南海東部荔灣22–1–1超深水井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

劉正禮， 嚴(yán) 德

（1. 中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東深圳 518000；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，廣東深圳 518000）

2018年，隨著國際油價在震蕩中穩(wěn)步上升，中國海油對儲量替代率提出了更高的要求。在自主深水鉆井技術(shù)日漸成熟和作業(yè)經(jīng)驗(yàn)日益豐富的基礎(chǔ)上，中國海油在南海東部深水油氣勘探區(qū)域部署了荔灣22-1-1超深水預(yù)探井，以預(yù)探荔灣22-1構(gòu)造含氣性及儲量規(guī)模，落實(shí)荔灣凹陷的生烴潛力，探明荔灣凹陷珠江組下段—珠海組深水扇構(gòu)造-巖性圈閉的勘探潛力，并拓展超深水勘探新區(qū)。荔灣22-1構(gòu)造位于南海東部海域荔灣東洼“凹中隆”的南斜坡區(qū)，具有地層超覆的大型鼻狀隆起構(gòu)造背景，分為東、西2個高點(diǎn)，珠江組下段—珠海組為大型深水扇構(gòu)造-巖性圈閉，古近系文昌組—恩平組為大型斷背斜構(gòu)造圈閉。

荔灣22-1-1超深水井距離香港東南約360 km，作業(yè)水深2 619.35 m，由中國海油自主完成，奮進(jìn)號半潛式平臺承鉆，打破了LW21-1-1超深水井作業(yè)水深2 451.00 m的國內(nèi)紀(jì)錄，是目前國內(nèi)作業(yè)水深最深的超深水井，也是西太平洋作業(yè)水深最深的超深水井，同時也是我國從深水油氣勘探走向超深水油氣勘探的標(biāo)志井。奮進(jìn)號平臺自2018年10月5日開始自航前往井位，10月30日該井完鉆，建井周期25.36 d，鉆井周期僅為16.92 d，作業(yè)時效高達(dá)99.57%，創(chuàng)造了我國超深水井建井周期和鉆井周期最短紀(jì)錄，標(biāo)志著我國超深水鉆井技術(shù)取得重大突破。

1 工程設(shè)計概況

1.1 地層巖性特點(diǎn)

荔灣22-1-1井實(shí)際完鉆井深3 994.30 m，鉆遇地層從上而下依次為萬山組、粵海組、韓江組、珠江組、珠海組、恩平組和文昌組。萬山組和粵海組地層以大套泥巖為主，未成巖；韓江組地層為厚層泥巖夾薄層粉砂質(zhì)泥巖，成巖性差；珠江組地層以薄-巨厚層泥巖為主，夾薄-中厚層粉砂巖；珠海組地層為厚-巨厚層粉砂質(zhì)泥巖、泥巖與薄-中厚層細(xì)砂巖和泥質(zhì)粉砂巖互層；恩平組地層為薄-中厚層粉砂質(zhì)泥巖、泥巖與薄-中厚層泥質(zhì)粉砂巖互層；文昌組地層為巨厚層粉砂質(zhì)泥巖、泥巖。目的層為珠海組發(fā)育的3套儲層，以中-細(xì)砂巖為主，物性較好。

1.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

荔灣22-1-1井要求鉆至設(shè)計井深3 894.30 m后，井底以上60.00 m井段地層無油氣顯示則完鉆。該井地溫梯度為6.5 ℃/100m，地層壓力和溫度正常。

荔灣22-1-1井設(shè)計井身結(jié)構(gòu)時，主要依據(jù)地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力以及井眼穩(wěn)定性的研究結(jié)果，并考慮了南海深水井鉆井過程中FLATPRO恒流變合成基鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度的實(shí)測結(jié)果和計算結(jié)果，采用了典型的深水井套管程序（如圖1所示）：考慮到淺部地層強(qiáng)度低和保證井口穩(wěn)定性需求，一開井段，采用噴射法將914.4 mm（36 in）導(dǎo)管下至井深2 748.65 m，入泥深度100.00 m，以有效支撐井口和隔水管；二開井段采用660.4 mm（26 in）鉆頭鉆至井深 3 265.00 m，508.0 mm（20 in）表層套管下至井深3 260.00 m，入泥深度611.35 m，該井段采用無隔水管鉆進(jìn)，套管下至珠江組厚泥巖層，以封固淺層松散地層，獲得作業(yè)窗口，確保井口穩(wěn)定；三開井段采用444.5 mm（17 1/2 in）鉆頭鉆至井深3 475.00 m，339.7 mm（13 3/8 in）技術(shù)套管下至井深3 470.00 m，入泥深度821.35 m，該層套管下至珠海組地層頂部，坐入珠江組泥巖中，為下一井段鉆進(jìn)獲得足夠作業(yè)窗口，同時為揭開目的層珠海組作好準(zhǔn)備；四開井段采用311.1 mm（12 1/4 in）鉆頭鉆至井深3 705.00 m，244.5 mm（9 5/8 in）技術(shù)套管下至恩平組斷層以上，坐入珠海組泥巖中，入泥深度約1 051.35 m，封固目的層珠海組砂巖段；五開井段采用215.9 mm（8 1/2 in）鉆頭鉆至設(shè)計井深3 894.30 m，裸眼完井。

圖1 荔灣 22–1–1 井設(shè)計井身結(jié)構(gòu)Fig. 1 Casing program of Well Liwan 22-1-1

在鉆進(jìn)過程中，根據(jù)油氣顯示情況對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，若目的層珠海組油氣顯示情況良好，則下入244.5 mm技術(shù)套管封固珠海組地層，然后采用215.9 mm鉆頭揭開恩平組斷層并鉆至設(shè)計井深3 894.3 m ；若目的層珠海組無油氣顯示或油氣顯示不理想，則取消下入244.5 mm技術(shù)套管，繼續(xù)采用311.1 mm鉆頭鉆至設(shè)計井深3 894.3 m。

2 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

荔灣22-1-1超深水井鉆井除了面臨海洋鉆井常規(guī)技術(shù)挑戰(zhàn)與困難外[1-4]，還因作業(yè)水深增加，將面臨更大的挑戰(zhàn)。

2.1 海底低溫的影響

隨著水深增加，海底溫度降低，深水井海底溫度一般為2～4℃[5]，荔灣22-1-1井海底實(shí)測溫度僅1.9 ℃。常規(guī)鉆井液在低溫下流動性變差，易發(fā)生井漏等井下故障。水泥漿在低溫下凝固時間變長，水泥石強(qiáng)度變低[6]。此外，由于水深增加，導(dǎo)致海底壓力增加，在鉆遇淺層氣時，在低溫和高壓條件下，極易形成天然氣水合物[7]。天然氣水合物不但會影響鉆井液性能，而且會堵塞防噴器管線、隔水管、壓井阻流管線和水下井口等，給井控帶來風(fēng)險。

2.2 淺部地層成巖性差，承載力不足

深水海底淺部地層強(qiáng)度與水深呈負(fù)相關(guān)[8]。根據(jù)荔灣22-1-1井淺部地層土質(zhì)取樣結(jié)果，泥線以下5.00 m以內(nèi)為非常軟的灰色黏土，抗剪強(qiáng)度小于3 kPa。海底沉積形成的松軟、高含水且未膠結(jié)的較厚地層，給表層井段鉆井作業(yè)帶來了極大的困難。深水井淺部地層膠結(jié)強(qiáng)度低，在噴射下導(dǎo)管時存在導(dǎo)管傾斜度難以控制、井口易下沉等風(fēng)險，深水噴射作業(yè)難度極高[9-11]。同時，由于淺部地層強(qiáng)度低、漏失風(fēng)險大，表層套管固井時易發(fā)生漏失，造成固井質(zhì)量欠佳，這些都給水下井口的穩(wěn)定性帶來了挑戰(zhàn)。

2.3 存在疑似淺層地質(zhì)災(zāi)害

在海洋油氣鉆探史上，常因鉆遇淺層氣而發(fā)生井噴、火災(zāi)、沉船等事故。深水淺層氣通常壓力都較高，一旦發(fā)生淺層氣井噴，氣體呈漏斗狀向上快速膨脹、擴(kuò)散，影響的范圍較大，后果很嚴(yán)重[12-13]。根據(jù)井場調(diào)查結(jié)果，荔灣22-1-1井海底以下297.00～586.00 m井段存在異常反射，推測可能存在巖性成分差異或局部淺層氣、斷層或斷裂帶。雖然淺層氣存在的可能性較小，但鉆井時仍要關(guān)注，并做好預(yù)防工作。

2.4 安全密度窗口窄

對于相同沉積厚度的海底地層來說，隨著水深增加，其破裂壓力降低，致使破裂壓力梯度和地層孔隙壓力梯度之間的窗口較窄（即安全密度窗口較窄），鉆井過程中易發(fā)生井漏，且壓井余量低、循環(huán)當(dāng)量密度高、套管程序復(fù)雜和水下防噴器組限制等易引起井下故障[14]。

2.5 隔水管及鉆柱力學(xué)行為復(fù)雜

水深增加將增大隔水管系統(tǒng)管理上的難度，包括作業(yè)窗口、強(qiáng)度、彎矩、轉(zhuǎn)角和疲勞分析，不同壁厚隔水管數(shù)量的選擇及位置分布，隔水管配長，水下防噴器組坐井口及連接工況下載荷分配等。同時，超長隔水管對平臺張力器（DAT）作業(yè)能力及頂張力調(diào)整都帶來了挑戰(zhàn)，這些都需要結(jié)合平臺特殊操作規(guī)程（WSOG）進(jìn)行定量計算。

另一方面，一開井段和二開井段為無隔水管鉆進(jìn)，受海浪、海流以及鉆井船運(yùn)動的影響，鉆柱易發(fā)生縱橫彎曲變形。鉆進(jìn)過程中，因無隔水管限制，鉆壓、轉(zhuǎn)速等都會受到一定的影響，在極端環(huán)境條件下，鉆柱將發(fā)生擺動和嚴(yán)重變形，其產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力對鉆柱截面上的最大拉應(yīng)力會產(chǎn)生很大的影響[15]，而常規(guī)鉆柱設(shè)計方法未充分考慮這種極端狀況下的鉆柱彎曲應(yīng)力，因而存在鉆具失效的風(fēng)險。

3 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

為確保荔灣22-1-1井鉆井安全，進(jìn)行了詳盡的井場調(diào)查和系列鉆前研究，包括地層壓力預(yù)測及井壁穩(wěn)定性分析、導(dǎo)管入泥深度及井口穩(wěn)定性校核、鉆井隔水管系統(tǒng)鉆前設(shè)計與作業(yè)研究，并優(yōu)選了鉆井液和水泥漿，采取了優(yōu)化導(dǎo)管噴射參數(shù)、實(shí)時監(jiān)測壓力和精細(xì)化ECD作業(yè)管理等技術(shù)措施。

3.1 噴射下導(dǎo)管技術(shù)

為避免鉆孔法下導(dǎo)管存在的易找不到井眼，以及因低溫和漏失導(dǎo)致導(dǎo)管固井質(zhì)量欠佳等問題[16]，實(shí)現(xiàn)一開導(dǎo)管下入后能繼續(xù)二開鉆進(jìn)，從而提高作業(yè)時效，荔灣22-1-1井914.4 mm導(dǎo)管采用噴射法下入，考慮水深增加導(dǎo)致淺部地層強(qiáng)度低，導(dǎo)管入泥深度設(shè)計為100.00 m，為國內(nèi)自營深水井最大設(shè)計入泥深度。震擊器以下鉆具組合（BHA）的浮重225.0 kN，送入工具以下BHA的浮重337.5 kN，914.4 mm導(dǎo)管浮重612.0 kN，鉆頭出噴射鞋長度為152 mm。噴射下導(dǎo)管過程中，控制鉆壓為泥線以下導(dǎo)管和BHA浮重的80%左右（如圖2所示）。導(dǎo)管入泥前50.00 m，鉆壓低于導(dǎo)管和BHA浮重的80%，僅在入泥34.00 m處進(jìn)行了一次距離6.00 m的上下活動以破壞導(dǎo)管外吸附力，說明淺部地層強(qiáng)度低，導(dǎo)管噴射入泥順利。入泥50.00 m后，隨著地層強(qiáng)度增加，逐步增大鉆壓，噴射鉆至設(shè)計井深時，鉆壓為泥線以下導(dǎo)管和BHA浮重的90%。此外，導(dǎo)管入泥50.00 m后，上下活動頻次和距離增加，按照每噴射進(jìn)尺2.00 m，上下活動1～2次，活動距離逐步從6.00 m增加至15.00 m。噴射鉆進(jìn)過程中，作業(yè)參數(shù)控制合理，導(dǎo)管入泥順利，整個噴射過程僅用時2.25 h。導(dǎo)管噴射下到位后靜置3.50 h，利用地層的粘附力和摩擦力使導(dǎo)管獲得足夠的承載力，以滿足送入工具丟手繼續(xù)二開鉆進(jìn)的作業(yè)要求。

圖2 荔灣22–1–1井噴射下導(dǎo)管鉆壓曲線Fig. 2 WOB curve of jetting conductor driving in Well Liwan 22-1-1

3.2 低溫早強(qiáng)水泥漿表層套管固井技術(shù)

由于海底低溫和淺部地層成巖性差、破裂壓力低，同時表層套管固井水泥漿用量大、施工時間長，因而要求低密度水泥漿在強(qiáng)度滿足設(shè)計要求時流變性好，且稠化時間應(yīng)超過8 h。荔灣22-1-1井508.0 mm表層套管固井領(lǐng)漿為深水低溫早強(qiáng)水泥漿（即PCCOCEM水泥漿）[17]，基本配方為G級水泥+5.0%降濾失劑+1.0%分散劑+0.9%緩凝劑+25.0%防竄增強(qiáng)劑+1.0%膨脹劑+1.0%消泡劑，通過加入漂珠控制水泥漿密度為1.50 kg/L，稠化時間達(dá)11.00 h，可泵送時間10.75 h，水泥石24 h抗壓強(qiáng)度1.5 MPa，水泥漿附加量150%，設(shè)計返至海底泥線處；尾漿也采用PC-COCEM水泥漿，密度為1.90 kg/L，稠化時間為4.50 h，可泵送時間4.00 h，水泥石24 h抗壓強(qiáng)度達(dá)15.2 MPa，水泥漿附加量100%，設(shè)計返至井深3 060.00 m。

為保證固井質(zhì)量，固井前泵入9.54 m3添加顯示劑的沖洗液，以便于水下機(jī)器人（ROV）觀察水下井口處的水泥漿返出情況，測算井眼擴(kuò)大率。固井施工期間，ROV觀察水泥漿返出正常，泵入尾漿41 m3時，觀察到顯示劑返出，頂替25 m3時，觀察到首漿返出。固井結(jié)束時，泄壓，檢查無回流。

3.3 FLAT-PRO恒流變合成基鉆井液

荔灣22-1-1井一開和二開井段使用海水鉆進(jìn)，期間采用膨潤土稠漿及時清掃井眼。安裝防噴器組建立閉路循環(huán)后，三開和四開井段使用FLATPRO恒流變合成基鉆井液，其基本配方為：基礎(chǔ)油（Escaid110）+30.0%CaCl2鹽水+1.0%～1.5%PFFSEMUL（主乳化劑）+1.0%～1.5%PF-FSCOAT（主乳化劑）+1.0%～1.5%PF-FSWET（潤濕劑）+2.0%～3.0%PF-FSGEL（有機(jī)土）+2.0%～3.0%石灰土+2.0%～3.0%PF-MOHFR（降濾失劑）+0.5%～1.0%PF-FSVIS（增黏劑），主要性能見表1。為防止污染海洋環(huán)境，鉆屑不能直接排放入海，需用巖屑甩干機(jī)處理達(dá)標(biāo)后排放。FLAT-PRO恒流變合成基鉆井液具有低溫流變性良好、抑制性和潤滑性強(qiáng)、無水合物生成風(fēng)險、易降解等優(yōu)點(diǎn)。該鉆井液以氣制油為基油[18]，氣制油具有3個特點(diǎn)：以正構(gòu)烷烴為主，碳鏈分布集中，主要分布C13—C18之間，黏度受溫度的影響小，且不易揮發(fā)損失；低溫下黏度受壓力的影響小，可降低窄安全密度窗口地層或深水井作業(yè)時發(fā)生井漏的風(fēng)險；氣制油具有低生物毒性，能滿足越來越苛刻的環(huán)保要求。鉆進(jìn)期間，維護(hù)鉆井液漏斗黏度為60～90 s，動切力在5～20 Pa，六速旋轉(zhuǎn)黏度計6轉(zhuǎn)和3轉(zhuǎn)的讀數(shù)分別為5～18和4～15。

表1 荔灣22–1–1井FLAT-PRO恒流變合成基鉆井液基本性能Table1 Basic performance of FLAT-PRO constant rheological synthetic drilling fluid system in Well Liwan 22-1-1

3.4 隔水管及送入管柱管理

為保證荔灣22-1-1井長隔水管段作業(yè)安全，對隔水管系統(tǒng)進(jìn)行了研究，確定了隔水管系統(tǒng)配置（如表2所示），并推薦其頂張力取6.38 MN。同時，建立了隔水管下放/回收有限元模型，計算了隔水管下放/回收作業(yè)窗口。計算結(jié)果顯示，在波高小于3.62 m、海流流速小于1.12 m/s的情況下，均有保證防噴器組安全下放的作業(yè)窗口。

表2 荔灣22–1–1井隔水管系統(tǒng)配置Table2 Configuration of the riser system in Well Liwan 22-1-1

3.5 鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）隨鉆監(jiān)測技術(shù)

荔灣2-1-1井設(shè)計最小安全密度窗口為0.09 kg/L，實(shí)鉆最小安全密度窗口僅0.05 kg/L，安全密度窗口極窄，漏失風(fēng)險極高，井眼清潔難度大。鉆進(jìn)過程中，采用將科里奧利質(zhì)量流量計與錄井工藝相結(jié)合的早期井涌井漏預(yù)報系統(tǒng)（EKD系統(tǒng)）監(jiān)測鉆井液入口及出口流量的變化，對井下溢流及漏失進(jìn)行在線監(jiān)測，并及時報警。其中，科里奧利質(zhì)量流量計（即科氏力流量計）的測量原理是，流體在振動管中流動時將產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力，它實(shí)現(xiàn)了真正意義上的質(zhì)量流量高精度直接測量，并具有抗磨損、抗腐蝕、可測量多種介質(zhì)及多個參數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在海洋石油鉆井中尤其是深水鉆井中得到廣泛應(yīng)用。

另外，通過安裝在鉆具組合中的隨鉆測量工具實(shí)時監(jiān)測井底ECD情況，并采取大排量循環(huán)、每鉆完一柱后劃眼2次、ECD升高較快時適當(dāng)控制鉆速等技術(shù)措施，以提高井眼清潔度，保證極窄密度窗口鉆井作業(yè)安全。

4 現(xiàn)場施工

2018年10月30日，荔灣22-1-1井克服了超深水、海底低溫、極窄安全密度窗口、離岸距離遠(yuǎn)導(dǎo)致后勤保障困難、環(huán)保要求嚴(yán)格等困難，安全高效完成了鉆井作業(yè)，井深2 500.00 m當(dāng)量鉆井周期僅10.53 d，創(chuàng)造了國內(nèi)外相同水深鉆井周期最短紀(jì)錄，工程質(zhì)量全優(yōu)，安全事故率為零。該井低壓井口頭出泥高度3.50 m，井口傾斜度0°，914.4 mm導(dǎo)管噴射入泥深度為100.10 m，僅用時2.25 h，創(chuàng)造了我國導(dǎo)管入泥深度最深和噴射作業(yè)用時最短2項(xiàng)紀(jì)錄。

根據(jù)井場調(diào)查結(jié)果，該井2 945.00～3 235.00 m井段存在疑似淺層氣，為此制定了淺層氣應(yīng)急處置方案：檢查確認(rèn)動態(tài)壓井裝置（DKD）運(yùn)行正常，并配制密度1.90 kg/L的重鉆井液100 m3，通過DKD與密度1.03 kg/L海水混配后可以配制密度1.11 kg/L的鉆井液1 000 m3。在鉆進(jìn)疑似淺層氣井段時控制鉆速，應(yīng)用水下機(jī)器人（ROV）觀察井口鉆井液返出情況，并通過聲吶探測器檢測是否含氣。該井順利鉆穿疑似淺層氣井段，未鉆遇淺層氣。

5 結(jié)論與建議

1）荔灣22-1-1井是由中國海油自主完成的作業(yè)水深達(dá)2 619.35 m的超深水井，創(chuàng)造了國內(nèi)作業(yè)水深最深紀(jì)錄，標(biāo)志著我國超深水鉆完井技術(shù)取得重大突破。

2）具有良好性能的鉆井液和水泥漿是保證超深水井成功的關(guān)鍵：鉆井液要具有良好的水合物抑制性、低溫流變性和泥頁巖水化抑制性；水泥漿要具有良好的低溫早強(qiáng)性、低溫可泵入性和低密度性能等。

3）科學(xué)的隔水管配置和管理是超深水井鉆井安全的保障，隔水管的配置既要考慮特定海洋環(huán)境（海浪、海流、孤立內(nèi)波）下的力學(xué)行為，還要結(jié)合鉆井液密度變化實(shí)時調(diào)整頂張力。

4）地層壓力窗口管理是深水鉆井安全的技術(shù)核心，如果安全密度窗口小于0.05 kg/L，溢流和井漏的處理將會非常復(fù)雜，建議采用控壓鉆井技術(shù)或雙梯度鉆井技術(shù)。隨著南海超深水油氣勘探進(jìn)程的推進(jìn)，需要加大對極窄安全密度窗口下鉆井技術(shù)的攻關(guān)，提高ECD管理能力。