黃 熠 劉書杰 周建良 劉和興 孟文波 黃 鑫 柳亞亞 殷啟帥 宋 宇

(1.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 北京 102249； 3.中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司 北京 100010)

1 陵水17-2氣田鉆完井面臨的挑戰(zhàn)

陵水17-2氣田位于南海瓊東南盆地深水區(qū)的陵水凹陷，距海南島約150 km，平均作業(yè)水深1 500 m，是中國(guó)首個(gè)深水自營(yíng)大氣田，也是中國(guó)海油第1個(gè)進(jìn)行獨(dú)立自主前期研究的大型深水氣田工程，目前已探明地質(zhì)儲(chǔ)量超過千億m3，主要生產(chǎn)凝析油和天然氣[1]。陵水17-2氣田已完成全部鉆完井作業(yè)，并于2021年6月底投產(chǎn)，這標(biāo)志著中國(guó)深水鉆完井技術(shù)體系已經(jīng)初步形成，可滿足大部分深海鉆探開發(fā)需求，大大增強(qiáng)了中國(guó)深水油氣勘探開發(fā)能力。不同于陸地及淺水鉆完井，由于作業(yè)水深的不斷增加，陵水17-2氣田鉆完井主要面臨以下問題和挑戰(zhàn)：①深水導(dǎo)致的低溫環(huán)境；②極窄壓力窗口；③深水地質(zhì)災(zāi)害；④深水井控風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 海底低溫環(huán)境

在中國(guó)南海深水海域，海床處的溫度約為2～4 ℃。通過室內(nèi)試驗(yàn)，得到了陵水17-2氣田所在海域溫度與鉆井液流變關(guān)系，如圖1所示。從圖1可以看出，溫度對(duì)鉆井液、完井液的黏度及流變性影響巨大，而鉆完井液在井底-泥面-轉(zhuǎn)盤面運(yùn)移時(shí)要經(jīng)歷低溫環(huán)境，在泥線以下要經(jīng)歷井底高達(dá)30～200 ℃的高溫環(huán)境，深水大溫差環(huán)境對(duì)深水安全鉆井造成巨大挑戰(zhàn)。此外，海底低溫同樣會(huì)造成水泥漿水化速率減小，影響淺層固井質(zhì)量[2-3]。

圖1 溫度與鉆井液流變圖

同時(shí)，天然氣水合物對(duì)深水鉆完井作業(yè)影響巨大。水合物的生成往往導(dǎo)致井口連接器的凍結(jié)，影響隔水管在緊急情況下的脫開；而在海底泥面附近，隔水管、防噴器與鉆具的環(huán)空之間形成的水合物會(huì)造成鉆具卡鉆。此外，弱壓井、節(jié)流管線處的水合物形成堵塞，會(huì)對(duì)井控時(shí)防噴器組的正常開關(guān)造成嚴(yán)重影響；鉆井過程中，環(huán)境因素的變化可能造成水合物分解，從而導(dǎo)致地層強(qiáng)度變?nèi)?、井眼擴(kuò)徑等問題。研究表明，水合物能夠釋放出170倍自身體積的氣體，在密閉環(huán)境中一旦受熱分解，由此產(chǎn)生的壓力可高達(dá)幾十兆帕，極有可能導(dǎo)致管柱及相關(guān)設(shè)備破裂。

1.2 極窄壓力窗口

隨著鉆完井作業(yè)向水深更深處進(jìn)軍，地層的破裂壓力梯度也隨之降低，進(jìn)而導(dǎo)致地層破裂壓力梯度與地層孔隙壓力梯度之間的窗口較窄，而陵水17-2氣田屬于典型的超深水環(huán)境，該氣田深水極窄鉆井作業(yè)壓力窗口低至0.02 g/cm3[4-6]。

極窄壓力窗口對(duì)深水鉆完井作業(yè)影響較大，主要表現(xiàn)為：與常規(guī)鉆井相比，更加復(fù)雜的井身結(jié)構(gòu)帶來成本和工期的增加；對(duì)鉆完井前期設(shè)計(jì)提出了更高的要求，要準(zhǔn)確把握地層壓力情況，從而為深水井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化及雙梯度鉆井等技術(shù)的應(yīng)用提供支持。

1.3 深水地質(zhì)災(zāi)害

南海深水區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，深水鉆井還面臨著淺層流、淺層氣、海床表面不穩(wěn)定以及海底表層土質(zhì)疏松等地質(zhì)問題的挑戰(zhàn)(圖2)。深水海底的高壓環(huán)境下，大量淺層氣往往通過壓實(shí)作用被圈閉在地層中。在深水鉆完井作業(yè)中，由于鉆井液密度窗口窄，鉆遇淺層氣將造成嚴(yán)重后果。此外，相較于淺層氣，鉆遇高壓氣囊狀淺層氣危害性更高，理論研究表明，其氣體噴出速率每小時(shí)高達(dá)幾十萬立方米，進(jìn)而造成固井質(zhì)量下降，表層套管損壞，井口下沉，甚至井口報(bào)廢等一系列嚴(yán)重后果[7-8]。

圖2 深水鉆井地質(zhì)災(zāi)害示意圖

1.4 深水井控

深水鉆完井的井控風(fēng)險(xiǎn)高，由于深海作業(yè)環(huán)境、海底地質(zhì)特點(diǎn)、井控設(shè)備等條件不同，深水鉆井井控及應(yīng)急救援更加復(fù)雜[9]。深水鉆完井作業(yè)時(shí)，防噴器組通常安裝在海底，要求能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流現(xiàn)象。氣體在井下呈壓縮狀態(tài)，向上滑脫運(yùn)移時(shí)，不易發(fā)現(xiàn)。當(dāng)氣體過防噴器組進(jìn)入隔水管后，隨著液柱壓力的降低開始加速膨脹運(yùn)移，體積膨脹可超過百倍，井控風(fēng)險(xiǎn)極大。此外較長(zhǎng)的壓井管線也限制了壓井循環(huán)的流速，極窄壓力窗口和低溫水合物風(fēng)險(xiǎn)也給深水井控帶來不少問題[10]。

2 陵水17-2氣田高效開發(fā)鉆完井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 深水復(fù)雜條件安全高效建井技術(shù)

2.1.1深水表層規(guī)模化批鉆技術(shù)

深水探井作業(yè)僅僅考慮某一口井的鉆井和測(cè)試作業(yè)，當(dāng)一口井完成鉆井、測(cè)試和永久棄井之后，才能進(jìn)行下一口井的作業(yè)，導(dǎo)致作業(yè)程序重復(fù)、成本高、周期長(zhǎng)。在深水開發(fā)井作業(yè)中，根據(jù)勘探開發(fā)需要，并結(jié)合油氣藏特征，綜合分析起下BOP(防噴器)、懸掛隔水管航行及鉆具準(zhǔn)備時(shí)間差異，通過建立批鉆最優(yōu)化方案選擇模型，選擇最高效作業(yè)模式，優(yōu)化作業(yè)步驟，以達(dá)到最大程度節(jié)省作業(yè)時(shí)間及作業(yè)成本的目的[11-12]。

深水表層規(guī)?；@技術(shù)在陵水17-2氣田9口井取得成功應(yīng)用。每批次的表層批鉆作業(yè)可節(jié)約工期8～10 d，節(jié)約作業(yè)成本約5 000萬元人民幣；每批次測(cè)試作業(yè)，工期可節(jié)約15 d，作業(yè)成本約降低1億元人民幣。較探井表層建井周期、開發(fā)井表層建井周期縮短21.5%；相對(duì)批復(fù)工期提前33.34 d，綜合提效52.33%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.1.2深水開發(fā)井上下部完井一體化模式

受作業(yè)平臺(tái)的空間緊湊、關(guān)鍵水下設(shè)備及物資交貨周期長(zhǎng)等因素的影響，國(guó)際上通用深水完井程序?yàn)椤跋虏客昃?、下橋塞臨時(shí)棄井、轉(zhuǎn)至下口井、井筒重入、上部完井、清噴作業(yè)”，完井作業(yè)步驟復(fù)雜[13]。陵水17-2氣田在開發(fā)過程中不局限于國(guó)際上傳統(tǒng)的上下部進(jìn)行深水完井作業(yè)的模式，通過一系列努力后實(shí)現(xiàn)了上下部完井一體化作業(yè)。

首先，對(duì)水下采氣樹及關(guān)鍵完井工具進(jìn)行了提前采辦。其次，優(yōu)選鉆井平臺(tái)，并進(jìn)行了深水完井適應(yīng)性改造、大型設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)與升級(jí)。選用了第七代深水鉆井平臺(tái)“藍(lán)鯨一號(hào)”，進(jìn)行了數(shù)十項(xiàng)項(xiàng)深水完井及下入水下采氣樹適應(yīng)性改造工作，雙井架可以更高效地進(jìn)行管柱預(yù)接及拆甩作業(yè)，更大的甲板空間使得大型設(shè)備有了同時(shí)就位的可能。陵水17-2氣田開發(fā)井地面防砂設(shè)備模塊化研究設(shè)計(jì)，使設(shè)備占用平臺(tái)甲板面積最小化，極大提升現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)效，保障了防砂作業(yè)安全高效實(shí)施。深水完井地面清噴流程模塊化升級(jí)，重點(diǎn)考慮了模塊內(nèi)部管線的可維護(hù)性，提高了對(duì)模塊下部管線檢測(cè)的便易性，更集成、更高效、更安全。最后，多個(gè)后勤保障基地讓完井準(zhǔn)備及后續(xù)支持更加游刃有余。各基地之間信息互通，資源共享，合理調(diào)配，協(xié)同保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)物資供應(yīng)。

深水開發(fā)井上下部完井一體化模式在陵水17-2氣田開發(fā)中成功實(shí)施，打破了國(guó)外深水完井分上下部施工的固定作業(yè)模式，節(jié)省場(chǎng)地超50%，降低完井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，無需臨時(shí)棄井和重入，可節(jié)約工期50船天，為中國(guó)自營(yíng)深水氣田開發(fā)提質(zhì)增效和早日投產(chǎn)見氣提供了有力保障。

2.2 深水井筒環(huán)空壓力管控技術(shù)

深水井筒中環(huán)空壓力管控一直是深海油氣開采中的重要一環(huán)。由于地層信息不明確和技術(shù)缺陷的影響，深水油氣井會(huì)產(chǎn)生多層次的環(huán)空結(jié)構(gòu)，且深水油氣井井口為完全密閉，環(huán)空壓力無法通過泄壓通道進(jìn)行釋放，多種因素耦合作用加劇了井筒環(huán)空壓力所帶來的風(fēng)險(xiǎn)[14]。

陵水17-2氣田井口采用水下井口，套管掛及密封總成鎖緊力560 klbs(254 t)，作業(yè)期間加裝鎖緊環(huán)，套管掛及密封總成額定鎖緊力增加至2 000 klbs(907.2 t)，鎖緊環(huán)上端通過鎖環(huán)插入高壓井口內(nèi)壁鎖槽實(shí)現(xiàn)鎖緊，下端插入φ244.475 mm套管掛內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)金屬密封。

通過控制環(huán)空水泥返高和使用破裂盤是目前使用最廣泛、可靠性最好、控制精度最高的環(huán)控壓力緩解措施[15]。破裂盤安裝在套管合適位置，通過控制金屬薄片參數(shù)，在設(shè)定壓差下破裂，進(jìn)而釋放環(huán)空壓力，達(dá)到緩解圈閉環(huán)空壓力、升高峰值的目的，該技術(shù)發(fā)展成熟、性能可靠，在全球范圍內(nèi)都得到了廣泛應(yīng)用。陵水17-2氣田所用破裂盤均安裝于泥線以下100 m位置的φ339.725 mm套管串，是環(huán)空壓力緩解必要措施之一。

2.3 井控安全屏障構(gòu)建技術(shù)

臨時(shí)封井必須滿足2道屏障，在陵水17-2氣田開發(fā)過程中創(chuàng)建了“3+1”道屏障安全控制臨時(shí)封井技術(shù)，保障施工安全，提高作業(yè)效率。

第1道屏障：φ244.475 mm套管浮箍雙氣密單流閥設(shè)計(jì)，防止流體串通至套管內(nèi)；第2道屏障：浮箍以下保留2～3根套管，水泥鞋塞設(shè)計(jì)，增加安全保障；第3道屏障：下入臨時(shí)棄井橋塞；1道安全措施：計(jì)算解脫井口后能夠平衡地層壓力所需替入的鹽水比重，下入臨時(shí)棄井橋塞時(shí)同時(shí)替入高比重鹽水。對(duì)于3道屏障均試壓并負(fù)壓測(cè)試合格，再增加1道安全措施，確保井控安全?！?+1”道屏障安全控制臨時(shí)封井技術(shù)較注水泥塞的方式節(jié)約了候凝和鉆水泥塞的時(shí)間，不僅提高了效率，且保證了井筒清潔，為后續(xù)作業(yè)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。

2.4 深水高產(chǎn)井高效安全測(cè)試技術(shù)

深水單井產(chǎn)能高，工藝復(fù)雜，測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)較高。陵水17-2氣田項(xiàng)目組經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)和自主研發(fā)，建立了一套深水高產(chǎn)井高效安全測(cè)試技術(shù)。該技術(shù)創(chuàng)建了基于水合物生成、運(yùn)移、沉積、堵塞演化機(jī)制的動(dòng)態(tài)高效防治方法，可對(duì)測(cè)試過程中存在的水合物堵塞情況進(jìn)行有效預(yù)防，創(chuàng)新形成了深水測(cè)試快速部署技術(shù)。

2.4.1深水測(cè)試水合物防治技術(shù)

水合物的生成會(huì)帶來嚴(yán)重的井控風(fēng)險(xiǎn)[16-17]。陵水17-2氣田項(xiàng)目組通過建立深水氣井測(cè)試全流程全周期溫度預(yù)測(cè)模型，明確了水合物在深水氣井管柱內(nèi)的生成、運(yùn)移、沉積及堵塞時(shí)的演化機(jī)制(圖3)，創(chuàng)建了深水測(cè)試全流程全周期溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)精度提高到95%以上。在此基礎(chǔ)上首創(chuàng)了基于拓展安全作業(yè)窗口的“允許生成、防止堵塞”水合物高效防治方法。該方法依據(jù)水合物運(yùn)移沉積特征以及管柱內(nèi)水合物堵塞演化特征，確定水合物抑制劑用量，與目前常用的完全抑制的方法相比，水合物抑制劑用量減少50%以上。

圖3 天然氣水合物相態(tài)曲線[18]

2.4.2深水測(cè)試快速部署技術(shù)

深水測(cè)試地面設(shè)備多、工作量大，且放噴量高，對(duì)地面設(shè)備和流程管線性能也提出了更高的要求[19-20]。陵水17-2氣田項(xiàng)目組通過將深水測(cè)試地面設(shè)備模塊化和集成化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地面設(shè)備流程布局的全面優(yōu)化，有效節(jié)省了作業(yè)成本(表1)。與業(yè)內(nèi)技術(shù)相比，該技術(shù)將測(cè)試準(zhǔn)備時(shí)間縮短12 d，設(shè)備占地面積較傳統(tǒng)模式降低30%，且實(shí)現(xiàn)了不占用鉆機(jī)、臺(tái)風(fēng)期間正常作業(yè)，鉆后立即測(cè)試的目標(biāo)，避免了臨時(shí)棄井、起下隔水管、井筒重入等過程，實(shí)現(xiàn)了鉆后立即測(cè)試，單井測(cè)試時(shí)間縮短16 d，節(jié)省費(fèi)用9 500萬人民幣。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展建立了自主化的深水測(cè)試地面設(shè)備模塊化專項(xiàng)技術(shù)，且在陵水17-2氣田等項(xiàng)目中應(yīng)用效果良好，積極促進(jìn)了中國(guó)深水測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。

表1 深水測(cè)試地面設(shè)備安裝技術(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

1)針對(duì)陵水17-2氣田在鉆完井作業(yè)中面臨的諸多困難，通過技術(shù)攻關(guān)，建立了以深水表沉規(guī)?；@技術(shù)及深水開發(fā)井上下部完井一體化模式為代表的深水復(fù)雜條件下安全高效建井技術(shù)，形成了井筒環(huán)空壓力管控方法，構(gòu)建了井控安全屏障單元體系，創(chuàng)建了以深水測(cè)試水合物防治及快速部署技術(shù)為代表的深水高產(chǎn)井高效安全測(cè)試技術(shù)。

2)陵水17-2氣田深水鉆完井關(guān)鍵技術(shù)的成功創(chuàng)新及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)鉆完井技術(shù)的重大突破，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，助力了中國(guó)鉆完井工藝從淺水到深水的階段性跨越，為中國(guó)南海深水油氣資源自主勘探開發(fā)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，為中國(guó)能源安全提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。