南海高温高压钻完井关键技术及工业化应用(深水钻井技术难点与发展重点) 南海深水钻完井技术研究现状:2006年中国第一口深水天然气井以来南海深水钻完井技术研究现状& mdash& mdash& mdash自荔湾3-1-1井(作业水深1 480.00米)完井以来，中国在南海独立完成了20多口深水油气井的钻完井(大部分油气井位于南海北部，部分标志井见表1)。由于我国深水钻完井技术的研究和应用尚处于起步阶段，一些深水油气井在钻完井过程中井下断层较多。 尽管我国深水钻完井技术存在诸多关键技术瓶颈，尚未建立完整的深水钻完井技术体系，但我国在浅层地质灾害评估与控制、管柱系统力学性能与安全运行、井筒流体压力控制、工程风险评估与设计方法等方面开展了卓有成效的研究工作。，取得了一定的科研成果，使我国深水钻完井技术不断突破，部分满足了我国深水钻完井的需要。 1.1深水钻井浅层地质灾害评价与控制研究。国内学者发现南海北部深水地层中存在高温超压系统[5]，存在浅水流动、浅层气、天然气水合物分解三种浅层地质灾害(缩写& ldquo浅薄& rdquo地质灾害)发育的地质条件，但其形成机制和演化过程尚不清楚。 浅海底岩土体的强度参数是设计导管深度和校核海底井口稳定性的基础数据。 该参数可通过土工取样建立的强度恢复经验公式进行计算，但目前尚未建立喷射管侧壁扰动过饱和土层的水消散速率与强度恢复之间的机理模型。 由于深水海底岩土取样难度大、成本高，需要根据浅海底层的速度数据反演获得浅部岩土的强度参数。 准确预测钻井液的安全密度窗口对深水钻井完井的设计和施工至关重要，关键是确定三压剖面。虽然可以借鉴国外松散地层破裂压力、覆岩压力和地层压力的经验模型，以及深水浅层土壤水平有效基岩应力和垂直基岩应力的关系，但目前国内还没有准确预测深水浅层三压剖面的理论方法。 浅层疏松砂岩地层和活动泥岩地层在钻井过程中易发生井壁失稳，地质条件复杂是根本原因。 目前，我国深水天然气水合物地层的井壁失稳主要从两个方面进行研究:一是研制天然气水合物抑制剂，并将其加入钻井液中，控制天然气水合物的分解；二是建立天然气水合物地层井壁稳定的流固耦合数学模型，研究其失稳机理，并采取相应的技术措施。 浅层固井不仅能满足支撑套管和井壁稳定的需要，还能有效防止& ldquo浅薄& rdquo地质灾害造成的危害 为解决深水浅地层固井水泥浆低温缓凝和水化热问题，我国发展了泡沫水泥浆、优化颗粒级配水泥浆、低温低密度快凝水泥浆及配套固井技术[6]。然而，目前对满足弱胶结地层、天然气水合物地层和浅层气地层安全固井要求的水泥浆力学性能缺乏深入系统的研究，也没有提出合理的固井完整性控制措施。 1.2深水钻完井管柱系统的力学特性和安全作业研究。深水钻完井管柱系统包括深水钻完井作业循环中海底与平台之间的隔水管、测试管柱等管柱，是整个海洋油气开发设备中重要但薄弱的环节[7，8] 目前，接触分析、动力分析和疲劳分析已成为深水钻完井管柱系统力学性能研究的热点。疲劳损伤分析包括波浪疲劳的频域和时域分析、涡激疲劳损伤和可靠性分析等。[9]，而弦耦合系统在复杂环境中的作用机制尚不清楚。 波流作用下双层管测试管柱的安全问题越来越受到重视，深水管测试管柱力学性能的研究才刚刚起步。 钻井隔水管系统动力特性分析的研究主要包括随机波浪、导管耦合特性、浮式钻井设备运动和内外流体耦合效应。 随着作业水深的增加，深水钻完井管柱的安全问题越来越突出。有学者从台风、内波、天然气水合物等方面探讨了南海深水钻井的挑战和解决方案，建立了深水钻井隔水管连接和悬挂作业窗口的确定方法[10] 在事故的演化机理和安全控制方面，目前我国已经建立了隔水管见底事故的力学分析模型，并制定了处理措施[11]。 极端环境下，管柱接箍系统的灾难生存性评估和完整性管理还没有成熟的理论和方法。 1.3深水钻完井井筒流体压力控制研究；深水钻井和完井的多相流动规律和井筒压力管理涉及两个过程:深水钻井和完井测试。 在深水钻井过程中，传统的井筒多相流动规律不能准确表征深水复杂条件下的井筒多相流动过程，给深水井筒压力控制带来困难。 有学者在气液两相流实验中发现了传统流型缺失的现象[12]。 在井筒低高温交替条件下，钻井液流变规律复杂，对流型转化机理无法实现，影响了井筒压力的准确预测和精细控制。 有学者根据深水井的特点建立了相关的多相流模型，分析了气侵后深水井的多相流动规律[13]。 在无气侵的情况下，控压钻井可以有效控制环空空压力，有效解决窄密度窗口安全钻井的难题。 国外压力控制钻井技术已成功应用于深水钻井。虽然国内已经开展了海上控压钻井的研究，提出了采用控压钻井的海上油气井井身结构和水力参数的设计方法，但尚未开展现场实践。 此外，深水地层压力的不确定性强，目前还缺乏地层压力不确定和气侵条件下的井筒压力控制的基本理论和有效控制方法。 在深水气井测试过程中，复杂的质量和热量传递过程及其对流动屏障的连锁效应限制了完井测试的成功。 低温将导致深水测试井眼中天然气水合物的形成。我国针对复杂的深水试验条件，研究了考虑天然气水合物相变的传质传热机理，初步建立了天然气水合物形成的预测方法。然而，目前还无法准确预测天然气水合物等流动障碍的时间和空分布。 1.4深水钻完井工程风险评估和设计方法研究；深水钻井和完井工程的风险研究主要集中在定性和定量的风险评估和控制上。 在定性研究中，使用贝叶斯网络、Bowtie等新方法或结合不同方法。 在定量风险研究方面，基于数值模拟开展深水钻井工程事故和连锁事故后果评估，涵盖钻井浅层地质灾害、井筒压力失控导致井喷、爆炸事故导致平台结构破坏等典型工程事故。然而，它们大多着眼于某一风险或单一因素对工程安全的影响，较少关注多因素的耦合效应和动态演化过程。 对于深水钻井隔水管系统的设计，国内开展了超深水钻井隔水管设计影响因素的研究[14]，定性或定量分析了环境和作业因素对深水隔水管系统配置和部件选择的影响，但尚未提出钻完井管柱系统的设计方法。 深水井筒结构设计的研究主要集中在三个方面:一是利用概率统计理论定量分析地层压力的不确定性，评估钻井风险；二是用定量风险分析方法评价不确定条件下的井身结构风险；三是研究具有可信度的地层压力剖面，初步建立地层压力不确定条件下的套管程序和下入深度的确定方法[15] 综合考虑& ldquo浅薄& rdquo具有地层、狭窄安全密度窗口和地层压力不确定性等因素的深水油气井井身结构设计方法有待进一步研究。 钻井液体系研究主要考虑深水地质条件、钻井液低温流变性、天然气水合物形成和环境保护[16]。聚胺水基钻井液与低温流变性稳定& ldquo恒流& rdquo合成钻井液被认为是一种性能优异的深水钻井液体系[17]。 我国对深水钻井液在高低温交替作用下的流变性、抗高温高压性和环境可接受性的研究还比较薄弱，急需开展深水钻井液应用基础研究。
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