钻井新技术作业.docx

海洋深水钻井技术 前言：近年来，随着人类对陆地和近海资源大肆掠夺和破坏，陆地和近海石油资源逐渐减少甚至枯竭，全球范围能源紧张矛盾更加突出，为满足不断增长的能源需要，世界上许多国家都降油气开发重点投向海洋。据统计，世界海洋石油蕴藏量约1000多亿吨，天然气储量140万亿立方米，深海区域还富含可燃冰资源。目前，全世界从事海上石油开采的国家有100多个，尤其是美国，沙特阿拉伯，委内瑞拉等国，其海上产量每年千万吨，世界最大的海底石油储量是中东的波斯湾，委内瑞拉马拉开湖，挪威的北海以及墨西哥湾。波斯湾现在已探明石油储量120亿吨，占已探明石油储量50%以上，有“石油之海”美称。1 海上钻井发展及现状1.1海上钻井可及水深方面的发展历程正规的海上石油工业始于 20 世纪 40 年代,此后用了近20年的时间实现了在水深100m的区域钻井并生产油气, 又用了20多年达到水深近2000m 的海域钻井, 而最近几年钻井作业已进入水深3000m 的区域。20世纪70年代以后深水海域的钻井迅速发展起来。在短短的几年内深水的定义发生了很大变化。最初水深超过200m 的井就称为深水井;1998 年“深水”的界限从 200m 扩展到300m, 第十七届世界石油大会上将深水域石油勘探开发以水深分为:400m以下水域为常规水深作业, 水深4001500m 为深水作业,大于 1500m 则称为超深水作业;而现在大部分人已将500m作为“深水”的界限。1.2 海上移动式钻井装置世界拥有量变化状况自20世纪50年代初第一座自升式钻井平台“德朗1号”建立以来,海上移动式钻井装置增长很快，1986年巅峰时海上移动式钻井装置拥有量达到750座左右。1986年世界油价暴跌 5 成,海洋石油勘探一蹶不振,持续了很长时间,新建的海上移动式钻井装置几乎没有。由于出售流失和改装 (钻井平台改装为采油平台),其数量逐年减少。1996年为567座,其中自升式平台357座,半潜式平台132座,钻井船 63座,坐底式平台15 座。此后逐渐走出低谷,至 2010 年,全世界海上可移动钻井装置共有800多座,主要分布在墨西哥湾、西非、北海、拉丁美洲、中东等海域,其中自升式钻井平台 510 座,半潜式钻井平台280 座,钻井船(包括驳船)130 艘,钻井装置的使用率在83%左右。目前,海上装置的使用率已达86%。2 我国海洋石油钻井装备产业状况我国油气开发装备技术在引进、消化、吸收、再创新以及国产化方面取得了长足进步。建造技术比较成熟 海洋石油钻井平台是钻井设备立足海上的基础。从1970年至今,国内共建造移动式钻采平台 53 座,已经退役 7 座,在用46 座。目前我国在海洋石油装备建造方面技术已经日趋成熟,有国内外多个平台、船体的建造经验,已成为浮式生产储油装置(FPSO)的设计、制造和实际应用大国,在此领域,我国总体技术水平已达到世界先进水平。在我国， 深海油气开发装备研制进入新阶段，目前, 我国海洋油气资源的开发仍主要中在200m 水深以内的近海海域,尚不具备超过 500m深水作业的能力。随着海洋石油开发技术的进步,深海油气开发已成为海洋石油工业的重要部分。向深水区域推进的主要原因是由于浅水区域能源有限, 满足不了能源需求的快速增长需求,另外,随着钻井技术的创新和发展,已经能够在许多恶劣条件下开展深水钻井。目前我国的海洋钻井区域主要集中在渤海和南海以北地区，在南海地区石油的储量颇为可观。3 深水钻井液关键技术3.1深水环境所涉及的条件和困难 钻井条件环境温度低，钻井液用量大，海底井底稳定性差，井眼清洗难度大，特别是在某些浅层存在天然气或天然气水合物等问题，使得深水钻井液的配置不同与陆地，而需要考虑更多的情况。目前深水钻井目前主要活跃在墨西哥湾，西非和巴西。国内随着陆地石油的开发趋于稳定，石油开发逐渐向浅海以及深海方向发展，但目前尚未开展深水钻井作业。根据国外经验，深水钻井液所需解决的主要问题在于：钻井液低温条件下的流动性问题；海底页岩的稳定性问题；井眼清洗问题；生成气体水合物问题及环保问题。 随着水的深度逐步增加，钻井环境的温度也越来越低，给钻井和采油作业带来很多问题。在低温条件下，钻井液的粘度和切力大幅度上升，而且会出现显著的胶凝现象，并增加形成天然气水合物的可能性。天然气水合物是在一定的温度和压力形成的冰状笼型化合物，高压条件下它可以在高于水的冰点温度下存在。假如天然气水合物接近地面时分解，则大量的天然气会被释放。深水钻井所遇的情况正好是天然气水合物形成的良好条件，因此，如何有效抑制形成天然气水合物是技术关键之一。3.2 深水钻井液类型 最近，钻井液中使用混合抑制剂，用于抑制天然气水合物地层的想已经被提出。这种天然气水合物抑制剂的化合物时常被用于作为一种特定的解卡剂，用于保护天然气水合物地层压井时海底井控设备。 国外用于深水钻井的钻井液体系有高盐木质素磺酸盐钻井液、高盐（部分水解聚丙烯酰胺）聚合物加聚合醇钻井液、油基钻井液以及合成基钻井液等。据资料介绍，目前最有效而且满足环保要求的有高盐混合抑制剂钻井液和合成基钻井液。高盐聚合醇钻井液在值为中性时抑制岩屑效果较好，适合于各种从淡水到饱和盐水的钻井液，当然其高盐条件下使用效果更好。高盐PHPA钻井液可以抑制气体水合物的形成。但是，为了更好地抑制气体水合物的产生，加入了混合抑制剂效果更好。因为高盐钻井液体系密度大，为保持钻井过程中井眼清洁，维持钻井液性能，必须经常进行起下钻，因而减慢了钻速，增加了钻井时间，加大了钻井成本。合成基钻井液主要应用于墨西哥湾。在进行深水钻井时，最初选用了盐水/淀粉/聚合醇水基钻井液，但由于井下条件恶化，发生了压差卡钻，因此选用了合成基钻井液，顺利完成。合成基钻井液综合性能优于水基钻井液和油包水钻井液，典型的水基钻井液塑性粘度，热膨胀和压缩性均比原油和合成基钻井液低，因此导致了当量循环密度降低，同事增加了对小井眼钻具的拉力和扭矩的限制，柴油机油包水钻井液比矿物油或合成基钻井液更易压缩，因此也不适于深水钻井。合成基钻井液具有良好的流变性，能够满足井眼和隔水管之间的巨大温差变化，这是因为合成基钻井液的流变性随井下条件不同而变化很大，所以准确的预测钻井液水下动力情况和当量循环密度对于完成深水钻井作业非常重要。合成基钻井液具有以下优良特性：性能稳定，便于调控，抑制性和润滑性良好，钻屑悬浮和携带能力强，井壁稳定，降低了压差卡钻的发生率，经过实践证明，使用合成基可以减少事故的发生率。4 深海石油钻井技术4.1国外深海石油钻井技术 定向钻井。几十年来，从式钻井一直是海上采油的唯一手段，近年来，为了提高采油率和降低成本,大位移井，水平井，多分支井又应运而生。地质导向钻井技术和旋转闭环钻井技术是定向钻井的两项尖端技术；小井眼钻井小井眼就是井眼直径比常规井眼直径明显小。井眼小了，则破碎岩石体积小了，耗能小了，钻机也小了，占地也相应减小； 欠平衡钻井 欠平衡指的是钻井液业主压力小于地层压力，欠平衡钻井时，油流会流入到井内，所以井口要安装旋转防喷器，循环系统要有油分分离器。实现欠平衡的方法有喷边钻，泥浆帽压井，立管注入气体，还空注入气体和泡沫钻井液等。欠平衡钻井的突出优点是不破坏油层，而且提高钻速；盘管机组钻井 盘（卷油）管指的是没有接头、内外平滑、连续成一根并可盘卷在滚筒上的钢管，直径多在25.450.8 mm之间，长度最大达6000m。其最大优点是井内起下方便快捷，不用上卸螺纹； 无隔管钻井系统 隔水管的作用是保障钻井液的循环，但隔水管的庞大与笨重增加了钻井成本、难度和风险。不用隔管，关闭防喷器，让钻井液从另一根小管返回平台。4.2 我国的深海钻井目前我国钻机主要在人工岛、滩海、近海浅水区域作业，尚无深水钻井经验，我国深海发展面以下为问题：深水钻采设备短缺，由于海上油气技术装备起步较晚，与国际先进水平存在巨大差异，所以大部分海上设备依赖于进口。资金短缺，深水作业成本昂贵，据测算，每钻井一米花费接近一万元，再加上钻井平台的建设，因此，资金成了制约海上油田的建设重要因素。而且，中国在深海钻井方面技术不足，缺乏高水平的专业人才和管理人才，由于起步晚，海上钻井从技术的研发到产业的形成需要经历漫长的时期。5 深海钻井平台深水和超深水多功能半潜式平台自1960年突入使用，一般有上部甲板结构， 悬浮筒，系泊系统，悬链式立管和桩基础/锚组成，半潜式采用扩展式锚泊，需要特殊的转塔锚固系统，半潜式钻井平台容易被改成采油生产平台，极大的减少了油田开发成本。相对于其他浮式装置，半潜式平台稳定性较好，易于连接钢制悬链式立管，移动灵活，可在超深井中使用。多功能半潜式的特点：抗风浪能力强，甲板面积和可变载荷大。适应水深范围广，钻机能力强，适合多种作业功能，如钻井，生产，起重，铺管。深水钻井船和浮式生产储油卸油装置 （1）深水钻井船 钻井船主要有船体和定位设备两部分组成，船体用于安装钻井设备和航行动力设备，并为工作人员提供工作和生活场所。在钻井台上设有升降补偿装置，减轻设备，自动动力定位系统等多种装置来保持船体定位。自动动力定位是目前较为先进的保持定位的方法。他直接采用推进器及时调整船位。深水钻进船的特点是：机动性和运移性好，适应工作水深很强，甲板空间大，储存能力大。缺点是，钻井时其摇摆和浮沉较大。（2）浮式生产浮式生产储油卸油装置（）,升张式，后三种相对于传统式张力腿平台可统称为新型将集油计量，油气水处理，储油，运卸四种功能综合在一个油轮上完成的，在一条改装的或专门建造的船甲板上安有油、气、水处理系统，供电设备和生活设施。浮船多由转塔式锚泊系统定位，船上有旋转式升缩接头与输油立管相连接。特点：机动性和运移性好，适应工作水深很强，甲板空间大，存储容量大，可变载荷高，自持能力强，具有适应深水采油的能力。在深水中具有较大的抗风浪能力，具有大量的生产油、气、水处理能力和大的储油能力，中国有艘，在建两艘。深水张力腿平台目前张力腿平台传统式,海之星，传统式有四根立柱和四个连接的浮体组成，立柱的水切面较大，自由浮动式稳定性较好，并通过张力腿固定于海底。海之心只有一根立柱，因而容易建造。这种结构对于上部组块的限制较大，自由漂浮时结构稳定性也很差。张力腿平台结构有下部浮体和四根立柱组成，张力腿连接到浮力箱上，浮力主要由浮体提供。深水张力腿平台特点：对上部质量十分敏感，造价随水深而加大，垂向移动受到约束，平台稳定性好；可采用干式采油树，操作，维护，及维修比较简单，费用低，石油开采和钻井过程中各项参数采集便捷。深吃水柱筒式平台随着油气开采有近海向深海进军，深吃水柱筒式平台已成为最富吸引力的平台之一。特点：可支持水上干式采油树，可直接进行井口作业，便于维修，井口立管可由自成一体的浮筒或顶部液压动力器支撑，其升沉运动比张力腿式平台大，比半潜式或浮台式小，对上部质量敏感性小，机动性较大。对特别深的水域，其造价比张力腿式平台低。小结：陆地和浅海资源已接近枯竭，在目前世界范围内，新能源的开发困难重重，石油作为战略资源，将在很长一段时间内依然是各国赖以生存的主要能源，因此，向海洋进军是大势所趋。但目前，我国在深水开采方面还处于刚刚起步阶段 ，石油开采技术落后，因此，我国必须重视起海上的石油资源，一方面，我们要大力引进国外的先进技术，人才，弥补现阶段的技术空白，另一方面，我们必须投入大量的资金，联合国内各方面的人才积极开展研究工作，鼓励创新，争取早日建立起自己的开发技术和开发经验。参考文献：海洋深水钻井完井液关键技术研究 邱正松 ，吕开河 中国石油大学（华东）石油工程学院山东东营 深海石油钻采技术 张喜顺等燕山大学中海油