海洋深水救援井钻井关键技术.pdf

第 37 卷 第 3 期 2015 年 5 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2.Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China; 3.Oil and Gas Engineering College, China University of Petroleum, Beijing 102249, China） Abstract There is great risk in deepwater drilling and there is no international standard for reference regarding the design of relief well drilling, and not many relief wells are drilled for deepwater wells. In order to ensure safe and efficient development of deepwater oil/gas fields and in conjunction with the requirement of deepwater drilling in the South China Sea, a number of key technologies have been arranged and analyzed such as selection of relief well location, of wellbore trajectory design, detection and location technology, connection technique, dynamic well killing technique, etc. The selection of relief well location should take into consideration the submarine geological conditions, ocean currents, wind directions, thermal radiation, commercial insurance, etc. The trajectory of relief well should be designed according to the location of connecting point, the requirement of detection and location tools and difficulty in following the trajectory. The preferred connecting is to directly penetrate the borehole of trouble well. The ulation of dynamic killing program should be the most efficient and safest killing plan according to the capacity of the drilling ship. The research result is of certain reference value to establishing the design system for deepwater relief wells. Key words drilling engineering; deepwater; relief wells; detection and location; connection technology; well killing 海洋深水区域已经成为全球能源的重要接替 区， 深水勘探开发已成为热点， 同时也面临着巨大的 挑战。 深水钻井具有高技术、 高投入、 高风险等特点， 深水一旦发生井喷事故将造成巨大的环境污染及经 济损失。救援井是为控制事故井井喷， 在离事故井 一段距离设计、 施工的与事故井进行连通的井［1］。 基金项目国家自然科学基金“海洋深水浅层钻井关键技术基础理论研究” （编号51434009） ；中海油综合科研项目“中海油钻完井 井控技术管理体系研究” （编号2014-YXKJ-001） 。 作者简介刘书杰， 1966 年生。1989 年毕业于中国石油大学（华东） 钻井工程专业， 中国石油大学（北京） 在读博士研究生， 现主要从事 海洋石油钻完井方面的设计研究工作， 教授级高级工程师。电话010-84523668。E-mailliushj。 石油钻采工艺 2015 年 5 月（第 37 卷） 第 3 期16 由于救援井的特殊性， 其关键技术与常规钻井技术 存在较大的区别。田峥等［2］对救援井的井位选择、 轨迹连通、 压井和弃井等几项关键技术， 进行了概 括介绍； 吴瑶等［3］指出救援井与事故井相对位置的 精确探测是实施救援的关键， 并利用软件模拟半径 为 139.7 mm 的井喷井， 在其附近设置 1 个 1 A 电流 源和一个接地电极， 研究了电流源和事故井距离、 两 电极距离、 事故井半径对事故井套管上电流密度的 影响， 为深水油气勘探救援井精确探测提供了理论 依据。在前人研究成果的基础上， 结合中国南海深 水钻井的需要， 从救援井井口位置选择、 井眼轨迹设 计、 探测定位、 连通方式、 动态压井方法等方面进行 了研究。 1 井口位置选择 救援井井口位置的选择是一项整体工程管理内 容， 在井眼轨迹可行及满足探测定位要求的情况下， 救援井井口距离事故井井口越近井深越小， 因此可 以在最短的时间内以最小的成本连通事故井， 成功 压井。但是井口位置选择还需综合考虑作业区块的 海洋气象条件（季风、 流、 浪及海冰） 、 海底地质风险、 热辐射、 商业保险要求等。 1.1 海底地质风险 救援井井口位置选择的首要考虑因素是井场地 质条件可以满足安全高效钻井作业的要求， 需对救 援井井位浅层土质情况、 有无断裂及滑移迹象、 有无 海底障碍物、 泥火山、 湖泊等问题进行井场调查， 确 保救援井井位不会发生浅层地质灾害。 1.2 热辐射 考虑到事故井可能发生井喷着火， 必须考虑热 辐射的影响， 确保实施救援井的钻井船在热辐射波 及范围之外， 图 1 是南海某井如果发生井喷爆炸着 火热辐射影响范围模拟结果， 可以看出， 热辐射波及 范围在 200 m 以内。 图 1 热辐射分布 1.3 风向因素 救援井井位的确定需考虑作业海域季风特征及 盛行风向， 根据救援井作业实施季节进行选择， 救援 井井位宜在事故井的上风位置或者垂直于风向的侧 位， 可以在实施钻井作业时规避井喷流体随风漂移 的威胁。 1.4 商业保险要求 救援井及事故井井口间距的确定除了受救援井 轨迹设计要求及探测定位工具的影响外， 还受保险 公司商业保险的限制， 保险公司会对救援井钻井风 险进行综合评估， 确定可以接受的最小井口间距， 如 果投保方井口间距小于保险公司规定的最小井口间 距， 则需要交纳高额的额外保险费用。 2 方案设计 2.1 井眼轨迹设计 救援井井眼轨迹的设计， 在保证可实施的前提 下， 需要优先考虑满足探测定位工具的要求， 提高连 通成功率， 而后考虑轨迹难度、 造斜点选择、 造斜率 大小等因素。 救援井轨迹设计中要结合探测工具的能力， 留 足探测距离， 满足探测次数及切入角要求。常见的 救援井轨迹有 3 种直接连通、 逐步逼近、 Bypass 方 法［4］。在救援井轨迹可以满足要求的前提下， 优先 推荐 Bypass 方法， 通过 Bypass 消除误差椭圆， 提高 连通成功率；如果连通点浅， Bypass 方法造成救援 井轨迹狗腿度较大， 推荐采用逐步逼近法， 救援井轨 迹逐步逼近事故井井眼， 通过多次探测提高连通成 功率。直接连通方法一般适用于连通点非常浅的情 况， 如果采用 Bypass 方法或者逐步逼近法， 狗腿度 会非常大， 无法实施， 直接连通方法一般会采用被动 探测工具大角度连通。3 种方法中直接连通方法连 通成功率最低， 如图 2 所示。 图 2 井眼轨迹设计方法 2.2 探测定位 根据救援井测距工具的原理不同可将其分为主 17刘书杰等海洋深水救援井钻井关键技术 动测距系统和被动测距系统。主动测距系统主要是 通过自身来改变或产生某些信号量获得测量结果， 被动测距系统则是通过感知目标对某个物理量的影 响来获得测量结果。两者的区别在于测量者是否对 测量对象施加影响。其中被动测距系统主要是通过 检测事故井中套管、 钻杆等对地磁的影响， 从而获得 事故井和救援井之间的相对距离关系；主动测距系 统则是通过对事故井中套管、 钻杆施加一定的激励 量， 产生磁场、 电流等物理量的改变， 从而获得两者 之间的相对距离关系。目前， 常用的探测工具为 美 国 SDI 公 司 的 MagTrac MWD Ranging System， 为被动测距类型；美国 Vector Magnetics 公司的 PMR、 Wellspot、 RGR、 WSAB， 其中除 PMR 工具为被 动测距外， 其余为主动测距类型。 主动电磁测距系统（国外一般使用 Wellspot 导 向工具［5-8］） 探测距离一般大于 50 m， 并且具有较高 的精度， 但是在切入角大于 45 时几乎无法实现测距 作业， 同样由于主动电磁测距系统需要在裸眼或者 钻柱内下入测量工具， 因此一般无法实现随钻测量， 需要较为频繁的起下钻作业以提供测距工具的下入 通道， 作业时间一般较长， 无法实时为钻井作业提供 防碰的信息。另外， 油基钻井液对测距结果会有影 响， 测量点少。被动电磁测距工具自带 MWD， 无需 频繁起下钻作业， 油基钻井液对测距结果没有影响， 测量点多， 但只能以一定的距离间隔（＜ 25 m） 进行 测距。2 种测距作业系统技术均较为成熟， 各有优缺 点， 在全球的救援井测距作业中都有较为成功的应 用案例。 2.3 连通方式 目前主要的连通方法有直接钻通、 射孔连通、 压裂连通、 定向射孔 压裂连通。随着救援井测距 系统、 测斜工具的快速发展， 直接连通成功率大大提 高。射孔、 压裂除需要测距系统外还需要额外的装 备， 特别是压裂连通， 还需要考虑平台的空间能否满 足设备摆放的要求， 对于海上作业存在一定的难度。 因此除特殊工艺需要， 建议采用直接钻通方式作为 首选连通方式。 压裂连通方式要考虑最大、 最小水平主应力的 方向， 救援井及事故井布井方位均与最小水平主应 力方向一致， 救援井布置在事故井左（右） 侧， 压裂连 通成功率最高， 如图 3 所示。如果压裂连通不成功， 可以考虑定向射孔 压裂连通方法。 2.4 动态压井方法 动态压井的基本原理是以一定的流量泵入初始 压井液， 通过利用压井液在环空流动时的摩擦阻力 配合压井液静液柱压力使井底的流动压力等于或者 大于地层压力， 从而阻止地层流体进一步侵入到井 内达到“动压稳” 状态， 然后逐步替入加重压井液以 实现完全压井的目的， 达到“静压稳” 状态［8-9］。动 态压井方法与常规压井方法的不同之处就在于利用 了压井液在环空流动时的摩擦阻力。 国际上使用比较多的救援井动态压井模拟软件 是 Schlumberger 公司的 OLGA ABC 软件， 该软件 基于多相流理论， 可以模拟不同压井液密度、 不同排 量下救援井压井方案。一般来说救援井动态压井方 案的设计应结合进行救援井作业的钻井船作业能力 （泥浆泵能力、 泥浆池容量等） ， 模拟多种井况下多种 压井方案， 优选泵排量小、 所需压井液量小、 压井时 间短、 套管鞋处压力小的方案作为推荐方案。 3 设计案例 中国海上还没有救援井实施案例， 但是深水油 气田的开发要求必须进行相应的救援井设计， 因此， 随着近年来深水油气田的快速开发， 中海油积累了 丰富的救援井设计经验。以中国南海某深水救援井 设计为例进行案例分析［10］， 根据南海气候、 井位附 近地质条件、 热辐射波及范围（通过计算波及范围在 200 m 以内） 等， 确定了救援井井位为事故井北偏东 135 方位， 距事故井 300 m；综合考虑事故井连通点 位置， 探测工具测距要求及井眼轨迹实施难度进行 了轨道设计， 推荐采用逐步逼近法；建议探测工具 采用 Wellspot 工具中的 RGRⅡ和 WSAB 系统配合 使用， RGRⅡ负责前期远距离探测寻找事故井套管， WSAB 工具负责近距引导靠近；针对事故井井口状 况、 实际作业钻井船能力进行了不同压井排量、 不同 压井液密度动态压井方案设计， 并针对事故井情况 进行了弃井方案设计， 结果如表 1、 图 4。 4 结论 （1） 深水救援井作业是一项复杂的系统工程， 救 援井井口位置选择、 井眼轨迹设计、 探测定位、 连通 方式、 动态压井方法、 弃井设计等是深水救援井的关 图 3 压裂连通方法 石油钻采工艺 2015 年 5 月（第 37 卷） 第 3 期18 表 1 动态压井方案设计 方案 压井排量 / m3 min-1 压井液密度 / g cm-3 压井液体积 / m3 压井时间 / min 套管鞋处最大压力 / MPa 最大泵压 / MPa 备注 井口全开 钻杆 2， 环空 21.194 000100041.532推荐 井口全开钻杆 3， 环空 31.193 70062042.060压裂套管鞋 井口 50 开 钻杆 2， 环空 21.16压井失败 井口 50 开 钻杆 3， 环空 31.162 46241041.050推荐 井口 3 开 钻杆 2， 环空 21.161 44036040.830.8推荐 键技术。 （2） 井口位置的选择， 必须满足井眼轨迹可行及 探测定位工具的要求， 除此之外还需综合考虑作业 区块的海洋气象条件、 海底地质风险、 热辐射、 商业 保险要求等。 （3）Bypass 方法可以消除误差椭圆， 提高连通成 功率， 是救援井井眼轨迹设计的首选， 如果轨迹无法 满足 Bypass 的要求优先考虑采用逐步逼近方法。 （4） 探测定位分为主动测距系统和被动测距系 统， 要根据实际情况优选探测定位工具。直接钻通 是首选的连通方式， 如果直接钻通失败推荐采用压 裂连通方式。 （5） 对救援井动态压井方法进行了介绍， 并指出 压井方案应考虑进行救援井作业的钻井船作业能 力， 保证切实可行。 参考文献 ［1］ 魏超南， 陈国明 .“深水地平线” 钻井平台井喷事故剖 析与对策探讨［J］. 钻采工艺， 2012， 35 （5） 18-21. ［2］ 田峥， 周建良， 唐海雄， 等 . 深水钻井中救援井关键技术 ［J］. 海洋工程装备与技术， 2014， 1 （2） 106-110. ［3］ 吴瑶， 毛剑琳， 李峰飞， 等 . 深水油气勘探救援井精确探 测技术研究［J］. 石油钻采工艺， 2014， 36 （4） 26-29. ［4］ 钱爱东 . 浅谈海上救援井钻井设计思路［J］. 石油天 然气学报， 2013， 35 （10） 330-332. ［5］ GRACE R D, Blowout and well control handbook［M］. 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