海洋深水救援井钻井关键技术

刘书杰　李相方　何英明　耿亚楠　周建良

（1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京　102249；2.中海油研究总院，北京　100028；3.中国石油大学石油天然气工程学院，北京　102249）

海洋深水救援井钻井关键技术

刘书杰1，2李相方3何英明2耿亚楠2周建良2

（1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249；2.中海油研究总院，北京100028；3.中国石油大学石油天然气工程学院，北京102249）

深水钻井具有较高风险，在救援井设计方面，国内外没有相关标准规范可参照，深水井实施救援井作业的数量也很少。为了保证深水油气田安全高效开发，结合中国南海深水钻井的需要，对深水救援井的井位选择、井眼轨迹设计方法、探测定位技术、连通技术、动态压井方法等一系列关键技术进行了整理和分析。救援井的井位选择需考虑海底地质条件、洋流、风向、热辐射、商业保险等因素，救援井井眼轨迹需根据连通点位置、探测定位工具的要求、轨迹实施难度进行设计，连通方式首选直接钻通事故井井眼，动态压井方案的制定应结合钻井船的能力优选最高效安全的压井方案。研究结果对于建立深水救援井设计体系具有一定的参考价值。

钻井工程；深水；救援井；探测定位；连通技术；压井

海洋深水区域已经成为全球能源的重要接替区，深水勘探开发已成为热点，同时也面临着巨大的挑战。深水钻井具有高技术、高投入、高风险等特点，深水一旦发生井喷事故将造成巨大的环境污染及经济损失。救援井是为控制事故井井喷，在离事故井一段距离设计、施工的与事故井进行连通的井［1］。由于救援井的特殊性，其关键技术与常规钻井技术存在较大的区别。田峥等［2］对救援井的井位选择、轨迹连通、压井和弃井等几项关键技术，进行了概括介绍； 吴瑶等［3］指出救援井与事故井相对位置的精确探测是实施救援的关键，并利用软件模拟半径为139.7 mm的井喷井，在其附近设置1个1 A电流源和一个接地电极，研究了电流源和事故井距离、两电极距离、事故井半径对事故井套管上电流密度的影响，为深水油气勘探救援井精确探测提供了理论依据。在前人研究成果的基础上，结合中国南海深水钻井的需要，从救援井井口位置选择、井眼轨迹设计、探测定位、连通方式、动态压井方法等方面进行了研究。

1　井口位置选择

救援井井口位置的选择是一项整体工程管理内容，在井眼轨迹可行及满足探测定位要求的情况下，救援井井口距离事故井井口越近井深越小，因此可以在最短的时间内以最小的成本连通事故井，成功压井。但是井口位置选择还需综合考虑作业区块的海洋气象条件（季风、流、浪及海冰）、海底地质风险、热辐射、商业保险要求等。

1.1海底地质风险

救援井井口位置选择的首要考虑因素是井场地质条件可以满足安全高效钻井作业的要求，需对救援井井位浅层土质情况、有无断裂及滑移迹象、有无海底障碍物、泥火山、湖泊等问题进行井场调查，确保救援井井位不会发生浅层地质灾害。

1.2热辐射

考虑到事故井可能发生井喷着火，必须考虑热辐射的影响，确保实施救援井的钻井船在热辐射波及范围之外，图1是南海某井如果发生井喷爆炸着火热辐射影响范围模拟结果，可以看出，热辐射波及范围在200 m以内。

图1　热辐射分布

1.3风向因素

救援井井位的确定需考虑作业海域季风特征及盛行风向，根据救援井作业实施季节进行选择，救援井井位宜在事故井的上风位置或者垂直于风向的侧位，可以在实施钻井作业时规避井喷流体随风漂移的威胁。

1.4商业保险要求

救援井及事故井井口间距的确定除了受救援井轨迹设计要求及探测定位工具的影响外，还受保险公司商业保险的限制，保险公司会对救援井钻井风险进行综合评估，确定可以接受的最小井口间距，如果投保方井口间距小于保险公司规定的最小井口间距，则需要交纳高额的额外保险费用。

2　方案设计

2.1井眼轨迹设计

救援井井眼轨迹的设计，在保证可实施的前提下，需要优先考虑满足探测定位工具的要求，提高连通成功率，而后考虑轨迹难度、造斜点选择、造斜率大小等因素。

救援井轨迹设计中要结合探测工具的能力，留足探测距离，满足探测次数及切入角要求。常见的救援井轨迹有3种：直接连通、逐步逼近、Bypass方法［4］。在救援井轨迹可以满足要求的前提下，优先推荐Bypass方法，通过Bypass消除误差椭圆，提高连通成功率；如果连通点浅，Bypass方法造成救援井轨迹狗腿度较大，推荐采用逐步逼近法，救援井轨迹逐步逼近事故井井眼，通过多次探测提高连通成功率。直接连通方法一般适用于连通点非常浅的情况，如果采用Bypass方法或者逐步逼近法，狗腿度会非常大，无法实施，直接连通方法一般会采用被动探测工具大角度连通。3种方法中直接连通方法连通成功率最低，如图2所示。

图2　井眼轨迹设计方法

2.2探测定位

根据救援井测距工具的原理不同可将其分为主动测距系统和被动测距系统。主动测距系统主要是通过自身来改变或产生某些信号量获得测量结果，被动测距系统则是通过感知目标对某个物理量的影响来获得测量结果。两者的区别在于测量者是否对测量对象施加影响。其中被动测距系统主要是通过检测事故井中套管、钻杆等对地磁的影响，从而获得事故井和救援井之间的相对距离关系；主动测距系统则是通过对事故井中套管、钻杆施加一定的激励量，产生磁场、电流等物理量的改变，从而获得两者之间的相对距离关系。目前，常用的探测工具为：美国SDI公司的MagTrac MWD Ranging System，为被动测距类型；美国Vector Magnetics公司的PMR、Wellspot、RGR、WSAB，其中除PMR工具为被动测距外，其余为主动测距类型。

主动电磁测距系统（国外一般使用Wellspot导向工具［5-8］）探测距离一般大于50 m，并且具有较高的精度，但是在切入角大于45°时几乎无法实现测距作业，同样由于主动电磁测距系统需要在裸眼或者钻柱内下入测量工具，因此一般无法实现随钻测量，需要较为频繁的起下钻作业以提供测距工具的下入通道，作业时间一般较长，无法实时为钻井作业提供防碰的信息。另外，油基钻井液对测距结果会有影响，测量点少。被动电磁测距工具自带MWD，无需频繁起下钻作业，油基钻井液对测距结果没有影响，测量点多，但只能以一定的距离间隔（＜25 m）进行测距。2种测距作业系统技术均较为成熟，各有优缺点，在全球的救援井测距作业中都有较为成功的应用案例。

2.3连通方式

目前主要的连通方法有：直接钻通、射孔连通、压裂连通、定向射孔+压裂连通。随着救援井测距系统、测斜工具的快速发展，直接连通成功率大大提高。射孔、压裂除需要测距系统外还需要额外的装备，特别是压裂连通，还需要考虑平台的空间能否满足设备摆放的要求，对于海上作业存在一定的难度。因此除特殊工艺需要，建议采用直接钻通方式作为首选连通方式。

压裂连通方式要考虑最大、最小水平主应力的方向，救援井及事故井布井方位均与最小水平主应力方向一致，救援井布置在事故井左（右）侧，压裂连通成功率最高，如图3所示。如果压裂连通不成功，可以考虑定向射孔+压裂连通方法。

2.4动态压井方法

动态压井的基本原理是以一定的流量泵入初始压井液，通过利用压井液在环空流动时的摩擦阻力配合压井液静液柱压力使井底的流动压力等于或者大于地层压力，从而阻止地层流体进一步侵入到井内达到“动压稳”状态，然后逐步替入加重压井液以实现完全压井的目的，达到“静压稳”状态［8-9］。动态压井方法与常规压井方法的不同之处就在于利用了压井液在环空流动时的摩擦阻力。

国际上使用比较多的救援井动态压井模拟软件是Schlumberger公司的OLGA ABC软件，该软件基于多相流理论，可以模拟不同压井液密度、不同排量下救援井压井方案。一般来说救援井动态压井方案的设计应结合进行救援井作业的钻井船作业能力（泥浆泵能力、泥浆池容量等），模拟多种井况下多种压井方案，优选泵排量小、所需压井液量小、压井时间短、套管鞋处压力小的方案作为推荐方案。

3　设计案例

中国海上还没有救援井实施案例，但是深水油气田的开发要求必须进行相应的救援井设计，因此，随着近年来深水油气田的快速开发，中海油积累了丰富的救援井设计经验。以中国南海某深水救援井设计为例进行案例分析［10］，根据南海气候、井位附近地质条件、热辐射波及范围（通过计算波及范围在200 m以内）等，确定了救援井井位为事故井北偏东135°方位，距事故井300 m；综合考虑事故井连通点位置，探测工具测距要求及井眼轨迹实施难度进行了轨道设计，推荐采用逐步逼近法；建议探测工具采用Wellspot工具中的RGRⅡ和WSAB系统配合使用，RGRⅡ负责前期远距离探测寻找事故井套管，WSAB工具负责近距引导靠近；针对事故井井口状况、实际作业钻井船能力进行了不同压井排量、不同压井液密度动态压井方案设计，并针对事故井情况进行了弃井方案设计，结果如表1、图4。

4　结论

（1）深水救援井作业是一项复杂的系统工程，救援井井口位置选择、井眼轨迹设计、探测定位、连通方式、动态压井方法、弃井设计等是深水救援井的关键技术。

图3　压裂连通方法

（2）井口位置的选择，必须满足井眼轨迹可行及探测定位工具的要求，除此之外还需综合考虑作业区块的海洋气象条件、海底地质风险、热辐射、商业保险要求等。

（3）Bypass方法可以消除误差椭圆，提高连通成功率，是救援井井眼轨迹设计的首选，如果轨迹无法满足Bypass的要求优先考虑采用逐步逼近方法。

（4）探测定位分为主动测距系统和被动测距系统，要根据实际情况优选探测定位工具。直接钻通是首选的连通方式，如果直接钻通失败推荐采用压裂连通方式。

（5）对救援井动态压井方法进行了介绍，并指出压井方案应考虑进行救援井作业的钻井船作业能力，保证切实可行。

表1　动态压井方案设计

图4　救援井轨迹示意图及与井眼中心距

［1］魏超南，陈国明.“深水地平线”钻井平台井喷事故剖析与对策探讨［J］.钻采工艺，2012，35（5）：18-21.

［2］田峥，周建良，唐海雄，等.深水钻井中救援井关键技术［J］.海洋工程装备与技术，2014，1（2）：106-110.

［3］吴瑶，毛剑琳，李峰飞，等.深水油气勘探救援井精确探测技术研究［J］.石油钻采工艺，2014，36（4）：26-29.

［4］钱爱东.浅谈海上救援井钻井设计思路［J］.石油天然气学报，2013，35（10）：330-332.

［5］GRACE R D, Blowout and well control handbook［M］. Oxford: Gulf Professional Publishing, 2003.

［6］LERAAND F, WRIGHT J W, ZACHRY M B, et al. Relief well planning and drilling for a North Sea underground blowout ［J］. Journal of Petroleum Technology, 1992, 44 （3）: 266-273.

［7］GRACE R D, KUCKES A F,BRANTON J O. Perations at a deep relief well, the TXO marshall［R］. SPE 18059,1988.

［8］Vector Magnetics. Vector magnetics brochure［EB/OL］. ［2011-01］.http://www. vectormagnetics.com/oil-gas.

［9］高永海，孙宝江，赵欣欣，等.深水动态压井钻井技术及水力参数设计［J］.石油钻采工艺，2010，32（5）：8-12.

［10］李峰飞，叶吉华，阳文学.电磁探测定位系统及其在救援井设计中的应用［J］.石油钻采工艺，2015，37（1）：154-159.

（修改稿收到日期2015-04-13）

〔编辑付丽霞〕

Key drilling technology for marine deepwater relief wells

LIU Shujie1,2, LI Xiangfang3, HE Yingming2, GENG Yannan2, ZHOU Jianliang2
（1.College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
2.Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China;
3.Oil and Gas Engineering College, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

There is great risk in deepwater drilling and there is no international standard for reference regarding the design of relief well drilling, and not many relief wells are drilled for deepwater wells. In order to ensure safe and efficient development of deepwater oil/gas fields and in conjunction with the requirement of deepwater drilling in the South China Sea, a number of key technologies have been arranged and analyzed such as selection of relief well location, method of wellbore trajectory design, detection and location technology, connection technique, dynamic well killing technique, etc. The selection of relief well location should take into consideration the submarine geological conditions, ocean currents, wind directions, thermal radiation, commercial insurance, etc. The trajectory of relief well should be designed according to the location of connecting point, the requirement of detection and location tools and difficulty in following the trajectory. The preferred connecting method is to directly penetrate the borehole of trouble well. The formulation of dynamic killing program should be the most efficient and safest killing plan according to the capacity of the drilling ship. The research result is of certain reference value to establishing the design system for deepwater relief wells.

drilling engineering; deepwater; relief wells; detection and location; connection technology; well killing

TE53

A

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0015 – 04

10.13639/j.odpt.2015.03.004

国家自然科学基金“海洋深水浅层钻井关键技术基础理论研究”（编号：51434009）；中海油综合科研项目“中海油钻完井井控技术管理体系研究”（编号：2014-YXKJ-001）。

刘书杰，1966年生。1989年毕业于中国石油大学（华东）钻井工程专业，中国石油大学（北京）在读博士研究生，现主要从事海洋石油钻完井方面的设计研究工作，教授级高级工程师。电话：010-84523668。E-mail：liushj@cnooc.com.cn。

引用格式：刘书杰，李相方，何英明，等.海洋深水救援井钻井关键技术［J］.石油钻采工艺，2015，37（3）：15-18.