南海深水钻井完井主要挑战与对策

孙宝江， 张振楠

(中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛 266580)

南海深水钻井完井主要挑战与对策

孙宝江， 张振楠

(中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛 266580)

近年来，我国深水油气资源的勘探开发不断取得突破，“海洋石油981”半潜式钻井平台的建成更是将我国深水钻井装备提升到了世界先进水平行列，但是，与国外先进水平相比，我国深水钻井完井还存在缺乏作业经验、工艺及技术水平较低、基础理论研究薄弱等问题。在介绍我国南海深水钻井完井技术研究现状的基础上，分析了南海深水钻井完井面临的技术难点，针对我国南海特殊海洋环境、特殊地质条件及离岸距离远给钻井完井带来的特殊挑战，以安全高效钻井完井为聚焦点，给出了需要进一步攻关的一系列关键技术，并提出了发展建议，以期为我国深水钻井完井技术及理论的发展提供借鉴，最终实现我国南海深水油气资源的高效安全开发。

深水钻井 技术难点 发展方向 南海

目前，我国南海地质调查与勘探程度有限，但其资源前景已获得广泛认可[1]。美国能源信息署的最新公开数据表明，南海石油储量约为1.7×109m3(约110亿桶)，天然气储量约为5.38×1012m3(约190×1012ft3)[2]。2010年底，中国海洋石油总公司油气产量超过5.0×107t，建成了“海上大庆油田”，但对具有“第二个波斯湾”之称的南海深水油气资源的勘探开发尚处于起步阶段。“海洋石油981”深水半潜式钻井平台的建成与应用将我国深水钻井装备提升到了世界先进水平行列，但由于我国缺乏深水钻井完井作业经验，深水钻井工艺及技术水平与国外先进水平相比存在较大差距，甚至存在很多技术与理论研究空白[3-4]。笔者通过调研大量文献，针对南海深水油气勘探开发面临的特殊海洋及地质环境，分析了我国南海深水钻井完井面临的技术与理论难点，提出了技术对策和攻关策略，以期为我国南海自主安全高效钻井完井技术研究提供借鉴。

1 南海深水钻井完井技术研究现状

自2006年我国第一口深水天然气井——荔湾 3-1-1 井(作业水深1 480.00 m)完钻至今，我国已在南海自主完成20余口深水油气井(绝大部分油气井位于南海北部，部分标志井见表1)的钻井完井作业，由于我国深水钻井完井技术研究与应用尚处于起步阶段，部分深水油气井在钻井完井作业时出现了较多的井下故障。尽管我国深水钻井完井技术存在诸多关键技术瓶颈，尚未建立完整的深水钻井完井技术体系，但是，我国在深水钻井浅层地质灾害评估与控制、管柱系统力学特性及安全作业、井筒流体压力控制及工程风险评价与设计方法等方面开展了卓有成效的研究工作，并取得一定的科研成果，使我国深水钻井完井技术不断获得突破，部分满足了我国深水钻井完井的需求。

1.1 深水钻井浅层地质灾害评估与控制研究

国内学者研究发现，南海北部深水地层蕴育着高温、超压系统[5]，具有浅水流、浅层气以及天然气水合物分解等3种浅层地质灾害(简称“三浅”地质灾害)发育的地质条件，但其形成机理和演化过程尚不清楚。

海底浅层岩土强度参数是设计导管下入深度、校核海底井口稳定性的基础资料。该参数可以通过岩土取样建立的强度恢复经验公式进行计算，但目前尚未建立喷射导管侧壁扰动过饱和土层的含水耗散速率与强度恢复之间的机理模型。由于深水海底岩土取样难度大且成本高，需要根据海底浅层层速度数据反演获得浅层岩土强度参数。

钻井液安全密度窗口的准确预测对深水钻井完井设计和施工至关重要，其关键是确定地层三压力剖面，虽然可以借鉴国外疏松地层破裂压力与上覆岩层压力和地层压力的经验模型以及深水浅层土水平方向有效基岩应力与垂向基岩应力的相互关系，但目前我国还未建立起准确预测深水浅部地层三压力剖面的理论方法。

深水浅部疏松砂岩地层以及活性泥岩地层在钻井过程中极易发生井壁失稳，地质条件的复杂性是其根本原因。目前，我国针对深水天然气水合物地层的井壁失稳主要从2个方面进行研究：一是研制天然气水合物抑制剂，将其加入钻井液中来控制天然气水合物的分解；二是建立天然气水合物地层井壁稳定流固耦合数学模型，研究其失稳机理，从而采取相应的技术措施。

深水浅部地层固井在满足支撑套管和井壁稳定需要的同时，还要能有效防止“三浅”地质灾害带来的危害。为解决深水浅部地层固井水泥浆低温缓凝及水化热的问题，我国已研制了泡沫水泥浆、优化颗粒级配水泥浆和低温低密度快凝水泥浆及配套固井工艺[6]，但是，对于满足弱胶结地层、天然气水合物层、浅部气层安全封固的水泥石力学性能要求缺乏深入和系统的研究，也未提出合理的封固完整性调控措施。

1.2 深水钻井完井管柱系统力学特性及安全作业研究

深水钻井完井管柱系统包括深水钻井完井作业周期内的隔水管、测试管柱等处于海底与平台之间的管串，是整个海洋油气开发装备中重要而又薄弱的环节[7-8]。目前，接触分析、动态分析和疲劳分析已经成为深水钻井完井管柱系统力学性能研究的热点，疲劳损伤分析涵盖了波激疲劳的频域和时域分析、涡激疲劳损伤和可靠性分析等方面[9]，复杂环境下管柱耦合系统的作用机理尚不清晰。波浪流作用下双层管测试管柱的安全问题逐渐受到重视，针对深水测试管柱力学性能的研究刚刚起步。钻井隔水管系统动力特性分析的研究主要包括随机波浪、导管耦合特性、浮式钻井设备运动和内外流体耦合作用等。

随着作业水深的增加，深水钻井完井管柱遇到的安全问题日益严重，有学者从台风、内波、天然气水合物等方面论述了我国南海深水钻井中遇到的挑战和解决方案，建立了深水钻井隔水管连接和悬挂作业窗口的确定方法[10]。在事故的演化机理和安全控制方面，目前我国已建立了隔水管触底事故力学分析模型，并制定了处理措施[11]。极端环境下管柱耦合系统的灾变生存能力评估和完整性管理等方面尚未形成成熟的理论和方法。

1.3 深水钻井完井井筒流体压力控制研究

深水钻井完井多相流动规律与井筒压力管理涉及深水钻井及完井测试两个过程。

深水钻井过程中，传统的井筒多相流动规律无法准确表征深水复杂条件下井筒的多相流动过程，使深水井筒压力控制难度大。有学者在气液两相流动试验中相继发现了传统流型缺失的现象[12]。在井筒低-高温交变条件下，钻井液流变性的变化规律复杂，对流型转化机制不了觧，影响了井筒压力准确预测和井筒压力精细控制。有学者针对深水井涌的特点建立了相关的多相流动模型，分析了气侵后深水井筒内的多相流动规律[13]。无气侵条件下，控压钻井能够对环空压力进行有效控制，可有效解决窄密度窗口安全钻进的难题。国外控压钻井技术已经在深水钻井中得到成功应用，国内虽然已经针对海上控压钻井展开研究，提出了应用控压钻井的海上油气井井身结构及水力参数设计方法等，但还未进行现场实践。另外，深水地层压力的不确定性强，目前还缺少地层压力不确定及有气侵条件下的井筒压力控制的基础理论及有效的控制方法。

深水气井测试期间，复杂的传质传热过程及其对流动障碍形成的连锁效应，制约着完井测试的顺利进行。低温高压会导致深水测试井筒内形成天然气水合物，国内已针对复杂的深水测试工况开展了考虑天然气水合物相变的传质传热机理研究，初步建立了天然气水合物生成预测方法，但目前还不能对天然气水合物等流动障碍的时间和空间分布进行准确预测。

1.4 深水钻井完井工程风险评价与设计方法研究

深水钻井完井工程风险研究主要集中在定性、定量风险评估与控制等方面。风险定性研究方面，多应用贝叶斯网络、Bowtie等新方法或者将不同方法进行融合。风险定量研究方面，基于数值模拟开展了深水钻井工程事故及连锁事故后果评估，涵盖钻遇浅层地质灾害、井筒压力失控引发井喷及燃爆事故造成的平台结构损伤等典型工程事故，但多侧重于某一种风险或者单一因素对工程安全的影响，较少考虑多因素的耦合作用及动态演化过程。

深水钻井隔水管柱系统设计方面，国内针对超深水钻井隔水管设计影响因素开展了相关研究[14]，定性或定量分析了环境和作业因素对深水隔水管系统配置及组件选择的影响，但没有提出钻井完井管柱系统的设计方法。

深水油气井井身结构设计的研究主要集中在3个方面：一是通过概率统计理论定量分析地层压力的不确定性，对钻井风险进行评估；二是利用定量风险评价的方法对不确定条件下的井身结构进行风险评价；三是研究含有可信度的地层压力剖面，初步建立地层压力不确定条件下的套管程序及下深的确定方法[15]。综合考虑“三浅”地层、窄安全密度窗口以及地层压力不确定性等因素的深水油气井井身结构设计方法需要进一步研究。

深水钻井液体系的研究主要考虑深水地质条件、钻井液低温流变性、天然气水合物的生成以及环保等问题[16]，聚胺水基钻井液和低温流变性稳定的“恒流变”合成基钻井液被认为是性能较为优良的深水钻井液体系[17]。国内在高低温交变作用下深水钻井液的流变特性、耐高温高压及环境可接受性方面的研究仍相对薄弱，迫切需要开展深水钻井液应用基础研究。

2 南海深水钻井完井技术难点

2.1 钻井完井面临的特殊挑战

除了水深、风浪流、温变、窄安全密度窗口、浅层地质灾害等深水钻井共性挑战外，我国南海深水钻井还面临一些特殊问题，包括特殊海洋环境、特殊地质条件和离岸距离远等。

2.1.1 特殊海洋环境

土台风 南海的土台风发生频率较大，且深水区域的台风强度更大。土台风突发性强，路径变化复杂，监测及预报困难。钻井平台和隔水管系统的防台风技术是南海深水钻井应急技术的难点之一。

海水温度场分布不明确 到目前为止，南海海水温度场的分布并不是很明确，无直接可用的权威数据。海底低温会显著影响钻井液流变性，增加井筒内钻井液的流动阻力，影响水泥浆性能和深水固井工艺；低温还会使压井管线内流体的循环压耗增大，增加深水井控难度等[18-19]；而深水双梯度控压钻井中环空压力剖面预测[20]、深水井控参数设计、测试过程中天然气水合物生成区域预测等都与温度场密切相关。因此，海水温度场不明确增大了钻井设计难度及作业风险。

内波流 南海海底地形复杂多样，海水密度层化严重，内波活动频繁，且不同区域的内波形式不同，随季节明显变化。海洋内波时间不定，流速无常，方向有规律，单点持续时间短，区域分布差异大。内波流对海洋结构物稳定性影响大，轻则导致钻井平台漂移，重则引发事故。目前所知，南海内波振幅可高达150 m，为世界之最。因此，需要对内波作用下平台运动响应特性进行研究以有效应对。

2.1.2 特殊地质条件

与世界主要深水含油气盆地相比，南海深水盆地主力烃源岩多样，不同区域其形成的年代、构造背景、沉积环境和类型等不同，这给南海海域的油气勘探开发带来了很大的不利影响。

地质环境多样且复杂 南海海洋地质环境复杂，如沙地沙沟明显，且沙坡沙脊是移动的，移动速度可达每年300 m左右。同时，南海地质环境多样，不同区块类型不同，导致岩土力学性质等不同。由于目前我国对南海地质环境的调查及研究处于起步阶段[21]，确定钻井三压力剖面的可用资料少，窄安全密度窗口的不确定性增加[22]，使钻井设计及作业时井筒压力控制难度增大。

地温场分布不清 南海北部深水区地温特征数据较为全面，但数据有限；南部深水区地温特征数据匮乏，实测地温梯度数据很少。地温场分布不清，增加了钻井完井工作液流动环境内温度场和压力场预测的难度。

“三浅”地质灾害发生概率大 1)天然气水合物：南海是西太平洋天然气水合物成矿带的重要组成部分，具备良好的天然气水合物成矿条件，常与石油、天然气共存。一方面，钻井作业带来的外界扰动将诱发底辟和滑坡；另一方面，天然气水合物分解导致海水密度降低，引发钻井平台倾覆、火灾等事故。2)浅层气：南海浅层气分布典型，仅珠江口盆地初步统计就有12处[23]。浅层气地层抗剪强度和承载能力低，且气体导致孔隙压力增大。钻遇时，引发气体突然释放，甚至燃烧[24]。3)浅水流：南海北部深水盆地等区域存在浅水流危险区[25]，但受限于现有调查程度，分布特征尚不清楚，使南海作业风险增大。浅水流地层具有埋藏浅、超压、砂层未固结等特点，不易被发现。钻遇时易发生井喷且速度快，若未安装井口则无法正常压井；引发砂水流，破坏井口及井筒，并给邻井带来风险。浅水流灾害难以控制和处理，虽已有可用的识别、预防与控制方法，但目前尚不成熟[26-27]。

2.1.3 离岸距离远

我国南海深水油气资源距离陆地较远，多距陆地300 km以上，后勤供应要求高，遭遇台风等恶劣天气时，对作业能力要求高，且撤离和钻井设备维修所需时间长，增大了设计、施工和成本控制的难度。

2.2 钻井完井主要技术难题

综合世界范围内的深水油气资源勘探开发历程，结合我国南海特殊海洋环境和特殊地质条件，影响南海深水钻井完井工程技术发展的难题主要体现在以下3方面。

1) “三浅”地质灾害多发，浅层弱胶结，承压能力低，钻井作业难度大、风险高。

南海深水浅部地层多存在浅水流、浅层气和浅层天然气水合物，往往难以准确预测和精确识别，具有一定的不确定性，容易给钻井施工带来地质灾害，引发钻井事故。海洋深水浅部地层欠压实程度高，具有弱胶结、承压能力低等力学特性，加之深水环境下存在拉、压、海流等复杂载荷，容易引起井口突发性失稳，井漏、井塌及水泥环封隔失效等井下故障。

2) 海洋环境恶劣导致深水钻井完井管柱结构作用载荷复杂，控制难度大。

深水钻井完井隔水管柱系统是深水钻井完井区别于陆地及浅水作业的关键设备，受(台)风、浪、流和内波等海洋环境复杂载荷的影响，作业环境恶劣，工程条件复杂，海底井口-隔水管-平台耦合系统在深水钻井完井作业过程中存在一系列的安全隐患，如随机振动、疲劳断裂、设备磨损等，给结构设计和安全控制带来巨大挑战。深水钻井完井隔水管柱系统一旦出现故障，则有可能导致隔水管断裂、平台限位失效、火灾、爆炸等重大事故。

3) 井筒温压场复杂，安全密度窗口狭窄，井筒安全问题突出，流动保障风险大。

深水浅部地层欠压实，安全密度窗口狭窄，易出现井漏、井涌、井喷、井塌等井下故障，井筒压力控制难度大；深水井筒泥线附近的低温高压环境易形成天然气水合物，造成流动障碍，引起钻井或完井测试中断，甚至油气井报废；含天然气水合物相变的环空多相流动理论欠缺，使深水井筒压力准确计算困难；井筒深部地层温度较高，交变温度使钻井液流变性变化较大，非定常流变条件下的多相流型转化机制不清楚，给深水井筒压力控制带来挑战。

3 南海深水钻井完井技术对策

针对南海特殊海洋环境、复杂地质条件和离岸距离远等给钻井完井带来的特殊挑战，要实现南海深水油气田安全高效开发，须开展一系列关键技术的攻关研究。

3.1 深水钻井地质灾害预测与浅层钻井作业风险防治

针对南海深水海况环境和地质特征，研究浅水流、浅层气、浅层天然气水合物中组分、压力等参数变化在地震声波物理特性上的响应机理，解决深水“三浅”地质灾害准确预测问题；研究深水浅层岩土工程力学参数及其分布规律，解决深水钻井导管下入、水下井口稳定性及井壁稳定性的技术问题；研究钻井过程中“三浅”地质灾害演化机理，解决其有效防治的问题；研究深水浅层井壁失稳、漏失及固井水泥环封隔完整性失效机理与控制等，形成深水钻井浅层作业风险控制方法，解决深水钻井浅层作业风险控制问题。

针对深水海洋环境下台风多发，强内波和海流，深水钻井结构载荷复杂，安全设计及控制难度大等问题，构建深水海底井口-隔水管-平台系统全时域非线性耦合分析模型，探索隔水管系统在悬挂、连接等典型作业工况下长期动力响应的耦合表征方法；开展不同限位模式下半潜式平台的运动响应分析和限位失效模式下的漂移分析，得到深水半潜式平台的响应机理和对钻井隔水管运动响应的影响规律；针对TLP、Spar平台丛式立管(隔水管)间的干涉及立管与流场的耦合作用特点，研究深水钻井完井管柱系统流固耦合多体动力学分析方法；最终构建深水钻井完井管柱系统在全寿命周期内的完整性管理策略，解决深水钻井隔水管和钻井完井管柱结构系统的设计和风险控制问题。

3.3 深水钻井非稳态多相流动规律与井筒压力精细控制

针对低温-高温交变温度条件下钻井液流变性变化大、多相流型转化机制不清楚的问题，研究深水钻井液流变规律，非定常流变条件下的深水钻井多相流流型转化机制；针对低温高压环境下存在天然气水合物相变、井筒压力难以准确预测的问题，建立含天然气水合物和油气相变的非稳态多相流动模型及其求解算法；针对地层压力不确定条件下井筒压力控制难的问题，研究井涌诊断与评估方法；针对深水浅部地层破裂压力与地层压力相近造成钻井液安全密度窗口狭窄，钻井过程中易出现井塌、井漏、井涌、井喷的问题，解决窄安全密度窗口井筒压力精细控制的问题;针对深水测试过程中测试管柱结构复杂、测试工况多变、井筒内温压场分布规律复杂的问题，研究温压场分布规律、完井测试过程中的传质传热机理，揭示由于天然气水合物及蜡沉积堵塞造成流动障碍的形成演化机制，解决深水安全高效测试方式及测试参数设计的问题。

3.4 深水钻井完井工程设计理论与风险管控

针对深水钻井完井“三浅”地质灾害、窄安全密度窗口、管柱系统可靠性等方面的问题，研究建立深水钻井井身结构的设计理论与准则，形成深水钻井井身结构的设计方法；开展深水钻井管具系统弱点分析，建立信息不确定条件下深水管具系统的时变可靠性分析模型，形成一套管具关键部件强度分析及系统配置的工程优化设计方法；研究钻井液低温流变性的调控机理，建立低温流变性调控方法，研发环保型深水钻井液体系，形成深水钻井液设计方法。在以上研究的基础上，研究风险状态识别准则和基于因素不确定性的风险转换模型，构建深水钻井系统安全屏障模型，形成一套南海深水钻井完井工程风险预警方法及管控体系。

4 主要发展建议

导致南海深水钻井完井技术诸多难题的客观因素是深水海洋环境及地层条件的复杂性和特殊性，需要对深水钻井涉及的主要科学问题进行攻关研究，以形成一套适合我国南海深水安全高效钻井完井的基础理论体系，为实现我国深水油气开采技术的跨越式发展提供理论支撑，提升我国深水油气开发产业的国际竞争力及维护国家海洋权益的能力，从而保障国家能源安全。

4.1 深水钻井浅层地质灾害与井眼稳定性机理研究

深水盆地上覆岩层压力低，浅层欠压实程度高，地层存在浅水流、浅层气以及浅层天然气水合物，在钻井过程中容易引发地质灾害，使导管下入深度设计、水下井口的稳定性、浅层钻井的井壁稳定性以及固井作业质量控制难度增大，其难题是深水浅层岩土工程力学特性、深水浅层流形成机理、区域流场和超压预测、浅层天然气水合物致灾机理不清楚，因此，深水钻井浅层地质灾害与井眼稳定性机理是深水安全高效钻井完井亟待研究的重要方向之一，是钻井完井风险控制必不可少的研究基础。

4.2 深水钻井结构载荷特征及安全控制原理研究

目前，深水海底井口-隔水管-平台动力学耦合分析方法、锚泊和动力定位条件下隔水管系统失效机理、钻井立管系统非线性流固耦合与损伤破坏机制、深水管柱系统完整性评估与安全控制等方法没有突破。因此，海洋深水钻井结构载荷特征及安全控制原理是安全高效钻井亟待研究的重要方向之一，是确定深水钻井管柱系统的完整性管理策略、系统配置和关键部件的工程性优化设计方案的理论依据。

4.3 深水钻井完井多相流动规律与井筒压力管理机制研究

深水钻井完井井筒温压场复杂，地层破裂压力与地层压力相近，导致安全密度窗口狭窄，使发生井喷和井漏后的井筒压力控制困难。其主要难题是气侵条件下井筒压力的计算不准确，科学难题是井筒多相流动规律复杂，含油气相变和天然气水合物相变的非稳态多相流动规律的研究鲜有报道。另外，完井测试流动保障风险大，也与含油气相变和天然气水合物相变的非稳态多相流动规律密切关联。因此，深水钻井完井井筒多相流动规律和井筒压力管理方法是安全高效钻井完井亟待研究的重要方向之一，是深水复杂工况下测试风险评估方法和深水油气井筒压力精细控制所必需的理论基础。

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[编辑 陈会年]

Challenges and Countermeasures for the Drilling and Completion of Deepwater Wells in the South China Sea

Sun Baojiang, Zhang Zhennan

(SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong， 266580,China)

In recent years, continuous breakthroughs have been made in the exploration and development of deepwater oil and gas resources in China. In particular, the successful undocking of HYSY-981, a deepwater semi-submersible drilling platform, has elevated deepwater drilling equipment of China to an advanced level in the world. However, in contrast with international advanced peers, the experience in deepwater drilling and completion in China is insufficient, operation and technology are at low level, the basic research at a theoretical level and other aspects are weaker. The paper reviewed the situation of research on deepwater drilling and completion in the South China Sea, and analyzed the technical difficulties existing in these operations. In consideration of existing challenges in the South China Sea, including special marine environment and geological conditions as well as long distances from the seashores, a series of key technologies and suggestions are proposed. It could be taken as the reference point and platform for the development of technologies and theories in deepwater drilling and completion in China, and to realize safe and efficient development of deepwater oil and gas resources in the South China Sea.

deepwater drilling; technical difficulties; development direction; South China Sea

2015-04-21。

孙宝江(1963—)，男，山东高青人，1985年毕业于华东石油学院钻井工程专业，1999年获北京大学流体力学专业博士学位，教授，博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，“973计划”项目首席科学家，主要从事海洋石油工程、油气井流体力学与工程领域的研究工作。系本刊编委。

国家重点基础研究发展计划(“973”计划)“海洋深水油气安全高效钻完井基础研究(编号：2015CB251200)”部分研究内容。

◀“973”深水钻井专题▶

10.11911/syztjs.201504001

TE524

A

1001-0890(2015)04-0001-07

联系方式：(0532)86983017，sunbj1128@126.com。