaufort Sea)，俄羅斯的巴倫支海(Barents Sea)、薩哈林島(Sakhalin Island)及格陵蘭(Greenland)等地區(qū)，其中超過(guò)一半的油氣資源分布于水深小于100 m的海域[4-5]。由于巨大的油氣資源和未來(lái)能源戰(zhàn)略的發(fā)展需求，極地冷海油氣資源已經(jīng)成為各大石油公司關(guān)注的熱點(diǎn)。中國(guó)石化在俄羅斯薩哈林油氣合作開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，與俄羅斯石油公司簽訂了《共同開(kāi)發(fā)魯斯科耶油氣田和尤魯勃切諾-托霍姆油氣田合作框架協(xié)議》，共同開(kāi)發(fā)極地冷海區(qū)域的油氣資源[6]。目前，只有俄羅斯、美國(guó)和挪威等少數(shù)國(guó)家開(kāi)展過(guò)極地冷海鉆井作業(yè)，其中俄羅斯是開(kāi)展冷海鉆井技術(shù)研究與作業(yè)較多的國(guó)家，已在北極圈海上鉆探了100余口井，在低溫鉆井液、固井和工具等方面取得了一定進(jìn)展，但技術(shù)成熟度還不夠[7]。我國(guó)在極地鉆井裝備及工具的研制中取得了一定的突破，研制了能夠適應(yīng)環(huán)境溫度-50 ℃、鉆井深度5 000 m的低溫軌道鉆機(jī)，并成功應(yīng)用于亞北極薩哈林冷海區(qū)域5口探井的鉆井作業(yè)中[8]。與國(guó)外冷海鉆井技術(shù)相比，國(guó)內(nèi)冷海鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究仍處于起步階段。為此，筆者通過(guò)大量的文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)地考察，在總結(jié)極地冷海鉆井面臨的主要挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，分析了目前極地冷海鉆井裝備和關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀，并對(duì)今后的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 極地冷海鉆井主要挑戰(zhàn)

從國(guó)內(nèi)外極地冷海鉆井情況來(lái)看，極地冷海地區(qū)鉆井作業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是極度嚴(yán)寒、淺部的凍土層和惡劣的海洋環(huán)境，同時(shí)后勤保障和環(huán)保要求也是制約極地冷海鉆井作業(yè)的關(guān)鍵因素。

1.1作業(yè)環(huán)境惡劣

極度嚴(yán)寒、暴風(fēng)雪及常年存在的海冰使極地冷海鉆井作業(yè)的環(huán)境極為惡劣。北極地區(qū)海面的年平均氣溫為-20～-50℃，如此低的溫度不僅威脅著作業(yè)人員的人身安全，也增加了鉆井作業(yè)的難度，并對(duì)材料和燃料的耐低溫性能也提出了極高的要求。北極海面上漂浮著大量的浮冰和冰山，且暴風(fēng)雪頻發(fā)，這就要求鉆井平臺(tái)、鉆井船等鉆井裝備及隔水管、水下井口等水下設(shè)備具有很高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在冬季北極海面基本被完全冰封，無(wú)法進(jìn)行鉆井作業(yè)，即使在夏季也需要破冰船輔助破冰，極大地增加了作業(yè)成本，所以極地冷海地區(qū)往往使用非常堅(jiān)固的坐底式平臺(tái)來(lái)進(jìn)行鉆井作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北極地區(qū)年平均作業(yè)周期不超過(guò)6個(gè)月，其中巴倫支海和波弗特海的年平均作業(yè)周期只有60～120d，嚴(yán)酷的自然環(huán)境和極短的作業(yè)周期對(duì)鉆井技術(shù)、裝備和井控設(shè)施的可靠性提出了更高的要求。例如，位于俄羅斯伯朝拉海(PechoraSea)的Prirazlomnoye鉆井平臺(tái)，當(dāng)環(huán)境溫度低于-20℃時(shí)就要停止鉆井作業(yè)[9]，因?yàn)楹５啄嗑€處井筒溫度低至0℃以下，而井底儲(chǔ)層的溫度卻高達(dá)150℃，在低溫和大溫變的條件下，鉆井管柱容易發(fā)生脆性破壞，鉆井液和水泥漿的性能也面臨極大的挑戰(zhàn)，因此研究低溫和大溫變條件對(duì)鉆井管柱力學(xué)特性、井筒流體的流變性和穩(wěn)定性的影響十分重要。

1.2淺部地層復(fù)雜

北冰洋沿岸和海底的淺部地層廣泛分布著凍土層和天然氣水合物，受海水含鹽量等因素的影響，北冰洋許多海域海底的溫度在0℃ 以下，海底凍土層的厚度可達(dá)200m[10]。在鉆井作業(yè)過(guò)程中鉆頭的切削摩擦，鉆井液與周圍凍土、天然氣水合物地層之間發(fā)生熱交換，均可導(dǎo)致凍土的融化和天然氣水合物的分解，造成井壁失穩(wěn)或井口下沉。俄羅斯西西伯利亞Zapolyrnoye氣田一些井在鉆井過(guò)程中由于凍土層融化而導(dǎo)致井口出現(xiàn)下沉，最大下沉深度超3m[11]。因此淺部地層分布的凍土層和天然氣水合物是極地冷海鉆井作業(yè)安全的重要挑戰(zhàn)。

1.3后勤保障艱難

極地冷海地區(qū)人跡罕至，基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，而基地距離遠(yuǎn)，航線長(zhǎng)，大型裝備運(yùn)輸困難。由于北極地區(qū)沒(méi)有大型機(jī)場(chǎng)，所有物資的運(yùn)輸主要依靠輪船。北極圈內(nèi)唯一的不凍港——摩爾曼斯克是北冰洋沿岸的最大城市，深入北極圈超過(guò)300km，是俄羅斯天然氣公司的技術(shù)服務(wù)基地和石油專用碼頭，所有俄羅斯北極油氣區(qū)塊的設(shè)備維修和運(yùn)輸均在該基地完成[12]。摩爾曼斯克距離俄羅斯巴倫支海油田仍然超過(guò)1000km，補(bǔ)給船或破冰船往返一次的時(shí)間超過(guò)14d，在冬季或者海況惡劣的時(shí)候無(wú)法進(jìn)行運(yùn)輸，因此北極地區(qū)的后勤保障難度遠(yuǎn)高于其他海洋，極易因后勤保障問(wèn)題導(dǎo)致鉆井周期延長(zhǎng)，甚至鉆井作業(yè)中斷。因此，極地冷海鉆井作業(yè)必須高度重視后勤保障，需要有可靠的補(bǔ)給基地作為依托，以保證鉆井作業(yè)的順利完成。

1.4環(huán)保要求苛刻

極地冷海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境非常脆弱，鉆井過(guò)程中如果出現(xiàn)原油泄露、工作液泄露及冰層與表層凍土融化導(dǎo)致下部地層天然氣水合物分解泄露，均會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞[13]。當(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī)對(duì)極地鉆井作業(yè)的環(huán)保要求極為苛刻，鉆井作業(yè)過(guò)程中必須達(dá)到零排放的環(huán)保要求[14]，這也導(dǎo)致了鉆井施工難度的增大和作業(yè)成本的增加。因此，鉆井液無(wú)害化處理和鉆井液回收技術(shù)是解決鉆井液對(duì)極地海洋環(huán)境污染的關(guān)鍵。

2 極地冷海鉆井裝備現(xiàn)狀

2.1開(kāi)發(fā)井鉆井裝備

考慮極地冷海地區(qū)惡劣的作業(yè)環(huán)境和高昂的作業(yè)成本，主要采用坐底式平臺(tái)或人工島模式來(lái)進(jìn)行油氣開(kāi)發(fā)。

2.1.1坐底式平臺(tái)

在水深30m以淺的海域，坐底式平臺(tái)是一種既安全又經(jīng)濟(jì)的油氣開(kāi)發(fā)模式，其中最具代表性的是俄羅斯2013年投入使用的Prirazlomnoye坐底式平臺(tái)(見(jiàn)圖1)[15]。

圖1 Prirazlomnoye坐底式平臺(tái)Fig.1 Prirazlomnoye bottom-supported platform

Prirazlomnoye坐底式平臺(tái)所在的伯朝拉海油田于1989年勘探發(fā)現(xiàn)，可采儲(chǔ)量約7×107t。該平臺(tái)下部鋼制混凝土模塊由北德文斯克造船廠建造，上部模塊由挪威哈頓船廠建造，其他模塊均在俄羅斯建造，總用鋼量約5×107t，經(jīng)歷了10多年的設(shè)計(jì)與建造，于2013年正式投入使用，所在海域水深19～20m、冬季最低溫度達(dá)到-50℃、冰期約230d(11月到次年5月)、冰厚達(dá)1.70m、風(fēng)力最高為40m/s[16]。

Prirazlomnoye平臺(tái)集鉆井完井、油氣處理和儲(chǔ)卸油為一體，包括井口區(qū)、油氣處理區(qū)、儲(chǔ)油區(qū)、卸油區(qū)和生活區(qū)；平臺(tái)自帶封閉式模塊鉆機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)鉆井完井、修井及后期調(diào)整井鉆井作業(yè)，設(shè)有40個(gè)井槽，其中采油井19口，注水井16口，水源井1口，4個(gè)預(yù)留空井槽；井口區(qū)分為4個(gè)區(qū)域，每10口井為一個(gè)區(qū)域，全部采用保溫裝置，日產(chǎn)原油約20748m3[17-18]。

該平臺(tái)采用全封閉式模塊鉆機(jī)，提升能力為547t，絞車功率為1470kW(2000hp)。該平臺(tái)開(kāi)發(fā)井采用四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，套管直徑660.4～244.5mm，應(yīng)用水基鉆井液鉆進(jìn)，因環(huán)保要求高，所有鉆井液與巖屑處理后全部回收，采用尾管完井或者裸眼完井，單井鉆井周期約2～3個(gè)月，完井周期約5～15d。

2.1.2人工島

在水深20m以淺且離岸距離在10km以內(nèi)的區(qū)塊通常采用人工島進(jìn)行油氣田開(kāi)發(fā)，如圖2所示。人工島通常采用礫石建造，各島之間可以通過(guò)礫石鋪設(shè)的通道相連，油氣通過(guò)海底管線進(jìn)行運(yùn)輸。人工島上一般使用全封閉低溫鉆機(jī)，該鉆機(jī)采用耐低溫鋼材制造，能夠在-20～-50℃的環(huán)境下工作，內(nèi)部配套供暖系統(tǒng)可保證人員安全和設(shè)備的正常運(yùn)行。由于人工島屬于固定式平臺(tái)，通常采用大位移井進(jìn)行油氣開(kāi)發(fā)。人工島的優(yōu)勢(shì)在于基礎(chǔ)非常堅(jiān)固，有效地解決了地基沉降等問(wèn)題，并且能夠抵御惡劣海況的影響。建造人工島所需要的礫石等原材料大多為就地取材，大大減少了鋼材用量及設(shè)備的運(yùn)輸量，適合在北極這樣后勤保障困難的海域建造。人工島的劣勢(shì)是其無(wú)法移動(dòng)，而且修建及維護(hù)的成本高昂，建造周期長(zhǎng)，通常需要一個(gè)夏季的時(shí)間進(jìn)行建造，而進(jìn)入冬季又無(wú)法進(jìn)行鉆井作業(yè)，只能到第二年才能正式投入使用，所以人工島適用于大型油氣項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)[19]。

圖2 人工島Fig.2 Artificial island

2.2探井鉆井裝備

極地冷海地區(qū)的探井鉆井作業(yè)需要根據(jù)水深以及海況條件選擇合適的鉆井裝備，目前通常采用抗冰自升式平臺(tái)、耐低溫全封閉半潛式平臺(tái)及浮式平臺(tái)進(jìn)行鉆井作業(yè)[20]。

2.2.1抗冰自升式平臺(tái)

當(dāng)水深50～100m、離岸距離超過(guò)20km、夏季和海況條件適宜時(shí)，探井可以采用抗冰自升式平臺(tái)進(jìn)行鉆井作業(yè)。但是必須考慮極端海況(尤其是海冰)的影響，根據(jù)海冰的參數(shù)(包括漂流速度、厚度、抗壓強(qiáng)度等)和平臺(tái)迎冰面的結(jié)構(gòu)來(lái)確定作用于平臺(tái)上的冰載荷，同時(shí)需考慮低溫對(duì)平臺(tái)裝備的影響。MarathonEndeavour自升式平臺(tái)采用四樁腿結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)，能夠有效抵御浮冰，并且選用全封閉式井架和耐低溫結(jié)構(gòu)材料，能夠在-30℃條件下進(jìn)行鉆井作業(yè)，最大作業(yè)水深110m[21]。該平臺(tái)曾在Chukchi海和Beaufort海進(jìn)行過(guò)探井鉆井作業(yè)。

圖3 抗冰自升式平臺(tái)Fig.3 Ice resistant Jack-up platform

2.2.2全封閉半潛式平臺(tái)和浮式平臺(tái)

在水深超過(guò)100m、離岸距離超過(guò)20km時(shí)，探井鉆井作業(yè)主要使用能夠抵抗浮冰的全封閉半潛式平臺(tái)和浮式平臺(tái)。半潛式平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在于能夠在更深的水深條件下進(jìn)行鉆井作業(yè)，采用全封閉結(jié)構(gòu)也能夠有效保證作業(yè)人員的安全和設(shè)備的正常運(yùn)行。但由于受到極地惡劣天氣的影響，一旦遭遇暴風(fēng)雪平臺(tái)發(fā)生橫向漂移，隔水管和水下井口將產(chǎn)生很大的變形和渦激振動(dòng)[6]，需要加強(qiáng)隔水管系統(tǒng)和水下井口的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。由于受惡劣天氣的影響，浮式平臺(tái)能夠開(kāi)展鉆井作業(yè)的時(shí)間非常有限，全年鉆井作業(yè)時(shí)間不超過(guò)120d，因此對(duì)作業(yè)效率的要求更高。

3 極地冷海鉆井關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)以上鉆井挑戰(zhàn)，需要突破低溫鉆井液和固井技術(shù)、凍土層鉆井技術(shù)、萬(wàn)米大位移井鉆井技術(shù)、極地災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及控制技術(shù)、鉆井廢棄物環(huán)保排放技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，才能實(shí)現(xiàn)極地冷海地區(qū)的安全高效鉆井作業(yè)。

3.1低溫鉆井液和固井技術(shù)

極地冷海海底廣泛覆蓋著多年凍土層和天然氣水合物，鉆遇這些地層時(shí)為了保持地層的穩(wěn)定性，需要采用低溫鉆井液體系并控制鉆井液的熱交換，抑制地層中天然氣水合物的分解[22]。因此，一方面需要通過(guò)鉆井液冷卻系統(tǒng)使鉆井液保持較低的溫度，防止井壁發(fā)生熱融坍塌；另一方面需要研制能夠在0℃左右甚至0℃以下仍具有良好流變性和穩(wěn)定性的低溫鉆井液體系。

目前鉆井液冷卻系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于天然氣水合物鉆探和取心作業(yè)中，其原理是使用乙二醇等載冷劑與井內(nèi)的鉆井液進(jìn)行熱交換，動(dòng)態(tài)控制井內(nèi)鉆井液的循環(huán)溫度穩(wěn)定在-5～5℃。該系統(tǒng)目前存在的主要問(wèn)題是在起下鉆等需要停泵的作業(yè)過(guò)程中，井眼內(nèi)鉆井液停止循環(huán)后，換熱器仍然在持續(xù)制冷，容易造成換熱器中的鉆井液結(jié)冰而發(fā)生堵塞。鉆井液漏失量大或需要大排量鉆進(jìn)時(shí)，由于該系統(tǒng)制冷能力有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)鉆井液的快速冷卻[23]。因此，需要提高鉆井液冷卻系統(tǒng)的換熱效率，增強(qiáng)制冷能力，保證在鉆井液漏失或大排量鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)鉆井液的快速冷卻，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和控制換熱器及井筒內(nèi)的鉆井液溫度，防止因?yàn)榫植窟^(guò)冷而造成結(jié)冰堵塞。

低溫流變性和護(hù)壁性是反映低溫鉆井液體系性能的主要參數(shù)。根據(jù)俄羅斯北極地區(qū)的鉆井經(jīng)驗(yàn)，低溫鉆井液體系的常用配方為無(wú)固相聚合物+耐低溫介質(zhì)+無(wú)機(jī)鹽+水合物抑制劑+降濾失劑。該體系利用NaCl、KCl等無(wú)機(jī)鹽來(lái)降低鉆井液的結(jié)冰點(diǎn)，保持其良好的低溫流變性。試驗(yàn)研究表明：NaCl的含量達(dá)到5%～10%時(shí)，低溫鉆井液的結(jié)冰點(diǎn)可達(dá)到-10℃，能夠滿足冷海鉆井作業(yè)需求。利用無(wú)固相聚合物(聚乙烯醇、聚丙烯酰胺和羥基甲基纖維素等)來(lái)強(qiáng)化鉆井液的護(hù)壁性能，配合乙二醇等醇類抑制地層中天然氣水合物的分解，從而起到維持井壁穩(wěn)定的作用。該鉆井液體系在我國(guó)漠河低溫鉆井中取得了良好的效果[24]。為了更好地滿足極地冷海鉆井的需要，還需加強(qiáng)適用于0℃和0℃以下條件的低溫水基和油基鉆井液體系研究，并開(kāi)展低溫泡沫、氣體等鉆井流體在極地凍土層的適應(yīng)性研究[25]。

在北極冷海地區(qū)進(jìn)行固井作業(yè)時(shí)，水泥漿凝固過(guò)程中因水化反應(yīng)而釋放熱量，從而造成凍土層融化，如果凍土層中含有天然氣水合物，還將誘發(fā)天然氣水合物大量分解，導(dǎo)致井涌、井噴等鉆井風(fēng)險(xiǎn)。低溫會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)水泥漿凝固緩慢、強(qiáng)度降低等問(wèn)題[26]，因此在設(shè)計(jì)水泥漿配方時(shí)，需要降低水泥漿固化時(shí)水化反應(yīng)的放熱量，同時(shí)保證其在需要的時(shí)間內(nèi)膠結(jié)并達(dá)到足夠的強(qiáng)度。Schlumberger公司研發(fā)了ARCTICSET水泥漿體系，其自由水分離度低、滲透率低、耐溫性好，并且膠凝強(qiáng)度可以控制。該水泥漿體系中添加了防凍劑，確保在低溫下水泥發(fā)生水化反應(yīng)之前混合水不會(huì)結(jié)冰，其適用范圍較廣。目前在深水油氣井固井中已經(jīng)廣泛應(yīng)用低溫早強(qiáng)型水泥漿體系，但是應(yīng)用地層溫度主要在4℃左右，而極地冷海地區(qū)的環(huán)境溫度常年在0℃以下，因此還需研究適用于0℃和0℃以下環(huán)境溫度的具有早期強(qiáng)度高、低水化放熱的環(huán)境友好型低溫水泥漿體系。

3.2凍土層鉆井技術(shù)

凍土層是極地冷海鉆井作業(yè)的關(guān)鍵難題。根據(jù)國(guó)內(nèi)外凍土層鉆井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，凍土層鉆井常見(jiàn)的井下復(fù)雜情況包括[27]：1)井壁坍塌，產(chǎn)生原因是鉆頭切削和鉆井液循環(huán)造成凍土層孔隙水融化，使地層強(qiáng)度和穩(wěn)定性嚴(yán)重下降，從而引起井壁坍塌；2)鉆具凍結(jié)，因凍土層融化導(dǎo)致井眼發(fā)生熱融性縮徑、低溫造成鉆井液黏度增加，如果停鉆時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易造成鉆具凍結(jié)；3)氣侵、井涌，鉆井過(guò)程中凍土層因溫度升高而穩(wěn)定性變差，天然氣水合物分解產(chǎn)生的天然氣進(jìn)入井筒造成氣侵，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致井涌或者井噴；4)鉆井液漏失，凍土層融化導(dǎo)致井壁失穩(wěn)和地層滲透率增加，容易引起鉆井液漏失；5)井斜，凍土層和天然氣水合物層具有軟硬交錯(cuò)、傾角大的特性，在鉆進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)井斜；6)井口失穩(wěn)下沉，鉆井過(guò)程中井下熱流體不斷循環(huán)導(dǎo)致上部?jī)鐾翆尤诨a(chǎn)生沉降，造成鉆機(jī)和井口地基下沉。

從以上分析可以看出，鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致凍土層融化是造成井下故障的主要原因。為解決凍土層融化的難題，除了需要研究鉆井液循環(huán)及鉆頭切削對(duì)凍土層溫度場(chǎng)的影響外，還需要探索鉆井新技術(shù)和新工藝。俄羅斯在西西伯利亞的凍土層鉆井中使用了套管鉆井(drillingwithcasing，DWC)技術(shù)，可以一趟鉆完成鉆進(jìn)和下套管作業(yè)，不但提高了作業(yè)效率，而且能夠有效解決凍土層鉆井中的井壁失穩(wěn)問(wèn)題。DWC技術(shù)在俄羅斯Bovanenkovskoe油田0～450m厚的凍土層鉆井中進(jìn)行了應(yīng)用，使用φ324.0mm表層導(dǎo)管配合φ393.7mm鉆頭直接進(jìn)行一開(kāi)鉆進(jìn)，凍土層平均鉆井作業(yè)時(shí)間從4d減少到2d，單井鉆井成本降低7萬(wàn)多美元[28]。但DWC技術(shù)還存在套管易損壞、環(huán)空間隙小、容易造成堵塞和卡鉆等問(wèn)題，目前未能得到廣泛應(yīng)用。也有國(guó)外公司在凍土層鉆井中應(yīng)用了真空隔熱套管技術(shù)，套管外層選用隔熱材料，可將下部地層的高溫流體和凍土層隔絕開(kāi)，有效阻止井筒中的鉆井液熱量傳遞給地層，實(shí)現(xiàn)在凍土層中快速安全鉆進(jìn)。我國(guó)的凍土層鉆井技術(shù)尚處于起步階段，雖然在寒冷地區(qū)積累了一定的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)、有一定研究基礎(chǔ)，但是缺乏完整的理論體系和成熟的工藝，亟待研究建立包括凍土層鉆井井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和井筒壓力控制方法在內(nèi)的理論體系，研制適用于凍土層鉆井的鉆頭、鉆井液、固井水泥漿等系列產(chǎn)品，同時(shí)推進(jìn)低溫氣體鉆井、套管鉆井和隔熱套管等特殊工藝和設(shè)備的研究。

3.3萬(wàn)米大位移井鉆井技術(shù)

由于極地冷海地區(qū)惡劣的自然條件，開(kāi)發(fā)井主要使用坐底式平臺(tái)或人工島進(jìn)行作業(yè)，但是其建造成本高昂，為了擴(kuò)大平臺(tái)或人工島的控制開(kāi)采面積，需要采用大位移井進(jìn)行油氣開(kāi)發(fā)。目前世界上井深超過(guò)10km的大位移井大部分位于北極地區(qū)，萬(wàn)米大位移井鉆井技術(shù)在極地冷海油氣開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了重要作用，中國(guó)石化在俄羅斯薩哈林區(qū)塊的鉆井作業(yè)中積累了一定的萬(wàn)米大位移井鉆井經(jīng)驗(yàn)。為保證萬(wàn)米大位移井的順利施工，還需要開(kāi)展水平井眼延伸極限能力的制約因素研究，解決萬(wàn)米大位移井的井眼軌道設(shè)計(jì)與軌跡控制、防磨減阻等技術(shù)難題[29]。同陸上大位移井相比，極地冷海地區(qū)的大位移井鉆井作業(yè)需要選用能夠適應(yīng)低溫環(huán)境的全封閉低溫鉆機(jī)(見(jiàn)圖4)。該鉆機(jī)應(yīng)用了耐低溫金屬和非金屬材料，可保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性能滿足-50℃的作業(yè)環(huán)境需求[9]。

3.4極地冷海災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及控制技術(shù)

極地冷海鉆井面臨惡劣天氣、浮冰、淺層地質(zhì)災(zāi)害等多種典型作業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素，如果處理不當(dāng)，輕則造成井下故障，重則導(dǎo)致鉆井失敗、平臺(tái)報(bào)廢和人員傷亡。因此，在鉆前對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，并對(duì)其產(chǎn)生的工程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，形成一套行之有效的應(yīng)對(duì)措施和處理方法，規(guī)避災(zāi)害性鉆井事故的發(fā)生，是實(shí)現(xiàn)安全鉆井的前提和基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)外主要在淺水和深水淺部地層的淺層氣、淺水流和天然氣水合物等淺層地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制方面取得了階段性成果[30-31]，但這些預(yù)測(cè)模型和評(píng)價(jià)方法很難應(yīng)用于極低溫環(huán)境的極地冷海地區(qū)[32-33]。所以該技術(shù)的主要攻關(guān)方向?yàn)椋貉芯繀^(qū)域浮冰周期分布規(guī)律、浮冰運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，形成浮冰防治方案，解決極地冷海鉆井浮冰風(fēng)險(xiǎn)控制的問(wèn)題；研究極地淺層地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，解決淺層地質(zhì)災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)問(wèn)題，形成淺層鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)安全控制方法，解決極地冷海鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)控制難題。

圖4 全封閉低溫鉆機(jī)Fig.4 Fully enclosed drilling rig at low temperature

3.5鉆井廢棄物環(huán)保排放技術(shù)

國(guó)內(nèi)外主要從2個(gè)方面開(kāi)展了海洋鉆井液環(huán)保排放研究工作：一是無(wú)污染的海水鉆井液技術(shù)，二是有污染的鉆井液回收技術(shù)。目前海洋淺層井段一般采用海水鉆井液開(kāi)路循環(huán)鉆井方式，海水鉆井液及巖屑直接排入大海，這種方式既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。但極地冷海的苛刻低溫環(huán)境會(huì)使海水流變性變差，所以這種方式不能滿足極地冷海鉆井的技術(shù)要求。國(guó)外正在研發(fā)的無(wú)隔水管鉆井液回收(RMR)技術(shù)能夠有效解決鉆井液對(duì)于海洋環(huán)境的污染。RMR鉆井系統(tǒng)主要包括吸入模塊、海底泵與固相控制系統(tǒng)、動(dòng)力控制裝置和回流管匯，通過(guò)廢棄鉆井液收集與處理系統(tǒng)、鉆屑收集與處理系統(tǒng)、生活污水收集與處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鉆井液回收零排放，達(dá)到極地冷海地區(qū)的環(huán)保要求[34]，但處理后的大量廢棄物還需要運(yùn)到陸地，需要高昂的運(yùn)費(fèi)和二次環(huán)保處理。所以極地冷海鉆井廢棄物環(huán)保排放技術(shù)研究需要突破的關(guān)鍵技術(shù)是鉆井廢棄物的無(wú)害化處理技術(shù)和環(huán)境友好型環(huán)保鉆井液技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)鉆井廢棄物的就地處理與環(huán)保排放，做到既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

極地冷海鉆井面臨低溫、海洋環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜、后勤保障困難和環(huán)保要求高等一系列技術(shù)難題，我國(guó)通過(guò)薩哈林等油氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，開(kāi)展了冷海鉆井技術(shù)研究與實(shí)踐，在極地冷海鉆井裝備及工具的研制中取得了一定的突破，但并未形成成熟的系列化極地冷海鉆井工藝和技術(shù)，還需要在充分借鑒國(guó)外低溫地區(qū)鉆井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展針對(duì)性的技術(shù)攻關(guān)：1)加大低溫鉆機(jī)、全封閉抗冰平臺(tái)以及耐低溫新型材料等低溫鉆井關(guān)鍵裝備與材料的設(shè)計(jì)與研發(fā)力度，推進(jìn)鉆井裝備的模塊化和智能化；2)加強(qiáng)低溫鉆井液和固井技術(shù)、萬(wàn)米大位移井鉆井技術(shù)、凍土層鉆井技術(shù)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和控制技術(shù)、鉆井廢棄物環(huán)保排放技術(shù)等極地冷海鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究，盡快形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的極地冷海鉆井技術(shù)；3)建立適用于極地冷海環(huán)境的物質(zhì)供應(yīng)與保障體系和應(yīng)急救援系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)極地冷海地區(qū)的安全高效鉆井作業(yè)。

致謝：在本文撰寫(xiě)過(guò)程中，俄羅斯國(guó)立古勃金石油天然氣大學(xué)的V.Kadet博士提供了俄羅斯極地鉆井完井的相關(guān)資料，在資料的搜集和整理過(guò)程中得到了中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院侯緒田、柯珂、王磊等同志及中國(guó)石油大學(xué)(北京)博士研究生李蒞臨的大力幫助，特此感謝。

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[編輯 陳會(huì)年]

TheChallengesandKeyTechnologiesofDrillingintheColdWaterAreaoftheArctic

YANGJin1,LUBaoping2

(1.InstituteofOceanEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing,102249,China;2.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing,100101,China)

The cold water area of the Arctic is rich in oil and gas resources,which has been the focus of international oil petroleum companies presently.Understanding the challenges and key technologies of drilling in this area is of great importance for promoting the technological breakthroughs and making high efficient development of oil and gas resources.Through a large number of literature research and field investigation,Arctic cold water drilling equipment and key technologies as well as main research progress have been analyzed in domestic waters and abroad,and have arrived at the following conclusions:the primary challenges for oil and gas exploration and development in cold water area of the Arctic include harsh operating environment,long distance logistic support,stringent environmental requirements.The key equipment for drilling in the area includes bottom-supported platform,artificial island,ice resistant jack-up platforms and floating drilling rigs.Meanwhile,low-temperature drilling rigs,fully enclosed ice resistant platforms and new low temperature resistant materials are the key drilling equipment and materials urgently require a technical breakthrough urgently in the near future.The investigation results indicate that the main research directions for cold water area of the Arctic drilling should include permafrost drilling technology,low temperature drilling fluid and cementing technology,the extended reach drilling with displacement more than ten thousands of meters,the assessment and control of the disaster or risk,drilling waste emission,environmental protection,etc,which are the key technologies for the high efficiency development of oil and gas resources in cold water area of the Arctic.

Arctic;cold sea;low temperature;permafrost layer;drilling equipment;offshore drilling

TE521

A

1001-0890(2017)05-0001-07

10.11911/syztjs.201705001

2017-08-28。

楊進(jìn)(1966—)，男，河南項(xiàng)城人，1989年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)鉆井工程專業(yè)，1996年獲石油大學(xué)(北京)油氣井工程專業(yè)碩士學(xué)位，2004年獲中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源勘查工程專業(yè)博士學(xué)位，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事海洋工程、海上鉆井完井技術(shù)的教學(xué)和研究工作。E-mail:yjin@cup.edu.cn。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“極地冷海鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號(hào)：2016YFSF010327)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究”(編號(hào)：51434009)、國(guó)家自然科學(xué)創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目“復(fù)雜油氣井鉆井與完井基礎(chǔ)研究”(編號(hào)：51221003)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深水油氣井導(dǎo)管全壽命周期承載力演化機(jī)理研究”(編號(hào)：51774301)聯(lián)合資助。