中国海洋石油深水钻完井技术.pdf

第 37 卷 第 1 期 2015 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING deepwater engineering technology; deepwater management; operation practice; drilling equipment; op- eration capacity; ultra-deepwater leapfrog 随着世界经济的发展与人类科学技术水平的进 步， 人类社会进入 21 世纪以来， 深水作为现代科技 和能源技术的标志性领域， 引来了各国的广泛关注。 世界范围内已发现的深水油气区已达 30 个左右， 世 界油气的增长有近 50 来自于海上。 我国近海有十分丰富的油气资源， 中海油 2012 年在近海的油气产量已达五千万吨。南海油气资源 更加丰富， 约占我国总资源量的三分之一， 且 70 的储量是在深水区。南海属于世界四大油气聚集区 之一， 具有广阔的油气勘探、 开发前景。一直以来， 由于经济和技术方面的原因， 我国在深水方面做的 工作很少， 勘探程度很低。 走向深水面临4大挑战。 挑战1， 高风险高投入 海洋石油是高投入高风险行业， 而深水是海洋石油 工业中最具高投入和高风险特点的领域， 是双高的 典型和代表；挑战 2， 高技术深水在深海工程技术 领域里技术含量最高， 高科技涵盖最广， 国内缺乏成 熟经验， 缺少深水技术储备；挑战 3， 缺乏进军深水 的大型装备及手段；挑战 4， 没有进入深水作业的人 才团队。 石油钻采工艺 2015 年 1 月（第 37 卷） 第 1 期2 中国海洋石油总公司（以下简称中海油） 深水钻 完井工程技术的发展， 主要经历了 2 个阶段。 第 1 阶段， 以引进、 消化、 吸收为主， 通过对外合 作， 开始步入深水。通过单井股份参入、 并购大型油 田、 反承包作业、 合作研究等不同方式， 沉淀深水技 术， 培养作业能力， 汲取管理经验， 为日后的深水油 气田自主作业奠定了基础。 第 2 阶段， 中海油深水钻井进入到自营阶段。 在这一阶段， 中海油当作业者， 依靠自己的技术力量 对深水钻井进行管理和运营， 标志着中海油逐步具 备了深水作业能力。 2012 年 3 月， 以海洋石油 981 为代表的中海油 第 1 座国内自行建造的第 6 代半潜式动力定位钻井 平台， 开启了南海深水自营作业新时代， 它标志着中 海油已经建立起了自己的深水钻井装备体系、 深水 钻井技术体系， 具备了深水自主作业能力、 深水人才 队伍的建设及管理能力。 2014 年， 981 平台完成了中石油 ZS 深水项目， 开创了零污染、 零事故、 零伤亡的作业先例， 标志着 中海油完全具备了走向深水、 走向远海的技术水平 与作业能力［1-3］。 1 深水钻完井的对外合作学习阶段 1987 年， 南中国海开始了第 1 口深水井 BY7- 1-1 井的钻探工作， 该井的作业水深 499.42 m， 由中 海油的南海 5 号半潜式平台承钻， 使中海油有机会 接触和学习到外国公司先进的深水钻井技术和深水 作业管理。从此， 中海油的深水钻井开始了学习、 消 化以及吸收历程， 在此期间国外深水安全钻井技术， 如表层喷射下入导管、 动态压井、 南海台风期作业的 安全应急等技术的应用实践， 为我们走向深水， 掌握 安全， 应对海上作业的重大气象环境条件的影响提 供了示范， 为中海油走向深水油气勘探开发奠定了 坚实的技术和管理基础。 在这一阶段， 外国公司在中国南海的深水钻井 情况和特点如下。 （1） 钻井数量少、 学习机会少。19872012 年的 25 年时间， 共计钻深水井 8 口， 这充分体现了深水井 高投入高风险， 工作量远远小于浅水；从另一个侧 面也说明了学习和了解更多的国外深水知识和技术 的机会来之不易。 （2） 深水钻井装备跨度大。在这一阶段， 深水钻 井装备涵盖了第 2 代半潜式钻井平台、 第 3 代半潜 式钻井平台、 第 6 代半潜式钻井平台。因此， 在钻井 装置上， 对深水装备和性能特点、 各平台之间的参数 对比、 世界深水钻机技术有了更多的体会和认识。 （3） 作业水深与定位方式变化大。作业水深涵盖 4991 920 m 的范畴， 从定位方式上历经传统的锚链 定位、 第 5 代动力定位、 最新的第 6 代钻井平台的动 力锚链混合定位方式， 钻井最深达 5 237 m。 （4） 作业投资者少。25 年间， 合作的外国公司仅 包括 BP、 BG、 Chevron、 Anadarko、 Devon 等。同时， 海 上钻井的井身结构、 套管层数、 作业风险随水深的增 加变化很大， 工艺更趋于复杂。 详细的钻井情况见表1。 表 1 19872012 年外国公司在我国深水钻井情况 井名作业者钻井装置类型井型水深 /m井深 /m施工年份 BY7-1-1Occidental EasternNH5第 1 代半潜直井499.43 5271987 CC12-1-1HuskyAtwood Falcon第 3 代半潜直井576.01 7552004 LW3-1-1HuskyDiscoverer 534第 3 代钻井船直井（侧钻取心）1 480.03 8432006 BY6-1-1DevonLegend第 3 代半潜定向井1 020.05 1922008 LS22-1-1BGWest Aquarius第 6 代半潜直井1 335.83 6232010 LS33-1-1BGWest Aquarius第 6 代半潜直井1 462.84 3502010 LW13-1-1ChevronWest Aquarius第 6 代半潜直井1 920.64 6502011 YL-19-1-1ChevronWest Aquarius第 6 代半潜直井1 695.45 2372012 2 深水钻完井的自营作业阶段 2.1 中国海洋深水钻井技术的突破 中海油进入深水领域， 自己当作业者进行深水 钻井工作， 是在 2010 年 1 月 15 日以西非 X-1 井为 标志开始的， 该项目是中海油在非洲开始的第 1 个 深水勘探项目， 至当年的 4 月 19 日结束， 安全顺利 完成了 2 口井的钻探任务， 平均井深 3 700 m， 最大 水深超过 1 000 m， 平均钻井周期 37 d， 全井无安全 事故， 提前 7.6 d 完成任务， 实现了中海油深水钻井 历史上的 3 个突破首次作为深水作业者， 成功组 织、 实施深水钻井作业；首次在海外实施深水钻井 作业；首次组织水深突破 1 000 m 的深水钻井作业。 赤几深水钻井的成功， 使中海油的深水技术顺利通 过了初步的检验。同时， 一批年轻的钻井技术和管 理人员经受了西非艰苦环境条件的考验， 这个历史 性的机遇对于中海油具有 3 个方面的重要意义。 （1） 掌握了一套深水钻井技术。如深水钻井浅 3姜 伟中国海洋石油深水钻完井技术 层地质灾害评估、 深水锚泊定位、 深水动力锚泊组合 定位、 深水钻井工程设计、 深水钻井工程作业等。 （2） 掌握了深水钻井工程中的诸多国际通行惯例 和做法， 为今后海外深水作业管理奠定了坚实基础。 （3） 租用国际深水钻井船完成海外的勘探深水项 目， 丰富了在国际市场的大环境条件下， 组织、 管理 海外深水作业的经验。 2.2 中国海洋深水钻井装备的旗舰 以海洋石油981为代表的深水实践， 标志着中国 海油走向深水迈出了实质性的步伐， 对实现海油 “二 次跨越” 具有重要的战略意义。中海油从 2004 年起 就开始顶层设计， 2009 年建成我国第一座第 6 代动 力定位深水半潜式钻井平台“海洋石油 981” （图 1） 。 该平台的建造， 为我国进行深水勘探奠定了装备基 础， 体现了我国走向深水， 开发海洋的决心和能力。 图 1 海洋石油 981 平台 海洋石油 981 平台， 最大工作水深 3 000 m， 钻 井深度 10 000 m， 可变载荷 90 000 kN， 可抵抗 200 年一遇的台风袭击（最大风速 109 节） ， 是目前我国 深海勘探开发的深水旗舰。平台自 2012 年 3 月投 入运营， 取得了一系列钻完井技术的新突破和进展。 （1） 成功实施了水深 2 454 m 超深水钻井作业， 使中国钻井技术和作业能力进入到世界超深水行列。 （2） 平台投入至今， 经历了南海 13 个台风、 季风、 5 次内波流等恶劣海况的严峻考验， 最大风力 15 级 台风， 平台安全可靠， 人员安全无恙， 平台定位系统 和结构完好， 验证了平台设计、 建造的科学性、 使用 的安全性与良好的可操作性。 （3）历时 3 年的南海作业， 成功完成了 20 余口 钻完井及测试作业， 平均水深 1 530 m， 最大水深 近 2 500 m， 平均作业时效高达 86， 高出国际同类 先进平台 10， 平台设备最高时效达到 99， 已进入 到世界同类钻井平台最佳作业水平的第一阵容。 2.3 中国海洋深水作业能力的提升 “十二五” 期间， 已经建成满足不同作业水深勘 探开发的梯次船队。NH8 半潜式钻井平台， 最大作 业水深800 m， 钻井能力7 600 m；NH9半潜式平台， 最大作业水深 1 615 m， 钻井能力 7 600 m。这 2 座 半潜式平台已经陆续完成了 19 口深水井的钻井和 3 口深水井的测试工作。在深水钻完井、 测试工作方 面已经具备了独立从事深水油气田勘探开发的作业 能力。 2.4 中国海洋深水技术队伍的发展 中海油已初步建成了深水专业化技术服务队 伍。随着深水钻井完井和测试工作的开展， 与之相 关的专业技术服务工作也得到了相应的推动和发 展， 在平台的海上定位、 深水钻井液、 固井、 深水录 井、 深水测井、 深水测试、 深水水下井口安装、 水下采 油树安装等 10 个专业技术领域， 中海油已经形成了 专业化服务队伍并初具规模， 为支持海上作业、 保证 作业安全等方面发挥了积极的作用。 3 中国海洋石油深水领域的科研成果 3.1 深水基础理论研究 通过室内隔水管水池实验研究， 真实模拟了在 钻井工况和海洋工况耦合条件下隔水管力学行为和 实验检测， 首次发现并提出了深水隔水管力学行为 的“三分之一效应” 和“上下边界效应” ， 两效应在 实践中的成功应用， 为隔水管合理配置、 顶张力优 化、 浮力块数量及安装位置、 隔水管安全管理提供了 理论分析基础和依据。 3.2 深水关键技术研究 形成了深水钻完井工艺、 装备、 自动监测、 实验 平台等系列技术成果。涵盖了 23 项技术研究内容， 主要是针对目前深水作业与安全有关的隔水管力学 特征和悬挂方式、 深水钻井液体系、 深水水泥浆体 系、 深水井下流量控制和监测、 深水钻机选型等问题 的研究工作。 3.3 深水研究成果的成功应用 一批研究成果已开始在现场应用， 形成了科研 成果与工程应用的良好互动和紧密结合。如深水钻 井液体系和水泥浆体系、 深水动态压井装置、 深水弃 井水下切割工具等。这些科研成果的应用， 标志着 我国在深水技术领域里零的突破。 4 中国海洋石油深水钻完井的基础保障 从水深 200 m 到 3 000 m， 国外石油工业花费了 近 40 年的时间， 而中海油仅用了 10 年左右就实现 了从深水起步到超深水 2 500 m 的跨越， 这既是成功 的典范也是必须警惕的重点。因此， 做好基础的工 石油钻采工艺 2015 年 1 月（第 37 卷） 第 1 期4 作十分重要。 4.1 建立技术标准和规范 自 2009 年， 在学习和消化外国公司技术的基础 上， 结合中海油深水工作实际， 完成了深水钻井规 程与指南 、深水测试规程与指南 、深水完井规程 与指南 的编写、 颁布和下发， 形成了中海油具有自 主知识产权的技术规范和标准， 使得中海油的深水 钻完井测试工程技术工作有章可循， 有规范可依。 4.2 注重深水人才培养和能力建设 在深水作业实践中， 注重培养和打造 3 支队伍， 即深水钻完井工程技术队伍、 深水钻井平台装备操 作队伍、 深水钻完井工程技术研究队伍。按照这 3 支队伍的培养规划， 深水工程技术队伍主要以南海 东部和西部 2 个分公司以及海能发的技术队伍为 主， 适应和满足深水技术的发展， 完全胜任和承担作 业的组织管理工作；从深水钻井平台装备操作队伍 看， 中海油深水钻井平台船队已经形成了一支坚强 有力的平台管理及操作队伍， 能够胜任海上作业的 需求；深水技术研究队伍以中海油研究系统为主， 集中了一批年轻有为的技术骨干， 开展了各项科研 工作， 为现场实践提供了强有力的技术支持。 通过自主钻完井实践和海内外深水平台应用， 中海油逐步完成科研、 生产、 作业人员的交叉培养和 人才梯队建设， 培养了未来深水发展的脊梁。 5 中国海洋石油深水钻完井技术发展方向 随着中国深水勘探、 开发的深入， 作业水深和 作业难度进一步增加， 先进的钻井装置和配套的深 水钻完井技术将被开发和研究。双井架第 6 代动力 定位钻井平台将大量投入使用， 通过并行（离线） 作 业（尤其是无隔水管井段、 钻井和完井同时开展） 、 批 量作业（如表层批钻、 悬挂防喷器井间移位实现下 部井段批钻） ， 缩短作业时间来解决作业成本高的问 题；通过强大的动力系统、 钻井泵系统、 提升系统、 隔水管张力系统、 防喷器系统以满足水深和井深作 业需求， 并适应恶劣的深水作业环境， 保障作业安全 （如遭遇台风时动力定位应对更加安全、 快速） ；TLP （张力腿平台） 、 SPAR（深吃水圆筒式） 和水下技术将 用来解决南海恶劣环境下深水油气田开发问题；动 态压井技术将解决井位处存在浅层水流、 浅层气而 无法避开所带来的问题（针对浅层灾害分布广的深 水油气田） ；双梯度钻井、 控压钻井将解决作业窗口 窄、 井漏处理困难的问题；先进的井控软件将解决 溢流监测困难、 处理复杂的问题；深水的大位移井、 高温高压井和智能完井也会出现， 将解决深水储层 埋深浅、 修井困难、 控制要求高等问题；新型钻井 液、 固井体系将解决低温、 高压、 水合物等问题；提 速工艺将应用到深水井中解决钻速慢导致作业费用 高、 套管和钻具磨损等问题。 6 结束语 （1） 深水技术领域是我国石油工业未来发展的新 领域， 特别是未来在陆上油气资源日趋探明和有限 的条件下， 走向海洋， 走向深水， 已经成为中国石油 工业的必然。因此， 关注深水、 重视海洋是我国当前 石油行业里要积极开展工作的一件大事。 （2） 深水勘探开发是一个复杂的系统工程， 既涉 及大量的工程技术问题， 又涉及大量的投资问题， 同 时， 还涉及诸多基础理论研究问题， 因此， 还要大力开 展基础性研究工作。 （3） 深水领域是传统油气行业里的一个创新领 地， 需要多学科、 多专业互相协调和配合。因此需要 在学科建设方面， 以科学发展的理念开拓新的学科 领域， 加强深水技术人才培养， 提升作业能力。 （4） 深水钻完井在技术装备上也需要投入更多资 金， 花费更多资源与大自然的不利因素抗争。需在深 水装备尤其是深水专用设备上以科学求实的态度， 开展相应的研究工作， 发展我国的深水装备事业。 （5） 作业安全始终是步入深水的一道难题， 深水 作业始终应以一种敬畏的精神、 求实的态度， 坚持预 防为主， 认真执行企业和行业的各种作业规范和标 准。同时， 还应大力发展海上的安全应急处置技术、 海上救援井技术， 建立企业专业化安全应急组织。 （6） 中国深水钻完井技术发展方向将由深水特 点、 南海环境和地质情况决定。先进的钻井装置， 动 态压井、 双梯度、 控压钻井、 新型的钻井液、 固井体 系、 提速工艺等技术将会应用到钻完井过程中， 解决 深水钻完井过程中面临的问题。 参考文献 ［1］ 姜伟 . 凝心聚力在深水南海测试谋跨越［N］. 海洋石 油报， 2014-09-12 （2）. ［2］ 吴莉 . 中国海油副总经理、 中国工程院院士周守为纵论 深水勘探用 510 年完成 3003 000 m 的跨越 ［N］ . 中国能源报， 2010-03-22 （4）. ［3］ 杨进， 曹式敬 . 深水石油钻井技术现状及发展趋势 ［J］ . 石油钻采工艺， 2008， 30 （2） 10-13. （修改稿收到日期 2014-12-28） 〔编辑 付丽霞〕