北極圈內(nèi)喀拉海磁翻板液位計(jì)技術(shù)研究

    摘要：北極海域極寒環(huán)境下，海上鉆井面臨時(shí)間窗口窄、淺層危害大，地層情況不明，溫度低、海況差、補(bǔ)給困難等諸多挑戰(zhàn)。但是，這些“困難和挑戰(zhàn)”完全可以通過(guò)高效的鉆井組織效率、淺層危害物識(shí)別與控制、井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高鉆進(jìn)過(guò)程中的機(jī)械鉆速、寒帶水下井控保障等手段來(lái)縮短磁翻板液位計(jì)周期，提高磁翻板液位計(jì)效率，使得我國(guó)在北極進(jìn)行鉆井成為可能。本文以列寧格（Leningradskoye GCF）3#井（簡(jiǎn)稱L3井）為例，研究了北極極寒海域磁翻板液位計(jì)的困難和解決措施，為北極資源的開(kāi)發(fā)提供借鑒。

    受特殊的地理位置和自然環(huán)境制約，北極開(kāi)發(fā)近百年歷史，卻只有瑞士、挪威兩個(gè)國(guó)家順利完成北極深水鉆探任務(wù)。相比于大多數(shù)海上油氣盆地，北極大陸架、大陸坡地區(qū)因極端惡劣的自然氣候條件，遠(yuǎn)離陸上油氣工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，生態(tài)環(huán)境脆弱和海上邊界糾紛等原因，油氣資源開(kāi)采進(jìn)展非常緩慢。可以說(shuō)，放眼整個(gè)國(guó)際市場(chǎng)，極地水域鉆井項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)都極度匱乏[1]。

    2011年，俄羅斯天然氣工業(yè)公司（以下簡(jiǎn)稱俄氣）在喀拉海和伯朝拉海許可區(qū)進(jìn)行了大范圍的地震勘探，并得到了12個(gè)區(qū)塊的勘探許可證。擁有這樣多區(qū)塊的俄氣不能單獨(dú)開(kāi)發(fā)，所以選擇了中國(guó)石油公司合作。L3井就是俄羅斯石油公司與中國(guó)石油公司首度合作開(kāi)發(fā)的一口井。

    1  L3井區(qū)域概況
    1.1  地理?xiàng)l件
    列寧格勒（Leningradskoye GCF）3#井位于喀拉海大陸架的西南部，距離亞馬爾半島西北部130km，該區(qū)塊面積達(dá)8482平方公里，水深在80~160m之間。井位距離較近的海岸線約為99.84km，距離東南方向較近的居住區(qū)約130公里。

    1.2  勘探歷史
    1989年俄羅斯聯(lián)邦國(guó)有企業(yè)“Arcticmorneftegazrazvedka”在該區(qū)域鉆探了1#勘探井，深度2453m。1990年在對(duì)14層含油氣可能性較高的地層測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有油氣顯示，產(chǎn)量為7.5-40.2萬(wàn)m3/d，并發(fā)現(xiàn)了Lenigradskoye GCF區(qū)塊，同年，在該區(qū)域鉆探2#井，深度2502m，未進(jìn)行測(cè)試。由此可見(jiàn)，俄羅斯在該海域內(nèi)的鉆探經(jīng)驗(yàn)匱乏，對(duì)儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)較少。

    1.3  氣象條件
    喀拉海為高緯度地區(qū)，太陽(yáng)輻射量小，氣候寒冷，該區(qū)域全年平均氣溫為-6~-10℃。由于受到北
極寒流與中緯度暖流的頻繁交替，導(dǎo)致氣候非常不穩(wěn)定，氣溫變化幅度大，風(fēng)暴多，相對(duì)濕度高。從6月中旬到11月上旬，喀拉海夏季主要吹北風(fēng)，平均風(fēng)速約5~6m/s。

    1.4  海區(qū)冰況
    每年的十月份到十一月份，作業(yè)區(qū)域開(kāi)始結(jié)冰，次年的四月份冰開(kāi)始融化，至七八月份喀拉�？梢酝ê健８鶕�(jù)冰況，拖航/航行作業(yè)應(yīng)當(dāng)計(jì)劃6月中旬至11月上半月開(kāi)始，在這些線路航行時(shí)，必須時(shí)刻小心并經(jīng)常目視及借助雷達(dá)觀察海面，在沿岸區(qū)根據(jù)冰況和危險(xiǎn)航行深度選擇路線，在開(kāi)闊海域內(nèi)，根據(jù)冰況選擇路線，海中可能存在浮冰。

    1.5  地質(zhì)概況
    喀拉海屬于西西伯利亞油氣盆地的北部�？�拉海大陸架油氣資源豐富，主要以天然氣為主，但沉積和構(gòu)造特征較為復(fù)雜。

    2  施工風(fēng)險(xiǎn)與難點(diǎn)
    2.1  環(huán)境是制約磁翻板液位計(jì)的主要因素
    北極海冰數(shù)量巨大，海冰和冰脊撞擊會(huì)對(duì)鉆井平臺(tái)和海底管道造成嚴(yán)重危害。北極海上作業(yè)除要求配備較高抗撞能力的鉆井船或浮動(dòng)鉆井平臺(tái)外，還需配備先進(jìn)的海冰監(jiān)控設(shè)備；極地特有的極晝現(xiàn)象會(huì)對(duì)作業(yè)人員和現(xiàn)場(chǎng)工作開(kāi)展帶來(lái)較大困擾，一是淡化睡眠動(dòng)機(jī)，降低睡眠質(zhì)量，二是帶來(lái)較大的負(fù)面情緒波動(dòng)，三是強(qiáng)烈的紫外線會(huì)造成短暫眩暈等視覺(jué)傷害；惡劣環(huán)境下，平臺(tái)基本與外界隔絕，如果此時(shí)出現(xiàn)重大安全事故，外部資源很難采取有效介入，損失可能會(huì)非常慘重。

    2.2  后勤補(bǔ)給困難
    北極周邊國(guó)家中，俄羅斯的摩爾曼斯克港是較好的的全年不凍港，符合物資及人員轉(zhuǎn)運(yùn)的安全需求。但港口距離井位約1500km，船舶往返至少需要7天時(shí)間，在復(fù)雜的極地環(huán)境面前，供應(yīng)鏈相對(duì)單一、脆弱，一旦斷裂，平臺(tái)可能就要陷入長(zhǎng)期無(wú)補(bǔ)給狀態(tài)。

    2.3  極地環(huán)境脆弱
    北極地區(qū)緯度高、氣溫低，生態(tài)環(huán)境在遭受破壞污染后，恢復(fù)速度異常緩慢，影響會(huì)持續(xù)數(shù)十年以上。同時(shí)，清潔工作很難在極地地區(qū)有效開(kāi)展，溢油等污染不僅會(huì)導(dǎo)致大量生物的死亡，還會(huì)隨著強(qiáng)風(fēng)、冰凍等，擴(kuò)散到極地各個(gè)角落，招致更大的災(zāi)難。北極地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，污染之后將要面臨巨大的經(jīng)濟(jì)制裁和國(guó)際輿論壓力。

    2.4  極地鉆井工藝面臨挑戰(zhàn)
    列寧格勒油田區(qū)塊為初期勘探，基本無(wú)鉆井資料參考，該區(qū)塊的作業(yè)環(huán)境、海底地貌、淺層潛在的地質(zhì)危害因素、地層壓力系統(tǒng)等資料缺乏，同時(shí)缺少深水低溫條件下鉆井液、水泥漿與施工工藝，以及成熟的窄密度窗口條件下的鉆井、井控等工藝技術(shù)。這直接導(dǎo)致鉆井設(shè)計(jì)、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、水泥漿與鉆井液體系優(yōu)選、鉆進(jìn)工藝優(yōu)化的不確定性，鉆井風(fēng)險(xiǎn)極大。

    2.5  淺層地質(zhì)危害大
    極地作業(yè)環(huán)境惡劣，對(duì)鉆井技術(shù)裝備要求更高，泥線以下淺層流體(淺層流、淺層氣、淺層水合物)的危害大、安全密度窗口窄、對(duì)井控要求高，這導(dǎo)致鉆井風(fēng)險(xiǎn)極大且成本較高。

    3  磁翻板液位計(jì)成功關(guān)鍵技術(shù)
    L3井是一口勘探井，設(shè)計(jì)井深2000m，作業(yè)水深105m，平臺(tái)補(bǔ)芯海拔26m，鉆井周期89.5天。該井實(shí)際完鉆井深2030m，測(cè)試2層，均獲得高產(chǎn)油氣流。

    3.1  組織管理效率的提高
    L3井磁翻板液位計(jì)過(guò)程中采用了項(xiàng)目管理的理念與方法，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)行全面科學(xué)的掌控。在項(xiàng)目準(zhǔn)備階段，根據(jù)北極惡劣的作業(yè)環(huán)境、《Polar code》（極地規(guī)則）、以及北極環(huán)保的要求，針對(duì)常年在亞熱帶作業(yè)的鉆井平臺(tái)進(jìn)行適應(yīng)性防寒改造。

    作業(yè)過(guò)程中的主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)為：2017年1月14日鉆井平臺(tái)防寒改造工程開(kāi)工，4月10日開(kāi)始干駁運(yùn)輸，6月15日抵達(dá)摩爾曼斯克港口清關(guān)，7月11日平臺(tái)拖至井位7月13日正式開(kāi)鉆 ，8月6日完鉆進(jìn)行電測(cè)作業(yè)，9月26日完成試油作業(yè)，10月4日棄井結(jié)束。磁翻板液位計(jì)開(kāi)鉆到棄井時(shí)間為83天，其中油氣測(cè)試時(shí)間為23天。磁翻板液位計(jì)時(shí)間比設(shè)計(jì)計(jì)劃提前5天。

    3.2  淺層危害物識(shí)別與控制技術(shù)
    由于喀拉海地區(qū)地質(zhì)資料少，對(duì)該區(qū)域的淺層危害物認(rèn)識(shí)不足，于是在磁翻板液位計(jì)之前，在預(yù)鉆井位處鉆8½″領(lǐng)眼。領(lǐng)眼鉆進(jìn)的目的是發(fā)現(xiàn)和評(píng)估潛在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)和淺層危險(xiǎn)，為安裝BOP井口提供條件。計(jì)劃鉆領(lǐng)眼到表層套管下入位置560m，根據(jù)該海域深水地質(zhì)情況和鉆井實(shí)踐表明，該方法是控制淺層氣(淺水流)較有效的方法。

    3.3  井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
    L3井作業(yè)區(qū)域可供參考的地層資料匱乏，地層壓力預(yù)測(cè)具有一定的不確定性，地層的破裂壓力相對(duì)較低，泥漿密度窗口窄，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在挑戰(zhàn)。系統(tǒng)考慮這些因素以及作業(yè)特點(diǎn)，以安全第一位原則，并考慮成本因素，提出優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)的思路。表層套管穿過(guò)不穩(wěn)定的黏土層至200m，用海水鉆井，每打一段頂替搬土稠塞，攜帶巖屑出井，考慮到淺層氣影響，表層套管采用常規(guī)水泥固井。鉆26″井眼550m，隔離不穩(wěn)定地層脫落和坍塌，安裝套管頭，為水下防噴器和隔水管形成一個(gè)封閉的循環(huán)回路。考慮到地質(zhì)因素影響，L3井取消17-1/2″井眼的鉆井計(jì)劃，水下防噴器安裝后，開(kāi)始鉆進(jìn)12-1/2″井眼至1080m，9-5/8″套管固井。較后進(jìn)行8½″井眼鉆進(jìn)至2000m完鉆，下7″尾管，并進(jìn)行電測(cè)和取芯。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)與作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)鉆井身結(jié)構(gòu)吻合較好，鉆井過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)因井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的井口失穩(wěn)和井下故障發(fā)生。

    3.4  提高機(jī)械鉆速
    提高機(jī)械鉆速是在狹窄時(shí)間窗口內(nèi)完成鉆探任務(wù)的關(guān)鍵[2]。由于該海域作業(yè)可供借鑒資料稀少，針對(duì)L3井的井下鉆具選擇針對(duì)性還不夠成熟，領(lǐng)眼鉆進(jìn)使用海水鉆進(jìn)，使用DT1GJM RS生產(chǎn)的牙輪鉆頭，鉆頭入泥25m采用小鉆壓，低轉(zhuǎn)速進(jìn)行鉆進(jìn)，保證井眼垂直，25m以后逐漸增大鉆壓，提高轉(zhuǎn)速。36″井眼鉆進(jìn)使用26″牙輪鉆頭和36寸擴(kuò)眼器，從海床面以下25米到TD，機(jī)械鉆速15m/h。其他井段按照井況合理控制機(jī)械鉆速。

    3.5  寒帶水下井控保障
    在北極寒帶作業(yè)，對(duì)防噴器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)考驗(yàn)極大，控制系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)冰堵的情況，進(jìn)而影響防噴器的運(yùn)轉(zhuǎn)。在防噴器的控制液中添加防凍液，合理調(diào)控控制液中乙二醇配比會(huì)防止控制系統(tǒng)冰堵的情況發(fā)生。針對(duì)伸縮節(jié)，根據(jù)當(dāng)時(shí)海水溫度，決定冷卻水是否使用熱水；針對(duì)BOP控制系統(tǒng)，采用控制液乙二醇濃度30%進(jìn)行沖洗；針對(duì)井口連接器，定時(shí)注乙二醇；此外，每天對(duì)室外、海面、海底溫度及隔水管水平偏移量、球接頭角度、控制液使用量、防噴器組上3個(gè)牛眼角度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及監(jiān)控。

    4  結(jié)束語(yǔ)
    (1）在北極海域極寒環(huán)境下，海上鉆井面臨時(shí)間窗口窄、淺層危害大，地層情況不明，溫度低、海況差、補(bǔ)給困難等諸多挑戰(zhàn)。但完全可以通過(guò)高效的鉆井組織效率、淺層危害物識(shí)別與控制、井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高鉆進(jìn)過(guò)程中的機(jī)械鉆速、寒帶水下井控保障等手段來(lái)縮短磁翻板液位計(jì)周期，提高磁翻板液位計(jì)效率。

    (2)在極地海域環(huán)境下還要高度重視鉆井組織管理工作，只有做到鉆井工序無(wú)縫銜接、減少設(shè)備DOWNTIME才能保障磁翻板液位計(jì)工作順利完成。