朱 亮 范西哲 李軍偉 鄒和均 樓一珊 李忠慧

1.油氣鉆井技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏技術(shù)研究室·長江大學(xué) 2.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·長江大學(xué)3.長江大學(xué)石油工程學(xué)院 4.中海油田服務(wù)股份有限公司 5.中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司工程技術(shù)處

0 引言

全球海洋油氣勘探開發(fā)活動(dòng)目前主要集中在熱帶和溫帶地區(qū)，隨著世界能源發(fā)展格局的變化以及油氣需求量的不斷增長，寒帶海域的油氣資源已經(jīng)越來越受到關(guān)注和重視。在環(huán)北冰洋海域，寒帶海域探明的油氣儲(chǔ)量已占到全球油氣總儲(chǔ)量的四分之一[1-2]；而在位于南極的羅斯海盆地，其油氣地質(zhì)資源量約為91.5×108t[3]。由此可見，地球南半球和北半球的寒帶海域均蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源。

寒帶海域緯度高、太陽直射少、氣溫低，使得在海底至一定深度地層的巖石處于被凍結(jié)的狀態(tài)，形成永凍層。永凍層雖然不是鉆井的主要目的層，但卻有可能給鉆井帶來風(fēng)險(xiǎn)——由于永凍層的不穩(wěn)定性，在鉆井過程中易發(fā)生坍塌；由于水泥漿在低溫條件下的性能不好，致使固井質(zhì)量不高；永凍層在生產(chǎn)過程中受熱發(fā)生消融，使其流變性增強(qiáng)，導(dǎo)致套管變形損壞，同時(shí)永凍層消融還有可能導(dǎo)致地層發(fā)生沉降從而對(duì)鉆井平臺(tái)、地面生產(chǎn)設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性造成影響等[4-9]。

目前我國對(duì)于永凍層特性的了解仍基于對(duì)大陸高原地區(qū)永凍層的相關(guān)研究[10]，而對(duì)于海底永凍層的特性及其對(duì)海洋油氣勘探開發(fā)的影響還未有較深入的研究和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的積累。因此，結(jié)合國際油氣資源開發(fā)趨勢(shì)以及永凍層力學(xué)特性對(duì)油氣勘探開發(fā)技術(shù)的要求[11]，積極發(fā)展和提高我國高緯度寒帶海域的油氣勘探技術(shù)水平，對(duì)于提升我國國際化海洋油氣技術(shù)服務(wù)的水平具有重要的意義[12]。

1 永凍層的概念

在1598 年俄羅斯的西伯利亞新地島發(fā)現(xiàn)了永凍層的存在[13]，但從此以后直到19 世紀(jì)，對(duì)于永凍層的研究一直很少。在20 世紀(jì)初，通過歐洲一些研究者對(duì)永凍層開展的系統(tǒng)研究，首次給出了用“Permanent Frost”來表達(dá)永凍層的概念[13]，而現(xiàn)在用來表達(dá)“永凍層”的英文專業(yè)術(shù)語“Permafrost”也是來源于這兩個(gè)單詞。對(duì)于這個(gè)專業(yè)名詞所表達(dá)的含義，當(dāng)初被認(rèn)為沒有將時(shí)間的因素包含進(jìn)去，不能科學(xué)地表述永凍層隨時(shí)間的變遷而保持凍結(jié)的狀態(tài)。

基于上述認(rèn)識(shí)，國際凍土學(xué)會(huì)（International Permafrost Association，縮寫為IPA）給出了與時(shí)間相關(guān)的永凍層的概念，即永凍層指連續(xù)兩年保持在0 ℃或0 ℃以下的地層，包括土壤或巖石以及含有冰和有機(jī)材料的地層[13]。如果地層足夠致密，則在形成永凍層后就不會(huì)含水；如果永凍層中含有未被凍結(jié)的水，則是因?yàn)楦呔暥鹊貐^(qū)的海域鹽度相對(duì)于其他海域鹽度偏高，導(dǎo)致寒帶海域水的冰點(diǎn)低于0 ℃[14]。

地質(zhì)研究和工程實(shí)踐表明，永凍層不僅存在于溫帶陸地上的高海拔和高緯度寒帶低溫地區(qū)，在北極圈范圍內(nèi)的海底也有很多分布，如圖1 所示，而對(duì)南極圈內(nèi)的永凍層分布情況則鮮有報(bào)道。與陸地高海拔地區(qū)和高緯度地區(qū)永凍層相比，存在于海底的永凍層并不是從海床泥面開始的，而是從海床以下20～40 m 處開始，其厚度可達(dá)1 000～1 500 m[7,15-16]。

圖1 世界永凍層分布圖（據(jù)國際凍土學(xué)會(huì)網(wǎng)站修改）

2 永凍層的力學(xué)特性

永凍層是存在于低溫地區(qū)的一種地層，其力學(xué)特性關(guān)系到該地層鉆井工程技術(shù)方案的制定。由于永凍層賦存條件特殊，同時(shí)在其結(jié)構(gòu)空間中含有冰，使得永凍層成為一種由多相組成的復(fù)合多孔介質(zhì)，這種組構(gòu)特性造成永凍層的性質(zhì)對(duì)相變很敏感，這也是永凍層力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜的原因所在。從強(qiáng)度和變形兩方面來看，冰凍狀態(tài)下的巖石強(qiáng)度和變形特性與常規(guī)條件下的巖石強(qiáng)度和變形特性是不同的。在鉆井過程中，由于井筒溫度的升高，井壁巖石因受熱使其發(fā)生融解，其力學(xué)性質(zhì)也會(huì)變化。防控井筒溫度變化對(duì)于安全高效鉆過永凍層是很關(guān)鍵的。

2.1 巖石凍結(jié)狀態(tài)的力學(xué)性質(zhì)

當(dāng)環(huán)境溫度降低到一定值后，地層中的水分會(huì)被凍結(jié)，在地層顆粒之間形成冰膠結(jié)。冰的膠結(jié)作用比水強(qiáng)，因此在地層發(fā)生凍結(jié)后，其抗壓強(qiáng)度會(huì)增加[17-20]。這是因?yàn)?，原本地層礦物顆粒間的空隙被冰取代后能承受更大的負(fù)重載荷，同時(shí)，冰與礦物顆粒的膠結(jié)更強(qiáng)，形成一個(gè)能共同承受剪切載荷的整體，使得在冰凍條件下，地層的整體強(qiáng)度變大[21]。從微觀尺度上來看，凍結(jié)后地層強(qiáng)度增強(qiáng)的機(jī)理在于，礦物顆粒表面或顆粒之間空隙中的水在冰凍條件下結(jié)晶形成了一個(gè)個(gè)小的冰晶。冰晶的產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生連接礦物顆粒的情況，形成冰橋，而冰橋接作用就是提高永凍層強(qiáng)度的一個(gè)重要原因[22]，如圖2 所示。研究表明，巖石的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與溫度有較好地關(guān)聯(lián)性，可以用式（1）計(jì)算在某個(gè)負(fù)溫條件下巖石的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度[23-24]。

式中pm表示某個(gè)溫度下的巖石強(qiáng)度，MPa；T表示某個(gè)負(fù)溫值，℃；T0表示－1 ℃；A和m分別表示與溫度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。對(duì)于砂巖，在沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)條件下，可采用表1 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

圖2 礦物顆粒間凍結(jié)過程[22]示意圖

表1 A 和m 的取值表[23-24]

對(duì)永凍層的強(qiáng)度分析研究不僅僅只應(yīng)關(guān)注于抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，還應(yīng)包括用來描述地層抗剪性能的黏聚力和內(nèi)摩擦角兩個(gè)參數(shù)。通過Krivonogova等[25]對(duì)俄羅斯西伯利亞北部環(huán)北冰洋海域不同巖性的地層研究表明，對(duì)比凍結(jié)和未凍結(jié)兩種狀態(tài)，不同巖性巖石的均內(nèi)摩擦角變化很小，但黏聚力變化很明顯，凍結(jié)狀態(tài)下的黏聚力為未凍結(jié)狀態(tài)下的1.3～4.6倍，如表2 所示。黏聚力這一強(qiáng)度指標(biāo)的變大，從井壁穩(wěn)定的角度來看，意味著坍塌壓力將會(huì)降低，是有利于井壁穩(wěn)定的。

表2 不同巖性的巖石在冰凍和非冰凍狀態(tài)下的黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)比表[25]

還需要注意的是，如果永凍層厚度較大，這就意味著永凍層底部的埋深會(huì)增大。隨時(shí)永凍層埋藏深度的加深，永凍層中的地層應(yīng)力也會(huì)增加，使得永凍層所受的圍壓會(huì)增大。而隨著圍壓的增大，永凍層的強(qiáng)度也會(huì)變強(qiáng)[18,26]。

2.2 巖石解凍后的力學(xué)性質(zhì)

冰凍的物體通常對(duì)溫度是很敏感的。當(dāng)井筒環(huán)境溫度變高，永凍層開始融化，其力學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生改變。從表3 可以看出[27]，不同巖性的巖石消融后，其黏聚力比凍結(jié)狀態(tài)下的黏聚力均要變小，冰凍消融后巖石的彈性模量也會(huì)有明顯降低，地層穩(wěn)定性會(huì)大大降低。也就是說，冰凍巖石由于熱作用而發(fā)生消融后，其力學(xué)性質(zhì)會(huì)變差，變形性會(huì)增強(qiáng)，這種變化程度由地層中冰的數(shù)量以及裂縫的填充程度和性質(zhì)決定，冰的含量越多，這種變化越明顯，所引發(fā)的地層強(qiáng)度降低的程度也就越大。造成這種情況的機(jī)理在于，當(dāng)溫度升高時(shí)，巖石內(nèi)部的冰發(fā)生融解，伴隨這一過程的是在凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生的凍結(jié)應(yīng)力得到釋放，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生水分并會(huì)發(fā)生遷移[25,27-28]，水的產(chǎn)生弱化了地層顆粒之間的膠結(jié)作用，使地層強(qiáng)度降低；另外，還需指出的是，實(shí)際上在地層發(fā)生凍結(jié)時(shí)，由于水在液相變?yōu)楣滔啾倪^程中發(fā)生體積膨脹，會(huì)產(chǎn)生凍脹力，由于這種凍脹力相對(duì)于某些膠結(jié)強(qiáng)度較弱的地層巖石顆粒具有破壞作用，故造成巖石內(nèi)部出現(xiàn)了局部損傷，產(chǎn)生了一定數(shù)量和尺寸的裂縫[27-28]，如果考慮這種因素的話，永凍層發(fā)生融解后，其強(qiáng)度將會(huì)進(jìn)一步發(fā)生弱化。

表3 巖石凍結(jié)與消融后的力學(xué)參數(shù)表[27]

2.3 永凍層融解過程中的力學(xué)性質(zhì)

在鉆進(jìn)過程中，由于井筒的傳熱作用，井筒周圍一定范圍內(nèi)的永凍層地層會(huì)受熱，使地層由冰凍狀態(tài)向融解狀態(tài)轉(zhuǎn)變，而且隨著鉆進(jìn)時(shí)間的累積，永凍層地層發(fā)生融解和未融解的交界面會(huì)不斷向井筒外方向推移，發(fā)生融解的區(qū)域會(huì)變大，如圖3 所示[29]。

由圖3 可以看出，鉆井分別在進(jìn)行3 d 后、28 d和35 d后，地層中的凍融膠結(jié)界面會(huì)不斷地向外擴(kuò)展。

圖3 不同鉆進(jìn)累積時(shí)間凍融交界面與井壁的距離示意圖[29]

永凍層巖石融解后強(qiáng)度會(huì)降低，流變也會(huì)變強(qiáng)，這不僅會(huì)引起地層沉降，影響水下井口和隔水管的穩(wěn)定和安全，還可能會(huì)使下入井中的套管柱在永凍層發(fā)生融解后受到交替的壓縮和拉伸應(yīng)力，使套管柱的壓縮應(yīng)變和拉伸應(yīng)變?cè)龃骩30]，進(jìn)而影響套管柱的完整性安全，如圖4 所示。壓縮應(yīng)力是在永凍層巖石融解后，由于地層的流變性增強(qiáng)，在地應(yīng)力的作用下，井壁周圍的巖石會(huì)向井眼中心收縮變形，作用在套管上會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力；而拉伸應(yīng)力在不同巖性互層的永凍層中更容易出現(xiàn)，因?yàn)椴煌瑤r性的可壓縮性不同，當(dāng)發(fā)生融解沉降時(shí)，在巖性交界面上會(huì)因縱向壓縮變形的差異而對(duì)套管產(chǎn)生縱向拉伸應(yīng)力。

圖4 不同巖性地層中在套管上所產(chǎn)生交替的張力和壓力示意圖[30]

3 永凍層的鉆井風(fēng)險(xiǎn)

目前海上永凍層油氣鉆井活動(dòng)主要在北極圈內(nèi)的環(huán)北冰洋海域。通過在環(huán)北冰洋海域的一些國家所開展的海底永凍層鉆井作業(yè)情況來看，在永凍層快速安全鉆進(jìn)的條件是盡量保持井壁凍結(jié)巖層的賦存狀態(tài)，如果控制不好井筒溫度，使其融解，導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，將會(huì)帶來很大的鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

1）永凍層所賦存的低溫環(huán)境一旦改變，就會(huì)使永凍層及其孔隙中存在的冰凍物質(zhì)發(fā)生融解，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，從而引發(fā)地層沉降，使井壁穩(wěn)定性發(fā)生惡化，同時(shí)，會(huì)使得管柱的載荷條件變差，造成鉆完井管柱和海底管線的完整性受到影響進(jìn)而發(fā)生失效和損壞，從而引發(fā)油氣泄露，這將會(huì)將會(huì)引起嚴(yán)重的環(huán)境污染[4-5,8,30-31]。

2）如果鉆井平臺(tái)采用坐底式或自升式平臺(tái)，當(dāng)鉆井作業(yè)平臺(tái)的底座壓載地層或平臺(tái)樁腿插入海底時(shí)，海底永凍層發(fā)生融解后，是否有足夠的承載能力來保證作業(yè)平臺(tái)的穩(wěn)定性和安全性，是需要特別考慮的。如果平臺(tái)因底座或樁腿下陷而發(fā)生下沉，隔水管系統(tǒng)和井口系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性也會(huì)受到影響[32]。

3）鉆井液如果在低溫下的性能不好，那么鉆井液會(huì)發(fā)生凍結(jié)，或因傳熱作用，使冰膠結(jié)的松散巖層因受熱而發(fā)生失穩(wěn)。同時(shí)，鉆井液濾失控制不好，鉆井液中的“熱液”進(jìn)入地層后還會(huì)進(jìn)一步加劇井壁失穩(wěn)[33]。

4）在永凍層所處的低溫環(huán)境下進(jìn)行鉆井施工難度大，固井作為建井過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，同樣很困難。常規(guī)的水泥體系會(huì)發(fā)生凍結(jié)，在其硬化過程也會(huì)受到很大限制，導(dǎo)致水泥環(huán)的整體抗壓強(qiáng)度不夠。同時(shí)考慮到井壁因凍融或沖刷而產(chǎn)生井徑擴(kuò)大，還需要放置大量的水泥漿來提供必要的地層隔離。永凍層埋藏深度淺，地層承壓能力低，還存在漏失的風(fēng)險(xiǎn)。如果在某地區(qū)以上因素協(xié)同作用，那么固井作業(yè)將更為復(fù)雜[5,34-37]。

5）俄羅斯西伯利亞北部的佩科拉海和喀拉海海底永凍層的工程實(shí)踐和研究表明，如果永凍層被破壞或融解，會(huì)使大量的淺層氣釋放出來，這些氣體可能來自于天然的也可能來自于天然氣水合物。淺層氣的釋放不僅會(huì)影響水下設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性，還會(huì)因?yàn)楹Ｋ矔r(shí)含氣飽和度會(huì)降低其浮力從而對(duì)水面平臺(tái)的安全性帶來很大的隱患，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使海面平臺(tái)或其他結(jié)構(gòu)物發(fā)生沉沒[7,37-39]。

4 永凍層鉆井需要的關(guān)鍵工程技術(shù)

4.1 隔熱技術(shù)

考慮到永凍層對(duì)溫度的敏感性和由其帶來的施工風(fēng)險(xiǎn)，采用隔熱技術(shù)來減少永凍層受熱是在高緯度寒帶海域永凍層鉆井施工時(shí)可以采取的一項(xiàng)措施，分為主動(dòng)隔熱和被動(dòng)隔熱兩種。如圖5 所示，被動(dòng)熱隔離指采用低導(dǎo)熱系數(shù)的隔離介質(zhì)充填在套管外壁的環(huán)空中，降低熱傳遞介質(zhì)的導(dǎo)熱率，從而達(dá)到隔熱保溫的目的，可以利用的低導(dǎo)熱介質(zhì)包括泡沫、空氣、真空等。而主動(dòng)隔熱是冷卻裝置的一種具體應(yīng)用。在俄羅斯亞馬爾半島的氣井就是使用了一種主動(dòng)隔熱的季節(jié)性冷卻裝置（Seasonal Cooling Device，簡稱SCD）。這種裝置由充滿氣體或液體的柔性管組成，根據(jù)冬季和夏季的溫度可以蒸發(fā)或冷凝。所有柔性管的上端集中在一個(gè)散熱器內(nèi)，在冬季發(fā)生冷凝。另外可以將主動(dòng)熱隔離與被動(dòng)熱隔離相結(jié)合，使井口周圍的巖石在夏季氣溫相對(duì)較高的季節(jié)保持淺部永凍層的凍結(jié)狀態(tài)[9]。這兩項(xiàng)隔熱技術(shù)在俄羅斯北極圈內(nèi)的油氣田均已有應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果[4,9,40]。

圖5 在俄羅斯亞馬爾半島一口井使用的兩種熱隔離技術(shù)圖[9]

需要注意的是，被動(dòng)熱隔離裝置最適宜的位置是安裝在生產(chǎn)管柱里，但這樣會(huì)多增加一層管柱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致生產(chǎn)管柱直徑減小，進(jìn)而引起了井身結(jié)構(gòu)和油田開發(fā)方案的變化。

4.2 永凍層優(yōu)快鉆井技術(shù)

優(yōu)快鉆井的核心是在安全的前提下，能夠快速優(yōu)質(zhì)地建井。因此，保證永凍層在鉆進(jìn)過程中的井筒安全是首先要考慮的問題。

由于永凍層起始埋藏深度淺，加上其在解凍過程中發(fā)生的力學(xué)性質(zhì)弱化，加劇了井壁失穩(wěn)。如果說永凍層融化不可避免，那么除了通過快速鉆井減少永凍層暴露時(shí)間是一種措施外，另一種就是選用適合低溫冰凍地層的鉆井液體系，在盡量減少鉆井液濾失的同時(shí)還能有效減少熱傳遞。因此選用鉆井液體系時(shí)既要降低其濾失又要降低鉆井液與井壁的熱交換系數(shù)，從而進(jìn)一步減少地層受熱；如果有水進(jìn)入融化后的冰融孔隙中，那么井壁穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)更大[4,33]。

另外需要指出的是，寒帶海域海底的永凍層與天然氣水合物的存在是密切相關(guān)的[38]，一旦鉆遇天然氣水合物，破壞了其賦存條件，會(huì)形成淺層氣流，將會(huì)打破地層原有的應(yīng)力平衡，使得永凍層的井壁穩(wěn)定遭到破壞，井筒壓力控制以及作業(yè)平臺(tái)也會(huì)有更大的風(fēng)險(xiǎn)。如果在一些連通性不好的永凍層中存在天然氣水合物，當(dāng)水合物分解后，氣體無法釋放出來，也會(huì)造成淺層高壓[41]。針對(duì)永凍層中水合物的問題，可以采用的方法是通過適當(dāng)控制永凍層的鉆井速度和鉆井液密度，以及在鉆井液中加入合適的水合物抑制劑并降低鉆井液的溫度，可以較好地控制水合物和與原生水合物共存的游離氣體的影響[33,41]。

由前述分析可知，永凍層的融化程度是與溫度和時(shí)間密切相關(guān)的，快速鉆過永凍層井段可以減少永凍層裸眼井段的暴露時(shí)間。選用一個(gè)適合地層條件的鉆頭是實(shí)現(xiàn)快速鉆井的關(guān)鍵。由于永凍層特殊的性質(zhì)，為了防止大尺寸巖屑在上返過程中，對(duì)井壁造成過大的沖擊破壞，應(yīng)選擇PDC 鉆頭，其好處在于PDC 鉆頭所產(chǎn)生的巖屑較細(xì)；同時(shí)PDC 是一體式鉆頭，在高鉆速下鉆頭工作面狀態(tài)較牙輪鉆頭穩(wěn)定，有利于避免因鉆頭工作面不穩(wěn)造成對(duì)井壁的振動(dòng)沖擊破壞。另外，還要控制環(huán)空返速不能過高，否則過高的流速會(huì)對(duì)井壁產(chǎn)生更大的沖刷，加劇井壁的不穩(wěn)定性[4]。

4.3 低溫鉆井液技術(shù)

鉆井液是維持鉆進(jìn)過程井壁和井筒安全穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。由于永凍層的力學(xué)性質(zhì)對(duì)溫度、壓力敏感，在永凍層鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)選用與井壁巖石溫壓條件相適應(yīng)且性能滿足要求的低溫鉆井液體系[42-43]。

在設(shè)計(jì)低溫鉆井液時(shí)，需要考慮鉆井液的密度、流變性、濾餅質(zhì)量、水化抑制性、低溫穩(wěn)定性，以保證在凍結(jié)地層進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液具有較小的散熱系數(shù)、較低的濾失量低以及較大的黏度，這一設(shè)計(jì)原則在俄羅斯凍結(jié)地層的鉆進(jìn)中被證實(shí)是最有效的[33,42]。為了達(dá)到上述目的，可以在鉆井液設(shè)計(jì)中加入水解聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、羧基甲基纖維素、聚乙烯氧化物等來增大鉆井液的黏度，減小濾失量。通過添加少量的聚氧乙烯或巴西樹脂型聚合物，可以降低液流的熱交換[33,42]。在優(yōu)化鉆井液體系的性能時(shí)，降低鉆井液的冰點(diǎn)也是很重要的。冰點(diǎn)的降低，也減小了地層與鉆井液之間的溫度差，使得兩者之間的熱交換減少，從而減少了永凍層因受熱解凍而發(fā)生的井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。降低鉆井液冰點(diǎn)的添加劑有NaCl、KCl 等，當(dāng)鉆井液的冰點(diǎn)超過－5 ℃時(shí)，應(yīng)添加乙二醇等防凍劑[33,42,44]。為保持鉆井液的穩(wěn)定，提高低溫條件下的流動(dòng)性，還可以使用低溫泡沫鉆井液等無固相鉆井液體系[45-46]。

4.4 低溫固井技術(shù)

針對(duì)永凍層的低溫特性，固井水泥漿應(yīng)具有凍融耐久性長、隔離膠結(jié)性好、凝結(jié)時(shí)間短的特點(diǎn)[36]。最初在永凍層地區(qū)鉆井就發(fā)現(xiàn)，在低溫下，用常規(guī)的波特蘭水泥固井是不行的，其性能不能滿足低溫條件，同時(shí)其水化熱過大也很容易導(dǎo)致永凍層加速融合，影響地層—水泥環(huán)—套管間的膠結(jié)質(zhì)量[34,47]。研究發(fā)現(xiàn)，通過高鋁水泥和石膏混合后的水泥漿體系能較好地適用于永凍層環(huán)境[5,34]。但石膏含量高可能會(huì)導(dǎo)致凝固的水泥變脆，一旦投入生產(chǎn)并暴露在各種壓力和溫度循環(huán)下，容易出現(xiàn)裂縫，同時(shí)地層中可能存在的地層水會(huì)把石膏溶解掉，使其性能發(fā)生衰減。對(duì)此，開發(fā)出一種兼容性好、凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度也較好的新型G 級(jí)水泥是很有應(yīng)用價(jià)值的[48]。針對(duì)永凍層埋藏深度淺，地層承壓能力低的特點(diǎn)，降低水泥漿的密度也是永凍層固井研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向。硬瀝青是一種顆粒狀碳?xì)浠衔锏臑r青巖，它不僅能降低水泥漿的重量，還能起到有效的橋接劑的作用[35]。在一些有淺層氣或天然氣水合物含量比較高的永凍層區(qū)域，除了要求其水泥漿密度低外，還必須要注意要提高水泥硬化后對(duì)氣體遷移的耐久性。一種由無石膏基水泥與輕質(zhì)水泥、穩(wěn)定劑、膨脹劑所形成的輕質(zhì)水泥漿在俄羅斯亞馬爾島的永凍層固井中得到了很好的應(yīng)用，具有良好的封固強(qiáng)度和耐久性[36]。輕質(zhì)水泥漿性能除了注重其強(qiáng)度和封固性外，其隔熱性的好壞也關(guān)系到永凍層固井質(zhì)量的高低。這就要求輕質(zhì)水泥在隔熱方面也應(yīng)具有良好的性能，不僅在強(qiáng)度上為套管柱提供結(jié)構(gòu)支撐，同時(shí)使其保持較低的導(dǎo)熱系數(shù)，有助于延長油井壽命。為了達(dá)到此目的，在輕質(zhì)水泥漿中加入低導(dǎo)熱性的微珠、泡沫等是可行的[37]，因?yàn)榕菽膶?dǎo)熱系數(shù)只有水的一半，可以有效地降低永凍層與井筒之間的傳熱[49]。

4.5 鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)

通常高緯度寒帶海域適合鉆井作業(yè)的時(shí)間窗口較短，在迅速完成一個(gè)井位或一個(gè)窗口期的鉆井作業(yè)后，要能夠移位至下一個(gè)指定位置，這就要求鉆井平臺(tái)具有低溫條件下較強(qiáng)的抗冰能力和機(jī)動(dòng)性。目前適用于高緯度寒帶低溫海域的鉆井平臺(tái)的主要有三大類：一類是觸底式平臺(tái)，包括坐底式和自升式；一類是浮動(dòng)式，包括半潛式和鉆井船；還有一類是人工島。人工島因其建設(shè)周期長、費(fèi)用高、靈活性不夠且使用周期短，被應(yīng)用的數(shù)量沒有前兩類多[50-52]。浮式平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是移動(dòng)性能好，能夠在高緯度深水區(qū)域進(jìn)行鉆井，但對(duì)其破冰性能和惡劣海況下的平臺(tái)穩(wěn)定性要求較高，美國在阿拉斯加北冰洋大陸架海域進(jìn)行鉆井作業(yè)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中就指出，應(yīng)根據(jù)在不同的海冰等級(jí)條件來使用不同的平臺(tái)[31]。目前，高緯度永凍層海域鉆井還主要集中在水深相對(duì)較淺的大陸架海域。因此，可移動(dòng)的觸底式平臺(tái)就成了可以兼顧上述兩種平臺(tái)的特點(diǎn)的一種選擇。但是對(duì)于觸底式平臺(tái)需要考慮的是，永凍層的凍融力學(xué)特性對(duì)平臺(tái)底部受力穩(wěn)定性的影響。為此，一種由自升式平臺(tái)和單柱平臺(tái)組合而成的新型平臺(tái)結(jié)構(gòu)被提出來。如圖6和圖7 所示，該類型的平臺(tái)由帶壓載艙的基座組成，中心柱內(nèi)可放置管柱和管線，中心柱的凈空可安裝相關(guān)的鉆井裝備和模具；柔性纜索及上部結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)多層的上部作業(yè)結(jié)構(gòu)。上部作業(yè)結(jié)構(gòu)可借助錨固在上甲板和上部結(jié)構(gòu)上的柔性纜索，沿中心柱進(jìn)行上下移動(dòng)[32]。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于：可以上下移動(dòng)的上甲板殼體，可以根據(jù)海水冰面的情況進(jìn)行調(diào)整來抵抗或減小海冰及淺層水流的橫向推力；同時(shí)該平臺(tái)的大面積底座使得海底單位面積上的壓強(qiáng)會(huì)減小，海底地層均勻受力，也有利于降低結(jié)構(gòu)物的重心，保證平臺(tái)整體穩(wěn)定性。

圖6 自升式和坐底式混合平臺(tái)圖[32]

圖7 自升式和坐底式混合平臺(tái)的核心結(jié)構(gòu)剖面圖[32]

5 認(rèn)識(shí)與展望

1）高緯度寒帶海域的油氣儲(chǔ)量豐富，存在于此的永凍層是在高緯度寒帶海域進(jìn)行油氣鉆井必須要面對(duì)的一個(gè)特殊地層。其特殊性在于，在低溫環(huán)境下地層孔隙空間結(jié)構(gòu)中存在冰，而鉆井施工的實(shí)施過程會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生融解，引發(fā)其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，對(duì)鉆井過程的安全高效、固井質(zhì)量的高低以及鉆井平臺(tái)的穩(wěn)定性等方面都會(huì)帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)隱患，這也是永凍層鉆井技術(shù)策略制定的關(guān)鍵和技術(shù)挑戰(zhàn)所在。

2）綜合分析來看，永凍層給鉆井工程帶來的風(fēng)險(xiǎn)隱患的根源在于受井筒熱傳遞的影響，井壁及近井壁巖石的冰凍狀態(tài)發(fā)生了改變。因此高效而長久的隔熱技術(shù)和低溫鉆井液技術(shù)是解決永凍層鉆井難題的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

3）對(duì)于固井來講，低密度放熱少且低溫下強(qiáng)度性能好的水泥漿體系是較好地選擇。在套管設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮因地層沉降而產(chǎn)生的交變應(yīng)力對(duì)套管的影響。

4）與低緯度海域常溫條件下的鉆井平臺(tái)不同，考慮到高緯度海域的極寒條件和海冰對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)，鉆井平臺(tái)除了能給作業(yè)者提供適合低溫海域環(huán)境的工作條件外，還應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性和抗冰性能以及較為靈活的移動(dòng)性能。

5）由于地理位置的原因，我國目前對(duì)于高緯度寒帶海域的鉆井技術(shù)缺少相應(yīng)的研究和實(shí)踐技術(shù)積累。應(yīng)盡快開展從永凍層識(shí)別到寒帶海洋鉆井工藝及裝備的技術(shù)研究，提高對(duì)高緯度寒帶海域永凍層的認(rèn)識(shí)，并進(jìn)行相關(guān)鉆井工藝技術(shù)的儲(chǔ)備，對(duì)我國在“一帶一路”的倡議下，更好地開展國際油氣能源技術(shù)開發(fā)和合作，促進(jìn)我國油氣裝備技術(shù)和工程技術(shù)的發(fā)展，是很有必要和有意義的。