深水石油钻井技术现状及发展趋势*
摘要:随着世界深水油气资源不断发现,近几年来深水钻探工作量越来越大。随着水深的增加和复杂的海况环境条件,
对钻井工程提出了更高的挑战,钻井技术的难度越来越大。从目前国内外深水钻井实践出发,对深水的钻井设备、定位系统、
井身结构设计、双梯度钻井技术、喷射下导管技术、动态压井钻井技术、随钻环空压力监测、钻井液和固井工艺技术和钻井隔
水管及防喷器系统等关键技术进行了阐述,对深水的钻井设计和施工进一步向深水钻井领域发展具有重要导向作用。
关键词:深水钻井;钻井设备;关键技术
全世界未发现的海上油气储量有90%潜伏在
水深超过1000 m以下的地层,所以深水钻井技术水
平关系着深海油气勘探开发的步伐。对于海洋深水
钻井工程而言,钻井环境条件随水深的增加变得更
加复杂,容易出现常规的钻井工程难以克服的技术
难题,因此深水钻井技术的发展是影响未来石油发
展的重要因素。
1 国内外深水油气勘探形势
全球海洋油气资源丰富。据估计,海洋石油资
源量约占全球石油资源总量的34%,累计获探明储
量约400×108,t探明率30%左右,尚处于勘探早期
阶段。据美国地质调查局(USGS)评估,世界(不含
美国)海洋待发现石油资源量(含凝析油)548×108
,t待发现天然气资源量7815×1012m3,分别占世界
待发现资源量的47%和46%。因此,全球海洋油气
资源潜力巨大,勘探前景良好,为今后世界油气勘探
开发的重要领域。
随着海洋钻探和开发工程技术的不断进步,深
水的概念和范围不断扩大。目前,大于500 m为深
水,大于1500 m则为超深水。据估计,世界海上
44%的油气资源位于300 m以下的水域,其中,墨西
哥湾深水油气资源量高达(400~500)×108桶油当
量,约占墨西哥湾大陆架油气资源量的40%以上,
而巴西东部海域深水油气比例高达90%左右。
20世纪90年代以来,由于发现油气田储量大,
产量高,深水油气倍受跨国石油公司青睐,发展迅
速。据估计,近年来,深水油气勘探开发投资年均增
长30. 4%, 2004年增加到220亿美元。1999年作
业水深已达2000 m, 2002年达3000 m。90年代以
来,全球获近百个深水油气发现,其中亿吨级储量规
模的超过30%。2000年,深水油气储量占海洋油气
储量的12. 3%,比10年前增长约8%。2004年,全
球海洋油气勘探获20个重大深水发现(储量大于
110×108桶)。1998-2002年有68个深水项目,约
15×108t油当量投产; 2003-2005年则增至144个
深水项目,约4216×108t油当量投产, 2004年深水
石油产量210×108,t约占世界石油产量的5%。
2 目前深水油气开发模式
深水油气开发设施与浅水油气开发设施不同,
其结构大多从固定式转换成浮式,因此开发方式和
方法也发生了变化。国外深水油气开发中常用的工
程设施有张力腿(TLP)平台、半潜式(SEMIOFPS)平
台、深吃水立柱式(SPAR)平台、浮式生产储油装置
(FPSO)以及它们的组合。
3 深水钻井关键技术
3.1 深水钻井设备
适用于深水钻井的主要是半潜式钻井平台和钻
井船2种浮式钻井装置。
3.1. 1 深水钻井船 钻井船是移动式钻井装置中
机动性最好的一种。其移动灵活,停泊简单,适用水
深范围大,特别适于深海水域的钻井作业。钻井船
主要由船体和定位设备2部分组成。船体用于安装
钻井和航行动力设备,并为工作人员提供工作和生
活场所。在钻井船上设有升沉补偿装置、减摇设备、
自动动力定位系统等多种措施来保持船体定位。自
动动力定位是目前较先进的一种保持船位的方法,
可直接采用推进器及时调整船位。全球现有38艘
钻井船,其中额定作业水深超过500 m的深水钻井
船有33艘,占总数的87%。在这33艘深水钻井船
中,有26艘正在钻井,有5艘正在升级改造。在现
有的深水钻井船中, 20世纪70年代建造的有10
艘, 80年代和90年代建造的各有7艘,其余9艘是
2000-2001年建造的。其中2000年建成的钻井船
最多,有8艘;其次是1999年,有4艘。目前在建的
7艘钻井船中,均是为3000多米水深建造的, 2007
年将建成1艘, 2008年和2009年将各建成3艘。
钻井船主要活跃在巴西海域、美国墨西哥湾和
西非海域。2006年7月初,正在钻井的26艘深水
钻井船分布在8个国家。其中巴西8艘,占1/3;其
次是美国,有6艘;安哥拉、印度和尼日利亚分别有
4艘、3艘和2艘;中国、马来西亚和挪威各1艘。
3.1. 2 半潜式钻井平台 半潜式钻井平台上部为
工作甲板,下部为2个下船体,用支撑立柱连接。工
作时下船体潜入水中,甲板处于水上安全高度,水线
面积小,波浪影响小,稳定性好、支持力强、工作水深
大,新发展的动力定位技术用于半潜式平台后,到本
世纪初,工作水深可达3000 m,同时勘探深度也相
应提高到9000~12 000 m。据Rigzone网站截至
2006年7月初的统计,全球现有165座半潜式钻井
平台,其中额定作业水深超过500 m的深水半潜式
钻井平台有103座,占总数的62%。在这103座深
水半潜式钻井平台中,有89座正在钻井,有11座正
在升级改造。其中31座是20世纪70年代建造的,
最长的已经服役30多年; 40座是20世纪80年代
建造的; 13座是90年代建造的; 19座是2000 -
2005年建造的。此外,还有24座深水半潜式钻井
平台正在建造。
深水半潜式钻井平台主要活跃在美国墨西哥
湾、巴西、北海、西非、澳大利亚和墨西哥海域。2006
年7月初,处于钻井中的89座深水半潜式钻井平台
分布在18个国家,其中美国最多, 24座,占总数的
27%;巴西17座,挪威10座,英国6座,澳大利亚、
墨西哥和尼日利亚各5座,其余国家各有1~3座。
3.2 深水定位系统
半潜式钻井平台、钻井船等浮式钻井装置在海
中处于飘浮状态,受风、浪、流的影响会发生纵摇、横
摇运动,必须采用可靠的方法对其进行定位。
动力定位是深水钻井船的主流方式。在现有的
深水钻井船中,只有6艘采用常规锚链定位(额定
作业水深不足1000 m),其余27艘都采用动力定位
(额定作业水深超过1000 m)。1000 m以上水深的
钻井船采用的都是动力定位,在建的钻井船全部采
用动力定位。
动力定位系统一般采用DGPS定位和声纳定位
2种系统。声纳定位系统的优点: (1)精确度高
(1% ~2% )、水深(最大适用水深为2500 m); (2)
信号无线传输(不需要电缆); (3)基本不受天气条
件的影响(GPS系统受天气条件的影响); (4)独
立,不需要依靠其他系统提供的信号。声纳定位系
统的缺点: (1)易受噪声的影响,如环境噪声、推进
器噪声、测试MWD等; (2)折射和阴影区; (3)信号
传输时间; (4)易受其他声纳系统的干扰,如多条船
在同一地方工作的情况。
3.3 大位移井和分支水平井钻井技术
海上钻井新技术发展较快,主要包括大位移井、
长距离水平钻井及分支水平井钻井技术。这些先进
技术在装备方面主要包括可控马达及与之配套的近
钻头定向地层传感器。在钻头向地层钻进时,近钻
头传感器可及时检测井斜与地层性质,从而使司钻
能够在维持最佳井眼轨迹方面及时做出决定。
由于水平井产量高,所以在国外海上油气田的
开发中已经得到了广泛的应用。目前,国外单井总
水平位移最大已经达11 000m。分支水平井钻井技
术是国际上海洋油气田开发广泛使用的技术,近年
来发展很快。利用分支井主要是为了适应海上需
要,减少开发油藏所需平台数量及平台尺寸(有时
平台成本占开发成本一半还多)。具体做法是从一
个平台(基础)钻一口主干井,然后从主干井上急剧
拐弯钻一些分支井,以期控制较大的泄油面积,或者
钻达多个油气层。
3.4 深水双梯度钻井技术
与陆地和浅海钻井相比,深海钻井环境更复杂,
容易出现常规钻井装备和方法难以克服的技术难
题:锚泊钻机本身必须承受锚泊系统的重量,给钻机
稳定性增加了难度;隔水管除了承受自身重量,还承
受严重的机械载荷,防止隔水管脱扣是一个关键问
题;地层孔隙压力和破裂压力之间安全钻井液密度
窗口窄,很难控制钻井液密度安全钻过地层;海底泥
线处高压、低温环境影响钻井液性能产生特殊的难
题;海底的不稳定性、浅层水流动、天然气水合物可
能引起的钻井风险等。国外20世纪60年代提出并
在90年代得到大力发展的双梯度钻井(DualGradi-
entDrilling,简称DGD)技术很好地解决了这些问题。
双梯度钻井技术的主要思想是:隔水管内充满海水
(或不使用隔水管),采用海底泵和小直径回流管线
旁路回输钻井液;或在隔水管中注入低密度介质
(空心微球、低密度流体、气体),降低隔水管环空内
返回流体的密度,使之与海水相当,在整个钻井液返
回回路中保持双密度钻井液体系,有效控制井眼环
空压力、井底压力,克服深水钻井中遇到的问题,实
现安全、经济的钻井。
3.5 喷射下导管技术
海上浅水区的表层套管作业通常采用钻孔、下
套管然后固井的作业方式。在深水区,由于海底浅
部地层比较松软,常规的钻孔/下套管/固井方式常
常比较困难,作业时间较长,对于日费高昂的深水钻
井作业显然不合适。目前国外深水导管钻井作业通
常采用“Jetting in”的方式。常规做法是在导管柱
(Φ914. 4 mm或Φ762 mm)内下入钻具,利用导管柱
和钻具(钻铤)的重量,边开泵冲洗边下入导管。
3. 6 动态压井钻井技术(DKD)
DKD(Dynamic killDrilling)技术是深水表层建
井工艺中的关键技术。该技术是一种在未建立正常
循环的深水浅层井段,以压井方式控制深水钻井作
业中的浅层气井涌及浅层水涌动等复杂情况的钻井
技术。其工作原理与固井作业中的自动混浆原理相
似,它是根据作业需要,可随时将预先配好的高密度
压井液与正常钻进时的低密度钻井液,通过一台可
自动控制密度的混浆装置,自动调解到所需密度的
钻井液,可直接供泥浆泵向井内连续不断地泵送。
在钻进作业期间,只要PWD和ROV监测到井下有
地层异常高压,就可通过人为输入工作指令,该装置
立即就可泵送出所需要的高密度钻井液,不需要循
环和等待配制高密度钻井液,真正意义上地实现边
作业边加重的动态压井钻井作业。
3. 7 随钻环空压力监测(APWD)
由于深水海域的特殊性,与浅水和陆地钻井相
比,部分的上覆岩层被水代替,相同井深上覆岩层压
力降低,使得地层孔隙压力和破裂压力之间的压力
窗口变得很窄,随着水深的增加,钻井越来越困难。
据统计,在墨西哥湾深水钻井中,出现的一系列问
题,如井控事故、大量漏失、卡钻等都与环空压力监
测有关。随钻环空压力测量原理是主要靠压力传感
器进行环空压力测量,可实时监测井下压力参数的
变化。它可以向工程师发出环空压力增加的危险报
警,在不破坏地层的情况下,提供预防措施使井眼保
持清洁。主要应用于实时井涌监测和ECD监控、井
眼净化状况监控、钻井液性能调整等,是深水钻井作
业过程中不可缺少的数据采集工具。
3. 8 随钻测井技术(LWD /MWD /SWD)
深水测井技术主要是指钻井作业过程中的有关
井筒及地层参数测量技术,包括LWD、MWD和
SWD测井技术。
由于深水钻井作业受到高作业风险及昂贵的钻
机日租费的影响,迫使作业者对钻井测量技术提出
了多参数、高采集频率和精度及至少同时采用2套
不同数据采集方式的现场实时数据采集和测量系
统,并且具有专家智能分析判断功能的高标准要求。
目前最常用的定向测量方式是MWD数据测量
方式,这种方式通常只能测量井眼轨迹的有关参数,
如井斜角、方位角、工具面。LWD是在MWD基础
上发展起来的具有地层数据采集的随钻测量系统,
较常规的MWD增加了用于地层评价的电阻率、自
然伽马、中子密度等地层参数。具有地质导向功能
的LWD系统可通过近钻头伽马射线确定井眼上下
2侧的地层岩性变化情况,以判断井眼轨迹在储层
中的相对位置;利用近钻头电阻率确定钻头处地层
的岩性及地层流体特性以及利用近钻头井斜参数预
测井眼轨迹的发展趋势,以便及时做出调整,避免钻
入底水、顶部盖层或断裂带地层。
随钻地震(SWD)技术是在传统的地面地震勘
探方法和现有的垂直地震剖面(VSP———Vertical
Seismic Profiling)的基础上结合钻井工程发展起来
的一项交叉学科的新技术。其原理是利用钻进过程
中旋转钻头的振动作为井下震源,在钻杆的顶部、井
眼附近的海床埋置检波器,分别接收经钻杆、地层传
输的钻头振动的信号。利用互相关技术将钻杆信号
和地面检波器信号进行互相关处理,得到逆VSP的
井眼地震波信息。也就是说,在牙轮钻头连续钻进
过程中,能够连续采集得到直达波和反射波信息。
3.9 深水钻井液和固井工艺
随着水深度的加大,钻井环境的温度也将越来
越低,温度降低将会给钻井以及采油作业带来很多
问题。比如说在低温情况下,钻井液的流变性会发
生较大变化,具体表现在黏、切力大幅度上升,而且
还可能出现显著的胶凝现象,再有就是增加形成天
然气水合物的可能性。目前主要是在管汇外加绝缘
层。这样可以在停止生产期间保持生产设备的热
度,从而防止因温度降低而形成水合物。
表层套管固井是深水固井的难点和关键点。海
底的低温影响是最主要的因素。另外由于低的破裂
压力梯度,常常要求使用低密度水泥浆。深水钻井
的昂贵日费又要求水泥浆能在较短的时间内具有较
高的强度。
3.10 深水钻井隔水管及防喷器系统
深水钻井的隔水管主要指从海底防喷器到月池
一段的管柱,主要功能是隔离海水、引导钻具、循环
钻井液、起下海底防喷器组、系附压井、放喷、增压管
线等作用。在深水钻井当中,隔水管柱上通常配有
伸缩、柔性连接接头和悬挂张力器。在深水中,比较
有代表性的是Φ533. 4 mm钻井隔水管,平均每根长
度为15. 2~27. 4 m。为减小由于钻井隔水管结构
需要和自身重量对钻井船所造成的负荷,在钻井隔
水管外部还装有浮力块。这种浮力块是用塑料和类
似塑料材料制成的,内部充以空气。在钻井隔水管
外部,还有直径处于50~100 mm范围的多根附属
管线。在深水钻井作业过程中,位于泥线以上的主
要工作构件从下向上分别是:井口装置、防喷器组、
隔水管底部组件、隔水管柱、伸缩短节、转喷器及钻
井装置,井口装置通常由作业者提供。
4 结论
深水石油钻井是一项具有高科技含量、高投入
和高风险的工作,其中喷射下导管技术、动态压井钻
井技术、随钻环空压力监测、随钻测井技术、ECD控
制等技术是深水钻井作业成功的关键。钻井船、隔
水管和水下防喷器等设备的合理选择也是深水钻井
作业成功的重要因素。另外,强有力的后勤支持和
科学的作业组织管理是钻井高效和安全的重要保
障。
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我写的是《粒子群优化算法的改进研究及在石油工程中的应用》，本文提出一种基于双适应值的量子粒子群优化算法。该算法将目标函数和约束条件分离，从而赋予每个粒子双适应值，并根据这两个适应值来决定粒子优劣，同时提出保持不可行解比例的自适应策略。
还不错吧，当时也是没时间写，还是学长给的莫'文网，专业的就是牛啊，很快就帮忙完成了
