南海深水钻完井技术挑战及对策

刘正礼　胡伟杰（.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳　58067；.中国海洋石油总公司，北京　0000）

南海深水钻完井技术挑战及对策

刘正礼1胡伟杰2
（1.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳518067；2.中国海洋石油总公司，北京100010）

南海深水区海洋环境恶劣，台风和孤立内波频发，深水钻完井工程设计和作业难度大、风险高。为提高我国深水油气勘探开发技术水平，实现海上钻完井技术研发、工程设计和作业能力由浅水向深水和超深水的跨越式发展，经过十余年技术攻关和作业实践，形成了具有自主知识产权的深水钻完井关键技术体系，首次建立了深水钻完井作业指南、技术标准和规范体系，克服了南海特殊环境条件下的技术挑战和作业难题，满足了深水油气钻完井安全、高效的作业要求，并钻成了最大作业水深2 451 m的第1批自营深水井，开启了我国油气勘探开发挺进深水的新征程。

南海；深水；钻完井；历程；技术挑战；对策

我国南海是世界四大油气聚集地之一，其中70%蕴藏于深水区。深水是挑战当今油气勘探开发技术和装备极限的前沿领域，尤其是在南海台风和孤立内波频发的恶劣海洋环境下，如何安全、高效地开展深水钻完井作业成为了业界极为关注的焦点［1-3］。笔者在充分技术调研和分析基础上，回顾了南海深水钻完井作业历史，论述了国内外深水钻完井技术现状，统计分析了南海深水作业复杂情况的主要原因和面临的主要技术挑战，进而提出了已通过自主深水和超深水井成功实践验证的技术对策，并阐述了我国深水钻完井技术体系的建设情况，最后得出了未来深水钻完井技术的努力方向。

1　南海深水钻完井历程

南海深水钻完井作业历程可以追溯到20世纪80年代。1987年，国外作业者Occidental Eastern通过与我国签订合作协议，开始在南海白云区块的深水钻井作业。截至2014年，已有Occidental Eastern、Husky Oil、Devon、BG、Chevron、中海油和中石油7家国内外作业者在南海进行了60口井的深水钻完井作业，其中，Husky Oil公司作业井数最多，从2004—2013年期间共钻完井作业28口，完井9口；Occidental Eastern公司在1987年钻井1口；Devon公司在2006年钻井1口；BG公司在2010至2011年钻井3口；Chevron公司在2011—2012年钻井3口；中石油在2014年钻井2口。2006年，Husky和中海油发现了荔湾3-1深水气田，并于2013年正式投产。深水钻井的足迹已遍布南海北部，通过对这些井进行统计分析，可以基本得出南海北部深水钻完井的技术挑战和技术路线，如表1所示。

表1　南海深水钻完井作业历程中的关键井

2　国内外深水钻完井技术现状

全球油气勘探开发从20世纪70年代进入深水领域以来，深水钻完井作业量和资金投入持续增加，墨西哥湾、西非海域、巴西海域是主战场。随着装备和技术的更新换代，深水钻完井技术取得了长足进步，正朝自动化、智能化和本质安全化发展［4］。

2.1国外深水钻完井技术现状

20世纪80年代以来，国外开展了一系列的深水油气勘探开发的重大研究计划，如美国的“DEEP STAR”、“Hoover-Diana”和欧洲的“Sea-Plan”，实现了3 000 m水深钻采技术的突破［5］。深水钻完井技术创新主要包括地层压力预测精度及钻井液密度窗口确定技术、地层窄安全压力窗口钻井技术、溢流早期监测技术、盐膏地层钻井技术、优异性能钻井液及水泥浆固井技术、救援井技术和智能完井技术等。

2.2国内深水钻完井技术现状

2012年，自主设计建造的HYSY981深水钻井平台的应用，正式拉开了我国自主勘探开发南海深水油气资源的序幕。目前已由HYSY981、NH8号和NH9号平台在南海荔湾、流花、白云和陵水深水区块完成了22口井的深水钻井作业，测试3口井，其中最大作业水深达2 451 m，为西太平洋第1超深水井［6］。2014年8月由HYSY981平台完成了西沙中建岛以南2口井的深水钻井作业。2014年9月，HYSY981平台在南海北部深水区陵水17-2-1井测试获得高产油气流，作业水深1 500 m。我国掌握了南海恶劣海洋环境下的深、远海钻完井技术，并且已将技术成果成功应用到了中海油海外赤道几内亚和刚果深水项目，取得了较好的应用效果。

3　南海深水钻完井技术挑战

引起南海深水井复杂情况的原因所占比例如图1所示，恶劣海洋环境、浅层地质灾害和地层压力窗口狭窄所引起的复杂情况比例达到了50%，设备工具原因所占比例也大，主要是由老旧平台设备、井下大尺寸钻具、防喷器系统和弃井工具造成的。

图1　南海已钻深水井复杂情况原因统计

3.1恶劣海洋环境

3.1.1台风台风生成时距离深水井位更近，移动距离短，风力强劲，且深水钻完井作业关井需要更长的时间，因此台风对深水平台比浅水的挑战更大。2006年，Husky Discover 534平台在LW3-1-1井因“派比安”台风来不及撤台造成隔水管断裂、防喷器落海，影响作业时间1个月，损失2 700万美元；2009年，Husky West Hercules平台在LH34-2-1井因“巨爵”台风下部隔水管总成碰撞海床，极大的影响了作业进度，工期损失50 d，费用5 000多万美元。

南海台风频发，每年6—11月为高发期，有2种类型：一种从菲律宾吕宋岛以东洋面产生，然后进入南海，强度较大，预警时间较长；另外一种是发生在南海中部偏东海面上的台风，俗称“土台风”，强度相对较弱，但形成快，难预防，对海上设施有很强的破坏力。南海自营深水作业中，总共遭遇19个台风，给深水作业带来了极大的安全威胁。

3.1.2孤立内波这是一种主要在潮汐作用下产生的海洋内部不连续的波浪形式，其巨大冲击载荷不仅会对平台产生破坏，而且会使平台产生突发性的大幅度漂移运动，使平台系泊及立管张力也急剧增加，从而出现拉断系泊或立管的灾害性事故，造成定位失败、设备损坏、井下事故和钻井液泄露污染环境等事故，同时也会给辅助船舶靠船带来作业风险。

南海北部海域常年频繁出现孤立内波。流速较强，平均流速达1.9 m/s；作用时间短，平均20 min；流速与流向同时改变和呈周期性连续性产生。吕宋海峡中部是南海北部大振幅孤立内波的主要产生区域，其中荔湾和流花区块就是受孤立内波影响很大的区域。2006年，Husky Discover 534平台在南海所钻LW3-1-1井遭遇内波，启动了紧急解脱程序，钻具被剪断，钻井液排海230 m3，耽误作业时间11.7 d，海洋环境遭到污染。2011年 Chevron West Aquarius平台在LW13-1-1井打油水期间，遭遇流速达4.11 m/s的孤立内波袭击，导致平台被推移37 m、传输管线破裂缠绕到拖轮螺旋桨。

3.1.3风、浪、流深水一般采用浮式平台或者船，受风、浪、流的影响会发生漂移、纵摇、横摇运动，对锚泊系统和动力定位系统造成不利影响。深水环境中海流速度一般较大，随之产生一系列不利影响，包括增大隔水管曳力、造成隔水管涡激振动以及限制隔水管起下作业窗口等。3.1.4海底低温水深的增加，海底温度降低，深水海底温度一般在2~4 ℃，超深水海域温度可能仅有1~2 ℃，如LW21-1-1井水深2 451 m，温度仅为2.3℃。低温环境下容易在井口、防喷器和采油树等设备处形成天然气水合物，堵塞管线［7］。钻完井液在低温下流动性变差，易发生井漏、造成井下事故。水泥浆在低温下凝固时间长，水泥石强度低。

3.2浅层地质灾害

通常发生在泥线下约1 500 m地层内，在钻完井作业期间，可能引起井控、井眼完整性和储层可及性等问题［8］。位于南海的马来西亚海域的深水油田于2002年成功完成的5口深水井都显示出存在浅层流、气、水合物和脆弱非固结地层的影响，这些井的水深位于1 300~3 000 m，而海底温度低（约1.7 ℃），给钻完井及后续作业造成了很大困难。

3.2.1浅层气作业中一旦钻到浅层气聚集层，可能造成井口基底冲跨、发生井喷，甚至造成井口塌陷、火灾、平台倾覆等灾难事故。我国南海浅层气主要分布于大陆架区，而且甚为广泛，如万安盆地、莺歌海盆地、琼东南盆地和珠江口盆地等。

3.2.2浅层流浅层流存在不利于建立高质量的套管尾管固井，影响井眼安全［9-10］。壳牌石油公司在中国南海Gumusut-1F井钻井施工时就曾经钻遇浅层流，属于轻微超压区，比静液柱压力高近689 kPa。

3.2.3水合物水合物的形成带来的影响包括：阻塞防喷器、阻流和压井管线，造成井控失效；井口头内形成水合物，影响套管坐挂、采油树安装作业、引起连接器解脱困难；堵塞完井立管使油流通道切断，处理事故耗时费力，还会使电缆工具卡在管内，造成中部完井管柱处理事故等［11］。

3.2.4不稳定的海床深水海床的地质状况有许多不稳定因素，其中包括了斜坡滑塌、地质疏松和流动岩浆等对作业不利的情况。一般遇到深水松软海床会产生大量问题，海床不稳定可能会造成井口掩埋和表层导管吸附不稳下沉等事故［12-13］，因此必须评价以保证井口和井口基盘的稳定性。2010年，Husky负责作业的LH29-1-3井因海床土质疏松，造成水下井口下沉2.5 m，险造成井眼报废的事故。

3.3地层压力窗口狭窄

水深增加，上覆岩层压力被海水水柱静水压力代替，岩石破裂压力随着水深的增加而减少，深水地层压力窗口非常狭窄，如LW6-x-x井Ø444.5 mm井段作业压力窗口仅为0.06 g/cm3，Ø311.1 mm井段作业压力窗口仅为0.08 g/cm3。深水井所需的套管层数，比同样钻井深度的浅水井或陆地井多，有的井甚至因为所需套管层数太多而无法达到目的层［14-15］。水深越深，海底沉积物越厚，海底表层沉积物胶结性越差，将导致大量的力学问题，发生井漏的几率非常高。深水钻井地层压力窗口狭窄可能引起的影响包括：钻井液损失、井涌、卡钻、井眼垮塌、需要下多层套管等。

4　南海深水钻完井技术对策

4.1台风早期预报模式与避台技术

采用了动力随机预报技术，通过集合天气预报技术的海气耦合模式，预报南海地区季风槽内的热带气旋生成和发展、移动趋势。技术优势如下：减少初始条件不确定性与模式不确定性对数值预报结果影响；高分辨率和多源四维资料同化的优势，可以有效消除系统性误差和非系统性误差（观测误差）；台风警报时间比国内气象台早3~10 d。

基于台风规律分析和早期预报结果，采用警戒区划分和T-time相结合的方法，形成了包括锚泊定位和动力定位模式的深水钻完井防台避台策略（图2），成功应对了所遇的全部19次台风。T-time为完成井的保护、做好人员撤离前或平台航行前的准备工作所需时间；Tsafety为作业安全余量，深水为36 h。

4.2孤立内波实时监测预警及应对技术

通过采用多普勒声波测速仪、耦合式温度链、波浪传感器，将监测海域孤立内波和波流数据通过铱星实时传输至浮式平台和陆地实验室，形成了孤立内波全天候实时定量监测预警技术，自动识别孤立内波的最大振幅、最大波致流、周期、传播速度和传播方向等特征参数，并可通过软件自动提示预警，估算内波流到达作业点时间，预警时间误差小于30min。按照孤立内波引起的波致流大小和波致流加速度对内波等级进行划分，根据作业实践，建立了深水钻完井孤立内波应对技术方案，如表2所示，成功对上百次孤立波进行了有效预警和有力应对。

图2　深水钻完井避台策略

表2　不同强度孤立内波应对措施

4.3隔水管系统作业安全分析技术

通过理论分析、底部残余应力法和下放钩载法3种方法优化了隔水管顶部张力值，优化了隔水管—水下井口的受力状况。基于作业工况和隔水管—井口系统耦合受力分析，通过有限元分析方法对隔水管系统的静、动态响应和涡激振动计算，对隔水管系统承载能力进行了校核，确定了作业配置和安全作业窗口。通过作业窗口计算和悬挂分析给出了作业关键点控制及注意事项，明确了台风期作业的风险。技术成果解决了南海恶劣海洋环境条件下深水和超深水隔水管系统设计及作业参数控制的难题，保障了隔水管系统在钻完井作业过程中的安全性。

4.4导管入泥深度设计及水下井口稳定性分析技术

为提高深水海底浅层土质疏松条件下的水下井口稳定性能，建立了导管竖向实时承载力计算模型，形成了导管入泥深度设计方法。通过水下井口在连接钻井、连接非钻井、完井和自存等多种工况下的受力分析，掌握了在不同海况条件下，水下井口稳定性与浮式平台偏移量、隔水管-防喷器系统配置、井口倾斜角和表层套管固井水泥返高等多因素的关系，建立了水下井口稳定性分析推荐做法。在南海自营深水井的应用过程中，表层导管均喷射成功，后续作业顺利，保证了深水水下井口安全。

4.5浅层地质灾害预测与控制技术

制定了企业标准《深水钻井井场评价要求》。该标准规定了井场识别、调查、评价和风险评估要求，并对锚泊/动力定位钻井平台的井场浅层危害因素影响进行了分析。

采用钻领眼井和动态压井技术来应对浅层地质灾害，建立了一套适合于深水浅层钻井作业的浅层地质灾害控制技术。该技术通过将加重钻井液与海水以一定比例混合得到不同密度的钻井液，迅速泵入井筒，结合环空摩阻的作用控制井底压力，防止浅层井涌并控制井漏与井壁坍塌，可实现井底压力的自动控制，降低浅层作业风险。

4.6地层压力预测技术

深水地层压力预测难点在于浅部未成岩地层的压力预测，常规成岩地层压力计算模型已经无法采用。根据地震层速度和室内试验确定浅部地层力学性质，以统一强度准则计算井周塑性区应力状态，结合超孔隙压力理论计算井眼钻开后超孔隙压力分布规律，根据太沙基有效应力理论计算井周有效应力，结合水力压裂理论计算出破裂压力，建立了浅部地层破裂压力计算模型，该模型解决了深水浅部地层压力预测的难题，预测精度达到了90%。

4.7高效聚胺钻井液体系

针对深水钻井液作业中遇到的低温流变性难控制、易糊筛跑浆、长隔水管段携砂困难、泥页岩易水化和水合物抑制等技术挑战，采用关键处理剂自主研发和现场应用效果反馈-钻井液性能改进的综合研究方法，研发了一套基于PF-UHIB、PF-UCAP和PF-HLUBdeng 3种主剂的深水强抑制、无土相、高性水水基HEM聚胺钻井液体系。该体系流变性能稳定、抑制性能和携砂能力强，具有较强的水合物抑制能力，成功应用13口深水井。

4.8低温低密度固井水泥浆体系

深水固井的难点在于低温水泥石强度发展慢、窄压力窗口水泥浆漏失、异常压力浅层流和水合物易造成井喷事故。通过开展低温水泥浆体系、防浅层流和防水合物技术等技术研究，研发出深水低温早强剂、缓凝剂、防窜增强剂和固井用减轻剂，研发出了深水PC-LoCEM低温常规密度水泥浆体系和PC-LoLET低温低密度高强水泥浆体系。这2种水泥浆体系在深水低温环境下，水泥浆胶凝强度发展快、稠化过渡时间短、有利防止浅层流体的窜流，并且开发了配套的PC-LoS防套管涨损弹性隔离液与PC-LoF防水合物高效清洗液，最终形成了一套完备的固井水泥浆体系，在13口深水井32次作业中一次成功率100%，油气井层段封固优质率100%。

5　深水钻完井技术体系建设

基于南海及海内外深水钻完井技术研发、设计和作业实践，首次总结形成了我国深水钻完井设计和作业技术体系，制定了中海油企业标准《深水探井钻井工程设计指南》、《深水探井钻井作业基本要求》、《深水钻井井场评价要求》和《深水钻井装置作业前检验规范》，编制了技术与作业指南《深水钻井规程与指南》、《深水完井规程与指南》、《深水测试规程与指南》、《深海油气田钻完井技术实用指南》。

6　展望

在南海油气勘探开发走向深、远海的进程中，将进一步做好以下工作：加深对南海深水区水文气象和地质条件的认识，掌握作业极限，细化应急预案；加强对深水钻完井新技术的研究，如深水控压钻井、智能完井、智能油气田技术，持续提升钻完井技术水平；提高对深水钻采平台和装备的认识，如第7代浮式钻完井平台、张力腿和深吃水柱筒式钻采平台、水下生产系统、三级井控救援装备，为大规模自主开发南海及海外深水油气资源做好技术储备和保障。

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（修改稿收到日期2015-01-04）

〔编辑薛改珍〕

Countermeasures and challenges of deepwater drilling and completion technology in South China Sea

LIU Zhengli1, HU Weijie2
（1. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China; 2. China National Offshore Oil Corporation，Beijing 100010, China）

In the deepwater areas in the South China Sea, the marine environment is inclement, typhoon and isolated internal wave frequently occur, and the engineering design and operation of deepwater drilling and completion feature great difficulty and high risk. In order to improve the exploration and development technology of deepwater oil and gas in China, and realize the leapfrog development of technical research and development, engineering design and operation capacity of offshore drilling and completion from shallow water to deepwater and ultra-deepwater? , after about 10 years technological breakthroughs and operation practices, the key technical system of deepwater drilling and completion with proprietary intellectual property rights has been formed, the operation guide, technical standard and specification system of deepwater drilling and completion has been established for the first time, the technical challenges and operation difficulties under special environmental conditions in the South China Sea have been overcome, the safe and efficient operation requirements of deepwater oil and gas drilling and completion have been satisfied, the first batch of deepwater wells with the maximum operation water depth of 2 451 m have been drilled, and the new journey in the deepwater oil and gas exploration and development of China has been started.

South China Sea; deepwater; drilling and completion; course; technology challenge; countermeasures

TE52

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0014 – 05

10.13639/j.odpt.2015.01.004

国家科技重大专项“深水钻完井及其救援井应用技术研究”（编号：2011ZX05026-001-04）；国家自然科学基金“海洋深水浅层钻井关键技术基础理论研究”（编号：51434009）。

刘正礼，1974年生。1996年毕业于西南石油学院石油工程专业，2010年获长江大学石油与天然气工程专业硕士学位，现主要从事海洋钻完井技术研究和管理方面的工作， 高级工程师。电话：0755-26022353。E-mail：liuzl@cnooc.com.cn。

引用格式：刘正礼，胡伟杰. 南海深水钻完井技术挑战及对策［J］.石油钻采工艺，2015，37（1）：14-18.