南海深水钻井完井主要挑战与对策.pdf

第 4 3卷第 4期 2 0 1 5年 7月 石 油 钻 探 技 术 P E TR OL E UM D R I L L I NG T E C HNI QUE S Vo 1 ． 4 3 NO ． 4 J u 1 ．， 2 0 1 5 “ 9 7 3 ” 深水钻井专题 d o i 1 0 ． 1 1 9 1 1 ／ s y z t j s ． 2 0 1 5 0 4 0 0 1 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 2 6 6 5 8 0 摘要 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 9 8 1 ” 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 。 关键词 深水钻井 技 术难点 发展 方向 南海 中图分 类号 TE 5 2 4 文献标 志码 A 文章编 号 1 [ ] 卜O 8 9 O 2 O 1 5 O 4 0 0 0 1 0 7 Ch a l l e ng e s a n d Co u nt e r me a s u r e s f o r t he Dr i l l i ng a n d Co m p l e t i o n o f De e pwa t e r W e l l s i n t he S o u t h Chi n a S e a S u n B a o j i a n g ,Z h a n g Z h e n n a n S c h o o l o f Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g，C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m Hu a d o n g ，Q i n g d a o ，S h a n d o n g，2 6 6 5 8 0，Ch i n a Ab s t r a c t I n r e c e n t y e a r s ，c o n t i n u o u s b r e a k t h r o u g h s h a v e b e e n ma d e i n t h e e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t o f d e e p wa t e r o i l a n d g a s r e s o u r c e s i n Ch i n a ．I n p a r t i c u l a r ，t h e s u c c e s s f u l u n d o c k i n g o f HYS Y- 9 8 1 ．a d e e p wa t e r s e mi s u b me r s i b l e d r i l l i n g p l a t f o r m ，h a s e l e v a t e d d e e p wa t e r d r i l l i n g e q u i p me n t o f Ch i n a t o a n a d v a n c e d 1 e v e l i n t h e wo r l d ．Ho we v e r ，i n c o n t r a s t wi t h i n t e r n a t i o n a l a d v a n c e d p e e r s ，t h e e x p e r i e n c e i n d e e p wa t e r d r i l l i n g a n d c o mp l e t i o n i n Ch i n a i s i n s u f f i c i e n t ，o p e r a t i o n a n d t e c h n o l o g y a r e a t l o w 1 e v e l ，t h e b a s i c r e s e a r c h a t a t h e o r e t i c a l l e v e l a n d o t h e r a s p e c t s a r e we a k e r ．Th e p a p e r r e v i e we d t h e s i t u a t i o n o f r e s e a r c h o n d e e p wa t e r d r i l l i n g a n d c o mp l e t i o n i n t h e S o u t h Ch i n a S e a ，a n d a n a l y z e d t h e t e c h n i c a l d i f f i c u l t i e s e x i s t i n g i n t h e s e o p e r a t i o n s ．I n c o n s i d e r a t i o n o f e x i s t i n g c h a l l e n g e s i n t h e S o u t h Ch i n a S e a ，i n c l u d i n g s p e c i a l ma r i n e e n v i r o n me n t a n d g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s a s we l l a s l o n g d i s t a n c e s f r o m t h e s e a s h o r e s ．a s e r i e s o f k e y t e c h n o l o g i e s a n d s u g g e s t i o n s a r e p r o p o s e d ．I t c o u l d b e t a k e n a s t h e r e f e r e n e e p o i n t a n d p l a t f o r m f o r t h e d e v e l o p me n t o f t e c h n o l o g i e s a n d t h e o r i e s i n d e e p wa t e r d r i l l i n g a n d c o mp l e t i o n i n Ch i n a 。a n d t o r e a l i z e s a f e a n d e f f i c i e n t d e v e l o p me n t o f d e e p wa t e r o i l a n d g a s r e s o u r c e s i n t h e S o u t h Ch i n a S e a ． Ke y wo r d s d e e p wa t e r d r i l l i n g t e c h n i c a 1 d i f f i c u l t i e s ；d e v e l o p me n t d i r e c t i o n；S o u t h Ch i n a S e a 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 新公开数据表明 ， 南海 石油 约 1 1 0亿桶 ， 天然气储 美国能源信息署 的最 储量 约为 1 ． 71 0 。m。 量约为 5 ． 3 8 1 0 m。 约 1 9 0 1 0 f t 。 [ 引。2 0 1 0年底 ， 中国海洋石油 总公司 油气产量超过 5 ． 0 1 0 t ， 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 9 8 1 ” 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 收稿 日期 2 0 1 5 0 4 2 1 。 作者简介 孙 宝江 1 9 6 3 一 ， 男， 山 东高青人， 1 9 8 5年 毕业于华 东石 油学院钻 井工程专业 ， 1 9 9 9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 ， “ 9 7 3 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。 联 系方式 0 s 3 2 8 6 9 8 3 O 1 7 ， s u n l 1 2 8 1 2 6 ． t o m。 基金项 目 国家重 点基础研 究发 展 计 划 “ 9 7 3 ” 计 划 “ 海洋 深 水油气安全 高效 钻 完井 基础研 究 编 号 2 0 1 5 C B 2 5 1 2 0 0 ” 部 分研 究 内容 。 2 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 5 年 7月 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 2 0 0 6 年我 国第 一 口深水天然 气井荔湾 3 一 卜1井 作业水深 1 4 8 0 ． O 0 m 完钻至今 ， 我 国已 在南海 自主完成 2 0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 。 表 1 我 国南海深水 区域标 志井 Ta b l e1 Ch i n a ’ S r e p r e s e n t a t i v ewe l l si n t h e d e e p wa t e r r e g i o n o ft h e S o u t h Ch i n a S e a 井 名 钻井 日期 作业水深／ m 井深／ m 井别 所属盆地 意义及 教训 我国第一 口深水天然气井 ； 钻井过 程中遭遇台风“ 珍 珠” ， 钻井船隔水 管断裂 ， 落 人海底 ， 耽误 1个 月， 损失 荔湾3 1 1 2 0 0 6 0 8 1 4 8 0 ． O 0 3 8 4 3 ． O 0 初探井 珠江 口盆地 2 4 0 0 万美元 ； 遭遇 内波流 ， 钻井船 几分钟 内漂 移超过 警戒圈而紧急解脱 ， 尾 管固井失 败 ， 延误 8 ． 9 d ； 侧钻下 套管作业失败 ， 无 法进行试油作业 荔 2 0 0 9 -0 2 3 7 6 ． 00 s 9 18 ．0 0评 价 直 井珠 江 口 盆 地标 军 善 嚣 发 现南海第二 个深水 天然气 田； 钻 井过程 中遭遇 台 流 一 z ． 2 0 0 9 -1 2 1 4 5 ． O 0 3 4 4 9 ． O0 探 井 珠 江 口 舭 嚣 蓑 嚣 曼 霎 5 0 0 0 万美元 荔湾 6 - 1 1 2 0 1 2 0 5 1 4 9 6 ． O 0 2 3 3 5 ． O 0 预探井 珠江 口盆地 荔湾 2 1 - 1 - 1 2 0 1 2 0 8 2 4 5 6 ． 8 0 探井 珠江 口盆地 陵水1 7 2 1 2 0 1 4 0 8 1 4 5 5 ． O 0 3 5 1 0 ． O 0 探井 琼东南盆地 陵水 1 7 2 一 z 2 0 1 4 一 O 3 1 5 4 7 ． O 0 3 4 5 6 ． O 0 探井 琼东南盆地 “ 海洋石油 9 8 1 ” 钻井平 台所钻 的第一 口井 ， “ 深水 战 略” 迈 出实质性步伐 ； 遭遇 4 ． 3 k n孤立内波 ， “ 海洋石 油 9 8 1 ” 钻井平台被推移 4 ． 9 i n 作业水深创亚洲纪录， 第一次使用国产油基钻井液 “ 海洋石油 9 8 1 ” 钻井平 台第一次 深水测试 获得 圆满 成功， 中国海油获得了第一个深水自营高产大气田 我 国自营深水油气 田最大钻探水深 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l 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 第4 3卷第4期 孙宝江等． 南海深水钻井完井主要挑战与对策 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E ] 。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E ] 。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E l i ] 。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， 传统的井简多相流动规律无 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【 】 。在 井筒低一 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 了觯 ， 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 内的多相流动规律口 。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、 B o wt i e 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E M ] ， 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 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 5年 7月 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l_ 1 。综合考虑“ 三浅” 地层、 窄安全密度窗E l 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_ 1 引， 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[ 1 。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 ． I 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[ 1 ； 而 深水 双梯度控 压 钻井 中环空压力剖面预测_ 2 、 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 1 5 0 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 3 0 0 T n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[ 2 ， 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[ 2 ， 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 1 2处_ 2 。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l_ 2 。3 浅水 流 南海北部深水 盆地等区域存在浅水流危险区_ 2 ， 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[ 2 6 - 2 7 ] 。 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3 0 0 k m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 第 4 3卷 第 4 期 孙 宝江等． 南海深水钻 井完井主要挑 战与对策 所需时间长 ， 增大 了设计、 施工和成本控制的难度。 的攻关研究 。 2 ． 2 钻井完井主要技术难题 3 ． 1 深水钻井地质灾 害预测与浅层钻 井作业风险 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 口一 隔水管一 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 井简温压场复杂 ， 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， 井简压力控制 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 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 。 3 ． 2 深水海底井口一 隔水管一 平 台动力学耦合机理 与安全控制 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 口一 隔水管一 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 TL P 、 S p a r 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 针对低温一 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 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 5年 羁 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 口一 隔水管一 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 喷和井漏后的井简压力控制困难 。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 。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 何家雄， 夏斌， 施小斌， 等． 世界深水油气勘探进展与南海深水 油气勘探前景r- J 3 ． 天然气地球科学， 2 0 0 6 ， 1 7 6 7 4 7 7 5 2 ， 8 06 ． He J i a x io n g ， X i a B i n ， S h i Xi a o b i n ， e t a 1 ． P r o s p e c t a n d p r o g r e s s f o r o i l a n d g a s i n d e e p wa t e r s o f t h e wo r l d， a n d t h e p o t e n t i a l a n d p r o s p e c t f o r e g r o u n d f o r o i L a nd g a