鑽井技術論文

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❼ 有關石油鑽井的論文

深水石油鑽井技術現狀及發展趨勢*
摘要:隨著世界深水油氣資源不斷發現,近幾年來深水鑽探工作量越來越大。隨著水深的增加和復雜的海況環境條件,
對鑽井工程提出了更高的挑戰,鑽井技術的難度越來越大。從目前國內外深水鑽井實踐出發,對深水的鑽井設備、定位系統、
井身結構設計、雙梯度鑽井技術、噴射下導管技術、動態壓井鑽井技術、隨鑽環空壓力監測、鑽井液和固井工藝技術和鑽井隔
水管及防噴器系統等關鍵技術進行了闡述,對深水的鑽井設計和施工進一步向深水鑽井領域發展具有重要導向作用。
關鍵詞:深水鑽井;鑽井設備;關鍵技術
全世界未發現的海上油氣儲量有90%潛伏在
水深超過1000 m以下的地層,所以深水鑽井技術水
平關系著深海油氣勘探開發的步伐。對於海洋深水
鑽井工程而言,鑽井環境條件隨水深的增加變得更
加復雜,容易出現常規的鑽井工程難以克服的技術
難題,因此深水鑽井技術的發展是影響未來石油發
展的重要因素。
1國內外深水油氣勘探形勢
全球海洋油氣資源豐富。據估計,海洋石油資
源量約佔全球石油資源總量的34%,累計獲探明儲
量約400×108,t探明率30%左右,尚處於勘探早期
階段。據美國地質調查局(USGS)評估,世界(不含
美國)海洋待發現石油資源量(含凝析油)548×108
,t待發現天然氣資源量7815×1012m3,分別佔世界
待發現資源量的47%和46%。因此,全球海洋油氣
資源潛力巨大,勘探前景良好,為今後世界油氣勘探
開發的重要領域。
隨著海洋鑽探和開發工程技術的不斷進步,深
水的概念和范圍不斷擴大。目前,大於500 m為深
水,大於1500 m則為超深水。據估計,世界海上
44%的油氣資源位於300 m以下的水域,其中,墨西
哥灣深水油氣資源量高達(400~500)×108桶油當
量,約占墨西哥灣大陸架油氣資源量的40%以上,
而巴西東部海域深水油氣比例高達90%左右。
20世紀90年代以來,由於發現油氣田儲量大,
產量高,深水油氣倍受跨國石油公司青睞,發展迅
速。據估計,近年來,深水油氣勘探開發投資年均增
長30. 4%, 2004年增加到220億美元。1999年作
業水深已達2000 m, 2002年達3000 m。90年代以
來,全球獲近百個深水油氣發現,其中億噸級儲量規
模的超過30%。2000年,深水油氣儲量占海洋油氣
儲量的12. 3%,比10年前增長約8%。2004年,全
球海洋油氣勘探獲20個重大深水發現(儲量大於
110×108桶)。1998-2002年有68個深水項目,約
15×108t油當量投產; 2003-2005年則增至144個
深水項目,約4216×108t油當量投產, 2004年深水
石油產量210×108,t約佔世界石油產量的5%。
2目前深水油氣開發模式
深水油氣開發設施與淺水油氣開發設施不同,
其結構大多從固定式轉換成浮式,因此開發方式和
方法也發生了變化。國外深水油氣開發中常用的工
程設施有張力腿(TLP)平台、半潛式(SEMIOFPS)平
台、深吃水立柱式(SPAR)平台、浮式生產儲油裝置
(FPSO)以及它們的組合。
3深水鑽井關鍵技術
3.1深水鑽井設備
適用於深水鑽井的主要是半潛式鑽井平台和鑽
井船2種浮式鑽井裝置。
3.1. 1深水鑽井船鑽井船是移動式鑽井裝置中
機動性最好的一種。其移動靈活,停泊簡單,適用水
深范圍大,特別適於深海水域的鑽井作業。鑽井船
主要由船體和定位設備2部分組成。船體用於安裝
鑽井和航行動力設備,並為工作人員提供工作和生
活場所。在鑽井船上設有升沉補償裝置、減搖設備、
自動動力定位系統等多種措施來保持船體定位。自
動動力定位是目前較先進的一種保持船位的方法,
可直接採用推進器及時調整船位。全球現有38艘
鑽井船,其中額定作業水深超過500 m的深水鑽井
船有33艘,占總數的87%。在這33艘深水鑽井船
中,有26艘正在鑽井,有5艘正在升級改造。在現
有的深水鑽井船中, 20世紀70年代建造的有10
艘, 80年代和90年代建造的各有7艘,其餘9艘是
2000-2001年建造的。其中2000年建成的鑽井船
最多,有8艘;其次是1999年,有4艘。目前在建的
7艘鑽井船中,均是為3000多米水深建造的, 2007
年將建成1艘, 2008年和2009年將各建成3艘。
鑽井船主要活躍在巴西海域、美國墨西哥灣和
西非海域。2006年7月初,正在鑽井的26艘深水
鑽井船分布在8個國家。其中巴西8艘,佔1/3;其
次是美國,有6艘;安哥拉、印度和奈及利亞分別有
4艘、3艘和2艘;中國、馬來西亞和挪威各1艘。
3.1. 2半潛式鑽井平台半潛式鑽井平台上部為
工作甲板,下部為2個下船體,用支撐立柱連接。工
作時下船體潛入水中,甲板處於水上安全高度,水線
面積小,波浪影響小,穩定性好、支持力強、工作水深
大,新發展的動力定位技術用於半潛式平台後,到本
世紀初,工作水深可達3000 m,同時勘探深度也相
應提高到9000~12 000 m。據Rigzone網站截至
2006年7月初的統計,全球現有165座半潛式鑽井
平台,其中額定作業水深超過500 m的深水半潛式
鑽井平台有103座,占總數的62%。在這103座深
水半潛式鑽井平台中,有89座正在鑽井,有11座正
在升級改造。其中31座是20世紀70年代建造的,
最長的已經服役30多年; 40座是20世紀80年代
建造的; 13座是90年代建造的; 19座是2000 -
2005年建造的。此外,還有24座深水半潛式鑽井
平台正在建造。
深水半潛式鑽井平台主要活躍在美國墨西哥
灣、巴西、北海、西非、澳大利亞和墨西哥海域。2006
年7月初,處於鑽井中的89座深水半潛式鑽井平台
分布在18個國家,其中美國最多, 24座,占總數的
27%;巴西17座,挪威10座,英國6座,澳大利亞、
墨西哥和奈及利亞各5座,其餘國家各有1~3座。
3.2深水定位系統
半潛式鑽井平台、鑽井船等浮式鑽井裝置在海
中處於飄浮狀態,受風、浪、流的影響會發生縱搖、橫
搖運動,必須採用可靠的方法對其進行定位。
動力定位是深水鑽井船的主流方式。在現有的
深水鑽井船中,只有6艘採用常規錨鏈定位(額定
作業水深不足1000 m),其餘27艘都採用動力定位
(額定作業水深超過1000 m)。1000 m以上水深的
鑽井船採用的都是動力定位,在建的鑽井船全部采
用動力定位。
動力定位系統一般採用DGPS定位和聲納定位
2種系統。聲納定位系統的優點: (1)精確度高
(1% ~2% )、水深(最大適用水深為2500 m); (2)
信號無線傳輸(不需要電纜); (3)基本不受天氣條
件的影響(GPS系統受天氣條件的影響); (4)獨
立,不需要依靠其他系統提供的信號。聲納定位系
統的缺點: (1)易受雜訊的影響,如環境雜訊、推進
器雜訊、測試MWD等; (2)折射和陰影區; (3)信號
傳輸時間; (4)易受其他聲納系統的干擾,如多條船
在同一地方工作的情況。
3.3大位移井和分支水平井鑽井技術
海上鑽井新技術發展較快,主要包括大位移井、
長距離水平鑽井及分支水平井鑽井技術。這些先進
技術在裝備方面主要包括可控馬達及與之配套的近
鑽頭定向地層感測器。在鑽頭向地層鑽進時,近鑽
頭感測器可及時檢測井斜與地層性質,從而使司鑽
能夠在維持最佳井眼軌跡方面及時做出決定。
由於水平井產量高,所以在國外海上油氣田的
開發中已經得到了廣泛的應用。目前,國外單井總
水平位移最大已經達11 000m。分支水平井鑽井技
術是國際上海洋油氣田開發廣泛使用的技術,近年
來發展很快。利用分支井主要是為了適應海上需
要,減少開發油藏所需平台數量及平台尺寸(有時
平台成本占開發成本一半還多)。具體做法是從一
個平台(基礎)鑽一口主幹井,然後從主幹井上急劇
拐彎鑽一些分支井,以期控制較大的泄油麵積,或者
鑽達多個油氣層。
3.4深水雙梯度鑽井技術
與陸地和淺海鑽井相比,深海鑽井環境更復雜,
容易出現常規鑽井裝備和方法難以克服的技術難
題:錨泊鑽機本身必須承受錨泊系統的重量,給鑽機
穩定性增加了難度;隔水管除了承受自身重量,還承
受嚴重的機械載荷,防止隔水管脫扣是一個關鍵問
題;地層孔隙壓力和破裂壓力之間安全鑽井液密度
窗口窄,很難控制鑽井液密度安全鑽過地層;海底泥
線處高壓、低溫環境影響鑽井液性能產生特殊的難
題;海底的不穩定性、淺層水流動、天然氣水合物可
能引起的鑽井風險等。國外20世紀60年代提出並
在90年代得到大力發展的雙梯度鑽井(DualGradi-
entDrilling,簡稱DGD)技術很好地解決了這些問題。
雙梯度鑽井技術的主要思想是:隔水管內充滿海水
(或不使用隔水管),採用海底泵和小直徑迴流管線
旁路回輸鑽井液;或在隔水管中注入低密度介質
(空心微球、低密度流體、氣體),降低隔水管環空內
返迴流體的密度,使之與海水相當,在整個鑽井液返
回迴路中保持雙密度鑽井液體系,有效控制井眼環
空壓力、井底壓力,克服深水鑽井中遇到的問題,實
現安全、經濟的鑽井。
3.5噴射下導管技術
海上淺水區的表層套管作業通常採用鑽孔、下
套管然後固井的作業方式。在深水區,由於海底淺
部地層比較松軟,常規的鑽孔/下套管/固井方式常
常比較困難,作業時間較長,對於日費高昂的深水鑽
井作業顯然不合適。目前國外深水導管鑽井作業通
常採用「Jetting in」的方式。常規做法是在導管柱
(Φ914. 4 mm或Φ762 mm)內下入鑽具,利用導管柱
和鑽具(鑽鋌)的重量,邊開泵沖洗邊下入導管。
3. 6動態壓井鑽井技術(DKD)
DKD(Dynamic killDrilling)技術是深水表層建
井工藝中的關鍵技術。該技術是一種在未建立正常
循環的深水淺層井段,以壓井方式控制深水鑽井作
業中的淺層氣井涌及淺層水涌動等復雜情況的鑽井
技術。其工作原理與固井作業中的自動混漿原理相
似,它是根據作業需要,可隨時將預先配好的高密度
壓井液與正常鑽進時的低密度鑽井液,通過一台可
自動控制密度的混漿裝置,自動調解到所需密度的
鑽井液,可直接供泥漿泵向井內連續不斷地泵送。
在鑽進作業期間,只要PWD和ROV監測到井下有
地層異常高壓,就可通過人為輸入工作指令,該裝置
立即就可泵送出所需要的高密度鑽井液,不需要循
環和等待配製高密度鑽井液,真正意義上地實現邊
作業邊加重的動態壓井鑽井作業。
3. 7隨鑽環空壓力監測(APWD)
由於深水海域的特殊性,與淺水和陸地鑽井相
比,部分的上覆岩層被水代替,相同井深上覆岩層壓
力降低,使得地層孔隙壓力和破裂壓力之間的壓力
窗口變得很窄,隨著水深的增加,鑽井越來越困難。
據統計,在墨西哥灣深水鑽井中,出現的一系列問
題,如井控事故、大量漏失、卡鑽等都與環空壓力監
測有關。隨鑽環空壓力測量原理是主要靠壓力感測
器進行環空壓力測量,可實時監測井下壓力參數的
變化。它可以向工程師發出環空壓力增加的危險報
警,在不破壞地層的情況下,提供預防措施使井眼保
持清潔。主要應用於實時井涌監測和ECD監控、井
眼凈化狀況監控、鑽井液性能調整等,是深水鑽井作
業過程中不可缺少的數據採集工具。
3. 8隨鑽測井技術(LWD /MWD /SWD)
深水測井技術主要是指鑽井作業過程中的有關
井筒及地層參數測量技術,包括LWD、MWD和
SWD測井技術。
由於深水鑽井作業受到高作業風險及昂貴的鑽
機日租費的影響,迫使作業者對鑽井測量技術提出
了多參數、高採集頻率和精度及至少同時採用2套
不同數據採集方式的現場實時數據採集和測量系
統,並且具有專家智能分析判斷功能的高標准要求。
目前最常用的定向測量方式是MWD數據測量
方式,這種方式通常只能測量井眼軌跡的有關參數,
如井斜角、方位角、工具面。LWD是在MWD基礎
上發展起來的具有地層數據採集的隨鑽測量系統,
較常規的MWD增加了用於地層評價的電阻率、自
然伽馬、中子密度等地層參數。具有地質導向功能
的LWD系統可通過近鑽頭伽馬射線確定井眼上下
2側的地層岩性變化情況,以判斷井眼軌跡在儲層
中的相對位置;利用近鑽頭電阻率確定鑽頭處地層
的岩性及地層流體特性以及利用近鑽頭井斜參數預
測井眼軌跡的發展趨勢,以便及時做出調整,避免鑽
入底水、頂部蓋層或斷裂帶地層。
隨鑽地震(SWD)技術是在傳統的地面地震勘
探方法和現有的垂直地震剖面(VSP———Vertical
Seismic Profiling)的基礎上結合鑽井工程發展起來
的一項交叉學科的新技術。其原理是利用鑽進過程
中旋轉鑽頭的振動作為井下震源,在鑽桿的頂部、井
眼附近的海床埋置檢波器,分別接收經鑽桿、地層傳
輸的鑽頭振動的信號。利用互相關技術將鑽桿信號
和地面檢波器信號進行互相關處理,得到逆VSP的
井眼地震波信息。也就是說,在牙輪鑽頭連續鑽進
過程中,能夠連續採集得到直達波和反射波信息。
3.9深水鑽井液和固井工藝
隨著水深度的加大,鑽井環境的溫度也將越來
越低,溫度降低將會給鑽井以及採油作業帶來很多
問題。比如說在低溫情況下,鑽井液的流變性會發
生較大變化,具體表現在黏、切力大幅度上升,而且
還可能出現顯著的膠凝現象,再有就是增加形成天
然氣水合物的可能性。目前主要是在管匯外加絕緣
層。這樣可以在停止生產期間保持生產設備的熱
度,從而防止因溫度降低而形成水合物。
表層套管固井是深水固井的難點和關鍵點。海
底的低溫影響是最主要的因素。另外由於低的破裂
壓力梯度,常常要求使用低密度水泥漿。深水鑽井
的昂貴日費又要求水泥漿能在較短的時間內具有較
高的強度。
3.10深水鑽井隔水管及防噴器系統
深水鑽井的隔水管主要指從海底防噴器到月池
一段的管柱,主要功能是隔離海水、引導鑽具、循環
鑽井液、起下海底防噴器組、系附壓井、放噴、增壓管
線等作用。在深水鑽井當中,隔水管柱上通常配有
伸縮、柔性連接接頭和懸掛張力器。在深水中,比較
有代表性的是Φ533. 4 mm鑽井隔水管,平均每根長
度為15. 2~27. 4 m。為減小由於鑽井隔水管結構
需要和自身重量對鑽井船所造成的負荷,在鑽井隔
水管外部還裝有浮力塊。這種浮力塊是用塑料和類
似塑料材料製成的,內部充以空氣。在鑽井隔水管
外部,還有直徑處於50~100 mm范圍的多根附屬
管線。在深水鑽井作業過程中,位於泥線以上的主
要工作構件從下向上分別是:井口裝置、防噴器組、
隔水管底部組件、隔水管柱、伸縮短節、轉噴器及鑽
井裝置,井口裝置通常由作業者提供。
4結論
深水石油鑽井是一項具有高科技含量、高投入
和高風險的工作,其中噴射下導管技術、動態壓井鑽
井技術、隨鑽環空壓力監測、隨鑽測井技術、ECD控
制等技術是深水鑽井作業成功的關鍵。鑽井船、隔
水管和水下防噴器等設備的合理選擇也是深水鑽井
作業成功的重要因素。另外,強有力的後勤支持和
科學的作業組織管理是鑽井高效和安全的重要保
障。
參考文獻:
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