與大陸架和陸上勘探鉆井作業相比，深水作業的施工風險高、技術要求高，成本非常昂貴，資金風險也極高；作為回報，深水勘探鉆井作業所發現的石油地質儲量也相對比較高。因此，單位儲量發現成本并不算高。深水鉆井是指作業水深大于４００ｍ而小于１５００ｍ的海洋鉆井作業，常規淺水鉆井工藝和鉆井裝備表現出明顯的局限性，已經不再適應深水鉆井；面對深水油氣勘探開發的困難和危險性，深水鉆井新技術不斷涌現。

 

  １ 深水鉆井面臨諸多挑戰

 

  １．１ 較小的破裂梯度

 

  一般來講，特定深度巖石的破裂壓力隨著上覆巖石壓力的增加而增大。隨著水深的增加，上覆巖層壓力被海水水柱靜水壓力代替，巖石破碎壓力隨著水深的增加而減少，特別是海底表層，破裂梯度幾乎為０。隨著水深的增加，海底沉積物越厚，海底表層沉積物膠結性越差。

 

  １．２ 淺層水、氣流

 

  海底淺部地層地質年齡輕，壓實時間短，地層滲透 率一般較高。通常欠壓實層的高滲透率使得高壓層內 地層水以很高的流速流向低壓區，即淺部水層井涌。淺層水井涌是許多鉆井問題的起因，表現為鉆井、下套管以及固井出現困難，嚴重時會導致井眼坍塌，甚至引起海底沉降，最壞的情況則是造成油氣井報廢。  淺層氣位于淺層、體積小、壓力高、危險系數大，由淺層氣引發的井噴易發生、速度快、處理困難、危險性大并且可預見性差。淺層氣井噴屬于嚴重的鉆井事故，危害極大，常會造成嚴重后果，例如天然氣井噴著火，燒毀設備；又如表層套管下入深度較淺或封固質量不好，氣體會從套管外噴出，造成套管外井噴，在地面形成大坑，使設備陷入地下等。

 

  １．３ 不穩定的頁巖層

 

  除了上部地層中淺層水或氣的影響，繼續鉆進會鉆遇不穩定的頁巖地層，頁巖對水的敏感性很強，利用水基鉆井液鉆進頁巖地層時，將有可能引發一系列鉆井事故。鉆遇頁巖地層失控引發的問題：井眼堵塞、下套管作業困難、鉆井液漏失、地層膨脹，井筒壓力降低等。利用鉆井液平衡頁巖地層壓力和阻止井筒壓力降低很困難，鉆遇頁巖地層的必然后果是鉆井液的漏失。

 

  １．４ 天然氣水合物問題

 

  深水鉆井中，天然氣水合物是一種潛在的危險，它生成時會結冰阻塞管匯。天然氣水合物對井控的影響最大，它可能造成阻流管線和防噴器的阻塞，也可能阻塞鉆柱環空而限制鉆具活動，甚至造成卡鉆。

 

  １．５ 溫度梯度

 

  深水鉆井中，隨著水深的增加，溫度逐漸降低，泥線附近位置水溫為４℃，隨著井筒深度的增加，溫度以３℃／１００ｍ的梯度逐漸上升。海底低溫將引發一些鉆井問題，比如天然氣水合物阻塞防噴器，甚至阻礙鉆具活動，鉆井液性能降低和固井液流動性下降等問題。這些問題都將有可能造成鉆井失敗。

 

  １．６ 套管設計

 

  隨著水深的增加，表層破裂壓力極低，要下入導管為鉆具提供通道；淺部地層可能存在淺層氣和淺層水等地質風險，要下入表層套管以封堵淺層水氣流；地層孔隙壓力與破裂壓力之間的窗口很窄，中間套管和技術套管用于封隔上部地層，以維持鉆進而不壓漏地層。典型深水鉆井的井身結構為碬９１４ｍｍ導管、碬５０８ ｍｍ表層套管、數層中間套管和技術套管［１］ ，還要保證鉆達目的層井眼最小直徑不小于碬２２２．２ｍｍ。表層套管固井也是深水固井的難點，海底的低溫影響是最主要的因素，由于低的破裂壓力梯度，常常要求只用低密度水泥漿，而深水鉆井的昂貴日費用又要求水泥漿能在較短時間內具有較高的強度。

 

  ２ 深水鉆井技術

 

  ２．１ 噴射下導管技術

 

  深水海底為較厚、松軟、高含水且未膠結的沉積地層，地層孔隙壓力與破裂壓力之間的窗口幾乎為０，通常采用打樁或鉆孔后下入導管固井的作業方式已不能 適用深水鉆淺層的鉆井條件［１］ 。

 

  噴射導管鉆井技術，是將鉆具下入導管內，利用導管及鉆具的重力和鉆井液的噴射來進行巖石破碎的鉆井技術。利用噴射導管鉆井技術，實現鉆進和下導管同時進行，鉆井液返回液不通過套管與井眼的環空而 是通過鉆桿與套管的環空返回海底［２］ ，鉆至預定深度后，靜止管柱，利用地層的粘附力和摩擦力穩固導管，不需進行固井作業，而后，起出管內鉆具或繼續鉆進。噴射導管鉆井技術，避免了按照常規的打樁、鉆井、起鉆、下套管、固井的方式引發的鉆井問題，實現了節約鉆井時間、減少鉆井問題，降低鉆井成本的目的。

 

  ２．２ 動態壓井技術

 

  動態壓井方法：通過增加壓井循環排量增加流動 阻力，從而增加井底壓力，達到壓井的目的。在鉆井過程，動態壓井的環空流動壓降均勻地分布在整個井身長度上，常規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。其基本原理：以一定的流量泵入初始鉆井液，使井底的流動壓力等于或大于底層的孔隙壓力，從而阻止地層流體進一步侵入井內，達到“動壓穩”狀態，然后逐步替入加重鉆井液，以實現完全壓井的目的，達到“靜壓穩”狀態，從而減緩因淺層水、氣流容易引發下套管困難、井壁坍塌甚至井噴等嚴重鉆井事故。

 

  ２．３ 深水鉆井液技術

 

  深水鉆井存在井壁穩定性差、鉆井液用量大、地層破裂壓力窗口窄、井眼清潔困難、低溫下鉆井液流變性及淺層天然氣與形成氣體水合物等問題。針對深水鉆井的特點及深水鉆井對鉆井液的性能特性要求，深水鉆井鉆井液要具有防塌性能好、潤滑性優良、低溫流變性穩定及能有效抑制氣體水合物形式的特點。  另外，深水雙梯度鉆井技術在一定程度上緩解了地層破裂壓力窗口窄的問題，利用雙梯度鉆井技術為避免井底壓力嚴重超過地層壓力而造成的鉆井嚴重過平衡，使得井底壓力不超過地層破裂壓力。雙梯度有兩種方式：一種是在隔水管環空內注入海水；另一種是在隔水管內特定位置注入低密度介質，以降低其上部環空鉆井液的密度，而調整井底壓力，例如惰性氣體、輕質塑料小球［３］。

 

  ２．４ 隨鉆測井（ＬＷＤ）與隨鉆壓力測量（ＰＷＤ）

 

  ＬＷＤ目前主要用于提高大位移井、高難度水平井的工程控制能力和地層評價能力，提高油氣層的鉆遇率。ＰＷＤ通常是指ＡＰＷＤ（隨鉆環空壓力測量）， 主要是用來測量鉆進過程中環空中的壓力［４］ 。目前，斯倫貝謝Ａｎａｄｒｉｌｌ的ＳｔｅｔｈｏＳｃｏｐｅ多功能地層壓力隨鉆測量服務既能在鉆井過程中準確有效地測量環空壓力，又可以測量地層壓力，可以直接提供孔隙壓力和流體流度數據用于確定流體類型及界面。這為深水鉆井早期井涌監測，避免地層水氣侵入井筒引發井壁坍塌、井噴等嚴重鉆井事故提供了可能。

 

  ３ 深水鉆井技術展望

 

  ３．１ 無隔水管套管鉆井技術應用

 

  隨著海洋鉆井的不斷發展，套管鉆井技術已經應用于海上表層鉆進，代替隔水導管和表層套管，避免了海底表層沉積物松軟、膠結性差、淺層流體等問題造成井壁坍塌、下套管困難、井控事故等鉆井問題［５］。

 

  深水鉆井井身設計（套管下入深度和套管的層數）是由淺層水、氣流和地層的破裂壓力／孔隙壓力梯度來決定的，而套管鉆井技術是可以緩解由淺層流體引發的鉆井問題。套管鉆進，第一次開鉆可鉆達深度為泥線以下３００～４５０ｍ，即第一根套管可下入到常規鉆井中表層套管的深度。因此，第一根套管可起到隔水導管和表層套管的作用。從而套管下入深度由地層破裂壓力／孔隙壓力梯度決定而不是由淺層流體引發的鉆井危險所決定，減少了下井套管的數量，降低不能用 碬２１５．９ｍｍ的套管完井（井眼過小）的危險［６］ ，簡化了井身結構、減少作業程序、提高鉆井效率、節約鉆井成本。

 

  套管鉆井有兩個主要的特點：①涂抹效應；②動態當量鉆井液控制，它降低了鉆井過程中鉆井危險的發生。

 

  涂抹效應就像一個泥鏟，套管單方向旋轉形成旋轉離心力場，粉碎的巖屑在較小的環空內沿著井壁表層向上運輸，巖屑顆粒鑲嵌在井壁的表面形成天然的封閉層。這個封閉層的不透水性較專用鉆井液造壁效果更好，涂抹效應有利于鉆井液流失的控制和井筒的穩定性。

 

  改善當量鉆井液密度控制，或者叫做動態鉆井液重量控制，套管與井壁之間的環空較小，這樣更有利于井眼凈化，有利于通過調整鉆井液的速度，控制當量鉆井液密度。例如，典型的深水表層井筒為碬８１２．８ｍｍ、鉆柱為碬１６５ｍｍ，而套管鉆井中鉆開碬８１２．８ｍｍ的井眼，一般采用碬７１１．２ｍｍ的套管柱，這樣環空面積就減少了７５％，這對減少井筒的溝道效應有很明顯的效果。溝道效應會引發淺層流體流進井筒而引發一系列的鉆井問題。

 

  ３．２ 無隔水管鉆井液回收技術的應用

 

  無隔水管鉆井液回收鉆井技術就是在鉆井過程中不采用常規隔水管，鉆桿直接暴露在海水中，依靠安裝在海底井口的吸入模塊實現井眼和海水之間的密封，巖屑和鉆井液經一條小直徑回流管線返回鉆井平臺。通過控制海底泵系統保證環空頂部壓力等于海水壓力，從而可以有效地控制海底泥面以下井眼的環空壓力、井底壓力，更好地匹配地層壓力和破裂壓力之間狹小的間隙，實現安全鉆井作業，可以解決目前深水鉆井遇到的諸多問題。   該技術屬于雙梯度鉆井技術范疇，該技術的應用使得地層孔隙壓力與地層壓力相對變寬，鉆井液應用范圍變大，簡化井身結構（減少套管數量），避免由隔水管破壞而引發的鉆井事故，為控制壓力鉆井提供了技術支撐。

 

  ３．３ 控制壓力鉆井技術的應用

 

  該技術是通過對回壓、流體密度、流體流變性，環空液位、水力摩阻和井眼幾何形態的綜合控制，使整個井筒的壓力維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間，進行平衡和近平衡鉆井，有效控制地層流體侵入井眼，減少井涌、井漏、卡鉆等多種鉆井復雜情況，非常適合孔隙壓力和破裂壓力窗口窄的地層作業。據相關報道，控制壓力鉆井對井眼的精確控制可以克服８０％的常規鉆井問題，縮短ＮＰＴ（非鉆井時間）２０％～４０％，單位進尺平均成本井底１９．５～３９美元。

 

  控制壓力鉆井技術（ＭＰＤ）控制的變量：①控制井口壓力，通過控制井口回壓或者在井筒的某一位置安裝泵，來調整井底壓力；②改變環空壓耗，正常鉆進時，井底壓力是鉆井液液柱壓力和環空壓耗之和，通過改變鉆井液流態、流速和環空間隙（通常是改變鉆桿組合的外徑）就可以控制環空壓耗；③改變鉆井液參數，通過改變鉆井液密度、黏度、排量等調整環空壓耗。

 

  ３．４ 深水智能鉆井技術

 

  陸地油氣田開發已進入中后期，油氣勘探開發逐漸轉向海洋方向，而海上油氣儲量的９０％都賦存于水深超過１０００ｍ的地層中，隨著水深增加，鉆井環境更復雜，作業條件更惡劣。然而，隨著新鉆井技術、新材料技術、檢測控制、微電子技術、通信和計算機、機器人和超微加工等技術的進一步發展，智能鉆井新技術必將應運而生 ［７］ ，為復雜的深水油氣勘探開發提供條件。 隨著智能鉆井技術的不斷成熟，未來鉆井技術將向更加精確、高效、低成本、環保和安全方向發展。

 

  ４ 結論

 

  隨著油氣勘探開發不斷向深海進軍，淺水鉆井技術已不能滿足深水鉆井的要求，遠海惡劣的環境條件以及復雜的深水地質條件，都使得深水鉆井面臨更大的難題和挑戰，有可能導致深水鉆井失敗和引發嚴重的鉆井事故。隨著對深水鉆井技術不斷地探索研究，噴射下導管技術、動態壓井技術、深水鉆井液技術、隨鉆測井技術等逐漸完善成熟，深水油氣勘探開發進程已經加速。無隔水管套管鉆井、無隔水管鉆井液回收、控制壓力等鉆井技術已初步嘗試應用于深水鉆井，緩解甚至解決了一些深水鉆井難題。隨著深水鉆井新技術、監測控制、通信、機器人等技術不斷成熟完善，智能鉆井技術必將主宰未來的石油產業。