自1985年以來,隨著第一批水深在300m以上深水油氣勘探開發項目的投入建設,國際深水油氣勘探開發逐漸增多。最初10a的年平均增長速度為65%,西北歐、巴西、墨西哥灣的勘探開發速度最快,2001年起墨西哥灣深水區的產量已超過淺水區。據統計,截至2000年,水深500m的深水油氣田有162個,遍及世界各海域,其中尤以美洲的墨西哥灣海域、拉丁美洲的巴西海域及西非海域最多,深水油氣田探明油氣儲量為22.6 10的8次方油當量,占海上油氣田探明總儲量的12%。 目前,深水鉆井還面臨著許多難題,對鉆井液技術的要求更高,為此,筆者在分析深井鉆井存在的主要難題的基礎上,詳細介紹了國外先進的深水鉆井液技術,并對其發展趨勢進行了分析,以對我國深水鉆井有所借鑒和指導。

 

  1深水鉆井中存在的問題

 

  與淺水區域相比,深水鉆井面臨的主要問題有:海底頁巖的穩定性差、鉆井液用量大、井眼清 洗難、淺層天然氣與形成的氣體水合物、低溫下鉆井液的流變性、地層破裂壓力窗口窄等。這些問題給鉆井工作帶來了諸多困難,同時對鉆井液技術提出了更高的要求:在保證鉆井安全的前提下,兼顧鉆井成本和環境效益。

 

  11海底頁巖的穩定性差 在深水區中,由于沉積速度、壓實方式以及含水量的不同,海底頁巖的活性大。河水和海水攜帶細小的沉積物離海岸越來越遠,由于缺乏上部壓實作用,膠結性較差,易于膨脹、分散,導致過量的固相或細顆粒分散在鉆井液中,從而影響鉆井液性能。

 

  12鉆井液用量大 在深水環境下的鉆井液需求量是很大的。一般隔水管體積就高達159m3,再加上平臺鉆井液系統,而且由于井眼直徑大,為了鉆達設計井深,一般下入的套管也多(常常是4~7層),因此鉆井液用量就比其他同樣井深的陸上或淺水區的井大得多。

 

  13井眼清洗難 深水鉆井時,由于開孔直徑、套管和隔水管的直徑都比較大,如果鉆井液流速不足就難以達到清洗井眼的目的。因此,對鉆井液清洗井眼的能力提出

 

  了更高要求。一般采用稠漿清洗、稀漿清洗、聯合清洗、增加低剪切速率黏度,以及有規律地短程起下鉆等方法,這些方法均有助于清除鉆井過程中的鉆屑。使用與鉆井過程中鉆井液黏度不同的清掃液清除鉆屑效果較明顯,比如使用稀漿鉆進,稠漿清洗鉆屑。

 

  14淺層氣與氣體水合物 深水鉆井作業中,氣體水合物的形成不僅是一個經濟問題,更是一個安全問題。氣體水合物類似于冰的結構,主要由氣體分子和水分子組成,外觀上看起來類似于臟冰,但是它在性質上又不像冰,如果壓力足夠,它可以在0!以上形成。海底附近或井中溶解的水合物受到冷卻后易在隔水管和壓井阻流管線上重新凝結,尤其是在節流管線、鉆井隔水導管、防噴器以及海底的井口里,一旦形成氣體水合物,就會堵塞氣管、導管、隔水管和海底防噴器等,從而造成嚴重的事故;同樣鉆井過程中的水合物分解可能導致地層變弱,井眼擴大、固井失敗以及井眼清潔方面的問題  。

 

  15溫度過低 隨著水深加大,鉆井環境的溫度也越來越低,給鉆井和采油作業帶來很多問題。如在低溫下,鉆井液的黏度和切力大幅度上升,而且會出現顯著的膠凝現象,形成天然氣水合物的可能性增大。

 

  16地層孔隙壓力和破裂壓力之間?窗口#狹窄 深水區域上覆巖層相當一部分由海水所替代,因此上覆巖層壓力與陸地上相比偏低,由于地層具有較低的破裂壓力而孔隙壓力沒有很大的變化,這就使孔隙壓力與破裂壓力之間的差變得非常小。對于相同沉積厚度的地層來說,隨著水深的增加,地層的破裂壓力梯度在降低,致使破裂壓力梯度和地層孔隙壓力梯度之間的窗口較窄,深海鉆井尤其是表層地層容易出現井漏等井下復雜情況。

 

  2國外深水鉆井常用的鉆井液體系

 

  21水基鉆井液體系 水基鉆井液由于其優良的性能和較低的成本,已被廣泛用于深水鉆井作業中。 在墨西哥灣的深水井和大陸架井已成功應用了一種高抑制性水基鉆井液體系,該鉆井液以15%~20%的氯化鈉和海水為基液,以聚丙烯酰胺作為黏 土抑制劑,淀粉為降濾失劑,用氫氧化鉀調節pH值,重晶石作為加重劑。該鉆井液體系應用時表現 出了優良的頁巖抑制性,黏度低,易于控制及保持組分。該鉆井液體系與傳統水基鉆井液配合,能從根本上消除一些典型的復雜問題,如未溶解的聚合物引起的篩堵、聚合物消耗快、抑制性變差等。該鉆井液體系已接近合成基或油基鉆井液的性能。

 

  2004年,東墨西哥灣鉆成了兩口創紀錄超深水井 。這兩口井是在墨西哥灣水深大于21336m下所鉆的最快的井,使用了高性能水基鉆井液(WBM)來鉆中間井段。該鉆井液具有與合成基鉆井液(SBM)相媲美的性能,其優勢是允許在這種環境敏感性近海區域處理巖屑。由于不用把巖屑帶到海岸進行處理,因而節省了大量的費用。其還具有下套管和注水泥時不會出現漏失及更容易進行置換的優點。該鉆井液可以儲存起來重復應用,可以稱為SBM巖屑?零排放#。使用高性能的WBM避免了每口井大約318m3巖屑的運輸和處理,避免了下套管和注水泥時鉆井液的漏失,從而降低了成本。在墨西哥灣深水區域1503m的開發井中,曾試驗用一種新研制的高性能水基鉆井液(HPWBM)。該鉆井液的目標是達到與合成基鉆井液(SBM)體系相近的鉆井效果,并達到美國環保法規的要求。應用該鉆井液的鉆井及下套管過程均很順利。完井期間,當鹽水濁度降至20NTU時,鹽水濾失長達105h。這與鄰井中使用SBM體系所需的時間相類似,在205h的濾失時間后鹽水的清潔度達到49NTU。這表明采用HPWBM體系比用SBM體系縮短了10h安裝時間,節省了100000美元。鉆井承包商還節省了使用SBM體系時用于安裝相關設備所需的50000美元。人們曾預計該井的產量不理想,但套管射孔投產后發現該井是深水油田產量最高的油井之一。 針對墨西哥灣地區普遍存在的與泥巖活化度高有關的鉆井復雜情況不斷增多的現象,人們開發了第二代CaCl2/聚合物鉆井液[18]。它是在第一代CaCl2鉆井液的基礎上進行了改性,用一種高分子量的聚合物包被劑替代原有的聚合物,并加入不受固相濃度影響的、特制低分子量的羥乙基纖維素控制濾失量。該鉆井液體系在墨西哥灣地區的深水鉆井中得到成功應用。該鉆井液體系克服了第一代CaCl2鉆井液糊振動篩的缺點,沒有出現跑漏鉆井液現象;井下工具和井下劃眼鉆具處沒有出現泥包現象及相關問題。

 

  挪威是從事海洋深水鉆井較早的國家之一。文獻報道了挪威深水水基鉆井液設計的一個實例。該井所處海域水深837m,海底溫度-25,所使用的鉆井液需要有較好的水合物抑制性、頁巖抑制性,并能穩定井壁,避免鉆頭泥包。作業者用NaCl、KCl和聚烯醇(PAG)和乙二醇單體的混合物作為水合物抑制劑,加量極少即可獲得很好的水化抑制效果,且能夠抑制任何水合物的形成;用低黏聚陰離子纖維素PAC和淀粉以1%2的比例配成降濾失劑和增黏劑控制鉆井液的濾失量和流變性能;用精細加工的生物聚合物輔助懸浮鉆屑;用具有濁點效應的一種聚烯醇(加量為3%~4%)來改善泥餅質量,從而改善濾失性能。

 

  硅酸鹽鉆井液主要以較好的黏土和頁巖穩定性及環境可接受性,而成為油基鉆井液和合成基鉆井液的替代物。與其他鉆井液相比,它降低了化學藥品的消耗量,也降低了成本。可溶性硅酸鹽/聚乙二醇鉆井液還具有穩定性好、應用范圍廣等優點。最新的硅酸鹽聚合物鉆井液體系一般包含5%~15%(體積分數)的可溶性硅酸鹽產品,其通式是M2O?xSiO2,M如果是Na,它就是硅酸鈉,如果是K就代表硅酸鉀,x代表模數比。硅酸鹽的穩定溶液在pH值較高時(特別是105~125),經常包含大量不同的分子類型,從單體到低聚物。低聚物如遇到Ca2+和Mg2+等高價離子會迅速沉淀,當pH值降低就會形成三維凝膠結構。

 

  甲基葡萄糖甙鉆井液是20世紀90年代提出的一種新型水基鉆井液體系,由于在防塌機理及常規鉆井液性能方面類似于油基鉆井液,又稱仿油基鉆井液體系。大量的室內研究和生產實踐證明,甲基葡萄糖甙鉆井液能有效抑制泥頁巖水化膨脹,維持井眼穩定,保護油氣層,同時還具有良好的潤滑性能、抗污染能力和高溫穩定性,并且無毒、易生物降解、對環境影響極小。在環保要求嚴格的海洋鉆井中,國外已成功在大斜度井和水平井中使用了甲基葡萄糖甙鉆井液體系。

 

  22合成基鉆井液體系 合成基鉆井液是國外深水區域常用的鉆井液體系之一,對這方面的研究也較多。合成基鉆井液已被墨西哥灣的許多承包商使用。因線型烷烴沒有足夠的生物降解性,且具有 一定的生物毒性,之前用于墨西哥灣的未摻合的線型烷烴和線型烯烴不能再用了。出于對技術需 求、成本和環境效應的考慮,大部分鉆井液公司使用烷烴、烯烴和酯的混合物。酯/烯烴混合物是合成基 鉆井液中最常用的基液。到目前為止,酯/烯烴混合物為基液的合成基鉆井液已在70余口井進行了應用,該鉆井液已用于水深超過24384m的井中和大陸架地層溫度超過1767!的區域。 在墨西哥海灣深水地區的小井眼側鉆超深井中,成功應用了合成基鉆井液。在進行深水鉆井時,最初選用了鹽水/淀粉/聚合醇水基鉆井液,由于井下條件惡化,發生了壓差卡鉆,因此選用了合成基鉆井液,順利完井。合成基鉆井液的綜合性能優于水基鉆井液和油包水鉆井液。實踐證明,使用合成基鉆井液可以減少事故發生的概率。19961997年期間,阿莫克公司的深水鉆井史上,使用合成基鉆井液處理鉆井事故時間縮短69%,大大減少了鉆井周期。盡管與水基鉆井液相比,合成基鉆井液成本高,但是綜合計算后,鉆井綜合成本降低55%,鉆速提高達70%。但其環境影響問題仍需進一步研究。 2002年411月,馬來西亞在其沙巴海岸應用合成基鉆井液鉆了5口超深水井,水深為1305~1876m。所有井使用了同樣的鉆井程序,并都達到了預期深度。這5口井的成本都在預算范圍內,泥線下平均鉆速約為88m/d,已接近墨西哥灣的鉆速。 文獻介紹了一種新型合成基鉆井液體系的首次現場應用情況。該體系含有IO和酯,無黏土,符合EPA(美國環保局)標準,首次在水深12192m、井深45720m的墨西哥灣深井中使用,井底鉆井液密度為1524kg/L,低溫下黏度降低,超出40~120!溫度范圍時流變性保持穩定,且比其他合成基鉆井液易于控制。雖然其成本比常用的IOSBF貴20美元/桶,但綜合考慮,成本相差不大。

 

  據文獻報道,墨西哥灣的Alaminos峽谷鉆了一口水深創世界紀錄的深水井。該井水深為3051m,鉆深6917m,中下層井段選用了一種環境可接受的專用合成基鉆井液。該鉆井液由環境可接受的合成基液、有機土、CaCl2、乳化劑和橋堵劑組成,各組分根據不同井段的要求加量不同。該鉆井液性能良好,可接受地層流體侵入,易于維護處理。該井提前完鉆,大大降低了鉆井成本,達到了預期效果。

 

  23其他鉆井液體系 除了水基鉆井液和合成基鉆井液,國外深水鉆 ?10?石油鉆探技術2009年5月井還應使用了其他一些鉆井液體系,下面簡要介紹一種特殊的油基鉆井液體系和使用效果較好的充氣鉆井液。 柴油基鉆井液曾一度因其低廉的價格和優良的保護井壁作用而得到廣泛應用,但其對環境有極大的危害,并且對人體健康也有不利影響,可引起眼部和呼吸道疼痛,影響記憶力等。1999年23月在美國德州奧斯汀舉行的SPE/EPA會議上報道了一種符合環境安全要求的油基鉆井液體系。該體系使用礦物油(芳香族含量<01%)和棕櫚油(完全不含芳香族)代替柴油,礦物油和棕櫚油均無毒,并且易生物降解,有較好的環境可接受性,對環境影響極小 。

 

  巴西Albacora油田,水深454m的AB-L57B 井,以常規鉆井鉆至井深2800m(垂深2563m),2445mm套管下入到井斜角為31&的斜井段。目的層是兩個夾雜著頁巖的砂巖井段,孔隙壓力當量密度約是0816kg/L。2159mm鉆頭鉆至井深2989m(垂深2725m),使用了密度0864kg/L的充氮水基鉆井液。使用充氮水基鉆井液降低了對地層損害,防止或減少了井眼問題(例如不同程度的卡鉆、循環漏失等),降低了鉆井成本 。

 

  3發展趨勢及建議

 

  1)隨著經濟的發展,對石油的消費日益增加,鉆井技術不斷成熟,石油勘探開發逐漸向更深的海域邁進。這對深水鉆井液的要求不斷提高,研制新型無毒、低成本的鉆井液體系和鉆井液處理劑是今后發展的必然趨勢。

 

  2)在海洋鉆井液處理劑及體系的推廣應用過程中,要將鉆井工程、油氣層保護和環境保護有機結合起來,從鉆井成本和環境效益兩方面綜合評判它們的推廣應用效果,以獲得最佳的綜合效益。

 

  3)加強對低溫條件下深水鉆井液的流變性及攜巖能力、新型水合物抑制劑及作用機理的研究,并建立一套全面、準確評價深水鉆井液性能的標準和方法。

 

  4結論

 

  1)深水鉆井面臨著諸多問題,對鉆井液技術提出了更高要求。

 

  2)目前深水鉆井使用的鉆井液體系種類較多,

 

  但仍以水基鉆井液和合成基鉆井液體系為主。

 

  3)墨西哥灣、西北歐、巴西、西非海域是目前深水鉆井的主要區域,其他區域深水鉆井相對較少。

 

  4)由于對海洋環境保護力度的加大,鉆井液除了要滿足常規性能外,還要能有效保護油氣層和海洋環境。