深水鉆井中救援井關鍵技術

田 崢，周建良，唐海雄，蔣世全，郝希寧

[1. 中海油研究總院，北京 100027； 2. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067]

深水鉆井中救援井關鍵技術

田 崢1，周建良1，唐海雄2，蔣世全1，郝希寧1

[1. 中海油研究總院，北京 100027； 2. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067]

深水救援井具有高風險、高技術、高投入和高社會敏感性等特點。在深水作業(yè)井失控、常規(guī)救援措施難以有效實施時，深水救援井是公認的終極救援手段。目前我國救援井數量較少，深水救援井經驗幾乎為空白。在調研國內外救援井的基礎上，對深水救援井一系列關鍵技術進行了梳理和分析。對救援井的井位選擇、軌跡連通、壓井和棄井等幾項關鍵技術，進行了技術分析，可為后續(xù)的救援井研究提供一定參考。

深水鉆井； 救援井； 軌跡； 連通技術； 壓井； 棄井

0 引 言

隨著石油開發(fā)逐步從淺水走向深水，我們對深水作業(yè)存在的各種風險的認識不斷加深。2010年4月20日墨西哥灣“深水地平線”平臺井噴失控事故的惡劣后果給石油行業(yè)敲響了警鐘。深水作業(yè)風險高，各種復雜情況都有可能發(fā)生。一旦作業(yè)失控，常規(guī)應急救援措施難以奏效，就需要考慮終極手段——救援井。

救援井最初通過在井噴層附近鉆直井來緩解膨脹地層的壓力并用高速率開采來降低事故層地層孔隙壓力。其基本原理是：井眼軌跡與事故井的軌跡在地層的某個層位連通或匯合，將高密度的鉆井液或水泥通過救援井輸入事故井，以達到油(氣)井滅火或控制井噴的目的。

救援井與一般的油氣井不同。特殊的使用目的與苛刻的作業(yè)環(huán)境決定了救援井特殊的技術要求。救援井的井位選擇、井身結構與軌跡設計、連通技術、壓井技術及棄井方法等關鍵技術都不同于常規(guī)油氣井。本文就海上救援井研究的幾個關鍵技術要點進行逐一分析。

1 救援井井位優(yōu)選

在制定救援井方案的過程中，井位優(yōu)選十分重要。需要充分考慮多種因素：區(qū)域海洋環(huán)境(風、浪、流、溫度等)、海底地形地貌、交通運輸等。此外，救援井自身的作業(yè)安全、鉆井速度和效率等因素亦需要考慮。鑒于深水救援井作業(yè)的復雜環(huán)境，一般救援井設計需考慮備用一個救援井井位。

(1) 風向因素。救援井井位確定時，需考慮當地的季節(jié)性氣候和風向。一般來說，救援井的井位要位于事故井的上風處，避免事故井噴出的流體影響救援井作業(yè)安全。事故井著火時尤其如此，在大火伴隨噴出高壓流體的情況下，一旦風向不利，勢必對救援井作業(yè)造成威脅。

(2) 井位間距選擇。救援井與事故井井口間距的計算可以從井斜角反推。定向鉆井施工中最佳井斜角為15°～45°[1]。在該井斜角范圍內，定向井造斜、摩阻扭矩、水力攜巖性能較好。根據地層巖性、儲層埋深及連通位置進行造斜點優(yōu)選。在最佳造斜點和造斜率確定后，可反推確定兩井之間的距離。

(3) 地層情況。對于深水救援井，海底障礙物、邊坡穩(wěn)定性、淺層地質災害預測等對井位優(yōu)選非常重要。井位選擇中需要避開那些復雜情況較多的區(qū)域，以便達到快速高效鉆井的要求。

從整體工程的理想角度考慮，允許救援井的鉆井位置在井噴井1 000英尺(約305 m)內，偏移角度在15°內[2]。最好的方向是充分利用地層漂移和地層方位變化趨勢。

2 井眼軌跡設計及井身結構設計

利用定向鉆井技術，選擇有利的井位，合理設計井身剖面及井身結構，以盡可能少的鉆井進尺，定向鉆至事故井的壓井點。

井眼軌跡常用的有五段式和三段式兩種[3]。前者通常用在連通位置較深、難以連通的情況，后者適合于連通層位較淺的情況。地下深層鉆井中，井眼軌跡及方向難以精確控制，為了進行井眼連通，在尋求連通點的過程中通常需要反復調整方位及方向，實際救援井的軌跡顯得不規(guī)則[4]，軌跡示意圖見圖1。

圖1 救援井井眼軌跡示意圖Fig.1 Borehole trajectory of relief well

通過國內外的實踐經驗，井眼軌跡設計及井身結構設計主要技術原則如下：

(1) 對于定向井軌跡設計，應在盡可能縮短救援井軌跡長度的條件下，使其與失控井井口有足夠距離，以保證作業(yè)安全，同時快速鉆井。

(2)對于深水井，由于水深較大、泥線到靶點垂深淺，因此造斜點選擇以降低整體狗腿度為宜。

(3) 為降低側鉆風險、增加一次命中連通率，以事故井內套管為磁探測參考物，以事故井最后一層套管鞋處作為連通點；因為靶前距短，因此造斜點的選擇建議在36 英寸(1 英寸=2.54 cm)鞋以下滿足不受磁干擾的深度時立即進行造斜，以連續(xù)造斜方式到達靶點。

(4) 盡量利用地層自然增、減方位(井斜)趨勢，造斜率大小考慮中靶及井下工具和套管能順利下入；造斜率要滿足中靶要求，并且考慮井下工具和套管的下入能力[5]。因此，兩個備用井位均需要作為救援井的設計井位。

3 救援井連通技術

傳統(tǒng)的磁性測斜儀、陀螺測斜儀或隨鉆測量(MWD)工具無法有效精準地使救援井與事故井在靶點成功連通。為了精確探測救援井與事故井的相對位置，保證一次連通成功，應采用特殊的鄰井距離探測工具。

目前，Wellspot是國際上比較先進且廣泛使用的能夠精確探測救援井與事故井間距的電磁測距工具[6]。該工具主要包括地面供電設備、電極、探管和計算軟件。

套管等金屬相比地層具有更高的電導率，當電極附近存在套管或鉆桿等金屬材質時，電極注入的電流大部分在套管或鉆桿處聚集，套管內產生向上和向下傳輸的電流，套管周圍將產生變化的磁場，這個變化的磁場可由電極下的探管測得。Wellspot工具的主要技術參數如表1所示；工作原理如圖2所示。

表1 Wellspot工具主要技術指標

圖2 Wellspot工具工作原理示意圖Fig.2 Working principle of Wellspot tool

圖3 救援井到事故井相對位置計算模型Fig.3 Calculation model for the relative position between relief well and accident well

圖3給出了救援井到事故井相對位置計算模型。如圖3所示，H為事故井套管內電流I在探管處產生的磁場強度；Hp為H在兩交變磁場傳感器所在平面上的投影。顯然，Hp可由位于x和y方向的兩交變磁場傳感器測得。由圖3可知：

H=Hp-Hd·n2，

(1)

Hd=(Hp·n1)/(n1·n2)，

(2)

r/(r·r)=2π(H×n1)/I.

(3)

由式(1)～式(3)可知，當Hp由兩正交的交變磁場傳感器測得后，就可以唯一地確定H、r和a，從而也就確定了救援井到事故井的距離。

Wellspot工具的局限性在于無法進行隨鉆測量，每次測量都需要提出鉆具，然后下入Wellspot工具，大大增加了鉆井時間。因此該工具主要用于救援井這種特殊工況，不利于在其他工況(如叢式井防碰等)中推廣應用。

4 救援井壓井

壓井的目的是恢復井眼內壓力平衡，即井底壓力等于或稍大于地層壓力，并且還必須把地層進入井眼中的流體安全地排出井眼或安全地再壓回地層。壓井的原則是保持井底常壓，也就是在壓井過程中，井底壓力略大于地層壓力并且使井內壓力保持不變[7]。

救援井鉆達目的層位、連通救援井與事故井眼之后，由定向救援井向高壓油氣層循環(huán)重泥漿壓井，最終達到制止井噴、恢復井內壓力平衡的目的。

海上常用壓井方法包括海洋司鉆法、海洋工程師法和動力壓井法。

海洋司鉆法壓井又叫做二次循環(huán)法壓井，第一循環(huán)周用原鉆井液循環(huán)排出井內受污染鉆井液，待壓井鉆井液配制好后，第二循環(huán)周將壓井液泵入井內，壓住地層。海洋工程師法壓井又稱做一次循環(huán)法壓井，是在一個循環(huán)周內完成的。

動力壓井法是通過增加壓井循環(huán)排量增加流動阻力，從而增加井底壓力，達到壓井目的。其適用條件為：高壓地層在井底，地層破裂壓力小的薄弱地層不一定在井底。在鉆井過程中動力壓井的環(huán)空流動壓降均勻分布在整個井身長度上，常規(guī)壓井的回壓作用在整個井身的每一點上，也就是說動力壓井法將產生較小的井壁壓力。套管下得越淺，使用動力壓井時套管鞋處的壓力就越比使用常規(guī)壓井方法時小，從而越安全。

表2比較了上述幾種壓井方法的特點。

表2 動力壓井法和常規(guī)壓井方法的比較

5 棄井技術

救援井棄井方案需要根據壓井后能否重入待救援井井口情況分類而定。

若被救援井壓井后具備重入的條件，則重新安裝被救援井井口，從被救援井介入進行棄井。根據被救援井的套管完整性情況，還應建立井筒與地層的有效封隔。若被救援井壓井后不具備重入的條件，根據情況可考慮通過救援井注入水泥漿進行棄井。

救援井的棄井宜采取臨時棄井措施，直至被救援井完成棄井后再對救援井按照《海洋石油棄井規(guī)范》的要求進行永久棄井。

對于能重新入老井眼的情況，以連通點為被救援井20英寸套管鞋為例分別針對救援井和被救援井的情況進行棄井分析。

(1) 被救援井的棄井。下入固井管柱到裸眼段油氣層位置，注水泥塞封隔油氣層，自所封堵油、氣、水層底部30 m以下向上覆蓋至所封堵層頂以上不少于50 m；裸眼段最后一個水泥塞需返進20英寸套管鞋至少50 m，候凝、探水泥塞頂面并試壓合格；20英寸套管鞋內坐封一只橋塞，進行負壓測試，用抑制性海水頂替井筒內的泥漿；在橋塞上注長度不小于100 m的水泥塞；注入棄井最后一個水泥塞，長度不小于50 m，且水泥塞頂面位于海底泥面下4～30 m之間。

(2) 救援井的棄井。下入固井管柱到裸眼段油氣層位置，注水泥塞封隔油氣層，自所封堵油、氣、水層底部30 m以下向上覆蓋至所封堵層頂以上不少于50 m；裸眼段最后一個水泥塞需返進9-5/8英寸套管鞋至少50 m，候凝、探水泥塞頂面并試壓合格；9-5/8英寸套管鞋內坐封一只橋塞，進行負壓測試，用抑制性海水頂替井筒內的泥漿；在橋塞上注長度不小于100 m的水泥塞；在20英寸表層套管鞋深度附近的內層套管內向上注一個長度不小于50 m的水泥塞；注入棄井最后一個水泥塞，長度不小于50 m，且水泥塞頂面位于海底泥面下4～30 m之間。

6 結束語

(1) 救援井技術中的井位選擇、軌跡、井身結構設計、連通工具與技術、壓井及棄井技術，相比于一般的油氣井鉆井都有較大的區(qū)別。

(2) 救援井井位選擇中考慮了風向、距離及地層情況，主要是從救援的安全作業(yè)角度進行考慮。救援作業(yè)現場情況復雜，還需考慮作業(yè)失敗、移位鉆井等情況，因此，需要準備備用井位。

(3) 救援井軌跡不同于一般井眼軌跡，取決于井眼的連通情況。地下深層處，井眼方位調整難度大，難以準確控制。因此，救援井軌跡實鉆過程中會反復調整進行連通，軌跡會比較不規(guī)則。

(4) 救援井連通作業(yè)，需要工具對井眼軌跡進行精度的測量和定位。介紹了能夠精確探測救援井與事故井間距的電磁測距工具Wellspot，并對其工具技術參數和使用條件進行了介紹。

(5) 簡要介紹了救援井的幾種壓井方法，并進行了比較和分析。棄井中對救援井壓井后是否具備重入井眼條件的兩種情況進行了分析。

[1] Wolff C J M, de Wardt J P. Borehole position uncertainty-analysis of measuring methods and derivation of systematic error model[J]. J Petroleum Technology, 1981, 33(12): 2339.

[2] Wilson H, Brooks A G. Wellbore position errors caused by drilling fluid contamination[C]. SPE, 2001: 71400.

[3] 董本京, 高德利, 柳貢慧. 井眼軌跡不確定性分析方法的探討[J]. 天然氣工業(yè), 1999, 19(4): 59.

[4] Aadn?y B S. Modern well design[M]. Huston: Gulf Publishing Company, 1996. 109.

[5] 李克向. 鉆井手冊(甲方)(上冊)[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社，1990. 130-131, 135-140, 147.

[6] Prange M D, Tilke P G, Kaufman P S. Assessing borehole-position uncertainty from real-time measurements in an earth model[C]. SPE, 2004: 89781.

[7] 海洋鉆井手冊編寫組. 海洋鉆井手冊[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社， 1996. 86.

KeyTechnologiesofReliefWellsinDeepwaterDrilling

TIAN Zheng1, ZHOU Jian-liang1, TANG Hai-xiong2, JIANG Shi-quan1, HAO Xi-ning1

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100027,China； 2.CNOOCLtd.-Shenzhen,Shenzhen,Guangdong518067,China)

Deepwater relief wells exhibit characteristics of high risk, high technology, high investment and high social sensitivity. When the well is out of control and the routine rescue measures fail, relief well is regarded as the ultimate rescue means. However, in China, the quantity of relief wells is relatively small, and the deepwater relief well experience is almost blank at present. Based on the research of relief wells at home and abroad, a series of key technologies of deepwater relief well are sorted and analyzed. Several key technologies such as location selection, the trajectory of relief well connected, well control and well abandonment are analyzed. The results provide certain reference for subsequent relief well study.

deepwater drilling; relief well; trajectory; connecting technology; well control; well abandonment

TE58

A

2095-7297(2014)02-0106-05

2014-02-21

國家科技重大專項(2011ZX05026-001-04)

田崢(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事巖石力學在深水鉆完井中的應用方面的研究。