深水固井工程的难点与解决对策

摘要：深水固井作为深水油田钻井的核心技术，为了实现深水固井技术的发展与应用，对深水固井工程的难点进行分析，并有针对性地提出解决对策，以优化深水固井工程，提高经济效益与社会效益。

关键词：深水固井；难点；对策

中图分类号：TU

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2012）07-0192-01

在海洋钻井工程施工过程中，如果水深超过500m，则属于深水范畴。深水钻井就是针对水深500m以上的海域开展钻井作业。随着深水钻井作业费用的与日俱增，如何高效、安全地完成钻井工程，已成为当前深水作业的工作要点。固井作为钻井的一部分，同样具有重要作用。考虑到深水作业的特点，深水固井工程也面临各种难题，但正是这些难题的客观存在，推动了深水固井技术向更高层次、更高科技的发展。

1 深水固井工程的难点

1.1 温度偏低

一般情况下，阳光仅能照射到海水的表层，或者由于风浪、海流等作用，引起海水热量的交换，但也仅仅限于海面以下100-400m范围之内。但是在400以下的深度范围，温度则呈下降趋势，即温跃层。在温跃层下部，海水温度极低；从温跃层到海底的温度，其变化幅度随着深度增加而有所降低。对于深水固井工程来说，所处的海底正位于温跃层以内或者以下区域，因此温度非常低。一般深水海域的海底温度约为2-6℃。

1.2 水泥浆应用效率不高

在深水固井工程中，水泥浆的应用效率较差，可主要分析为以下几种原因：

（1）井身结构不合理，给套管居中处理带来难度。

（2）对于表面较为松软的地层来说，在钻井时会受到高压砂层或者浅层“水-气”完流动的影响，影响井身结构，造成流体的摩擦阻力加大，紊流顶替作用不易于实现。

（3）在深水海底的表层，大多属于没有胶结的松软状态，再加上破裂压力与地层孔隙压力之间出现狭窄的“窗口”现象，难以实现紊流顶替或者分级梯度顶替。

（4）由于套管结构较为复杂，因此在表层套管和井眼之间的空隙较大，而井下位置的空隙反而减小。

1.3 浅层“水―气”流动

造成浅层的“水-气”流动问题，主要由于海底存在着浅层气、高压层或者气体水合物等现象，出现不稳定分解。浅层“水-气”流动现象，可能造成过度冲刷井眼现象，造成井径变形，难以清理淤泥，影响固井的界面效果，容易出现缝隙。另外，如果对于固井水泥浆的应用设计不合理，在浅层“水-气”流体凝结时，可能会造成水泥浆入侵，进而出现窜流问题，产生微窜槽。由于间隙或者微窜槽的存在，会影响水泥的环封隔作用，对隔水管、防喷器的正常工作产生影响，不利于钻井安全性。

1.4 成本偏高

众所周知，深水固井的成本明显高于陆地固井，主要原因如下：

（1）一般为了改善低温环境，避免出现浅层“水-气”流动问题，应用特殊的材料以及技术措施，提高了水泥浆体系的成本以及作业费用。

（2）随着低碳经济的日益发展，海洋环境保护法的要求越来越严格，因此古井设备的清洗必须满足“零”排放；并对固井所用外加剂的环保性能提出要求。

（3）随着深水固井工程的水深不断增加，给后勤工作提出更高调整，各项作业成本随之上升。

（4）当前深水钻井的装置利用率高达100%，费用也有所提升，因此加大了深水固井作业的建设成本。

2 深水固井工程的解决对策

与陆地作业模式相比，深水固井作业所处的海底层较为松软，破裂压力小，地形条件较为复杂，极易发生流体移动现象；再加上海底的温度较低，不利于油井水泥中的水化过程实现。因此，如何增强水泥浆的性能，确保深水低温作业的顺利实现，已成为当前深水固井中不得不思考的问题。针对前文提到的各种施工难点，可考查采取如下应对措施：

2.1 优化水泥浆性能

为了改善深水固井的作业环境，避免温度低、层流浅、安全窗口窄等对工程造成的影响，必须选用低温早强、密度合理的水泥浆体系。因此，有关深水固井工程中的水泥浆设计，应满足以下特点：

（1）控制水泥浆密度。

在深水作业环境下，由于地层的破裂力相对较低，为了达到固井目标，减少固井作业中发生的各种问题或者水泥浆返高现象，应采取密度较低的水泥浆体系。

（2）提高稳定性。

有关水泥浆稳定性的影响因素，主要为自由水以及沉降稳定性。如果自由水过多或者沉降稳定性较差，则可能造成测地层流体的窜流，不利于水泥的胶接强度，影响封固质量。

（3）减少过渡时间。

如果过渡的时间长，将会增加窜流可能性；因此，为了避免地层流体的入侵，应尽量减少过渡时间。

（4）抗压强度大。

在海底低温环境下，水泥石的强度变化随度将随着密度的降低而有所缓慢。由于深水固井工程的成本费用非常昂贵，如果一味延长作业时间，必然增大造价压力。因此，水泥石必须在短时间内符合抗压强度。

2.2 避免浅层水窜问题

当前，针对深水固井工程中普遍存在的浅层“水―气”流动问题，可通过“防气窜”的理论经验来实现。实际上，水和气两种元素，无论在物理性能还是化学性能方面，都存在极大不同，如可压缩性、密度、粘度等特征。由于气体的密度较小，再加上可压缩性强，因此压力是影响气体移动的主要因素；但是压力对水泥水化作用则不产生任何影响，仅由于气体在水泥中以各种方式移动（渗滤、裂缝、气泡等），将对水泥石的结构产生影响，进而影响强度。但是当地层水进入了水泥浆之后，除了其性质对水泥水化产生影响，也会对水灰比有所影响，进而改变水泥浆凝结的时间以及凝结强度等。因此，加强对浅层水窜问题的研究，结合浅层水窜原理，有针对性地采取措施，以此避免浅层水流动问题，势在必行。

2.3 钻井液―固井液一体化

针对当前深水固井工程面临的各种难点问题，通过钻井液固井液一体化技术，将有所改善。对于钻井液固井液一体化技术的应用，如果能结合不同类型的钻井液，优化对水泥浆水化性能的影响程度，改善聚合物分子结构，或者采用水泥水化热相对较小的物质，实现复配技术，那么即可确保钻井液外加剂应用性能的提高，确保钻井作业的顺利实施。另外，对于形成的滤饼或者滤膜，也会和水泥浆产生化学作用，这样不仅有效避免微环隙的窜流通道，还可确保地层和水泥石之间的胶结强度。对于没有完全清除的滤饼或者滤膜，也可用来保障海底松软地层的强度，较好地避免深水固井过程中，浅层“水-气”的窜流现象。

2.4 优化深水固井工艺

应用固井工艺，主要将室内试验转变到深水现场。随着深水固井工程的不断发展，一方面，加快研制小型化、高性能的混配装置以及精准测量系统，同时应用先进的计算机信息技术，支持自动化控制的实现；另一方面，则加快注水泥工艺的发展。例如，密西西比河的峡谷深水地区进行水泥固井时，使用了液体外加剂系统、氮气系统等，并与计算机系统连接，构成一个施工整体，整个注入水泥的过程在计算机屏幕中显示出来，实现远程控制。

由上可见，由于陆地油气资源日益减少，深水钻井必然成为未来发展的趋势。但是由于深水自然环境与地质环境的特殊性，若想成功完成深水油气勘探工作，必须改善如水温、安全性、成本等难题。当前，国外有关深水油气勘探工作已取得一定进展和成效，促进钻井技术的快速发展。广泛借鉴国内外成功经验，在今后的钻井技术发展中，我国在深水固井方面一定会有所突破，克服复杂的作业环境与地质状况，提高钻井作业效率与质量。

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