深水鉆完井工程設計要點分析

深海區域是全球油氣資源最主要的接替領域之一，我國的深海油氣資源儲量巨大，特別是南海海域是世界四大油氣聚集地之一，其中深水區石油地質儲量估計超過210億噸。

深水鉆完井工程設計是深海區塊現場施工的指南和重要技術依據，如何科學有效地開展深水鉆完井工程設計，已經成為一個亟待解決的重要課題，它與深水鉆完井技術及裝備的研發處于同等重要的地位。采用先進的設計理念及手段，完成一份高質量的深水鉆完井設計方案，應該以現代海洋鉆完井工藝為基礎，以石油與天然氣行業標準規范為準則，根據深水地質和儲層特點，以保證鉆完井工程質量，保護海洋環境，實現良好的經濟效益為目的。近年來，國內開展了大量的海洋深水鉆完井工程研究工作，但絕大多數都以具體的工程技術評價和設備工具分析為主，多數是對某個設計部分的研究，如井身結構設計、噴射下導管作業設計、井控設計、鉆井液設計等，針對深水鉆完井設計方法及流程開展的研究較少。

1 深水鉆完井設計難點

深水鉆完井作業工況的復雜性及危險性，決定了其鉆完井工程的設計與陸上以及淺水區大不相同，主要包括以下設計難點：

1）如何應對惡劣的海洋作業環境。深水油氣田開發受海流、波浪、水溫的影響更大，對鉆井船型、隔水管系統、井控裝置等均提出了更加苛刻的技術要求。以南海某深水油田為例，其表層水溫最高可達30℃，而近地層水溫一般為2~6℃，海域主浪方向浪高可達5m以上，主流方向流速最高可達70cm/s。

2）如何控制淺層氣、淺層流以及水合物的影響。從設計層面來看，合理的井身結構、充分的井控措施、針對性的鉆井液配方都是深水鉆完井設計工作中必須予以考慮的因素。

3）如何應對井壁失穩、地層出砂以及增產穩產等問題。由于深水區塊的地層孔隙壓力梯度和破裂壓力梯度間余量很小，地層欠壓實，膠結性差，巖層易膨脹、分散，導致地層失穩的可能性較大。深水作業費用昂貴，油氣井出砂對于深水開發項目來說更是不可接受的，因此，嚴格防砂是目前國內外深水完井的普遍共識。這些問題都必須在井身結構設計、鉆井液設計、固井設計中予以考慮。

4）如何有效控制成本、提高作業效率。深海油氣田的投資風險巨大，高昂的成本是制約其開發的主要因素。要實現深水油氣田的商業化開采，必須合理控制各個環節的作業成本。以“海洋石油981”為例，其綜合日費用超過了100萬美元，設計高效的作業方式也成為了成本控制的必然選擇。深水作業工況的復雜性對于設備的大型化、智能化、作業自動化提出了新的要求，也導致了設備采購成本的居高不下。因此，鉆完井設備的優選和作業方式的優選是緊密貫穿于整個深水鉆完井工程設計之中的。

2 深水鉆完井設計流程及特點

眾多設計難點，客觀上對深水鉆完井工程的設計提出了更加苛刻的要求。在設計工作正式開展以前，必須進行海底調查和土質調查，調查報告書內容通常包括作業概況、現場作業工況、地質災害評價與分析等。

鄰近井的地質情況、測井資料、取心資料等是設計前分析學習的另一個重要內容，雖然鄰井的設計資料可以作為重要參考，但是又必須根據其鉆完井日報等存在的問題進行一定調整，避免事故重復發生。?

典型的深水鉆完井設計流程如圖1所示，其大致內容和一般海洋鉆完井工程設計是相同的。其中，HSE設計與施工程序設計應基本貫穿于整個設計過程之中，井身結構的設計必須考慮完井及棄井作業的要求。但是，如果考慮到深水鉆完井工程設計中所存在的技術難點，其各個部分的設計思路又存在諸多不同，主要包括以下幾個方面：

1）井眼軌跡設計通常必須考慮叢式井防碰以及后期井網加密的要求。

2）所設計的井身結構應該盡量簡潔，避免過多的開次，并保證對淺層段的有效封隔。

3）所設計工作液必須能有效應對水合物、低溫環境、井壁穩定性差等問題。

4）為應對可能發生的井漏、井噴等問題，應避免選擇結構復雜的井下工具，并配置機械鉆速較高的鉆頭。

5）井控部分必須設計淺層氣井控措施，選擇合適的水下井控設備。

6）固井設計必須解決低溫、淺層水￣氣流動、松軟地層、異常高壓砂層、高昂的深水鉆井裝置租賃費用等問題，減少侯凝時間。

7）完井工藝設計必須重點考慮井壁穩定性及防砂要求并適當提高單井產量。

8）鉆井平臺、隔水管系統、定位系統等的設計必須與鉆完井方案相配套。

由于深水鉆完井工程設計的工作量巨大，本文只選取設計中的關鍵部分進行介紹。

3 深水鉆完井設計案列分析

以南海某深水油田的鉆完井設計方案為例，進行深水鉆完井設計關鍵技術的分析。該油田區塊為一具有復雜斷層的半背斜斷塊油氣藏，區域水深1350～1525m。主力含油層系為古近系C2組CPEDC3段，地層厚度204.5～746.5m，巖性以巨厚層淺灰色、褐灰色泥巖為主。其泥線以下200m左右存在淺層氣，儲層段均存在井漏、井噴風險。根據現有的實驗及測量數據，并利用M-C井眼失穩破壞準則計算地層坍塌壓力，預測鉆遇地層三壓力剖面如圖2所示。?

3.1 井眼軌跡及井身結構設計分析

由于深水油氣田開發多采用叢式井技術，所以，這里主要介紹叢式井設計的思路。所設計叢式井為3口定向井Y-1，Y-2，Y-3，在已知各井靶點及中心井的情況下，該叢式井采用直線型槽口布置。根據盡量減少三維井和高水垂比井的原則，井眼軌跡采用3段式。設計造斜率為2.5°/30m，符合2.1°/30m~4.8°/30m的叢式井造斜率范圍。

選取造斜點時，各井造斜點錯開超過30m。由于受海上平臺空間的限制，在叢式井特別是加密調整鉆井過程中，必須進行各井的防碰掃描以及制定井眼軌跡控制計劃。推薦采用國外專業的傳感器信號處理軟件，以給出準確的防碰預警信息。所設計叢式井的井眼軌跡如圖3所示。?

考慮到深水作業的特點，叢式井井身結構也應盡量簡化，避免因參數選擇過于保守而增加套管層次。

深水鉆井套管的下入層次及深度通常采用自上而下的設計方法，可以為深部井段留有備用套管或為下深留有一定的余量。為了與防噴器組配合，通常限制表層套管的尺寸為508.00mm，防噴器組上接533.40mm隔水管。各段必封點的設置必須考慮易漏易垮地層以及淺層地質災害的影響，這也是第1必封點選擇泥線以下200m左右的原因。此外，深水鉆井導管段多采用914.40mm套管，通過噴射法下入，無需進行固井，從而減少作業時間。所設計的3口叢式井的井身結構基本類似，均為三開，其中Y-1井的井身結構設計如圖4所示。?
3.2 工作液設計分析

這里的深水鉆完井工作液主要是指鉆井液和完井液，以鉆井液的性能指標為例，就多達40余項。因此，必須選擇出10余項主要指標進行鉆井液體系、鉆井液配方以及鉆井液處理及維護的設計和優選。

考慮到深水鉆井液設計存在低溫、鉆井液用量大、井眼清洗困難以及水合物等問題，在考慮密度、漏斗黏度、pH值等指標的基礎上，所設計的鉆井液還必須減少膠凝現象的發生、對水合物生成具有抑制性以及較高的攜巖能力。

同時，鉆井液還必須與儲層礦物及流體相匹配。由于作業區塊的儲層為中等偏強水敏以及中等偏強酸敏，最終設計導管及一開井段選擇水基鉆井液體系，二開及三開選擇油基鉆井液體系，具體配方見表1。
此外，深水鉆完井工作液的設計更要注重對海洋環境的保護，特別是鉆井液中的油類、各種有機物、無機鹽、重金屬離子等都會對海洋環境造成污染和破壞。含油污染物不能直接排入海中，要運回陸地處理；水基污染物排放應為無毒排放，必須處理合格；最好能使用鉆井污水、鉆屑和廢棄鉆井液可直接排入海洋且無毒、可生物降解的鉆井液體系。?

完井液的設計除了必須滿足完井液常規性能（平衡地層壓力、攜帶及懸浮固相顆粒、良好的防蝕性能）外，還應包括以下2個屬性：1）在低泥線溫度與高水壓下，抑制完井液結晶及水合物生成；2）優異的配伍性，包括與地層水、儲層產物、管線控制液、甲醇等注入化學藥品以及地層巖石的配伍。

最終設計采用的是過濾后的海水＋緩蝕劑＋CaCl₂的清潔鹽水完井液體系。該體系不含固相，對儲層損害小、密度可調范圍廣、對水敏礦物具有強抑制性。

3.3 鉆柱及鉆具組合設計分析

由于深水作業費用昂貴，優選鉆柱及鉆具組合，提高鉆井效率就顯得尤為重要。特別是深水作業面臨井噴、井漏的復雜地層的概率更加頻繁，應盡量簡化鉆具組合，避免使用結構復雜的井下工具，如渦輪、螺桿等。

Y-1井直井段鉆具組合設計采用鐘擺鉆具組合，其技術要點主要是保證直井段防斜打直打快，在鉆進過程中，選擇合理的排量、轉速及鉆壓吊打鉆進，確保井段打直。該井造斜段采用彎螺桿鉆具滑動鉆進增斜，穩斜段使用彎螺桿+PDC鉆頭復合鉆進，直至中靶（見表2）。?

由于Y-2及Y-3井的井身結構及井眼軌跡與Y-1井基本類似，為了提高作業效率，應采用相同型號的鉆具組合進行批次鉆進。此外，還可根據實際情況由現場技術人員對鉆具組合及鉆井參數進行合理調整。

3.4 造斜段及穩斜段的鉆柱受力分析

鉆具組合設計完成后，通常還需要進行造斜段及穩斜段的鉆柱受力分析。Y-1井三開穩斜段的鉆柱受力分析結果見圖5和圖6。?

此外，鉆井參數的設計和鉆具組合的設計最好能綜合考慮，從而更加有效合理地利用水力能量，提高破巖能力和攜屑效率，以便提高鉆速。?

3.5 井控工藝設計分析

在常規井控設計的基礎上，深水井控設計還必須解決地層壓力窗口窄、溢流和井漏監測難度大、壓井難度大、三淺地質災害頻發等問題，需制定出相應的溢流處理、壓井作業以及淺層氣井控措施。由于難以準確預測淺層氣的發生，發生時反應時間短，且地層薄弱，不宜關井，所以淺層氣流的處理應遵循分流放噴的原則，分流無效時再泵入壓井液進行處理。

深水鉆井必須采用水下井口裝置才能及時有效地進行壓力控制。應根據作業水深、海床處的土壤性質、地層情況、作業平臺及BOP情況等進行水下井口裝置設計，以滿足該井在實施作業過程中抗彎能力和抗壓能力。主要包括對水下井口頭、防噴器組、阻流/壓井管匯以及鉆柱內防噴器的設計。應選擇配置大尺寸、超高壓、多功能的水下防噴器組，所選擇阻流管匯內徑不得小于壓井管匯。此外，在深水鉆井中最好采用電液控制模式的水下防噴器組?？紤]水合物生成的風險以及快速循環出溢流的需求，推薦采用司鉆法壓井。

3.6 固井及完井工藝設計分析

與常規固井相比，深水固井（特別是表層段）需要考慮候凝時間、低溫水-氣竄、水泥漿密度低以及密度窗口窄、井眼環空間隙大、井眼不規則、頂替效率差等因素的影響。在保證固井質量和安全的前提下，必須盡量縮短固井時間。所設計的一開低密度水泥漿體系為：“G”級水泥+65.0%海水+10.0%細水泥+0.5%防氣竄劑LY-1+1.0%膨脹劑+0.5%降濾失劑+1.0%分散劑+0.5%緩凝劑+0.5%消泡劑+0.5%高抑制水穩定劑。各層套管注水泥參數設計見表3。?

除了水泥漿設計，固井工藝設計還必須進行套管柱及套管串設計，并進行套管柱強度校核。在進行套管柱強度的校核時必須采用合理的摩阻系數和安全系數來進行計算。圖7為技術套管三軸強度校核結果。?

深水完井對于井壁穩定性以及防砂方案制定的要求都更加嚴苛，這是由深水油氣田高昂的修井成本的客觀現實決定的。但是，防砂設計還應該遵循適度防砂的理念，允許部分地層砂產出，避免對近井地帶通道的堵塞。在進行防砂設計前，首先需要對是否出砂進行預測，并判斷出砂機理。其設計主要通過B指數法和斯倫貝謝法進行出砂預測，圖8為B指數法出砂預測結果。從圖中可以看出，B指數遠小于臨界值，所以地層出砂可能性較大，必須采用防砂完井方式。?

井壁穩定性分析應根據儲層段相關力學性能參數進行坐標變換，以得到井壁處的主應力值。根據Mohr Coulomb（M-C強度）準則判斷，儲層巖石剪切強度小于井壁巖石的最大剪切應力，即τ<τ_max，表明在開采過程中會發生井壁不穩定，必須采用支撐井壁的完井方式。儲層段的井周應力分布見圖9（其中，σ_θ，σ_z分別為周應力和軸向應力）。?

完井方式的優選還需要考慮區塊的產層類型、膠結程度、均質性、底水或氣頂的有無，以及是否需要采取增產措施等。由于儲層段無底水，最終設計采用了支撐強度大、初期產量高的管內壓裂礫石充填完井方式。完井作業設計可以采用射孔-壓裂充填一趟完井管柱，對各井進行批次完井作業，從而減少作業時間，提高工作效率。

深水鉆完井工程設計是一項復雜而繁瑣的工作，它還有其他區別于一般鉆完井工程設計的部分。比如棄井作業的設計、船型及定位方式選擇、防臺風要求與應對措施設計等。此外，深水鉆完井工程設計還廣泛采用危險點源分析法，進行作業子過程中的風險識別。由于篇幅所限，這里不再探討。

4 結束語

深水鉆完井工程設計的基本流程與普通鉆完井設計類似，但每個部分的設計內容都存在一定差異。開發井大多采用叢式井，因此，必須進行井眼軌跡的優化及防碰設計。深水鉆井井身結構的設計應盡量簡化，鉆柱及鉆具組合設計也如此，以便于采用批次化鉆井作業。鉆井液的設計難點眾多，尤其應注意水合物的生成及海洋環境保護的要求。深水井控措施的制定應更加嚴格和具體，特別是淺層氣噴發應急措施的制定。工藝設計必須要重點考慮儲層井壁的穩定性以及防砂措施，推薦采用批次作業和一趟完井管柱，以降低作業成本。

版權聲明|來源：《斷塊油氣田》；作者：許定江等；版權歸原作者所有。

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