中国海洋深水油气工程技术与装备创新需求预见及风险分析

 着眼于中国南海油气工程技术与装备创新发展问题,通过专家咨询调研,梳理了深水油气工程技术与装备发展现状,并将其分成深水油气勘探技术与装备、深水油气田高效开发工程模式、深水钻完井关键技术与装备、深水油气生产与输送关键技术与装备4个领域,构建了相应的4级层次评价模型,运用德尔菲法和权值因子判断法对深水油气工程技术与装备进行了量化分析和重要性排序,并对相应的关键装备系统进行了风险分析。研究结果表明,在深水油气工程中比较重要的技术与装备内容包括：深水油气勘探技术、油气田开发先进井型技术、浮式钻井平台/钻井船总体结构设计制造技术、深水钻井隔水管安装与作业控制技术、水下井口系统设计制造技术及其安全高效安装技术、深水钻完井安全高效作业技术、浮式生产平台总体结构设计制造技术、水下采油树系统设计制造技术及其安全控制技术以及电液复合式控制系统设计制造技术等;深水油气工程装备组成复杂,海洋环境和作业工况恶劣,导致泥浆循环、深水钻井隔水管、水下井口与采油树、油气处理、水下管汇及水下生产控制等系统出现失效的风险较高,可通过优化设计控制降低装备失效概率。     

深水钻井井控技术

该文在对国内外深水井控技术充分调研的基础上,针对南中国海深水钻井井控特点和难点,结合近年南海深水钻井设计和作业经验,详细分析了深水钻井井控存在的地层压力窗口窄、溢流监测困难、压井难度大和压井作业时间长、井控设备复杂、存在水合物风险等问题,研究提出了有针对性的解决方案,可为南海深水钻井井控作业提供参考。     

深水钻井隔水管与井口技术研究进展

钻井隔水管与井口系统是深水钻井装备中重要而薄弱的环节,其正确设计与使用直接关系到钻完井作业的顺利完成。系统开展了面向南海的深水钻井隔水管与井口技术研究,建立其力学分析方法,形成一套深水钻井隔水管与井口系统钻前设计与作业技术体系;提出隔水管与井口系统的波激疲劳、涡激疲劳、磨损以及隔水管接头完整性评估方法,并进一步完善深水钻井隔水管与井口完整性管理方案;建立深水钻井隔水管关键装备与作业风险评价框架,探索台风环境下的隔水管系统安全保障的关键技术;在此基础上开发深水钻井隔水管作业管理软件,承担中国南海6口自营深水井的隔水管与井口系统钻前设计与作业技术研究工作,成功将科研成果应用到深水钻井实践中,并取得良好的应用效果。笔者对这些进展进行总结和回顾,并对今后的研究方向进行展望。     

深水井精细控压下套管研究

深水窄压力窗口地层给下套管带来了巨大挑战,下套管时产生的波动压力将导致井筒压力超过压力窗口上限而出现井漏,大大增加了作业时间,采用传统方法下套管时为了防止波动压力过大而超过安全压力窗口只能降低下套管速度,这样虽然在一定程度上减小漏失风险但增大了作业成本,且这种方式不一定有效。因此,针对深水窄安全压力窗口地层下套管漏失风险问题,基于动态波动压力建立了深水窄安全压力窗口井筒压力控制模型;并在此基础上提出深水精细控压下套管方法。利用建立的模型分析井筒压力影响因素发现,井筒压力随着套管下入深度、最大下入速度、钻井液密度以及钻井液的屈服值、黏度的增大而增大。计算表明,深水精细控压下套管不但降低了漏失风险,还缩短了作业时间,降低了作业成本。     

深水油气开采安全风险评估与管控研究进展

深水油气领域是未来中国能源发展的主战场,加大深水油气勘探开发力度是建设海洋强国和保障国家能源安全的有效途径,但严苛复杂的海洋环境和工艺条件是深水油气开发必须面对的现实挑战。为此针对深水油气开采的主要作业场景,系统开展钻井和生产过程中井喷、泄漏、燃爆等重大事故的风险评估、风险演化、后果评估及事故防控研究,定量评估深水钻井作业及井控工艺过程风险,提出钻井作业事故连锁风险演化方法,建立钻井及井控作业关键屏障可靠性评估模型,同时针对深水油气开采工艺事故风险,基于机器学习算法和数据驱动模型,形成考虑多场景、多参数的普适性事故风险评价方法和数字化防控体系。可为深水油气开采工程风险评估和防控提供良好的理论基础和技术支撑。     

控压钻井地质适应性评价技术

 控压钻井(MPD)技术是解决具有窄安全密度窗口、易漏易喷地层安全钻井的一项关键技术。控压钻井的适应性评价技术是控压钻井科学选井选层、安全实施的关键。目前国内外还没有成熟的控压钻井适应性评价体系。首先对控压钻井应用类别分类和IADC分类进行了对比,选用IADC颁布的5种流体类型、6个风险等级、3种应用形式的分类方法。然后从地质、工程和经济角度建立了控压钻井地质适应性评价方法,即“三步法”评价体系,主要包括必要性评价、可行性评价、技术经济性评价,在此基础上提出了控压钻井地质适应性评价的关键技术,即地质环境因素描述、精细水力学计算、设备配套与优选、压力控制方法、经济性评价。最后在缅甸D区块进行了应用,结果表明所建立的分类方法和地质适应性评价技术具有很强的实用性。     

海域天然气水合物钻完井关键技术研究进展

天然气水合物是由水和甲烷在高压、低温条件下形成的一种固态结晶化物质，被世界各国认为是最有潜力替代化石能源的清洁能源。概述了美国、日本、印度、韩国和中国海域天然气水合物试采现状，指出海域天然气水合物钻完井存在钻井液密度窗口窄、井底压力控制难、定向井造斜难、井壁和井口稳定性差、储层改造难、防砂困难等技术难题，梳理了固态流化钻井技术、水平井钻井技术、双梯度钻井技术、控压套管钻井技术、水力喷射微小井眼钻井技术、钻井液技术、完井防砂技术的研究发展现状，提出了必须要加强海域天然气水合物出砂机理、出砂预测、成井、建井、钻完井设备与仪器研发等科研攻关力度，为规模化开采海域天然气水合物提供技术保障。     

安装/修井控制系统在深水油气田开发中的应用

针对与浅水干式井口相配套的海洋平台修井机已不能适应未来大量深水水下井口完井/修井的问题,介绍了典型的安装/修井控制系统功能原理、结构组成,对其关键技术参数进行了分析,并以国外某深水气田为例,探讨了安装/修井控制系统在水下井口的完井、修井作业中如何应用.对安装/修井控制系统在我国深水油气资源开发中的应用,具有一定的指导意义.     

平衡自动控压钻井技术在顺南501井的应用

平衡自动控压钻井是根据地层压力限制,在常规钻井的循环路径中,加入精细控制系统,实现井底压力实时监测,根据要求自动控制井底压力,在钻井过程中始终保持井底压力略大于地层压力的钻井工艺。格瑞迪斯自主研制的平衡自动控压钻井系统在顺南501井成功应用,解决了该井油气活跃、气侵严重导致钻井效率低的难题。     

温度和压力对深水钻井油基钻井液液柱压力的影响

根据不同温度和压力下油基钻井液密度的测量结果，建立了温度、压力影响下的油基钻井液密度计算模型。在模型中引入了热膨胀系数和弹性压缩系数，利用该模型计算了不同温度和压力下的钻井液密度值。模型计算的密度与实测值之间的最大相对误差小于0．3％，平均相对误差为0．11％。利用该模型对深水钻井时不同条件下井眼内钻井液密度和液柱压力变化进行了计算和分析。结果表明，在深水钻井中，井眼内的钻井液密度通常大于井口钻井液密度；最大钻井液密度出现在海底泥线处；井眼内钻井液液柱压力的当量密度大于井口的钻井液密度。采用无隔水管钻井时的环空钻井液密度小于隔水管钻井时的钻井液密度。     

深水钻井防喷器系统失效定量风险分析

为了准确客观的评价深水防喷器系统的失效风险,建立基于改进屏障和可操作性分析方法的风险评价模型。首先应用安全屏障框图识别深水防喷器系统的安全屏障,从人员、设备和技术三个角度建立了包含15个因素的评价指标体系和深水防喷器系统失效分析模型;然后根据文献公开数据,分别计算了深水钻井井涌和防喷器系统失效的平均概率;同时利用齐次泊松过程参数模型代替屏障和可操作性分析方法中确定事件发生概率的专家赋值法,提高了结果的客观性;最后对Block47-1井的防喷器系统可靠性进行了评价,并对影响因素进行了敏感性分析。结果表明:Block47-1井的深水防喷器系统失效风险符合事故调查报告中的风险状况;安全密度窗口[1]对深水防喷器系统可靠性影响最大,在实际工作中应该特别防范窄密度窗口带来的影响;验证了所建模型的科学性,可为深水钻井作业风险评价提供参考。     

控压钻井井控过程中排量优化设计

控压钻井井控是处理气侵溢流问题的有效新方法,包括前期控制和循环排气两个阶段。基于快速施加井口回压控制方法,根据气液固多相流理论,建立控压钻井井控数学模型,并采用有限差分法迭代求解。在此基础上,分析排量对最大井口回压、最大套管鞋处压力和最大立管压力的影响,并提出基于井控安全目标函数的排量优化设计方法。模拟结果表明:在循环排气阶段,立管压力维持不变且为最大值,井口回压达到最大值与气体前沿运移到井口之间存在明显的时间滞后性,气体运移到套管鞋处时套管鞋处压力最大;验证了以出入口流量一致表征井底气侵停止的合理性。模型计算得到的压力值与实验测量值吻合较好。     

南海北部超深水气田探井测试作业实践与认识

随着油气勘探逐步走向深海,如何安全高效的实现油气井测试已成为深水油气勘探的关键。南海北部陵水LSE-1井为我国第一口超深水气井,测试作业面临着多个难题:低温高产流体在测试管柱内水合物生成风险极大,超深水条件下多种动载荷联合作用更为复杂,安全风险高;气层埋深仅在泥面以下1 200 m,孔隙度高,出砂风险极高;常规取样方式不能满足安全要求和样品品质要求。基于面临的困难,结合已有深水测试作业技术与经验,通过调整水合物防治措施、制订严格的应急解脱决策系统及节点管控预案、改进模块化地面测试流程、采用新型一开一关测试程序以及压控式井下PVT取样技术等关键工艺措施,安全高效地取得了测试作业的成功,准确评价了我国首个超深水气田。新工艺的成功应用将为我国深水油气勘探提供有力的技术支撑。     

水下机器人在深水海底电缆维修中的应用

随着海洋石油开发向深水区域的发展,对于包括海底电缆、海底油气输送管线、水下井口等在内的水下设施的维修工作日益增多。本文通过实例,介绍了水下机器人作为一种实用的水下作业工具,能够在深水海底电缆维修项目中代替饱和潜水作业,并具有突出的经济性,其在海洋石油工程项目中的作用将越发重要。     

温度和压力对深水钻井油基钻井液液柱压力的影响

根据不同温度和压力下油基钻井液密度的测量结果 ,建立了温度、压力影响下的油基钻井液密度计算模型。在模型中引入了热膨胀系数和弹性压缩系数 ,利用该模型计算了不同温度和压力下的钻井液密度值。模型计算的密度与实测值之间的最大相对误差小于 0 .3% ,平均相对误差为 0 .11%。利用该模型对深水钻井时不同条件下井眼内钻井液密度和液柱压力变化进行了计算和分析。结果表明 ,在深水钻井中 ,井眼内的钻井液密度通常大于井口钻井液密度 ;最大钻井液密度出现在海底泥线处 ;井眼内钻井液液柱压力的当量密度大于井口的钻井液密度。采用无隔水管钻井时的环空钻井液密度小于隔水管钻井时的钻井液密度。     

基于局部等效方法的深水水下井口半解耦分析模型

波致、涡激和浮式钻井装置运动引起的疲劳是深水水下井口失效的主要形式之一,井口动力分析方法的选取直接影响水下井口疲劳评估的效率和准确性。针对采用局部精细模型对井口进行动态响应分析时的耗时和精度低等问题,提出基于局部等效方法的深水水下井口半解耦分析模型,研究隔水管-井口整体分析模型中的井口局部等效方法,考虑管土作用建立水下井口局部有限元模型,建立梁和弹簧组合的井口局部等效数学模型,推导梁单元和弹簧单元参数计算公式。采用该半解耦模型进行南海深水水下井口分析,将静力分析结果与精细有限元模型分析结果进行对比,并将动力分析结果与解耦、全耦合两种方法进行对比。结果表明,提出的井口等效模型计算精度高、效率高,可为开展水下井口系统动态响应分析和疲劳评估提供一种高效算法。     

宁国凹陷复杂工况关键钻井工艺

为探索下扬子地区海相沉积地层油气钻探的关键技术,结合皖油地1井的钻井施工情况,讨论了宁国凹陷的复杂情况,特别是易坍塌地层、石膏层和裂隙漏失层交互存在,钻井液密度窗口窄等情况下的施工工艺。通过对复杂工况钻井工艺的研究,形成了一套适宜的井壁稳定性控制方法、石膏层钻头泥包处理方法和窄钻井液密度窗口条件下的钻进方法,保障了本井的顺利完井,为该地区的下一步钻井作业提供参考。     

深水钻井井身结构设计参数的选取

深水钻井具有自然灾害多、安全作业窗口窄、完井井眼大的特点。在实际工程设计中面临着套管下入层次多、可选尺寸少等问题,增加了深水井身结构设计的难度;因此在实际工程中特别需要更科学的井身结构设计方法。鉴于目前海洋钻井手册井身结构设计采用的设计参数是陆地钻井的经验值,缺乏对深水作业特点的考虑,因此十分有必要研究这些参数对于深水的适用性,以避免因设计不合理而造成的井下事故。在充分考虑深水钻井特点的基础上,给出了深水油气井井身结构设计参数的选取办法及推荐值;与传统的井身结构设计方法相比,深水井身结构设计还要考虑深水作业过程中隔水管解脱的工况,以及当量循环密度、井涌余量等参数的影响。研究对陆地及浅海钻井井身结构设计也具有一定的借鉴作用。     

天然气水合物钻探现状与钻井技术

钻井是天然气水合物勘探发现最直接的手段,也是天然气水合物开发的必要环节。天然气水合物,尤其是海域深水天然气水合物的勘探与开发对钻井技术提出了更高的要求。在总结全球天然气水合物钻探现状和钻井技术的基础上,对天然气水合物钻井面临的挑战和未来发展方向进行了分析。总结认为,全球已在多个冻土区和海域开展了天然气水合物勘探与试采,显示了较好的天然气水合物勘探开发前景;天然气水合物钻探通常与随钻测井(LWD)相结合,并以常规钻探设备、水基钻井液为主;天然气水合物试采井的完井方式各不相同,尚未形成有效的完井技术系列;天然气水合物的温度-压力特征、储层特征、埋深特征和力学特征等决定了天然气水合物钻井面临井筒稳定性、钻井液安全密度窗口窄等方面的挑战。未来,应进一步探索研究控压钻井、欠平衡钻井、套管钻井、隔热竖管钻井、深水浅软地层水平井钻完井、潜式钻探设备组合和经济环保高效型低温钻完井液等技术在天然气水合物钻井中的应用。     

环保型深水水基钻井液体系的研究

在深水作业时,低温高压的地质条件和狭窄的安全密度窗口给钻井工程带来了不小的困难。对于钻井液技术而言,更是面临着崭新的挑战,如低温高压下钻井液流变性增稠有可能导致增加井底压力控制的难度,钻遇地层气时容易形成水合物堵塞环空通道;特殊的地层压实条件要求钻井液体系具有更高的水化抑制能力以及大尺寸井眼和隔水管处的携砂问题等等。同时,海洋深水钻井对钻井液体系环境保护能力的要求更加严格。因此,在主要添加剂研究的基础上构建了一套环保型深水水基钻井液体系,通过性能评价,达到一定水深钻井作业的能力要求。