海洋鉆井手冊-深水鉆井

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1、目 錄 第一節(jié) 定義與特點 1 一、深水定義 1 二、深水環(huán)境特點 1 二、深水地質(zhì)特點 1 三、深水鉆井特點 3 第二節(jié) 深水鉆井裝置 5 一、深水鉆井裝置選擇的一般性原則 5 二、主要鉆井設(shè)備選擇原則 8 1. 深水鉆機系統(tǒng)選擇 8 2 深水鉆井隔水管選擇與設(shè)計 9 (1) 深水鉆井隔水管部件的選擇 9 （2） 隔水管選擇的其他要求 10 (3) 隔水管串配置要求 11 (4) 隔水管初步配置分析 11 (5) 隔水管系統(tǒng)正常作業(yè)要求 12 (6) 測試作業(yè)時隔水管要求 13 (7) 隔水管應(yīng)急脫離的回彈 13 3 深水鉆井防噴器 14 (1) 深

2、水防噴器組 14 (2)深水防噴器組配置考慮的因素 14 三、深水鉆井配套裝置及工具 15 1. 深水水下井口的選擇 15 2. 鉆具選擇考慮因素 16 3. 遙控水下機器人（ROV） 16 4. 供應(yīng)船選擇的要求 16 第三節(jié) 深水鉆井設(shè)計 17 一. 深水鉆井設(shè)計的依據(jù) 17 二. 深水鉆井設(shè)計的前期準(zhǔn)備工作 17 三. 深水鉆井的設(shè)計要點 19 1. 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計 19 2. 噴射下導(dǎo)管 20 3. 鉆井液 21 4. 固井 23 5. 測試 24 6. 棄井 25 7. 其它技術(shù)措施 25 第四節(jié) 深水鉆井特殊作業(yè) 28 一. 深水鉆井平臺就位

3、28 1. 動力定位浮式平臺的就位 28 2. 錨鏈定位的預(yù)拋錨作業(yè) 30 二. 深水無隔水管鉆井作業(yè) 32 三. 隔水管安裝作業(yè) 37 1. 隔水管和防噴器組安裝作業(yè)要求 37 2. 隔水管作業(yè)指南編寫要求 37 3. 作業(yè)準(zhǔn)備 38 4. 隔水管安裝作業(yè)程序 38 5. 安裝與起升過程中的加速度控制 39 6. 隔水管懸掛操作程序 39 7. 鉆井作業(yè)期間的隔水管操作 39 四. 深水鉆井井控 40 五. 深水鉆井特殊的應(yīng)急程序 46 1. 隔水管緊急解脫 46 2. 液壓張力器失效 50 3. 浮力損失 50 4. 動力定位鉆井裝置的應(yīng)急處理 50

4、 鉆井手冊 第一節(jié) 定義與特點 一、深水定義 對于鉆井作業(yè)而言,定義水深500m以內(nèi)海域為常規(guī)水深，水深500-1500m海域為深水，水深大于1500m則稱為超深水。 二、深水環(huán)境特點 深水環(huán)境特點包括水深、海底低溫以及風(fēng)浪流等。 (1) 水深 水深增加，需要更長的隔水管和鉆桿，耗費更多的泥漿，更高壓力等級的設(shè)備，隔水管與BOP的重量和尺寸大大增加，所以必須具有足夠的甲板負(fù)荷和甲板空間以便儲存所有的隔水管、鉆桿、套管以及其他散料等，滿足鉆井施工要求，更大的作業(yè)設(shè)備，滿足設(shè)備移運的需要。另一方面，水深增加，加上深水惡劣的作業(yè)環(huán)境，使得起下隔水管、套管和鉆桿會耗費很長時間，鉆

5、井非生產(chǎn)時間增多，對設(shè)備的可靠性要求高，深水鉆井作業(yè)日費高，所以要求必須提高作業(yè)效率，減少非生產(chǎn)鉆井時間，降低鉆井費用。選擇深水鉆井裝置、設(shè)備和技術(shù)時都要進(jìn)行水深校核。 (2) 海底低溫 隨著水深的增加,鉆井環(huán)境的溫度越來越低,給鉆井作業(yè)帶來很多問題。如在低溫下,鉆井液的粘度和切力大幅度上升,會出現(xiàn)顯著的膠凝現(xiàn)象, 而且增加形成天然氣水合物的可能性。在鉆井液設(shè)計和固井水泥漿設(shè)計中都要考慮海水溫度的影響，特別是海底的低溫環(huán)境和海水的冷卻作用。 (3) 風(fēng)、浪、流等 風(fēng)浪流等環(huán)境條件對鉆井裝置的選擇以及鉆井作業(yè)有重要影響，特別是鉆井裝置定位系統(tǒng)以及隔水管等水下系統(tǒng)。選擇深水鉆井裝置、設(shè)備和

6、技術(shù)時都要對風(fēng)、浪、流等進(jìn)行校核。 在開鉆前考慮颶風(fēng)或者熱帶風(fēng)暴等因素的影響，并在設(shè)計階段納入應(yīng)急計劃，對于我國南海而言，特有的內(nèi)波流以及季風(fēng)氣候的影響也須在鉆井設(shè)計中考慮，要選擇合適的作業(yè)環(huán)境窗口或采取特殊的控制措施和應(yīng)急程序。 二、深水地質(zhì)特點 深水地質(zhì)特點包括淺層疏松的地層和不穩(wěn)定的海床、水合物、低的破裂壓力梯度和淺層水流等。 (1) 淺層疏松的地層和不穩(wěn)定的海床 越過大陸架后，水深陡然增加，例如大陸坡區(qū)域，海床的坡度非常大。海床的不穩(wěn)定和大的坡度都促使海底極易形成滑坡和泥石流，滑坡快速沉積形成較厚、松軟、高含水且未膠結(jié)的地層。深水中通常遇到的海底疏松海床給鉆井作業(yè)帶來很大的

7、困難，特別是對深水鉆井導(dǎo)管和水下井口系統(tǒng)的設(shè)計與施工帶來挑戰(zhàn)。 (2) 淺層水流 淺層水流主要是由于地層快速沉積造成的，在河流相沉積的地區(qū)更為普遍。目前已經(jīng)確認(rèn)四種發(fā)生淺水流的機理：①高壓砂體；②誘導(dǎo)儲能，即人為引發(fā)的地層能量的儲集；③誘導(dǎo)裂縫，即人為引起的地層破裂；④通過固井竄槽傳遞的異常壓力。 由于表層鉆進(jìn)使用的鉆井液密度限制，鉆遇高壓水層時，如果不能平衡高壓水層的壓力，就會引發(fā)一系列的鉆井問題，如固井質(zhì)量、表層套管下沉、防噴器下沉、井漏等，甚至井的報廢。在表層鉆井中，淺層水流是最主要淺層地質(zhì)災(zāi)害之一。 對于淺水流的識別與評價主要是利用淺水流砂體的物性和形成特征，鉆前可以對易液化砂

8、體存在性進(jìn)行評估。評估方法包括測井、地質(zhì)模型、反射地震、反演等地球物理方法。 (3) 天然氣水合物 天然氣水合物，又叫可燃冰，是由天然氣中小分子氣體(如甲烷、乙烷等)在一定的溫度、壓力條件下和水作用生成的籠形結(jié)構(gòu)的冰狀晶體。 天然氣水合物在深水鉆井作業(yè)中常常會遇到，而且只要滿足低溫(0～10°)、高壓(＞10MPa)、存在自由水以及氣的條件，就很容易形成。圖7-1-1給出了與溫度梯度有關(guān)的天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)圖示例，該穩(wěn)定區(qū)由假定的水熱梯度、氣與水合物相邊界以及低溫梯度共同確定，在不同的海域天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)會有所不同，主要與水深以及水熱梯度有關(guān)。 圖7-1-1 與溫度梯度及水深有

9、關(guān)的天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)圖 在表層鉆井中，天然氣水合物是最主要淺層地質(zhì)災(zāi)害之一。天然氣水合物的存在將對深水鉆井作業(yè)帶來很大的危害。在鉆遇水合物層時，勢必會造成水合物的分解，水合物的分解會對鉆井安全、井身質(zhì)量、設(shè)備造成嚴(yán)重的危害。其危害主要來源于兩方面：一方面是地層中的水合物；另一方面是鉆井過程中在井筒內(nèi)形成的水合物。 (a) 地層天然氣水合物分解后的氣體進(jìn)入鉆井液后，與鉆井液一起循環(huán)，使得鉆井液密度降低，導(dǎo)致井底靜水壓力降低，加速了水合物的分解，最終導(dǎo)致井徑嚴(yán)重擴大，井噴，井塌，套管變形和海床沉降等事故。 (b) 在深水鉆井中，井筒中也具有氣體重新形成水合物的溫度和壓力條件，鉆井液中的水

10、合物一旦形成則會堵塞鉆井液循環(huán)管路或鉆井系統(tǒng)的其他管路，如堵塞防噴器，導(dǎo)致隔水管下部總成與防噴器脫離困難等，也會導(dǎo)致鉆井液失水，影響其性能。 深水淺地層中的天然氣在不滿足天然氣水合物存在的條件時，也可能以氣體形式存在，若以氣體形式存在時，一旦發(fā)生淺層氣的井噴，氣體以漏斗形狀向上快速膨脹，影響很大，后果比近海淺水區(qū)域更加嚴(yán)重、危害更大。 在預(yù)防方面，還應(yīng)考慮防止天然氣水合物在防噴器組和井筒內(nèi)形成，盡可能使用含鹽度較高的泥漿體系，鹽度保持高于20%，在壓井管線中灌滿乙二醇和泥漿混合液體，停泵后間歇的注入，防止天然氣水合物形成并堵塞防噴器組，如發(fā)現(xiàn)已經(jīng)形成，應(yīng)通過節(jié)流/壓井管線循環(huán)甲醇溶解天然氣

11、水合物，釋放出來的氣體可以壓回地層或者循環(huán)出來。 天然氣水合物可以通過底質(zhì)沉積物取樣、鉆探取樣和深潛考察等方式直接識別，也可以通過擬海底反射層（BSR）、速度和震幅異常結(jié)構(gòu)、地球化學(xué)異常、多波速測深與海底電視攝像等方式間接識別。天然氣水合物存在的主要地震標(biāo)志有擬海底反射層（BSR）、振幅變形（空白反射）、速度倒置、速度-振幅異常結(jié)構(gòu)(VAMP)。大規(guī)模的甲烷水合物聚集可以通過高電阻率（>100歐米）聲波速度、低體積密度等號數(shù)進(jìn)行直接判讀。 (4)地層破裂壓力低 海底的沉積巖層形成時間較短，缺乏足夠的上覆巖層，所以海底地層結(jié)構(gòu)通常是松軟的、未膠結(jié)的。對于相同沉積厚度的地層來說，隨著

12、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，容易發(fā)生井噴、井漏等復(fù)雜情況。 三、深水鉆井特點 深水鉆井特點主要包括深水鉆井裝置以及深水鉆井作業(yè)方式兩方面： (1) 深水鉆井裝置特點 (a) 大型化，甲板可變載荷、平臺主尺度、載重量、物資儲存能力等各項指標(biāo)都向大型發(fā)展，以增大作業(yè)的安全可靠性、全天候的工作能力和長時間的自持能力。 (b) 配套設(shè)備更先進(jìn)，深水關(guān)鍵鉆井設(shè)備向著自動化、信息化，智能化、大功率、高壓力、高效率、更加安全與環(huán)保方向發(fā)展。 (c) 長的隔水管，隨著水深增加，深水鉆井所用隔水管越來越長，越來越重，長的隔水管對深水鉆井帶來

13、以下影響：（a）增加鉆井裝置的負(fù)荷，需要大的甲板空間與可變載荷，同時隔水管作業(yè)的時間與風(fēng)險增加；（b）增加鉆井液的用量；（c）井眼和隔水管清潔困難。 (d) 定位方式，深水鉆井中常采用動力定位鉆井裝置，需要消耗大量的燃油；錨鏈定位鉆井裝置通常采用預(yù)拋錨的形式，定位作業(yè)的成本與費用均大幅增加。 （2）深水鉆井作業(yè)特點 (a) 深水鉆井時，水下設(shè)備的作業(yè)時間比常規(guī)水深長，對應(yīng)急響應(yīng)時間的要求更為苛刻，主要是井控和應(yīng)急撤離。 (b) 深水鉆井裝備的自動化、信息化，智能化帶來了深水鉆井作業(yè)方式的變化，效率更高、更加安全環(huán)保。 例如：深水鉆井常采用雙作用鉆機進(jìn)行交叉作業(yè)，主鉆機在進(jìn)行防噴器/隔

14、水管連接與下入作業(yè)時，輔鉆機可以進(jìn)行另一井口的表層鉆井和下表層套管作業(yè)；可將防噴器在水下直接移到下一井口，采油樹或其它模塊也可以在進(jìn)行鉆井的同時安裝。雙作用鉆機在進(jìn)行單井作業(yè)時，可以并行組裝和拆卸井下組件、鉆具和管子立根，還可以在開鉆表層時下放套管及防噴器等，從而提高作業(yè)效率。 (c) 深水表層導(dǎo)管一般采用噴射鉆井下導(dǎo)管作業(yè)。 (d) 采用低溫早強水泥漿體系。 (e) 采用適應(yīng)海底低溫和井底高溫環(huán)境、能抑制水合物的鉆井液體系。 52 第二節(jié) 深水鉆井裝置 深水鉆井裝置選擇是深水鉆井計劃需完成的首要工作。深水鉆井裝置按照船型分為半潛式鉆井平臺與鉆井船，按照定位方式分為錨泊

15、定位與動力定位。 一、深水鉆井裝置選擇的一般性原則 在鉆井裝置的選擇過程中，主要考慮以下因素： (1) 鉆井作業(yè)環(huán)境 深水鉆井作業(yè)環(huán)境主要考慮氣候條件（如臺風(fēng)）、水文環(huán)境、水深和海床地質(zhì)條件。在選擇鉆井裝置時，需要依據(jù)作業(yè)海區(qū)的海洋環(huán)境條件對鉆井裝置的運動性能、隔水管性能、下防噴器、下套管等作業(yè)過程等進(jìn)行詳細(xì)分析與評價；確認(rèn)鉆井裝置的設(shè)備性能與特點能否滿足地質(zhì)、環(huán)境和氣候條件的安全要求，主要針對所在海域的氣候、環(huán)境情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定最大作業(yè)限制條件及作業(yè)環(huán)境的要求，還必須確保鉆井裝置的生存能力滿足環(huán)境條件要求。 (a) 水深 水深對鉆井裝置選擇的影響很大，主要影響隔水管、定位方式

16、、防噴器及井口等。選擇鉆井裝置時，首先應(yīng)滿足水深的要求。 (b) 強海流 超過1m/s（2 knot）的強海流，將帶來鉆井作業(yè)的困難，也會引起鉆井裝置、隔水管與系泊系統(tǒng)等大的拖曳載荷以及渦激振動。對于高流速的海域，應(yīng)該選擇定位能力更好的鉆井裝置，同時須對張力器的張緊能力進(jìn)行評估。在某些情況下，需在伸縮接頭下部安裝撓性或球形接頭來改善隔水管的應(yīng)力；特殊情況下，需要配備隔水管渦激振動抑制裝置。 (c)大風(fēng)浪與內(nèi)波流區(qū)域 應(yīng)選擇具有防噴器系統(tǒng)自動剪切解脫系統(tǒng)和隔水管抗反沖系統(tǒng)的鉆井裝置。 (d) 海床地質(zhì)條件 遇到不適合拋錨的海底（如海灘巖等），應(yīng)使用動力定位鉆井裝置。 (2) 深水鉆

17、井裝置的船型 在選用鉆井裝置時，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需求和環(huán)境條件，對半潛式鉆井平臺和鉆井船（如圖7-2-1）的性能進(jìn)行綜合比較。一般而言： l 半潛式鉆井平臺穩(wěn)定性好，適合于較惡劣的作業(yè)海況，作業(yè)氣候窗口寬，作業(yè)效率高，但機動性差。 l 鉆井船具有良好機動性，可變載荷大，存儲容量大，較半潛式鉆井平臺易維護(hù)。但惡劣環(huán)境的作業(yè)適應(yīng)性差，作業(yè)氣候窗口窄。 (3) 定位方式 深水鉆井裝置有兩種定位方式，即錨泊定位和動力定位。 (a) 錨泊定位 對于深水鉆井裝置錨泊定位而言，常用的系泊形式為錨鏈?zhǔn)?、鋼纜式、合成纖維纜式或復(fù)合方式。 圖7-2-1 深水鉆井的半潛式鉆井平臺與鉆井船 錨泊定位的主

18、要優(yōu)點是節(jié)省燃油費用和作業(yè)可靠性高，主要缺點為： l 適用水深范圍有限 l 起拋錨的時間長 l 起拋錨船能力要求高 l 可能需要預(yù)拋錨 l 控制漂移距離困難 (b) 動力定位 動力定位系統(tǒng)優(yōu)點： l 水深適應(yīng)性強，對海床條件無要求 l 就位、離位效率高，機動性強 l 無需起拋錨船和拖船，對三用船工作船無特殊要求 動力定位系統(tǒng)的缺點： l 日租金相對高 l 耗油量大，操作成本高 l 不適用于淺水區(qū)作業(yè) l 維修和定期檢驗要求高 l 存在動力與定位系統(tǒng)失效的風(fēng)險 (c) 定位方式選擇 通常,在水深500米以內(nèi)，采用全鋼絲攬或全錨鏈的錨泊鉆井裝置。水深在500

19、～1800米時，可采用錨鏈和鋼絲繩復(fù)合錨泊定位半潛式鉆井平臺或浮式鉆井船；水深在1800米以上時，就需要動力定位，推進(jìn)器協(xié)助錨鏈定位或者是全部動力定位。 一般可以按照圖7-2-2所示選擇定位方式。 圖7-2-2 不同水深定位方式選擇參考 選擇鉆井裝置錨泊定位時應(yīng)考慮以下因素：錨機與卷纜機水深作業(yè)能力、起拋錨船作業(yè)能力、錨抓力、定位要求、錨泊系統(tǒng)的組合方式、后勤支持能力及經(jīng)濟因素等。為保證錨泊系統(tǒng)的安全作業(yè)，錨泊分析計算和設(shè)計必須委托專業(yè)公司根據(jù)最大設(shè)計條件和最大作業(yè)條件進(jìn)行，對不熟悉海域的還需進(jìn)行風(fēng)險分析及制定應(yīng)急程序。 選擇動力定位時需要考慮以下因素：定位能力、電力需求、系統(tǒng)冗余

20、、隔水管的管理、GPS定位、燃料的需求、可維護(hù)性以及應(yīng)急程序等。為了確定一個動力定位系統(tǒng)是否滿足鉆井作業(yè)要求，應(yīng)進(jìn)行定位能力分析。同時對于深水鉆井的每一次定位作業(yè)，均應(yīng)進(jìn)行定位能力分析。 （4）井別 在鉆井裝置的選擇中，需要考慮井別，勘探井還是開發(fā)井，對于勘探井而言，需要鉆井裝置有較好的適應(yīng)性，機動性，可變載荷大和自持能力強，以及在極端條件下的仍然具有安全控制能力。對于開發(fā)井而言，需要高的效率，可采用雙作用鉆機或交叉作業(yè)，對設(shè)備處理和安裝能力要求高，甲板空間大,起重機能力強，同時也要兼顧完井、采油、修井的效率。 (5) 鉆井裝置的限制條件 鉆井裝置的選擇需要把握三個限制條件，即鉆井作業(yè)

21、限制條件、脫離操作限制條件、生存限制條件。 ① 鉆井作業(yè)限制條件 鉆井裝置最大作業(yè)條件是指為能夠進(jìn)行鉆井作業(yè)的最大風(fēng)、浪和流的組合，作業(yè)限制條件決定了什么工況下需要停止操作以避免嚴(yán)重的事故。需要針對具體的鉆井裝置，根據(jù)過去井位所在海域的氣候/環(huán)境情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定最大作業(yè)限制條件及作業(yè)環(huán)境的要求，并評估出預(yù)計停工期。 鉆井裝置的水下設(shè)備操作主要受到水流和水深的限制。在選擇設(shè)備的時候必須考慮設(shè)備使用水深、海洋環(huán)境、甲板空間面積，月池設(shè)施的限制，考察操作水下設(shè)備的能力。 ② 脫離操作限制條件 脫離操作限制條件是指為需要進(jìn)行隔水管脫離的最大風(fēng)、浪和流的組合，脫離操作限制條件決定了什么工況下

22、需要脫離。需要針對具體的鉆井裝置，根據(jù)過去井位所在海域的氣候/環(huán)境情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定脫離操作限制條件及環(huán)境的要求。作業(yè)海域的風(fēng)浪流組合所產(chǎn)生的極端環(huán)境會對鉆井裝置的安全產(chǎn)生危害，因此深水鉆井裝置一般都設(shè)計有惡劣環(huán)境脫離裝置并要求作脫離操作的極限設(shè)計，以確保鉆井裝置設(shè)備安全。 ③ 生存限制條件 生存限制條件是指在極端環(huán)境條件下保證鉆井裝置自存的最大的風(fēng)、浪和流的組合，必須清楚了什么情況下將發(fā)生災(zāi)難性的事故并采取措施進(jìn)行預(yù)防，這需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐暮r條件，對鉆井裝置的穩(wěn)性進(jìn)行分析，確定鉆井裝置生存的限制條件。在選擇鉆井裝置時，必須確定鉆井裝置的生存限制條件，以確保鉆井裝置安全。 (6)

23、鉆井裝置選擇其它需要考慮的因素 歷史記錄，承包商經(jīng)驗與船員的資質(zhì)，檢查維護(hù)和保養(yǎng)，存貨的水平和控制，相關(guān)證書，遵從規(guī)范，升級，平臺和設(shè)備問題，技術(shù)能力，作業(yè)能力，管理能力，健康安全環(huán)保控制，財務(wù)狀況等。 二、主要鉆井設(shè)備選擇原則 在選擇鉆井平臺進(jìn)行鉆井時，對于一些關(guān)鍵的設(shè)備要進(jìn)行重點評估，必要的時候要進(jìn)行計算分析，如鉆機大鉤載荷、電力負(fù)荷、可變載荷、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、隔水管系統(tǒng)、井控系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等。下面就主要鉆井設(shè)備選擇的原則進(jìn)行說明。 1. 深水鉆機系統(tǒng)選擇 進(jìn)行鉆機配置時必須注意以下幾點：最大鉤載的限制；頂驅(qū)最大連續(xù)輸出扭矩的限制；鉆井液泵壓力、功率的限制；轉(zhuǎn)盤靜載荷能力和開口直

24、徑的限制；鉆井液池容積的限制；散裝灰罐系統(tǒng)的限制；防噴器參數(shù)的限制等。 (1) 最大鉤載的限制 深水鉆機最大鉤載與水深、井深、井眼軌跡、鉆具重量、套管柱重量、水下器具重量、鉆井裝置的運動性能等有關(guān)；確定深水鉆機大鉤載荷承受的載荷時需要考慮以下工況：（a）下隔水管/防噴器、（b）下套管、（c）起下鉆桿，在這些工況中，需要考慮三類載荷，即靜載荷、鉆井平臺升沉運動引起的動態(tài)載荷以及作業(yè)動載荷。 (2) 鉆井液泵壓力、功率 深水鉆機鉆井液泵主要根據(jù)鉆井過程中最大泵壓、最大功率進(jìn)行配置。由于處理淺層地質(zhì)危害（如淺層水、氣）、噴射鉆井、以及井下動力鉆具的需要，一般深水鉆機鉆井液泵的功率和壓力都要求

25、比較大。同時深水鉆機須配備隔水管鉆井液增壓泵。 (3) 轉(zhuǎn)盤靜載荷和開口直徑 轉(zhuǎn)盤開口直徑和靜載荷是轉(zhuǎn)盤的主要參數(shù)。轉(zhuǎn)盤靜載荷必須能夠滿足懸掛所有鉆柱、套管柱的重量（含動載荷）。深水鉆井用的轉(zhuǎn)盤，必須能夠順利通過作業(yè)所用的隔水管（包括外側(cè)包裹的浮力塊）和鉆井工具。 (4) 鉆井液池容積 進(jìn)行鉆機選擇配置時，要根據(jù)隔水管容量、井身結(jié)構(gòu)等確定不同井段內(nèi)的鉆井液用量以及總鉆井液用量，同時考慮緊急情況的安全余量，如淺層壓井鉆井液、隔水管緊急脫開損失鉆井液等。 (5) 鉆柱升沉運動補償 圖7-2-3 隔水管串組成 鉆柱補償裝置的補償行程、最大靜載荷等須滿足深水環(huán)境下的使用要求，最大靜載荷

26、要求很高，例如HY981深水鉆機的補償行程為7.62m（25ft），最大靜載荷為453t(500s.t)。鉆柱升沉運動補償裝置分為主動型（包括絞車主動補償與天車主動補償）和被動型，第5、6代深水鉆機多采用主動補償裝置。 2 深水鉆井隔水管選擇與設(shè)計 深水隔水管需要承受大的張緊力和具有抵抗環(huán)境載荷的能力。隔水管的重量和甲板存儲要求在深水鉆井裝置選擇時應(yīng)予以考慮。隔水管系統(tǒng)和防噴器系統(tǒng)安裝效率也須考慮。深水鉆井中遇到的一個主要問題是由于波浪和流等環(huán)境載荷引起隔水管的運動，應(yīng)在早期結(jié)合鉆井設(shè)計進(jìn)行研究，進(jìn)行隔水管的作業(yè)設(shè)計。 (1) 深水鉆井隔水管部件的選擇 （a）水下填充閥 深水鉆井隔

27、水管須配備水下填充閥，防止可能產(chǎn)生隔水管的擠毀。往往在水下457.2m(1500ft)左右位置配置填充閥。一旦壓力差達(dá)到了預(yù)定值，閥門自動打開，允許海水進(jìn)入填充隔水管。除了自動操作之外，作業(yè)人員也可以在水面使用液壓控制面板遙控操作填充閥。 （b） 浮力塊 通常深水鉆井隔水管均用浮力塊控制隔水管柱浮重。浮力塊的長度一般為4.572m(15ft)長，浮力塊提供的凈浮力可將隔水管單根的浮重相對于空氣中重量減小90%-95%。 （c）隔水管張緊系統(tǒng) 在選擇深水鉆機時，需要根據(jù)隔水管所需的張緊力來校核隔水管張緊系統(tǒng)的能力，隔水管所需的最小張緊力計算是以隔水管柱（包括隔水管內(nèi)的鉆井液）在水中的重量

28、為計算依據(jù)的。張力器的行程應(yīng)該在15.24m(50ft)以上。張力器組是成對配置，并且相對于井口對稱布置。 (d) 隔水管接頭 接頭依據(jù)以下內(nèi)容選擇：接頭強度、支承環(huán)的負(fù)荷等級、抗疲勞性、可靠性、連接速度、接成預(yù)壓載荷、維護(hù)要求、主管尺寸、強度/重量比。深水鉆井應(yīng)盡可能的選擇快速接頭，以提高作業(yè)時效。 API RP 2R 基于接頭承受張力的能力確定隔水管連接接頭級別，一般采E級，對應(yīng)的能承受張力為906噸（2百萬磅）。隔水管接頭級別與張力如下表7-2-1所示。 表7-2-1 隔水管接頭級別與張力 API 隔水管接頭級別 接頭能承受的張力(噸) A級 226.5 ( 0.5百萬

29、磅) B級 453 ( 1百萬磅) C級 566.25 ( 1.25百萬磅) D級 679.5 ( 1.5百萬磅) E級 906 ( 2百萬磅) F級 1132.5 ( 2.5百萬磅) G級 1359 ( 3百萬磅) H級 1585.5 ( 3.5百萬磅) 目前在深水鉆井船上應(yīng)用比較廣泛的是MR-6E隔水管接頭，其規(guī)格列在下表7-2-2中。 表7-2-2 MR-6E 隔水管接頭規(guī)格 0.127m(5")節(jié)流和壓井管線，0.1143m(4-1/2")增壓管線以及0.0730m(2-7/8")液壓管線 外徑 1.044575m(41.125") 內(nèi)徑(2

30、) 0.50165m (19.75") 長度 0.587375m(23.125") 重量(1) 1137.03kg( 2,510 lbs) 調(diào)節(jié)螺桿數(shù)量 6 上扣扭矩 1285.472664 N.m (950 ft. -lbs) 說明: (1)該重量包含附屬管線的重量 (2)該內(nèi)徑以主管壁厚0.015875m( 0.625英寸)為準(zhǔn)得出 （2） 隔水管選擇的其他要求 l 隔水管單根長度選擇應(yīng)盡量選擇長的隔水管，通常選擇22.86m（75ft）以上。 l 隔水管應(yīng)該具有緊急斷開功能，應(yīng)配備LMRP自動脫離裝置和抗反沖系統(tǒng)。 l 應(yīng)使用半自動化或自動化

31、進(jìn)行隔水管的存儲、裝卸以及壓力測試。 l 應(yīng)于伸縮接頭下安裝環(huán)空關(guān)斷設(shè)備以控制發(fā)生氣體浸入時隔水管內(nèi)壓。 l 最好配備有監(jiān)測隔水管的張力、轉(zhuǎn)角、隔水管底部張力及海流剖面等關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測的監(jiān)測系統(tǒng)，推薦選擇具有隔水管管理系統(tǒng)的隔水管。 (3) 隔水管串配置要求 深水與淺水鉆井作業(yè)本質(zhì)的區(qū)別在于深水工作載荷與設(shè)備能力極限之間的余量小。隔水管配置的主要內(nèi)容及其相關(guān)內(nèi)容包括： 1）導(dǎo)管設(shè)計：確定導(dǎo)管壁厚、直徑以及下入深度等； 2）隔水管串使用設(shè)計：評價已有隔水管的適應(yīng)性及確定相關(guān)的配置，如隔水管的強度與張緊系統(tǒng)的張力是否能滿足要求，需要配置多少浮力塊，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行隔水管疲勞壽命預(yù)測、優(yōu)化鉆

32、井作業(yè)窗口、確定檢測及作業(yè)監(jiān)測方案； 3）安裝過程設(shè)計：進(jìn)行隔水管、導(dǎo)管及套管等安裝過程的分析，確定最佳的安裝作業(yè)窗口及安裝管串配置。 根據(jù)具體情況通常會進(jìn)行以下分析計算： l 隔水管頂部張力校核與浮力單根的配置 l 隔水管、導(dǎo)管渦激振動響應(yīng)分析 l 鉆井作業(yè)限制條件分析 l 水下系統(tǒng)作業(yè)限制條件分析 l 井口與導(dǎo)管強度分析 為了進(jìn)行以上計算，對鉆井工程師而言，需要提供以下數(shù)據(jù)： l 海洋環(huán)境數(shù)據(jù) l 土壤強度數(shù)據(jù) l 鉆井裝置以及隔水管數(shù)據(jù) (4) 隔水管初步配置分析 在進(jìn)行詳細(xì)隔水管分析之前，必須進(jìn)行隔水管初步配置的計算，以便確定基本的部件設(shè)計要求以及初步的隔水管

33、配置，主要需要進(jìn)行以下工作： 1） 隔水管的抗擠強度校核 深水鉆井作業(yè)前隔水管的強度校核很重要，應(yīng)特別關(guān)注抗外擠問題。通常校核計算可參照規(guī)范API-RP-2RD進(jìn)行。影響隔水管抗擠能力的主要因素為：壁厚、橢圓度、制造公差以及與腐蝕及磨損等缺陷，在進(jìn)行靜水抗擠壓力校核時需考慮腐蝕與磨損，同時要制定相應(yīng)的檢測程序。 2） 浮力塊配置的要求 浮力塊的配置方案有兩種：一種是配置不同水深等級的浮力塊，不同的水深采用不同水深等級的浮力塊，在使用之前，要確認(rèn)每個浮力塊的水深等級，第二種是配置同一種水深等級的浮力塊(按照最深的水深等級配置)，這種配置的優(yōu)勢在于可以根據(jù)需要將隔水管單根輪換使用，以提高隔

34、水管的使用壽命。另外需要考慮由于水浸引起的浮力減少(由于水浸浮力塊的浮力減少3%)。 當(dāng)隔水管處于懸掛狀態(tài)時，配備的浮力塊應(yīng)使隔水管柱不出現(xiàn)受壓狀態(tài)。浮力系數(shù)的選擇是管柱設(shè)計的關(guān)鍵，浮力系數(shù)要盡可能的大，以減少隔水管頂部張力，一般是90%~100%。確定浮力系數(shù)后，則可根據(jù)每個單根需要的浮力確定浮力塊的直徑。浮力塊的直徑一般要比轉(zhuǎn)盤開口直徑小25.4mm-50.8mm(1-2英寸)。 3） 使用浮力隔水管的注意事項 l 設(shè)計時，避免放置在高流速區(qū)、靠近水面附近，以減小隔水管的橫向載荷，從而減少隔水管的彎曲。 l 為減少防噴器系統(tǒng)入水及穿越波浪區(qū)的難度及便于隔水管與防噴器系統(tǒng)的安裝，應(yīng)考

35、慮在隔水管下部與防噴器系統(tǒng)連接之間配置不帶浮力塊的短節(jié)及隔水管。 l 隔水管的設(shè)計或任何作業(yè)時，應(yīng)盡可能避免浮力隔水管所處的位置處于波浪作用區(qū)，有助于減小隔水管的橫向載荷。 l 浮力隔水管與普通隔水管交錯布置有利于減少隔水管的渦激振動。 4）隔水管張力分析 隔水管的張力是隔水管選型和作業(yè)設(shè)計的主要參數(shù)之一，隔水管系統(tǒng)的張力分析是隔水管柱設(shè)計分析和計算的基礎(chǔ)。 作業(yè)前，應(yīng)根據(jù)鉆井液的最大設(shè)計密度進(jìn)行隔水管張力分析，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行具體的隔水管柱設(shè)計及校核。若發(fā)現(xiàn)分析結(jié)果達(dá)不到要求，需要對隔水管柱進(jìn)行重新設(shè)計或升級張力器系統(tǒng)。 (5) 隔水管系統(tǒng)正常作業(yè)要求 1） 頂部張力的要求 頂

36、部張力要滿足鉆井工況上下柔性接頭轉(zhuǎn)角的要求，理想情況下，應(yīng)該提供足夠的張力來保持柔性接頭的轉(zhuǎn)角在規(guī)定的范圍內(nèi)。鉆井工況接頭轉(zhuǎn)角要求如下： l 上部柔性接頭轉(zhuǎn)角< 2度； l 下部柔性接頭轉(zhuǎn)角< 2度。 注：上述角度為基于靜態(tài)分析的平均角度極限。 3）鉆井裝置的允許位移（offset）要求 鉆井的允許位移要求是錨鏈及定位系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，定位系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足所作業(yè)海區(qū)的允許作業(yè)的海流流速剖面極限、允許作業(yè)的特定環(huán)境下與海流匹配的相應(yīng)波高極限和允許作業(yè)的與海流方向一致鉆井裝置位移極限，同時應(yīng)考慮0.5度的柔性接頭角度余量。 4） 作業(yè)窗口確定準(zhǔn)則 ① 隔水管作業(yè)工況的限制條件如下：

37、l 柔性接頭轉(zhuǎn)角平均±2o，最大±4o； l 隔水管與導(dǎo)管的等效應(yīng)力< 0.67屈服應(yīng)力； l 接頭的能力滿足要求(如隔水管下部連接總成、井口連接器等)； l 不出現(xiàn)與鉆井平臺月池碰撞； l 沖程–不超過伸縮節(jié)與張力器極限。 ② 停止鉆進(jìn)的限制條件如下： l 柔性接頭的轉(zhuǎn)角不超過柔性接頭本身允許的最大轉(zhuǎn)角的90%； l 隔水管與導(dǎo)管的等效應(yīng)力< 0.8 屈服應(yīng)力； l 接頭的能力滿足要求(如隔水管下部連接總成、井口連接器等)； l 不出現(xiàn)與鉆井平臺碰撞； l 沖程– 不超過伸縮節(jié)與張力器極限。 ③ 生存工況的限制條件如下： l 柔性接頭的轉(zhuǎn)角不超過柔性接頭本身允許的最

38、大轉(zhuǎn)角的90%； l 隔水管與導(dǎo)管的等效應(yīng)力< 1.0屈服應(yīng)力； l 接頭的能力滿足要求(如隔水管下部連接總成、井口連接器等)； l 不出現(xiàn)與鉆井平臺碰撞 l 沖程– 不超過伸縮節(jié)與張力器極限 (6) 測試作業(yè)時隔水管要求 在測試過程中，柔性接頭轉(zhuǎn)角的限制比鉆井時更為嚴(yán)格，測試作業(yè)的限制條件應(yīng)考慮以下幾個關(guān)鍵階段： l 安裝 – 油管懸掛器與海底測試樹過分流器與上部柔性接頭或球接頭; l 安裝 – 坐掛油管懸掛器； l 回收 – 解鎖油管懸掛器與測試樹下入工具； l 回收–下放工具從分流器中撤離； l 油管懸掛器與測試樹的緊急脫離； 測試作業(yè)的限制條件每一口井都不一樣

39、，取決于鉆井隔水管的直徑，完井/測試設(shè)備的尺寸，需要進(jìn)行具體分析；由測試的限制條件，通過分析計算可得到測試作業(yè)的作業(yè)窗口。 (7) 隔水管應(yīng)急脫離的回彈 隔水管應(yīng)急脫離是深水鉆井的一種安全保護(hù)措施，但它會引起隔水管柱的回彈，水越深回彈越嚴(yán)重，同時對平臺和設(shè)備的危害越大，例如：平臺與隔水管相撞損傷、防噴器與LMRP相撞損傷、隔水管損傷甚至斷裂，是深水鉆井重點關(guān)注的問題之一。 要對應(yīng)急脫離過程進(jìn)行有效的控制必須對隔水管回彈的影響因素進(jìn)行分析，從而確定控制條件：即回彈閥閥口的開度和隔離閥關(guān)閉的數(shù)量。防止回彈應(yīng)考慮的關(guān)鍵影響因素有： 1) 隔水管及下部總成：一方面水深增加，隔水管頂部張

40、力越大，隔水管回彈越嚴(yán)重，但不同配置隔水管的回彈效應(yīng)會有很大的差別。另一方面隔水管脫離后，隔水管及下部總成與海水相互作用產(chǎn)生粘性摩擦阻力減弱隔水管回彈運動。 2) 隔水管內(nèi)鉆井液；隔水管脫離后，隔水管內(nèi)的鉆井液與與隔水管內(nèi)壁間將產(chǎn)生摩擦阻力作用減弱隔水管回彈運動。 3) 海況；鉆井裝置的升沉運動會顯著影響隔水管的回彈運動，如果升沉幅度過大，LMRP可能會與井口防噴器相撞。 4) 張力器；控制隔水管在緊急脫離條件下的運動，必須通過張力器來實現(xiàn)。張力器液壓缸的大小、AVP（空氣瓶）的數(shù)量和體積、蓄能器工況等都需要仔細(xì)考慮。 3 深水鉆井防噴器 (1) 深水防噴器組 與淺水防噴器組相比，

41、深水防噴器組具有以下特點： l 須考慮外部靜水壓力的影響； l 達(dá)到一定水深以后，須考慮氣體水合物防范； l 深水對防噴器可靠性提出了更高的要求； l 對防噴器控制系統(tǒng)的工作能力和響應(yīng)時間提出了更高的要求； l 要求使用的液壓控制液為無腐蝕性、無污染環(huán)保流體；同時為保證液壓控制系統(tǒng)有足夠快的響應(yīng)時間，這種工作液粘度應(yīng)該盡量低并具備很好的潤滑性，還要能和海水很好的混合而不影響性能； l 深水井中通常使用塔式鉆具，管子閘板的尺寸由鉆具來決定； l 如果采用液控系統(tǒng)，防噴器組控制管線通過卡箍卡在鉆井隔水管上，隨隔水管一同下入，水深超過1500米則必須采用電控系統(tǒng)，此時控制管線通過隔水管

42、外輔助管線中的控制管線，在LMRP底部與防噴器連接。 (2)深水防噴器組配置考慮的因素 (a) 防噴器壓力等級的選擇 防噴器壓力等級的選擇主要根據(jù)地層壓力的情況，通常選用69Mpa(10000psi)或者更高的103.4Mpa(15000psi)壓力等級。 在深水鉆井作業(yè)進(jìn)行防噴器試壓時要格外注意防噴器的壓力等級及所用的鉆井液比重，也要考慮鉆井液液柱與海水梯度產(chǎn)生的壓差，隨著水深的增加，更應(yīng)當(dāng)引起重視。 （b）防噴器組控制系統(tǒng)的選擇 用于深水鉆井防噴器組的控制系統(tǒng)一般有兩種，一種是液壓控制系統(tǒng)，另一種是電液控系統(tǒng)，在大多數(shù)的深水鉆井作業(yè)中，尤其是在超深水鉆井作業(yè)時，更多的選用電液體

43、控系統(tǒng)。鉆井裝置的定位方式、水深、海況以及井控要求等會影響控制系統(tǒng)的選擇，其中應(yīng)特別關(guān)注控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間。通常深水鉆井時，從安全角度出發(fā)，水下防噴器控制系統(tǒng)都有一個備用系統(tǒng)。 API RP 16E中規(guī)定，水下防噴器組控制系統(tǒng)應(yīng)在45秒或者更短的時間內(nèi)關(guān)閉任何一個閘板防噴器，萬能防噴器組關(guān)閉的響應(yīng)時間不能超過60秒，節(jié)流/壓井閥開啟或關(guān)閉的響應(yīng)時間不能夠超過閘板防噴器關(guān)閉的最小響應(yīng)時間，解脫底部隔水管總成的時間不應(yīng)超過45秒。 水深大于1500m時，控制系統(tǒng)的工作壓力通常大于34.5Mpa(5000psi)，由于水下氣瓶需要在地面進(jìn)行預(yù)充氣，因此氣瓶的工作壓力可能很大，在起防噴器到水面上之

44、前，必須將儲能器的壓力放空。 （c）閘板的放置順序 出于井控以及鉆桿懸掛和剪切的靈活性，IADC推薦將盲板放在防噴器閘板組的最上部。在每個密封的閘板下部以及上萬能的下部都有一個接口，用來監(jiān)測壓井管線的壓力。 （d）防噴器壓力監(jiān)測裝置 深水防噴器組應(yīng)考慮安裝壓力監(jiān)測裝置，低壓的壓力監(jiān)測裝置安裝在上萬能的頂部，可以顯示隔水管中巖屑的堆積情況，以及在關(guān)井時顯示是否氣體在環(huán)空中上升。相對防噴器組的工作壓力而言的高壓監(jiān)測裝置安裝在節(jié)流管線上用來檢測最底部閘板下部的壓力。 深水條件下推薦使用可以直接讀取壓力和溫度數(shù)據(jù)的防噴器組，防噴器組上的參數(shù)測量裝置可以準(zhǔn)確顯示防噴器組狀態(tài)并及時消除由于低溫高

45、壓下流體壓力下降引起的問題。 三、深水鉆井配套裝置及工具 1. 深水水下井口的選擇 在設(shè)計的前期，需要對海況條件下井口可能受到的鉆井隔水管、防噴器組上部重量以及可能的軸向力和彎矩進(jìn)行分析，尤其應(yīng)關(guān)注采用動力定位、鉆井船偏離井口或者緊急情況下進(jìn)行緊急解脫等狀態(tài)。深水水下井口的選擇主要考慮套管層次，套管尺寸和連接方式，抗彎曲能力，壓力級別，可懸掛的最大套管重量。同時還應(yīng)考慮操作效率與安全可靠性問題。 選用的井口頭壓力級別與防噴器一致，通常為69Mpa(10000psi)或者103.4Mpa(15000psi)，特殊情況下為138Mpa(20000psi)，抗彎曲能力在2.71-9.48 M

46、M Nm (2MM-7MM ft?lbs)，井口頭的抗彎能力由防噴器連接器的高壓井口頭的強度決定，典型的高壓井口頭的外徑大約是0.6858m(27inch)。 井口連接器的抗彎強度取決于其承受的軸向載荷和內(nèi)壓，大多數(shù)的井口連接器的抗彎強度在4.06-5.42 MM Nm (3MM-74MM ft?lbs)，也有一些特殊設(shè)計的井口連接器可承受9.48 MM Nm(7MM ft-lbs)彎曲力。 2. 鉆具選擇考慮因素 隨著水深的增加，大內(nèi)徑隔水管的長度就會增加，鉆柱在隔水管內(nèi)的受力狀況更復(fù)雜，對鉆柱的抗壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)和擠毀的能力要求更高。同時由于地層壓力窗口窄，循環(huán)壓耗控制要求高，必須

47、進(jìn)行與循環(huán)壓耗有關(guān)的水力學(xué)設(shè)計，并根據(jù)結(jié)果選擇鉆具，以使所選擇的鉆具組合既滿足井眼清潔的需要，又能滿足循環(huán)壓耗控制的要求，同時保障井眼穩(wěn)定，確保鉆進(jìn)安全。 通常應(yīng)選擇高強度、大內(nèi)徑的鉆具，如鉆桿可選用6-5/8"、5-7/8"、5-1/2"等或復(fù)合使用。鉆柱強度校核參考標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 6427-1999：鉆柱設(shè)計和操作限度的推薦作法》執(zhí)行。 3. 遙控水下機器人（ROV） 在深水鉆井期間，遙控水下機器人（ROV）是必須的輔助設(shè)備，對ROV的選擇主要考慮水深、水文情況（能見度、溫度）、海流、波浪及水下作業(yè)的極端要求等。 4. 供應(yīng)船選擇的要求 供應(yīng)船選擇時必須滿足作業(yè)海區(qū)海況條件的安全

48、及作業(yè)功能、能力要求，具有為鉆井平臺起拋錨及拖航的足夠動力，符合鉆完井作業(yè)中消防及救生的要求，具有緊急情況處理的能力。 第三節(jié) 深水鉆井設(shè)計 深水鉆井設(shè)計所遵循的基本原則，編制的程序和設(shè)計的主要內(nèi)容可參照本手冊第一章。在進(jìn)行深水鉆井設(shè)計時，應(yīng)特別考慮深水鉆井作業(yè)的特點和難點。 一. 深水鉆井設(shè)計的依據(jù) 1. 地質(zhì)設(shè)計 地質(zhì)設(shè)計是鉆井設(shè)計最主要的依據(jù)。為準(zhǔn)備充分，應(yīng)在作業(yè)前12個月提供地質(zhì)設(shè)計。在地質(zhì)設(shè)計中盡可能提供鉆井所需的地質(zhì)信息，包括地質(zhì)目的、地層描述、分層深度、地溫梯度、地層孔隙壓力/破裂壓力/上覆巖層壓力、工程地質(zhì)風(fēng)險提示以及地質(zhì)評價要求等。 2. 海洋環(huán)境資料 設(shè)計

49、前期要考慮與深水鉆井作業(yè)相關(guān)的海洋環(huán)境因素，這些因素包括：水深、海水溫度、氣象、海況（風(fēng)、浪、流）、自然災(zāi)害、生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)保要求等，還要考慮井場附近的海上設(shè)施、海管、海底電纜等。 3. 鄰井資料 區(qū)塊相關(guān)的鄰井資料也是設(shè)計的主要依據(jù)之一，包括鄰井的鉆井設(shè)計、地質(zhì)設(shè)計、鉆井報告、地質(zhì)報告、鉆井日報、鉆井液日報、電測資料、測試資料等。 4．淺層鉆井地質(zhì)災(zāi)害資料 作業(yè)區(qū)域的淺層氣、淺層流、水合物、海底河道、斷層、泥火山等資料也是進(jìn)行鉆井設(shè)計的主要依據(jù)。作業(yè)前必須對淺層的這些鉆井地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行充分的研究和風(fēng)險評估，要根據(jù)淺層的地質(zhì)災(zāi)害信息設(shè)計井場調(diào)查方案。 二. 深水鉆井設(shè)計的前期準(zhǔn)備工作

50、（1）鄰井資料研究 對鄰井資料的研究應(yīng)更關(guān)注與溫度、海床、水深環(huán)境、淺層地質(zhì)災(zāi)害等特點的分析和研究，其它的鉆井風(fēng)險評估與正常的鉆前設(shè)計準(zhǔn)備類同。 （2）淺層地質(zhì)災(zāi)害分析 淺層鉆井地質(zhì)災(zāi)害評估和研究是進(jìn)行深水鉆井設(shè)計之前必須進(jìn)行的工作，是進(jìn)行深水鉆井設(shè)計的基礎(chǔ)。淺層地質(zhì)災(zāi)害的評估工作應(yīng)考慮鄰井資料的分析、淺層地震資料的特殊處理和海底調(diào)查的結(jié)果等。 （3）井場海底調(diào)查和海洋環(huán)境調(diào)查 確定井位后，需要盡快對海底狀況進(jìn)行勘察、評價。對于深水井而言，要重點關(guān)注淺層地質(zhì)災(zāi)害，通常還需要進(jìn)行海底取樣，供系泊系統(tǒng)設(shè)計和導(dǎo)管設(shè)計使用。海洋環(huán)境調(diào)查可根據(jù)作業(yè)和鉆井裝置的具體需求進(jìn)行，包括海流調(diào)查和環(huán)保評

51、估等。 與淺水地質(zhì)調(diào)查相比，水深的影響主要在于兩個方面：水深直接影響采用的鉆井裝置類型，鉆井平臺的不同類型決定井場調(diào)查的類型和目的，另一方面水深決定了部分調(diào)查工具的分辨率和調(diào)查的方式。 常規(guī)淺水區(qū)的井場調(diào)查采用拖帶和船載的方式，但這兩種方式在深水區(qū)都存在一定的缺點。船載的設(shè)備由于長的傳輸距離，信號丟失較多，虛假信息較多，解釋結(jié)果不可靠。拖帶設(shè)備的拖深控制和定位在深水中存在較多的問題，精度受影響。目前深水常用AUV（Autonomous Underwater Vehicle）作為調(diào)查工具的載體。 井場調(diào)查設(shè)計的主要決定因素是海底和淺層地下差異的復(fù)雜性。在一些地區(qū)，兩個正交地震測線已經(jīng)足夠確

52、定危害的風(fēng)險。在別的區(qū)域，特別是淺層水，調(diào)查要求更加苛刻。每個井場的特殊要求還取決于對該井場已有的認(rèn)識深度。 對于錨泊定位的浮式鉆井裝置主要考慮的是拋錨的位置，海底生物群和淺層鉆井危害。危害評價覆蓋的海底區(qū)域要保證能夠進(jìn)行拋錨情況的評價。海底地質(zhì)災(zāi)害評價應(yīng)該集中于最大可能的錨鏈半徑區(qū)域內(nèi)。應(yīng)該特別關(guān)注錨和懸鏈的觸底部位，在這些位置，錨鏈和/或鋼絲繩會受到海底狀況的影響，需要描述拋錨點淺層土壤的自然狀況。 對于動力定位鉆井平臺主要考慮淺層鉆井危害，海底穩(wěn)定性和生物群。動力定位鉆井平臺的地質(zhì)危害評價集中在上部井眼。淺層氣是主要考慮對象。淺層流砂是第二位的考慮對象，因為它不是直接的安全風(fēng)險，但卻

53、會給作業(yè)帶來困難和損失，所以要對其進(jìn)行描述和評價。對于不穩(wěn)定跡象和敏感生物群的注意力要放在井場周圍區(qū)域（1000m內(nèi)）。 （4）地層孔隙壓力、破裂壓力和坍塌壓力的預(yù)測 由于破裂壓力和孔隙壓力之間的窗口比較窄，深水井發(fā)生井漏和溢流的幾率比較高，對循環(huán)當(dāng)量鉆井液密度（ECD）的管理非常嚴(yán)格。為了在設(shè)計階段和作業(yè)過程中進(jìn)行有效的壓力管理，需要對三個壓力進(jìn)行認(rèn)真研究，以獲得盡可能準(zhǔn)確的預(yù)測資料，用于井身結(jié)構(gòu)和鉆井液設(shè)計，特別是上部井段破裂壓力和地層孔隙壓力預(yù)測的準(zhǔn)確性對淺層鉆井極為重要。 （5）井壁穩(wěn)定性研究 深水井中如發(fā)生井壁穩(wěn)定方面問題，由于處理的空間有限，處理的難度會非常大，容易導(dǎo)致其它

54、復(fù)雜情況，所以必須進(jìn)行井壁穩(wěn)定性研究。井壁穩(wěn)定性研究是進(jìn)行鉆井液設(shè)計的基礎(chǔ)，也是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮的問題。要對所鉆的地層進(jìn)行研究和分析，識別地層的特性以及是否存在淺水流、易垮塌層、鹽巖層、易水化層等，通過套管設(shè)計和鉆井液設(shè)計解決潛在的井壁穩(wěn)定性問題。 （6）地層可鉆性分析 深水井的地層可鉆性分析包括導(dǎo)管噴射深度的研究分析、淺層地質(zhì)災(zāi)害的穿越分析和深部地層的可鉆性分析。在進(jìn)行鉆井設(shè)計之前，要根據(jù)鄰井的資料和其它相關(guān)信息進(jìn)行地層可鉆性分析，用于井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、鉆頭選型和水力參數(shù)設(shè)計，這對降低作業(yè)風(fēng)險、提高機械鉆速、減少起下鉆的次數(shù)、提高深水鉆井的效率至關(guān)重要。 三. 深水鉆井的設(shè)計要點 1.

55、 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計 深水井身結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循常規(guī)的路線，探井采用自上而下的設(shè)計，而生產(chǎn)井采用自下而上的設(shè)計。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)充分考慮地層壓力窗口和潛在的鉆井地質(zhì)風(fēng)險，如淺層流和淺層氣問題，制定相應(yīng)的應(yīng)急措施和備用套管。 導(dǎo)管和套管的設(shè)計原則： 導(dǎo)管：通過海底土壤的有效重度和不排水剪切強度進(jìn)行軸向承載力計算，同時進(jìn)行導(dǎo)管應(yīng)力分析，根據(jù)軸向承載力和抗彎的要求選擇導(dǎo)管的壁厚、尺寸和下深。導(dǎo)管的承載能力計算要考慮隔水管、防噴器組和井口頭在作業(yè)期間施加的所有載荷，對于生產(chǎn)平臺水下完井還需考慮采油樹載荷。通常使用的導(dǎo)管為762mm（30”）或914.4mm（36”），一般入泥60-80m，井口頭頂部一般高出泥

56、面3.0-4.5m。 表層套管： l 提供足夠的軸向承載能力，確保井口的穩(wěn)定； l 套管鞋處的破裂壓力要滿足下個井段的鉆井要求； l 通常采用508mm（20”）套管，下深在泥線以下250-500m；如果存在淺層水流和淺氣層，該層套管一般下在這些層頂部； l 由于套管柱下入時完全暴露于海水中，需要充分考慮套管柱承受的環(huán)境載荷，防止套管倒扣和彎曲損壞。 技術(shù)套管： l 套管鞋處的破裂壓力要滿足下個井段的鉆井及井控要求，下深取決于地層情況和破裂壓力梯度； l 如果存在復(fù)雜的淺層地質(zhì)災(zāi)害，通常采用懸掛406.4mm（16”）或457.2mm（18”）尾管封固； l 通常采用339.

57、7mm（13-3/8”）、244.5mm（9-5/8”）套管等； l 至少備用一層套管，以保證井眼能夠鉆到設(shè)計的深度。 進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須和深水水下井口系統(tǒng)一起考慮，深水水下井口系統(tǒng)設(shè)計和選擇的關(guān)注點在于井口的工作壓力、套管層次、軸向的承載能力、抗彎能力、可靠性和針對淺層地質(zhì)災(zāi)害的特殊設(shè)計。 墨西哥灣常用的井身結(jié)構(gòu)如下： 圖7-3-1 墨西哥灣常用井身結(jié)構(gòu) 2. 噴射下導(dǎo)管 由于作業(yè)效率要求高、對井口困難、表層固井挑戰(zhàn)大等，深水通常采用噴射法（Jetting In）下導(dǎo)管，在工藝上和常規(guī)下入方法有很大不同。 噴射下導(dǎo)管常用的管內(nèi)鉆具組合包括：鉆頭、馬達(dá)、扶正器、鉆鋌、井口

58、送入工具組合和其他部件。鉆具下到底部開口的導(dǎo)管柱內(nèi)部，通過井口送入工具相連，下到泥線后，導(dǎo)管通過其自重穿透軟的泥線地層，馬達(dá)提供液力沖刷和鉆頭旋轉(zhuǎn)形成井眼。這種邊噴射邊下入導(dǎo)管的方法被稱作“噴射法下導(dǎo)管”。 導(dǎo)管噴射到位后不需要固井，通過導(dǎo)管外壁和地層土壤之間的粘切力提供軸向的支撐力。 （1）導(dǎo)管設(shè)計考慮因素 l 導(dǎo)管承載能力的計算 導(dǎo)管的承載能力取決與末端承載能力和沿管長度分布的切向摩阻，切向摩阻通常指的是表皮摩阻，由于結(jié)構(gòu)套管是中空管，管壁通常由于沖刷而沒有支撐；末端承載能力通常忽略或者假定為零。 最大的表皮摩阻等于臨近土壤的剪切強度。用于決定噴射管的表皮摩阻的關(guān)鍵參數(shù)包括：不受干

59、擾的土壤強度，受干擾的土壤強度，受干擾的土壤剪切強度隨著時間的改變等。 不受干擾的土壤剪切強度可以通過土壤取芯來獲得。一種替代的做法時使用區(qū)域的土壤平均剪切強度數(shù)值（某些盆地或者附近區(qū)塊的土壤取芯數(shù)據(jù)）。工程師在使用非現(xiàn)場非擾動土壤剪切強度數(shù)據(jù)時，應(yīng)使用一個安全系數(shù)，確保使用非現(xiàn)場數(shù)據(jù)的風(fēng)險更小。 當(dāng)沒有現(xiàn)場數(shù)據(jù)時，可以通過鉆頭吃入試驗來評估淺層土壤的強度，例如：660.4mm（26”）鉆頭下放重量5000lb，關(guān)泵的情況下能下放的深度處的土壤強度大約是150lb/ft。 l 擾動土壤的剪切強度 擾動土壤的剪切強度沒有統(tǒng)一的計算公式。常用土壤剪切強度作為非擾動土壤強度的一部分進(jìn)行估算，

60、某些試驗觀測到擾動后的土壤剪切強度為非擾動強度的25～33%。擾動后的土壤剪切強度取決于導(dǎo)管下入過程中的土壤擾動情況，一般情況下取25％；一些特殊情況，取非擾動數(shù)值的10%，以保證作業(yè)安全；如果對土壤的擾動較小，可取50％；噴射鉆進(jìn)安置導(dǎo)管幾周后，該值會趨向非擾動土壤強度。 l 導(dǎo)管的接箍類型和外徑 接箍類型的選擇通?？紤]有足夠的抗彎能力，與導(dǎo)管管體匹配甚至高于導(dǎo)管管體。 對于噴射鉆進(jìn)，還需要考慮接箍的外徑，較大的外徑會干擾到周圍的土壤，降低本地土壤強度，強度和表皮摩阻的恢復(fù)時間會增加，因此在噴射鉆進(jìn)時更多地考慮使用小外徑的接箍或無接箍導(dǎo)管。 選擇接箍類型時要考慮防轉(zhuǎn)鎖塊，防止接箍在高

61、扭矩馬達(dá)、海況和鉆井船施加的可能旋轉(zhuǎn)力而脫開。 （2）鉆柱和底部鉆具組合 在噴射鉆進(jìn)作業(yè)中使用的底部鉆具組合是放在導(dǎo)管內(nèi)部。噴射導(dǎo)管內(nèi)典型的底部鉆具組合包括鉆頭、馬達(dá)、鉆鋌、扶正器等，隨鉆測量的工具根據(jù)鉆井設(shè)計的情況下入，MWD用來確認(rèn)導(dǎo)管下入的垂直度。底部鉆具組合可以從低壓井口頭下入工具上解脫，接著鉆進(jìn)下一個井段。 l 鉆頭尺寸 鉆頭尺寸通?；诰脑O(shè)計以及下一個井段鉆進(jìn)的尺寸來決定。噴射鉆井的過程中，通常相對套管內(nèi)徑較大的鉆頭尺寸會有較高的噴射成功率。 l 鉆頭位置 通常把鉆頭放在導(dǎo)管的外部，盡可能使鉆頭噴嘴保持在導(dǎo)管的內(nèi)部，鉆頭的椎齒露在導(dǎo)管的外部。鉆頭相對導(dǎo)管柱或者噴射鞋的

62、位置定義為鉆頭出露長度，通常為6-10英寸。 l 送入管柱 噴射鉆進(jìn)的鉆柱選擇需要考慮可能的拉伸載荷。通常在噴射過程中，通過鉆柱上提來活動導(dǎo)管，上提會使鉆柱承受較大的拉力，應(yīng)當(dāng)對鉆柱進(jìn)行檢驗和校核。 3. 鉆井液 無隔水管鉆進(jìn)井段，鉆井液多采用海水或水基體系，作業(yè)中鉆井液將返至海底。隔水管連接后，需要采用適合深水特殊環(huán)境的鉆井液體系，特別要考慮對潛在的水合物的抑制。 深水鉆井對鉆井液體系有如下特殊要求：A.長隔水管段低返速情況下的懸浮和攜巖能力；B.能夠有效地抑制氣體水合物的產(chǎn)生；C.在低溫下具有良好的流變特性。 （1）深水鉆井液中的水合物抑制 最常用的方法是采用油基、合成基鉆井

63、液或在水基鉆井液中加入水合物抑制劑。水合物抑制劑分為熱力學(xué)抑制劑、動力學(xué)抑制劑和防聚集劑。 ① 熱力學(xué)抑制劑 熱力學(xué)抑制劑通過改變水合物的生成條件，即降低鉆井液的“冰點”來達(dá)到防止水合物生成的效果。熱力學(xué)抑制劑具有用量大、儲存困難和注入復(fù)雜等特點，有些種類具有毒性和腐蝕性。 A. 無機類，如NaCl、NaBr、KCl、CaCl2等及其混合物； B. 有機類，如甲醇、乙二醇、丙二醇等及其混合物。 ② 動力學(xué)抑制劑 動力學(xué)抑制劑通過改變水合物的生成形態(tài)，以達(dá)到抑制水合物進(jìn)一步生成的目的。常用的動力學(xué)抑制劑包括表面活性劑類和聚合物類。 A. 表面活性劑類，如烷基芳基磺酸及其堿金屬鹽、銨

64、鹽類等； B. 聚合物類，如聚N-乙烯基吡咯烷酮（PVP），N-乙烯基吡咯烷酮、N-乙烯基己內(nèi)酰胺和N,N-二甲基異丁烯酸乙酯三元共聚物（VC-713），聚N-乙烯基己內(nèi)酰胺、聚M-乙烯基己內(nèi)酰胺、聚丙烯酰胺、N-乙烯基-N-甲基乙酰胺，聚乙烯基-順丁二烯二酰亞胺和聚N-?；鶃啺返?。 ③ 防聚集劑 防聚集劑多為聚合物和表面活性劑，對天然氣水合物起分散作用，抑制水合物聚集，其作用會受到鹽、聚合物和水等組分的影響。常用的防聚集劑有：二甲基丙（?。┗』撬峒句@鹽、司盤(Span)、羥基羧酸酰胺、烷氧基二羥基羧酸酰胺、N,N-二羥基羧酸酰胺，聚亞烷基琥珀酸(酐)和聚乙二醇單醚混合物，烷基芳香族

65、磺酸鹽和烷基聚苷物等。 （2）深水鉆井液流變性控制 深水低溫環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)時，當(dāng)鉆井液循環(huán)經(jīng)過泥線附近時，其流變性會發(fā)生較大變化，具體表現(xiàn)在粘度、切力大幅度上升，還可能發(fā)生快速膠凝作用，從而導(dǎo)致循環(huán)困難。由于淺層破裂壓力低，容易壓漏地層，特別是使用油基和合成基鉆井液時。 通過對鉆井液體系的流變性進(jìn)行全溫度段和全壓力范圍的測試，可以確定適合于深水低溫的鉆井液類型，設(shè)計出滿足低溫作業(yè)的具有最佳粘溫穩(wěn)定性的鉆井液體系。 （3）深水鉆井液后勤保障 深水鉆井作業(yè)一般遠(yuǎn)離陸地，更長的上部隔水管段容有的鉆井液量大，且需要考慮動態(tài)壓井的材料備用，作業(yè)中又極易發(fā)生井漏，因此，應(yīng)對鉆井裝置、供應(yīng)船和陸上

66、基地的情況進(jìn)行綜合考慮，確保鉆井液的后勤供應(yīng)。 4. 固井 深水固井的最大挑戰(zhàn)在于深水泥線下的低溫、低的地層承壓能力以及可能存在的高壓淺層流和天然氣水合物。這些特點要求水泥漿具有滿足不壓漏地層的低密度、滿足套管釋放要求的低溫強度、滿足抑制淺層流災(zāi)害的膠凝強度發(fā)展甚至要求低發(fā)熱的水泥漿體系。 深水導(dǎo)管和表層套管的固井水泥漿需要返到泥面，其固井設(shè)計要充分考慮低溫、低破裂壓力梯度、水合物和淺層流等因素的影響。此外，深水低溫固井中，準(zhǔn)確預(yù)測和模擬注水泥及候凝期水泥漿溫度變化也是保證施工安全和固井質(zhì)量的重要考慮因素。 （1）深水固井水泥漿設(shè)計特殊要求 ①短候凝時間，快速低溫凝固 水泥漿體系具有較短候凝時間，在保證水泥漿安全注入的情況下，在較短時間內(nèi)形成滿足層間封隔和套管釋放的強度。 ②快速膠凝強度發(fā)展 理想的深水固井水泥漿體系應(yīng)該具有較短的稠化轉(zhuǎn)化過渡時間，水泥漿膠凝強度從48Pa（100lbf/100ft2）到239Pa（500lbf/100ft2）的“過渡時間”盡可能短，水泥漿一旦開始凝固，能從傳遞液柱壓力的狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈吣z凝強度的固體狀態(tài)，滿足對高壓淺層流的抑制要求。