李 中

（中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

目前，全球深水油氣累計產(chǎn)量為96×108t 油當量，剩余深水可采儲量為329×108t 油當量，海洋油氣開采已進入黃金時代。我國南海油氣資源總量超過300×108t，2014 年勘探發(fā)現(xiàn)的“深海一號”大氣田儲量超千億方[1–3]，其一期工程已于2021 年投產(chǎn)，年產(chǎn)氣量達30×108m3，二期工程于2022 年全面開工建設，預計投產(chǎn)后氣田總產(chǎn)能達到45×108m3/年。該氣田發(fā)育在瓊東南盆地底部中央峽谷內的濁積水道復合體，為條帶狀展布的孤立砂體，7 個井區(qū)各自獨立成藏，水深1252～1547 m，東西南北跨度分別為30 km×50 km。所在海域海況惡劣，工程地質環(huán)境復雜，鉆完井難度巨大，經(jīng)濟開發(fā)門檻高，面臨的難題具體表現(xiàn)為2 方面：

1）以“深海一號”一期為代表的超深水氣田，水深最深達1500 m 以上，但儲層埋藏淺，地層承壓能力低，最低破裂壓力系數(shù)僅1.21。海床溫度僅2～4 ℃，鉆井液流變性控制和淺層固井質量面臨巨大挑戰(zhàn)[4–6]。高度分散的大氣田，如何優(yōu)選總體布局降低開發(fā)成本，以及在滿足井筒完整性等要求的前提下，如何合理利用探井、有效防砂控水等均面臨挑戰(zhàn)。

2）以“深海一號”二期為代表的深水高壓氣田，水深約950 m，但地層溫壓系統(tǒng)復雜，最高地層壓力69 MPa 且存在壓力曲線反轉，最高地層溫度138 ℃。探井作業(yè)中井漏、溢流、阻卡等復雜情況頻發(fā)，極端復雜地質環(huán)境下存在“溢漏同層”現(xiàn)象，嚴重制約深水深層油氣的勘探開發(fā)進程[7–8]。

圍繞上述鉆完井難題，中國海油立足自主科技攻關，依托國家自然科學基金、國家科技重大專項等科研課題，建立了深水鉆完井關鍵技術體系。研究成果全面付諸工程實踐，設計方案與實際作業(yè)吻合度95%以上，源頭提質降本效果顯著，支撐建成了我國首個自營超深水大氣田——“深海一號”大氣田，2021 年該氣田的全面投產(chǎn)標志著我國海洋石油工業(yè)全面進入“超深水時代”[9–10]?；诖耍偨Y了中國海油“深海一號”大氣田鉆完井關鍵技術進展，并進行了技術展望，以期為未來挺進深遠海開發(fā)復雜油氣田提供技術支撐。

1 深水鉆完井關鍵技術體系

深水鉆完井關鍵技術體系集鉆完井設計關鍵技術、深水鉆完井關鍵工具裝備、高效作業(yè)及綜合提速技術于一體，如圖1 所示。其中，鉆完井設計關鍵技術和高效作業(yè)及綜合提速技術各有4 項代表技術，深水鉆完井關鍵工具裝備有4 項代表性成果。

圖1 深水鉆完井關鍵技術體系Fig. 1 Key technology system of deepwater drilling and completion

2 鉆完井設計關鍵技術

2.1 國產(chǎn)化深水水下井口

水下井口鉆井中心數(shù)量及位置直接影響投資規(guī)模，因此針對“深海一號”大氣田東西跨度50 km、南北跨度30 km、水深落差300 m 的復雜空間分布形態(tài)（如圖2 所示），對7 個井區(qū)分別進行了個性化設計。首創(chuàng)了以成本最小化為目標函數(shù)的水下井口布置綜合評估技術，綜合考慮油藏井位部署、鉆完井實現(xiàn)技術難度、工程設施布局、作業(yè)風險量化等多維度因素，形成了深水水下井口布置綜合評估流程及推薦做法，建立了多維度評估圖版；確立了“深海一號”大氣田“獨立井口+集中式井口”和“大串聯(lián)+小集中”結合的水下井口總體布局，與傳統(tǒng)單一模式相比節(jié)省成本上億元。

圖2 “深海一號”大氣田井區(qū)分布情況Fig. 2 Well map of "Deep Sea No.1" gas field

2.2 國產(chǎn)化深水水下采油樹

探井轉開發(fā)井有望大幅降低深水氣田的開發(fā)成本，單井降本規(guī)模達上億元。其中，油氣井的井筒完整性、產(chǎn)量剖面、流體組分等因素，是探井能否轉為合格生產(chǎn)井的關鍵，在探井設計階段難以全面考慮上述因素能否滿足安全性要求[11–13]。為此，以井筒完整性為目標，建立了深水探井轉開發(fā)井可行性評價技術，該技術以滿足油藏要求、井口情況、固井質量等3 個定性因素和套管材質、環(huán)空壓力、井筒尺寸、綜合成本等4 個定量因素為控制目標[14]，在“深海一號”大氣田優(yōu)選2 口探井轉為開發(fā)井，降本效果顯著。

2.3 深水大位移井安全鉆井周期預測技術

基于深水深部高壓地層彈性參數(shù)和力學特征，根據(jù)巖石長期強度實驗規(guī)律，建立了深水大位移井安全鉆井周期預測方法，修正了傳統(tǒng)力–化耦合模型中的誤差，圍繞地應力笛卡爾坐標系進行柱坐標轉換，建立了定向井坍塌壓力隨井眼鉆開時間的變化規(guī)律（如圖3 所示），準確預測了大位移井長裸眼段的安全鉆井周期，支撐深水開發(fā)井的水平位移延伸長度達到3000 m，為井身結構減次、優(yōu)化套管下深等奠定了理論基礎。同時，開發(fā)了深水高壓井鉆進井筒壓力實時監(jiān)控軟件系統(tǒng)，從設計與作業(yè)雙重角度，解決了深水復雜地層的安全鉆井問題。

圖3 深水開發(fā)井坍塌壓力隨井眼鉆開時間的變化規(guī)律Fig. 3 Variation of collapse pressure with hole drilling time in deepwater development well

2.4 深水氣井智能完井技術

“深海一號”大氣田底水發(fā)育，能量充足，未來氣井生產(chǎn)過程中存在見水風險，控水難度大。為滿足邊底水氣田生產(chǎn)管理及后期生產(chǎn)調整的需求，創(chuàng)新設計了深水智能完井技術方案（如圖4 所示）：對比液控與電控2 種滑套控制方式，從技術可靠性角度出發(fā)，推薦使用3 條液控管線控制2 個滑套的方案；由于“深海一號”氣田為礫石充填防砂，無需將控制閥安裝在產(chǎn)層段，因此推薦使用帶環(huán)空外套的井下流量控制閥布置形式。該技術方案實現(xiàn)了雙層井下流量監(jiān)測和調整，同時滿足了底水氣藏的智能控制。

圖4 “深海一號”智能完井管柱設計結果Fig. 4 Design of intelligent completion string in "Deep Sea No.1" gas field

深水智能完井技術方案在滿足技術可行性的基礎上，兼顧了深水作業(yè)流程造成的儲層保護和井控安全，考慮了后期施工作業(yè)風險、生產(chǎn)后期起管柱時效，減少了FIV 的開啟風險等，最終形成了滿足深水完井工藝整個生命周期可靠性的智能完井技術。

3 深水鉆完井關鍵工具裝備

3.1 國產(chǎn)化深水水下井口

目前國際主流深水水下井口性能為：額定工作壓力69～103 MPa，額定溫度U 級（?18～121 ℃），材料等級DD—HH，產(chǎn)品規(guī)范等級PSL-3 或PSL-3G；針對不同深水環(huán)境，各廠商也推出了各自針對性的井口設計，如GE 公司的高溫高壓井口MS700、FMC 公司的138 MPa 高壓井口和FMC 公司的小尺寸套管用水下井口等[15]。

中國海油依托工信部創(chuàng)新專項，研制了深水水下井口系統(tǒng)及配套工具。其中，高壓井口額定工作壓力103 MPa，額定溫度U?18～121 ℃，材料等級HH 級，產(chǎn)品規(guī)范等級PSL-3。通過了功能測試、壓力循環(huán)試驗、溫度循環(huán)測試和總裝測試等各項檢驗，并完成了海試。海試環(huán)節(jié)包括：鉆一開次井眼，下表層導管及井口頭；鉆二開次井眼，下表層套管，進行BOP 試壓，回收抗磨補心；送入?339.7 mm套掛密封總成、?339.7 mm 抗磨補心及其試壓杯，送入?244.5 mm 套管掛密封總成，進行試壓、固井循環(huán)作業(yè)、固井膠塞測試，以及回收密封總成等。

深水水下井口國產(chǎn)化研究取得突破，將會改變我國在深水水下井口依賴于國外公司的現(xiàn)狀，保障我國深水鉆井作業(yè)自主控制和安全實施，提升在復雜國際形勢下我國能源領域的抗風險能力。

3.2 國產(chǎn)化深水水下采油樹

水下采油樹技術一直被TechnipFMC、OneSubsea、Baker Hughes 和Aker Solutions 等4 家歐美公司所壟斷，這4 家公司占據(jù)國際水下采油樹市場的90%，導致設備采辦周期長、價格高、維修保養(yǎng)難，長期制約著我國海洋石油自主邁向深水的步伐。

中國海油依托工信部創(chuàng)新專項，牽頭整合國內百余家公司產(chǎn)業(yè)鏈，研制出我國首臺套500 m 級國產(chǎn)化深水水下采油樹，質量55 t，設計壽命20 年，額定工作壓力69 MPa，額定溫度?18～121 ℃，突破了高壓密封、防腐、精密加工、深水濕式電氣連接等一系列技術瓶頸，已取得權威第三方認證。目前該裝備已在鶯歌海海域的東方1-1 氣田成功投用，標志著我國已具備深水下采油樹整體研發(fā)、制造、測試和應用的核心技術能力。

3.3 深水早期溢流監(jiān)測技術與裝置

針對深水油氣田開發(fā)環(huán)境的特點和地質條件的復雜性，充分利用深水防噴器與隔水管段的安全屏障，研發(fā)了深水水下隔水管氣侵早期監(jiān)測預警系統(tǒng)，創(chuàng)新引入水聲通訊無線傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了該預警系統(tǒng)的安全高效安裝與操控。將深水井溢流侵入井筒的流體控制在水下防噴器以下，實現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)、早報告、早管控，有效防止井噴、平臺著火、爆炸等重大事故[16–17]。

深水水下隔水管氣侵早期監(jiān)測預警系統(tǒng)適用最大鉆井液密度達到1.6 kg/L，全套設備可離線快速安裝，不占井口作業(yè)時間，采用了深水環(huán)境水聲信號抗噪及容錯技術和基于值更模塊的自適應電源管理機制，實現(xiàn)了水下氣侵監(jiān)測儀與水上監(jiān)測主機的雙向通訊，數(shù)據(jù)傳輸速度≥500 bit/s，誤碼率小于1%，累計數(shù)據(jù)傳輸運行時長≥300 min。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)儲存溫度滿足?18～82 ℃，工作溫度滿足0～60 ℃，水下工作60 d，已分別在超深水探井和“深海一號”氣田開發(fā)項目中成功應用。

3.4 國產(chǎn)化多流道旁通篩管

常規(guī)礫石充填過程中，礫石從攜砂液中脫出并自然沉積。深水油氣田或長水平井段礫石充填時極易發(fā)生早期砂橋現(xiàn)象，使部分井段不能充滿礫石，不能形成均勻穩(wěn)定的礫石充填層，極大地影響了防砂效果[18]。中國海油結合深水油氣田的特點及需求，研制了國產(chǎn)化多流道旁通篩管，形成了完善的多流道旁通篩管礫石充填技術，可通過旁通充填功能確保充填效率，提高防砂效果和可靠性。具體而言：1）設計的多流道旁通篩管外圍旁通管圓腰“月牙形”結構、連接接頭快速連接等結構，突破了國際上同類產(chǎn)品的結構形式，確保了篩管過濾精度、強度及充填效果，便于現(xiàn)場操作及下入；2）形成了國內首套多流道旁通篩管檢測方式與檢測標準，研制了可視化多流道旁通篩管充填試驗模擬設備，驗證了多流道旁通篩管的可行性和可靠性；3）結合常規(guī)礫石充填技術及深水完井特點，研究完善了多流道旁通篩管礫石充填技術配套工藝和工具，并成功在南海深水區(qū)塊進行了應用，得出了國內首套多流道旁通篩管樣品及首項多流道旁通篩管礫石充填技術，填補了國內技術空白。

4 高效作業(yè)及綜合提速技術

4.1 深水開發(fā)井大規(guī)模表層批鉆及井間移位技術

表層批鉆技術是深水鉆井提效提速的常規(guī)技術之一，但以往的應用規(guī)模僅局限于2～3 口探井，工期節(jié)省幅度有限。針對“深海一號”氣田空間范圍廣、水深跨度大、氣藏分散的特點，以效益最大化為目標函數(shù)，綜合考慮各潛在鉆井平臺的作業(yè)能力，根據(jù)定向井與水平井2 類井型的施工工藝的差異，制定大規(guī)模表層批鉆方案，集中批量化完成表層噴射和一開鉆井作業(yè)。同時，針對不同井段的鉆井特點及南海的復雜環(huán)境條件，創(chuàng)新設計了分井段–分時段最佳井間移位路徑方案，施工工藝如圖5 所示?！吧詈Ｒ惶枴贝髿馓镩_發(fā)過程中，首次實現(xiàn)了10 口井以上的大規(guī)模深水表層批鉆技術應用[3]，大幅壓縮了深水鉆井作業(yè)工期。

圖5 分井段–分時段最佳井間移位路徑方案Fig. 5 Optimal inter-well displacement path scheme by well section and time period

深水開發(fā)井大規(guī)模表層批鉆及井間移位技術相對傳統(tǒng)技術方式節(jié)約井間移位及動復員工期45 d，創(chuàng)造了110 d 不起防噴器的世界紀錄。

4.2 極端海況深水鉆井平臺–隔水管作業(yè)安全保障

南海臺風多發(fā)，嚴重影響深水鉆井隔水管系統(tǒng)的安全性和深水鉆井作業(yè)的時效。例如，對于水深2500 m 的深水井，全部隔水管逐根回收再回接所需總時間為8 d。針對南海極端海況條件，通過以下3 方面技術攻關，形成了極端海況下的深水鉆井平臺–隔水管作業(yè)安全保障技術：1）首創(chuàng)了“鉆井平臺–隔水管–水下井口”耦合模型，揭示了極端海況下的鉆井平臺–隔水管耦合響應機理；2）系統(tǒng)開發(fā)了應對極端海況的深水建井安全控制技術，包括應對內波的隔水管監(jiān)測預警和應急解脫技術，應對平臺限位失效后漂移的安全控制技術等；3）研制了全球首套“主動控制–被動補償”懸掛隔水管防臺裝置，通過ABS 認證，使平臺懸掛隔水管應急適用海況從一年一遇提升到百年一遇，航速由0.3 節(jié)提高至1.0 節(jié)。

深水鉆井平臺–隔水管作業(yè)安全保障技術大幅緩解了南海頻繁發(fā)生的臺風、內波等極端海況對鉆井隔水管系統(tǒng)帶來的巨大風險，將惡劣海況和緊急情況下的平臺應急動復員時間壓縮至8 h 以內。與國際上使用的逐根回收全部隔水管后撤離相比，單口井即可縮短工期4 d 以上。

4.3 深水非目的層段高效鉆井提速技術

深水開發(fā)井鉆遇地層95%為非目的層段，因此非目的層鉆井提速是重中之重。為此，以實現(xiàn)鉆井作業(yè)安全、鉆井提速和作業(yè)效率最大化為目標，從創(chuàng)新方案設計、優(yōu)選流體體系和優(yōu)化作業(yè)工藝等方面入手，開展重點攻關。首先，基于非目的層段井壁穩(wěn)定性分析，綜合優(yōu)化井身結構設計方案，在確保安全的前提下盡量減少開次。其次，研發(fā)和應用井壁強化鉆井液體系，提高地層承壓能力，克服深水鉆井液易漏失難題；研發(fā)和應用“表層首漿低水化熱+尾漿低溫早強體系”升級表層固井水泥漿性能，后續(xù)井段及目的層井段固井，采用防漏、防氣竄體系，保障水泥環(huán)完整性。最后，通過優(yōu)選鉆頭和提速工具，合理設計深水鉆井作業(yè)參數(shù)，確保非儲層段鉆井提速效果和作業(yè)安全，實現(xiàn)非儲層段安全高效鉆井[19–20]。

應用非目的層段高效鉆井系列技術，極大地提高了“深海一號”大氣田開發(fā)井建井時效和鉆井效率，平均建井時效90%以上，與同等難度下國外公司的設計工期相比，9 口新鉆井非目的層段作業(yè)工期縮短41 d。

4.4 深水開發(fā)井上下部完井一體化模式

針對國際通用的完井程序“下部完井—下橋塞臨時棄井—轉至下口井—井筒重入—上部完井—清噴作業(yè)”易受平臺空間局限和關鍵裝備交貨周期長的影響，創(chuàng)新發(fā)展了深水開發(fā)井上下部完井一體化作業(yè)模式，形成了緊湊空間內完井裝備快速安裝技術、一體化遠程智能監(jiān)測及控制技術、作業(yè)機具適應性升級技術[21]。具體包括：選擇第七代深水鉆井平臺進行深水完井適應性改造，通過緊湊空間內完井裝備快速安裝技術，進行大型完井和地面清噴流程設備模塊化升級，使完井期間地面防砂設備實現(xiàn)模塊化，使設備占用平臺甲板面積最小，提升了現(xiàn)場完井作業(yè)時效，同時利用一體化遠程智能監(jiān)測及控制技術，保障作業(yè)過程安全高效。

通過應用深水開發(fā)井上下部完井一體化模式，“深海一號”大氣田完井過程中節(jié)省場地面積超過40%，無需臨時棄井和重入，降低了完井作業(yè)風險，縮短工期50 d，實現(xiàn)完井立即清噴，大幅縮減了儲層浸泡時間。

5 深水鉆完井技術展望

“深海一號”大氣田的成功開發(fā)及二期工程的全面開鉆，標志著我國已掌握1500 m 水深常規(guī)溫壓/高壓氣田的勘探開發(fā)鉆完井自主設計和作業(yè)能力，關鍵技術及研究模式已在陵水18-1、寶島21-1、永樂8-1/3 等開發(fā)項目中設計應用，為未來深水深層復雜油氣田的接續(xù)建設提供有力實踐支撐。同時，需要清醒地認識到，與國際先進水平相比，我國尚存在一定差距[22–23]。例如，國際上探井最大作業(yè)水深為3400 m，開發(fā)井最大作業(yè)水深2900 m，且已實現(xiàn)超深水高溫高壓油氣開發(fā)、復雜大位移水平井和深水巨厚鹽層下油氣開發(fā)，而國產(chǎn)化深水鉆完井核心工具裝備的關鍵零部件仍依賴進口，國產(chǎn)化率有待提高。

面向未來，隨著南海深水油氣勘探開發(fā)逐步邁向中深層，技術發(fā)展展望如下：

1）隨著深水常溫常壓鉆完井技術取得突破，未來（超）深水復雜溫壓油氣田會成為勘探熱點，與之相關的技術包括深水精細控壓鉆井技術體系及裝備、具備優(yōu)質儲保效果的深水鉆井液及完井液體系、超深水淺層極窄壓力窗口鉆井技術，以及深水超大位移井和高溫高壓鉆完井技術等。

2）關鍵核心裝備的國產(chǎn)化是未來實現(xiàn)海洋科技高水平自立自強的重點，包括深水鉆井防噴器、隔水管系統(tǒng)、動力定位控制系統(tǒng)、1500 m 級深水水下井口、采油樹及配套安裝工具等關鍵核心裝備的研制，特別是部分高端零部件和元器件的研發(fā)。

3）我國南海深遠海及海外深水區(qū)塊資源勘探開發(fā)潛力巨大，未來井控應急技術能力建設至關重要，包括超深水高溫高壓鉆完井井控應急技術、深水鹽下鉆完井井控應急技術、國際井控資源合作和技術裝備研發(fā)等。

6 結束語

中國海油肩負國家能源安全使命，立足守正創(chuàng)新戰(zhàn)略，成功突破了“深海一號”大氣田鉆完井技術體系，研究了一系列鉆完井設計關鍵技術，研發(fā)了一批關鍵工具裝備，形成了深水氣田高效作業(yè)和綜合提速技術，較大程度上打破了國外技術壟斷，實現(xiàn)了從深水自主勘探到自主開發(fā)的里程碑式跨越，成為建設海洋強國、維護國家海洋權益的中流砥柱。未來，中國海油將積極打造原創(chuàng)技術策源地，勇當現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)鏈鏈長，持續(xù)在深海油氣勘探開發(fā)、高端裝備制造等領域發(fā)揮自身優(yōu)勢，持續(xù)加強科技創(chuàng)新，加快進軍深海步伐，為建設世界一流能源企業(yè)而不懈奮斗。