許定江，練章華，張強，林鐵軍

（西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室，四川 成都 610500）

深水鉆完井工程設(shè)計要點分析

許定江，練章華，張強，林鐵軍

（西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室，四川 成都 610500）

深水鉆完井工程設(shè)計存在水文地質(zhì)條件惡劣、作業(yè)成本高昂等一系列設(shè)計難點，這在一定程度上制約著我國深水油氣田開發(fā)的進程?；阢@完井工程設(shè)計的流程及特點，以南海某深水油田的鉆完井設(shè)計方案為例，選擇井眼軌跡及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作液設(shè)計、鉆柱及鉆具組合設(shè)計、井控工藝設(shè)計等主要的鉆完井工程設(shè)計部分，進行了設(shè)計理念以及設(shè)計結(jié)果的分析。得出了深水鉆完井工程設(shè)計適宜采用的關(guān)鍵技術(shù)以及基本設(shè)計思路，提出了簡化井身結(jié)構(gòu)、簡化鉆具組合、注重淺層氣井控、采用批次作業(yè)等針對性的設(shè)計建議，能夠為深水鉆完井工程設(shè)計提供有益借鑒。

深水；鉆井；完井；工程設(shè)計

深海區(qū)域是全球油氣資源最主要的接替領(lǐng)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(qū)石油地質(zhì)儲量估計超過210億噸［1-3］。

深水鉆完井工程設(shè)計是深海區(qū)塊現(xiàn)場施工的指南和重要技術(shù)依據(jù)，如何科學(xué)有效地開展深水鉆完井工程設(shè)計，已經(jīng)成為一個亟待解決的重要課題，它與深水鉆完井技術(shù)及裝備的研發(fā)處于同等重要的地位。采用先進的設(shè)計理念及手段，完成一份高質(zhì)量的深水鉆完井設(shè)計方案，應(yīng)該以現(xiàn)代海洋鉆完井工藝為基礎(chǔ)，以石油與天然氣行業(yè)標準規(guī)范為準則，根據(jù)深水地質(zhì)和儲層特點，以保證鉆完井工程質(zhì)量，保護海洋環(huán)境，實現(xiàn)良好的經(jīng)濟效益為目的。近年來，國內(nèi)開展了大量的海洋深水鉆完井工程研究工作，但絕大多數(shù)都以具體的工程技術(shù)評價和設(shè)備工具分析為主［4-9］，多數(shù)是對某個設(shè)計部分的研究，如井身結(jié)構(gòu)設(shè)計［10］、噴射下導(dǎo)管作業(yè)設(shè)計［11］、井控設(shè)計［12］、鉆井液設(shè)計等［13］，針對深水鉆完井設(shè)計方法及流程開展的研究較少。

1 深水鉆完井設(shè)計難點

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

1）如何應(yīng)對惡劣的海洋作業(yè)環(huán)境。深水油氣田開發(fā)受海流、波浪、水溫的影響更大，對鉆井船型、隔水管系統(tǒng)、井控裝置等均提出了更加苛刻的技術(shù)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5 m以上，主流方向流速最高可達70 cm/s。

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

3）如何應(yīng)對井壁失穩(wěn)、地層出砂以及增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)等問題。由于深水區(qū)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(jié)性差，巖層易膨脹、分散，導(dǎo)致地層失穩(wěn)的可能性較大［14］。深水作業(yè)費用昂貴，油氣井出砂對于深水開發(fā)項目來說更是不可接受的，因此，嚴格防砂是目前國內(nèi)外深水完井的普遍共識［15］。這些問題都必須在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、鉆井液設(shè)計、固井設(shè)計中予以考慮。

4）如何有效控制成本、提高作業(yè)效率。深海油氣田的投資風(fēng)險巨大，高昂的成本是制約其開發(fā)的主要因素。要實現(xiàn)深水油氣田的商業(yè)化開采，必須合理控制各個環(huán)節(jié)的作業(yè)成本。以“海洋石油981”為例，其綜合日費用超過了100萬美元［16-17］，設(shè)計高效的作業(yè)方式也成為了成本控制的必然選擇。深水作業(yè)工況的復(fù)雜性對于設(shè)備的大型化、智能化、作業(yè)自動化提出了新的要求，也導(dǎo)致了設(shè)備采購成本的居高不下。因此，鉆完井設(shè)備的優(yōu)選和作業(yè)方式的優(yōu)選是緊密貫穿于整個深水鉆完井工程設(shè)計之中的。術(shù)難點，其各個部分的設(shè)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(shè)計通常必須考慮叢式井防碰以及后期井網(wǎng)加密的要求。

2）所設(shè)計的井身結(jié)構(gòu)應(yīng)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(shè)計工作液必須能有效應(yīng)對水合物、低溫環(huán)境、井壁穩(wěn)定性差等問題。

4）為應(yīng)對可能發(fā)生的井漏、井噴等問題，應(yīng)避免選擇結(jié)構(gòu)復(fù)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(shè)計淺層氣井控措施，選擇合適的水下井控設(shè)備。

6）固井設(shè)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(shè)計必須重點考慮井壁穩(wěn)定性及防砂要求并適當提高單井產(chǎn)量。

8）鉆井平臺、隔水管系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等的設(shè)計必須與鉆完井方案相配套。

由于深水鉆完井工程設(shè)計的工作量巨大，本文只選取設(shè)計中的關(guān)鍵部分進行介紹。

2 深水鉆完井設(shè)計流程及特點

眾多設(shè)計難點，客觀上對深水鉆完井工程的設(shè)計提出了更加苛刻的要求。在設(shè)計工作正式開展以前，必須進行海底調(diào)查和土質(zhì)調(diào)查，調(diào)查報告書內(nèi)容通常包括作業(yè)概況、現(xiàn)場作業(yè)工況、地質(zhì)災(zāi)害評價與分析等。

鄰近井的地質(zhì)情況、測井資料、取心資料等是設(shè)計前分析學(xué)習(xí)的另一個重要內(nèi)容，雖然鄰井的設(shè)計資料可以作為重要參考，但是又必須根據(jù)其鉆完井日報等存在的問題進行一定調(diào)整，避免事故重復(fù)發(fā)生。

典型的深水鉆完井設(shè)計流程如圖1所示，其大致內(nèi)容和一般海洋鉆完井工程設(shè)計是相同的。其中，HSE設(shè)計與施工程序設(shè)計應(yīng)基本貫穿于整個設(shè)計過程之中，井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須考慮完井及棄井作業(yè)的要求。但是，如果考慮到深水鉆完井工程設(shè)計中所存在的技

圖1 深水鉆完井工程設(shè)計流程

3 深水鉆完井設(shè)計案列分析

以南海某深水油田的鉆完井設(shè)計方案為例，進行深水鉆完井設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)的分析。該油田區(qū)塊為一具有復(fù)雜斷層的半背斜斷塊油氣藏，區(qū)域水深1 350～1 525 m。主力含油層系為古近系C2組CPEDC3段，地層厚度204.5～746.5 m，巖性以巨厚層淺灰色、褐灰色泥巖為主。其泥線以下200 m左右存在淺層氣，儲層段均存在井漏、井噴風(fēng)險。根據(jù)現(xiàn)有的實驗及測量數(shù)據(jù)，并利用M-C井眼失穩(wěn)破壞準則計算地層坍塌壓力，預(yù)測鉆遇地層三壓力剖面如圖2所示。

圖2 三壓力剖面

3.1 井眼軌跡及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

由于深水油氣田開發(fā)多采用叢式井技術(shù)，所以，這里主要介紹叢式井設(shè)計的思路。所設(shè)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(jù)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(shè)計造斜率為2.5°/30 m，符合2.1°/30 m～4.8°/30 m的叢式井造斜率范圍。

選取造斜點時，各井造斜點錯開超過30 m。由于受海上平臺空間的限制，在叢式井特別是加密調(diào)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(yè)的傳感器信號處理軟件，以給出準確的防碰預(yù)警信息。所設(shè)計叢式井的井眼軌跡如圖3所示。

圖3 叢式井整體布局

考慮到深水作業(yè)的特點，叢式井井身結(jié)構(gòu)也應(yīng)盡量簡化，避免因參數(shù)選擇過于保守而增加套管層次［18］。

深水鉆井套管的下入層次及深度通常采用自上而下的設(shè)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508.00 mm，防噴器組上接533.40 mm隔水管。各段必封點的設(shè)置必須考慮易漏易垮地層以及淺層地質(zhì)災(zāi)害的影響，這也是第1必封點選擇泥線以下200 m左右的原因。此外，深水鉆井導(dǎo)管段多采用914.40 mm套管，通過噴射法下入，無需進行固井，從而減少作業(yè)時間。所設(shè)計的3口叢式井的井身結(jié)構(gòu)基本類似，均為三開，其中Y-1井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

圖4 Y-1井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 工作液設(shè)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(shè)計和優(yōu)選。

考慮到深水鉆井液設(shè)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(chǔ)上，所設(shè)計的鉆井液還必須減少膠凝現(xiàn)象的發(fā)生、對水合物生成具有抑制性以及較高的攜巖能力［19-21］。

同時，鉆井液還必須與儲層礦物及流體相匹配。由于作業(yè)區(qū)塊的儲層為中等偏強水敏以及中等偏強酸敏，最終設(shè)計導(dǎo)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(shè)計更要注重對海洋環(huán)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(huán)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(yīng)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。

表1 鉆井液體系及配方

完井液的設(shè)計除了必須滿足完井液常規(guī)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(yīng)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(jié)晶及水合物生成；2）優(yōu)異的配伍性，包括與地層水、儲層產(chǎn)物、管線控制液、甲醇等注入化學(xué)藥品以及地層巖石的配伍。

最終設(shè)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(diào)范圍廣、對水敏礦物具有強抑制性。

3.3 鉆柱及鉆具組合設(shè)計分析

由于深水作業(yè)費用昂貴，優(yōu)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(yè)面臨井噴、井漏的復(fù)雜地層的概率更加頻繁，應(yīng)盡量簡化鉆具組合，避免使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的井下工具，如渦輪、螺桿等。

Y-1井直井段鉆具組合設(shè)計采用鐘擺鉆具組合，其技術(shù)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(zhuǎn)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(wěn)斜段使用彎螺桿+PDC鉆頭復(fù)合鉆進，直至中靶（見表2）。

由于Y-2及Y-3井的井身結(jié)構(gòu)及井眼軌跡與Y-1井基本類似，為了提高作業(yè)效率，應(yīng)采用相同型號的鉆具組合進行批次鉆進。此外，還可根據(jù)實際情況由現(xiàn)場技術(shù)人員對鉆具組合及鉆井參數(shù)進行合理調(diào)整。

表2 Y-1井鉆具組合設(shè)計

3.4 造斜段及穩(wěn)斜段的鉆柱受力分析

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

圖5 大鉤載荷

此外，鉆井參數(shù)的設(shè)計和鉆具組合的設(shè)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。

圖6 鉆柱屈曲分析

3.5 井控工藝設(shè)計分析

在常規(guī)井控設(shè)計的基礎(chǔ)上，深水井控設(shè)計還必須解決地層壓力窗口窄、溢流和井漏監(jiān)測難度大、壓井難度大、三淺地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)等問題，需制定出相應(yīng)的溢流處理、壓井作業(yè)以及淺層氣井控措施。由于難以準確預(yù)測淺層氣的發(fā)生，發(fā)生時反應(yīng)時間短，且地層薄弱，不宜關(guān)井，所以淺層氣流的處理應(yīng)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(yīng)根據(jù)作業(yè)水深、海床處的土壤性質(zhì)、地層情況、作業(yè)平臺及BOP情況等進行水下井口裝置設(shè)計，以滿足該井在實施作業(yè)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(nèi)防噴器的設(shè)計。應(yīng)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(nèi)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(fēng)險以及快速循環(huán)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(shè)計分析

與常規(guī)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(huán)空間隙大、井眼不規(guī)則、頂替效率差等因素的影響［22-23］。在保證固井質(zhì)量和安全的前提下，必須盡量縮短固井時間。所設(shè)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(wěn)定劑。各層套管注水泥參數(shù)設(shè)計見表3。

表3 各層套管注水泥參數(shù)設(shè)計

除了水泥漿設(shè)計，固井工藝設(shè)計還必須進行套管柱及套管串設(shè)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(shù)和安全系數(shù)來進行計算。圖7為技術(shù)套管三軸強度校核結(jié)果。

圖7 技術(shù)套管三軸強度校核

深水完井對于井壁穩(wěn)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(xiàn)實決定的。但是，防砂設(shè)計還應(yīng)該遵循適度防砂的理念，允許部分地層砂產(chǎn)出，避免對近井地帶通道的堵塞。在進行防砂設(shè)計前，首先需要對是否出砂進行預(yù)測，并判斷出砂機理［24］。其設(shè)計主要通過B指數(shù)法和斯倫貝謝法進行出砂預(yù)測，圖8為B指數(shù)法出砂預(yù)測結(jié)果。從圖中可以看出，B指數(shù)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。

圖8 B指數(shù)法出砂預(yù)測結(jié)果

井壁穩(wěn)定性分析應(yīng)根據(jù)儲層段相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)進行坐標變換，以得到井壁處的主應(yīng)力值。根據(jù)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(yīng)力，即τ＜τmax，表明在開采過程中會發(fā)生井壁不穩(wěn)定，必須采用支撐井壁的完井方式。儲層段的井周應(yīng)力分布見圖9（其中，σθ，σz分別為周應(yīng)力和軸向應(yīng)力）。

完井方式的優(yōu)選還需要考慮區(qū)塊的產(chǎn)層類型、膠結(jié)程度、均質(zhì)性、底水或氣頂?shù)挠袩o，以及是否需要采取增產(chǎn)措施等。由于儲層段無底水，最終設(shè)計采用了支撐強度大、初期產(chǎn)量高的管內(nèi)壓裂礫石充填完井方式。完井作業(yè)設(shè)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(yè)，從而減少作業(yè)時間，提高工作效率。

圖9 井周應(yīng)力分布

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

4 結(jié)束語

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

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（編輯 高學(xué)民）

Key points of drilling and completion design for deepwater well

XU Dingjiang,LIAN Zhanghua,ZHANG Qiang,LIN Tiejun
(State Key Lab of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

A series of design difficulties exist in deepwater well drilling and completion,such as adverse hydro geological conditions and high activity cost,which restrict the process of deepwater oil-gas field development to some extent.Based on process and features of drilling and completion design,taking a drilling and completion design in the South China Sea as an example,main parts of drilling and completion design were analyzed on design philosophy and results,such as borehole trajectory design,casing program design,working fluid design and so on.The key technology and fundamental design thought in deepwater well drilling and completion design are obtained.This research brings forward some corresponding suggestions for design,such as simplifying casing program design,simplifying bottom hole assembly,laying emphasis on well control of shallow gas and taking batch operation.It can provide some beneficial advices for deepwater well drilling and completion design.

deepwater;well drilling;well completion;engineering design

國家自然科學(xué)基金項目“極端條件下氣井油套管端力學(xué)行為及其螺紋密封機理研究”（51574198）；國家教育部博士點基金項目“基于XFEM和細觀力學(xué)的超深井鉆具疲勞破壞機理研究”（20135121110005）

TE22

：A

10.6056/dkyqt201701029

2016-06-28；改回日期：2016-10-17。

許定江，男，1992年生，在讀碩士研究生，主要從事油氣井工程力學(xué)與仿真方面的研究。E-mail：xdj_swpu@163.com。

許定江，練章華，張強，等.深水鉆完井工程設(shè)計要點分析［J］.斷塊油氣田，2017，24（1）：131-136.

XU Dingjiang，LIAN Zhanghua，ZHANG Qiang，et al.Key points of drilling and completion design for deepwater well［J］.Fault-Block Oil &Gas Field，2017，24（1）：131-136.