薛 洋

（中海油田服務(wù)股份有限公司，廣東湛江 524057）

中國南海作為我國未來重要的油氣資源接替區(qū)，已探明石油地質(zhì)儲量約372×108t，其中70%以上蘊藏于深水。走向具備巨大油氣開發(fā)潛力的深水區(qū)，是海洋油氣資源勘探開發(fā)發(fā)展的大趨勢。陵水17-2 項目作為我國首個自營開發(fā)的深水大氣田，天然氣儲量超過千億方。但深水鉆井普遍面臨著“下地、入海”的雙重考驗，不僅需要克服惡劣的海上作業(yè)環(huán)境，而且面臨水下井口及隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性力學(xué)機制復(fù)雜、井控要求高等諸多技術(shù)難題[1-4]。同時陵水17-2 區(qū)塊儲層埋深較淺，上部地層欠壓實，造斜困難。

本文基于陵水17-2 氣田的開發(fā)需求，梳理了海上深水鉆井過程中所面臨的主要技術(shù)難題，從鉆機能力評估、水下精準(zhǔn)定位系統(tǒng)、安全避讓設(shè)計、井位部署及定向井軌跡等措施進(jìn)行了詳細(xì)論證，針對深水井口及隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性、導(dǎo)管入泥深度校核、噴射鉆進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述。陵水17-2 鉆井總體設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究成果不僅為該氣田的順利開發(fā)提供了強有力的技術(shù)支持，更標(biāo)志著我國油氣勘探開發(fā)從淺海向深水質(zhì)的飛躍。

1 主要技術(shù)難題

1.1 海上作業(yè)環(huán)境限制

陵水17-2 氣田位于南海瓊東南盆地北部海域，距離最近的陸上終端156 km。由于遠(yuǎn)離陸地，油氣開發(fā)面臨惡劣的海上環(huán)境挑戰(zhàn)。該區(qū)域平均水深1 500 m，極端最高氣溫41 ℃，同時近10年間年臺風(fēng)平均個數(shù)為4.3 個。海域附近平均風(fēng)速為7 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)23 m/s，平均浪高為3 m，最大浪高為17 m。而且水文觀測數(shù)據(jù)表明瓊東南海域常年存在較大能量內(nèi)波流，可能會導(dǎo)致平臺隔水管系統(tǒng)發(fā)生破壞，隔水管發(fā)生應(yīng)急解脫等。

1.2 水下井口及隔水管穩(wěn)定性力學(xué)分析復(fù)雜

通過前期采用水下機器人ROV 詳細(xì)探測，獲取井口附近詳細(xì)地形地貌特征、障礙物等信息。確定了陵水17-2 區(qū)塊海底土質(zhì)主要為黏土，無坍塌滑坡特征，鉆遇斷層、古河道風(fēng)險極低。但平均水深為1 500 m，淺層地質(zhì)疏松及海底溫床，使得地層破裂壓力低，對水下井口及隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性等技術(shù)要求更加嚴(yán)格。

1.3 軌跡控制難度大

陵水17-2 氣田目的層黃流組埋深淺，上部地層欠壓實，常規(guī)定向井工具難以保證穩(wěn)定3°/30 m的造斜率，軌跡控制難度較大。因此在油藏靶點確定的情況下，為減小作業(yè)難度，提高項目整體的經(jīng)濟(jì)性，需對定向井軌跡設(shè)計及鉆具組合做出優(yōu)化。

1.4 井控要求高

在深水環(huán)境下實施鉆井作業(yè)，通常地層孔隙壓力和破裂壓力之間的窗口比較窄，加上防噴器組位于海底，壓井、阻流管線較長，井控操作的難度較大。隨著深海油氣勘探開發(fā)工作的深入，深水鉆井裝備技術(shù)勢必需要不斷發(fā)展，相應(yīng)要求也越來越高[5-6]。

2 關(guān)鍵技術(shù)措施

2.1 鉆機能力評估

結(jié)合陵水17-2 區(qū)塊周邊海洋環(huán)境特征及設(shè)計的井身結(jié)構(gòu)，采用HYSY981 鉆井平臺進(jìn)行作業(yè)。作為我國最先進(jìn)的半潛式鉆井平臺，其主要技術(shù)規(guī)格如下：最大作業(yè)水深3 000 m，井深10 000 m；頂驅(qū)提升能力906 t，最大抗風(fēng)能力56 m/s；可存儲燃油4 060 m3，鉆井水3 000 m3；防噴器抗壓等級15 000 psi，平臺最大可載人數(shù)180 人。綜上評估，HYSY981 平臺鉆機能力完全滿足陵水17-2 氣田所有開發(fā)井的作業(yè)要求。

2.2 高精準(zhǔn)水下定位

深水水下定位精度要求極高，因此HYSY981平臺采用HiPAP500 水下定位系統(tǒng)，能夠同時實現(xiàn)LBL（長基線水下定位)和USBL（超短基線水下定位）兩種水下定位技術(shù)（圖1）。LBL 系統(tǒng)由分布于海底的發(fā)射應(yīng)答器陣，組成水下長基線陣列，陣列經(jīng)過校準(zhǔn)后，任何在陣列中的目標(biāo)和水面船的測距精度可以達(dá)到1～2 cm，相對定位精度可達(dá)5 cm 以內(nèi)，且不受水深的限制。LBL 系統(tǒng)除了能夠提供高精度定位外，還具備數(shù)量更多的通道，對于大型復(fù)雜的油田開發(fā)項目，能夠滿足多船、多ROV 同時同地施工，而不會相互干擾，同時也是唯一能夠提供USBL 兼容和高速數(shù)據(jù)遙測的聲學(xué)技術(shù)。

圖1 深水高精度水下定位系統(tǒng)Fig.1 High-precision underwater positioning system in deep-water

2.3 安全避讓距離設(shè)計

作業(yè)期間，考慮鉆完井與工程的交叉作業(yè)，為確保作業(yè)安全，需對避讓距離進(jìn)行專門的設(shè)計分析。計算式見式（1）：

式中：L為安全避讓距離，m；H為作業(yè)水深，m；θ為應(yīng)急解脫角度；°；A為平臺一半長度，m；K為安全系數(shù)。

由式（1）可知，平臺安全距離與作業(yè)環(huán)境及平臺設(shè)備能力有關(guān)。參考陵水17-2 氣田作業(yè)平均水深1 500 m，角度參考前期探井為8°，HYSY981平臺長116.6 m，安全系數(shù)200%。計算結(jié)果得出HYSY981 平臺避讓距離為668.87 m。期間綜合考慮海域環(huán)境、供應(yīng)船支持半徑及作業(yè)安全等因素，要求避讓距離半徑不低于1 km（圖2）。

圖2 陵水17-2 氣田安全避讓距離示意圖Fig.2 Schematic diagram of the safe avoidance distance of LS17-2 gas field

2.4 定向井軌跡設(shè)計

通過前期勘探資料，陵水17-2 氣田儲層埋深較淺，淺部地層欠壓實，常規(guī)定向井工具難以保證穩(wěn)定3°/30 m 的造斜率，軌跡控制難度較大。目前國外深水開發(fā)井淺部地層普遍采用小于3°/30 m的造斜率，因此設(shè)計上部井段軌跡平均造斜率2.5°/30 m，同時將Φ444.5 mm 井眼調(diào)整為Φ406.4 mm井眼，造斜工具采用指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，并在上部增加雙柔性短節(jié)。實際作業(yè)期間，工具實際造斜率與本區(qū)塊類似的深水開發(fā)井對比，最大造斜率從初期的2.1°/30 m 提升至4.5°/30 m，提升效果明顯。

2.5 隔水管及水下井口穩(wěn)定性分析

為確保隔水管順利下入及水下井口穩(wěn)定性，利用有限元分析軟件ANSYS 建立隔水管系統(tǒng)力學(xué)計算模型。采用的高、低壓井口頭及表層導(dǎo)管幾何性能參數(shù)數(shù)據(jù)見表1。

表1 井口性能需求數(shù)據(jù)表Table 1 Wellhead performance requirements data

以陵水17-2 區(qū)塊平均水深1 500 m 為基本計算條件，井位附近環(huán)境載荷安全系數(shù)選取如下：最大浪高17 m，風(fēng)速22 m/s，平均波周期4 s，表層流速0.3 m/s，波浪載荷依據(jù)司托克斯五階波理論進(jìn)行計算，利用以上數(shù)據(jù)獲取確定最終彎矩能力分析的輸入值[7-9]。同時根據(jù)鉆井平臺相對于水平方向的不同偏移量，Φ914 mm 表層導(dǎo)管固井水泥漿返至泥線的工況下，對水下高、低壓井口頭和表層導(dǎo)管的最大等效應(yīng)力和彎矩進(jìn)行校核分析（表2），按最大5%偏移，安全系數(shù)分別為1.6、1.5、1.2，均滿足承載要求。

表2 鉆井工況下導(dǎo)管彎矩及應(yīng)力分析數(shù)據(jù)表Table 2 Conduit bending moment and stress analysis data under drilling conditions

利用ANSYS 軟件模擬，分別提取表2中高、低壓井口頭和表層導(dǎo)管最大彎矩值，表層套管固井水泥漿返至泥線附近的工況為基本條件。當(dāng)陵水17-2 區(qū)塊7 個井區(qū)水下井口傾斜0°、1°、2°時，平臺的最大偏移量統(tǒng)計見表3。

表3 鉆井工況條件下井口傾斜角分析數(shù)據(jù)表Table 3 Wellhead inclination angle analysis data under drilling conditions

通過以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)，陵水17-2 不同井區(qū)開發(fā)井作業(yè)過程控制平臺偏移量在水深的3.12%～4.91%，可確保平臺作業(yè)安全。

2.6 表層導(dǎo)管入泥深度校核

為確定表層導(dǎo)管合適入泥深度，以基于窗口最大化隔水管頂張力理論依據(jù)。通過輸入井口、導(dǎo)管、送入管柱重量及地層不排水抗剪強度等，采用解脫靜止時間工況及固井危險工況確定對噴射導(dǎo)管入泥深度及導(dǎo)管沉浸時間的分析，模擬噴射鉆進(jìn)中逐漸增加鉆壓及排量不超過泥線以下導(dǎo)管及BHA 浮重的80%[10-11]。最終得出陵水17-2 區(qū)塊導(dǎo)管平均入泥深度73 m，沉浸時間不少于2.5 h。

在實際噴射鉆進(jìn)過程中，前26 m 不超過100%導(dǎo)管浮重，以后不超過80%全部浮重，確保入泥前20 多米的導(dǎo)管盡量保持垂直狀態(tài)。最后10 m，在噴射較為困難的情況下，將鉆壓提高到90%全部浮重，噴射速度降低后，可通過適當(dāng)活動鉆具方式降低摩阻。導(dǎo)管噴射到位后利用地層的黏附力和摩擦力使導(dǎo)管獲得足夠的承載力，靜置觀察2.50 h 以上無下移，以滿足井口承載力要求。其中A2 井實際入泥深度與設(shè)計對比見圖3，可知兩者相差不大?？茖W(xué)合理的隔水管力學(xué)設(shè)計，確保了深水水下井口及隔水導(dǎo)管的穩(wěn)定性。

圖3 A2 井導(dǎo)管入泥深度曲線和設(shè)計對比Fig.3 Well A2 conduit mud depth curve and design comparison

2.7 噴射法下表層導(dǎo)管技術(shù)

基于對陵水17-2 區(qū)塊地層強度的區(qū)域認(rèn)識及隔水管力學(xué)分析可知，提高噴射排量，可以有效提高噴射效率，但導(dǎo)管承載力降低，為平衡兩者之間關(guān)系建立了基于“水力破土能力、導(dǎo)管承載力”雙因素約束的噴射排量新型設(shè)計方法[12-13]。基本設(shè)計原則如下：（1）根據(jù)海底淺層地質(zhì)分析，確立噴射下入導(dǎo)管可行性。陵水17-2 區(qū)塊淺層土質(zhì)以黏土為主，不排水抗剪強度低于200 kPa，適合采用噴射下導(dǎo)管；（2）通過水力破土能力，確定最小噴射排量；（3）根據(jù)導(dǎo)管入泥深度校核確定最大噴射排量。

11 口井表層導(dǎo)管采用該技術(shù)下入過程無遇阻現(xiàn)象，平均下入深度73.5 m，靜止解脫2.5 h 后沒有下沉。以A2 井為例，噴射鉆具到達(dá)海底泥面后，小排量打通正常后停泵，導(dǎo)管加壓至20～25 kN，使鉆具入泥0.5～1 m 左右，檢查牛眼讀數(shù)小于0.5°后開始噴射作業(yè)。前26 m，排量從0.2 m3/min逐步提高至4.5 m3/min。期間ROV 密切關(guān)注導(dǎo)管入泥處是否有竄流出現(xiàn)，如無竄流可根據(jù)噴射速度需要盡快提高排量。噴射結(jié)束前3～5 m 開始，逐步降低排量至2.5 m3/min，避免過度沖刷地層，以提高導(dǎo)管的承載力。該井噴射下導(dǎo)管時的實際排量與設(shè)計排量如圖4所示。

圖4 A2 井噴射下導(dǎo)管的實際排量與設(shè)計排量Fig.4 Actual and design flow of Jet conductor in Well A2

從圖4可看出，在實際作業(yè)過程中，排量和理論設(shè)計相符合，同時通過優(yōu)化鉆頭伸出量和噴射參數(shù)，將鉆頭伸出量由152.4 mm 增加至177.8 mm，排量最大由4.1 m3/min 提高至4.8 m3/min。平均機械鉆速達(dá)到了 74.7 m/h，噴射作業(yè)時效創(chuàng)深水之最。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

陵水17-2 氣田東西跨度超過49.5 km，歷時421 天順利完成11 口井全部鉆完井作業(yè)，是我國采用典型深水開發(fā)模式實現(xiàn)在1 500 m 水深安全鉆井開發(fā)的自營氣田。統(tǒng)計顯示，11 口井通過周密的鉆井技術(shù)措施指導(dǎo)施工，各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)，作業(yè)安全效率100%，其鉆井工程質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)與國際對比見表4。

表4 陵水17-2 項目工程質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)對比數(shù)據(jù)Table 4 Comparative data of engineering quality control standards for LS17-2 project

4 結(jié)論與建議

（1）陵水17-2 項目作為我國自營開發(fā)的深水氣田，在開發(fā)之初面臨諸多困難，通過對隔水導(dǎo)管及水下井口穩(wěn)定性分析、表層導(dǎo)管入泥深度校核、噴射鉆進(jìn)下表層導(dǎo)管等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，覆蓋地質(zhì)調(diào)查、井位優(yōu)選、軌跡設(shè)計等，順利完成該深水氣田的開發(fā)。說明我國經(jīng)過多年不斷探索，已形成了應(yīng)對各種復(fù)雜情況的中國特色深水鉆井技術(shù)，實現(xiàn)了從淺海向深水油氣田勘探開發(fā)質(zhì)的飛躍。

（2）由于深水鉆井工程指標(biāo)通常高于行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在總結(jié)陵水17-2 氣田開發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，有必要進(jìn)一步完善海上深水鉆井工程施工標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)深水及超深水高效、安全鉆井提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)保障。