【正文】 因此多數(shù)情況下的壓井鉆井液比重應(yīng)為上覆巖層壓力當(dāng)量密度的 85%～ 88%，或壓井鉆井液比重＝上覆巖層壓力當(dāng)量密度（ ～ ） 。這種方法要求平臺上有足夠的加重鉆井液和良好的后勤保障，有專門的設(shè)備能快速將加重的鉆井液通過混合海水得到壓井的鉆井液密度。主要的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)如下： ? 盡可能一趟鉆完成切割和回收作業(yè)，節(jié)省作業(yè)時(shí)間； ? 鉆柱的設(shè)計(jì)要保證鉆柱在海水中處于受拉狀態(tài)并盡可能減少擺動； ? 防止 鉆具脫扣； ? 推薦使用井下動力馬達(dá)； ? 無導(dǎo)向繩對井口的問題； ? 盡可能保護(hù)井口。為了保證在泥線下注入水合物抑制劑，還需要一個(gè)帶孔的伸縮節(jié)（ Slick Joint），使注入管線能穿過并保證防噴器關(guān)閉時(shí)的密封。在動力定位鉆井船上進(jìn)行測試作業(yè)，必須考慮測試管柱的緊急解脫，對水下測試樹的解脫時(shí)間有嚴(yán)格的要求，一般要求小于 15秒。要考慮測試管柱的緊急解脫，環(huán)境保護(hù)以及海底低溫會導(dǎo)致結(jié)蠟或水合物生成等問題。 ⑤液態(tài)膠體填充水泥漿 （ Liquid Colloidal Aggregate Cement） 采用能參與水泥水化反應(yīng)的液態(tài)膠體氧化硅或膠體氧化鋁作為水泥填充材料配制的水泥漿。 ③活性減輕劑填充水泥漿 （ Reactive Lightweight Aggregate Cement） 采用能與水和水泥組分發(fā)生反應(yīng)的活性火山灰類減輕材料配制的水泥漿?；鶟{的密度一般鉆井手冊 24 為 14～ ，充氮后最低可達(dá)到 ，通過充氮的流量控制水泥漿密度。設(shè)計(jì)滿足稠化和強(qiáng)度要求的候凝（ WOC）時(shí)間。 ③高穩(wěn)定性，低水泥漿密度 深水海域的松軟、未膠結(jié)地層，破裂壓力低，且破裂壓力與孔隙壓力間的窗口小。 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(jì)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。 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(jì)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 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。 A. 無機(jī)類，如 NaCl、 NaBr、 KCl、 CaCl2等及其混合物； B. 有機(jī)類，如甲醇、乙二醇、丙二醇等及其混合物。 （ 1）深水鉆井液中的水合物抑制 最常用的方法是采用油基、合成基鉆井液或在水基鉆井液中加入水合物抑制劑。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(yàn)和校核。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。 （ 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。擾動后的土壤剪切強(qiáng)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(qiáng)度。工程師在使用非現(xiàn)場非擾動土壤剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)使用一個(gè)安全系數(shù)，確保使用非現(xiàn)場數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)更小。 最大的表皮摩阻等于臨近土壤的剪切強(qiáng)度。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。 技術(shù)套管： ? 套管鞋處的破裂壓力要滿足下個(gè)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； ? 如果存在復(fù)雜的淺層地質(zhì)災(zāi)害，通常采用懸掛 （ 16”）或（ 18”）尾管封固； ? 通常采用 （ 133/8”）、 （ 95/8”）套管等； ? 至少備用一層套管，以保證井眼能夠鉆到設(shè)計(jì)的深度。 導(dǎo)管和套管的設(shè)計(jì)原則： 導(dǎo)管：通過海底土壤的有效重度和不排水剪切強(qiáng)度進(jìn)行軸向承載力計(jì)算，同時(shí)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。 （ 6） 地層可鉆性分析 鉆井手冊 19 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。為了在設(shè)計(jì)階段和作業(yè)過程中進(jìn)行有效的壓力管理，需要對三個(gè)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(jì)，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。淺層氣是主要考慮對象。海底地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)應(yīng)該集中于最大可能的錨鏈半徑區(qū)域內(nèi)。在別的區(qū)域，特別是淺層水，調(diào)查要求更加苛刻。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。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)保評估等。 （ 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(jì)之前必須進(jìn)行的工作，是進(jìn)行深水鉆井設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 3. 鄰井資料 區(qū)塊相關(guān)的鄰井資料也是設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一，包括鄰井的鉆井設(shè)計(jì)、地質(zhì)設(shè)計(jì)、鉆井報(bào)告、地質(zhì)報(bào)告、鉆井日報(bào)、鉆井液日報(bào)、電測資料、測試資料等。 一 . 深水鉆井設(shè)計(jì)的依據(jù) 1. 地質(zhì)設(shè)計(jì) 地質(zhì)設(shè)計(jì)是鉆井設(shè)計(jì)最主要的依據(jù)。 3. 遙控水下機(jī)器人（ ROV） 在深水鉆井期間，遙控水下機(jī)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。 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。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。 （ 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(shí)顯示是否氣體在環(huán)空中上升。 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(shí)間內(nèi)關(guān)閉任何一個(gè)閘板防噴器，萬能防噴器組關(guān)閉的響應(yīng)時(shí)間不能超過 60秒，節(jié)流 /壓井閥開啟或關(guān)閉的響應(yīng)時(shí)間不能夠超過閘板防噴器關(guān)閉的最小響應(yīng)時(shí)間，解脫底部隔水管總成的時(shí)間不應(yīng)超過 45秒。 在深水鉆井作業(yè)進(jìn)行防噴器試壓時(shí)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。 4) 張力器；控制隔水管在緊急脫離條件下的運(yùn)動，必須通過張力器來實(shí)現(xiàn)。防止回彈應(yīng)考慮鉆井手冊 14 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。 ③ 生存工況的限制條件如下： ? 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%； ? 隔水管與導(dǎo)管的等效應(yīng)力 屈服應(yīng)力； ? 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 )； ? 不出現(xiàn)與鉆井平臺碰撞 ? 沖程 – 不超過伸縮節(jié)與張力器極限 (6) 測試作業(yè)時(shí)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(shí)更為嚴(yán)格，測試作業(yè)的限制條件應(yīng)考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵階段： ? 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 。 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： 鉆井手冊 13 ? 柔性接頭轉(zhuǎn)角平均 177。 (5) 隔水管系統(tǒng)正常作業(yè)要求 1） 頂部張力的要求 頂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)。 ? 浮力隔水管與普通隔水管交錯(cuò)布置有利于減少隔水管的渦激振動。浮力塊的直徑一般要比轉(zhuǎn)盤開口直徑小 (12英寸 )。另外需要鉆井手冊 12 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%)。 根據(jù)具體情況通常會進(jìn)行以下分析計(jì)算： ? 隔水管頂部張力校核與浮力單根的配置 ? 隔水管、導(dǎo)管渦激振動響應(yīng)分析 ? 鉆井作業(yè)限制條件分析 ? 水下系統(tǒng)作業(yè)限制條件分析 ? 井口與導(dǎo)管強(qiáng)度分析 為了進(jìn)行以上計(jì)算，對鉆井工程師而言，需要提供以下數(shù)據(jù)： ? 海洋環(huán)境數(shù)據(jù) ? 土壤強(qiáng)度數(shù)據(jù) ? 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(jì)算，以便確定基本的部件設(shè)計(jì)要求以及初步的隔 水管配置，主要需要進(jìn)行以下工作： 1） 隔水管的抗擠強(qiáng)度校核 深水鉆井作業(yè)前隔水管的強(qiáng)度校核很重要，應(yīng)特別關(guān)注抗外擠問題。 ? 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(shí)隔水管 內(nèi)壓。 表 721 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 ( ) B級 453 ( 1百萬磅 ) C級 ( ) D級 ( ) E級 906 ( 2百萬磅 ) F級 ( ) G級 1359 ( 3百萬磅 ) H級 ( ) 目前在深水鉆井船上應(yīng)用比較廣泛的是 MR6E隔水管接頭，其規(guī)格列在下表722中。 (d) 隔水管接頭 接頭依據(jù)以下內(nèi)容選擇：接頭強(qiáng)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(qiáng)度 /重量比。浮力塊的長度一般為 (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%。往往在水下 (1500ft)左右位置配置填充閥。隔水管的重量和甲板存儲要求在深水鉆井裝置選擇時(shí)應(yīng)予以考慮。 (4) 鉆井液池容積 進(jìn)行鉆機(jī)選擇配置時(shí)，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(shí)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。同時(shí)深水鉆機(jī)須配備隔水管鉆井液增壓泵。 1. 深水鉆機(jī)系統(tǒng)選擇 進(jìn)行鉆機(jī)配置時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)：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 。在選擇鉆井裝置時(shí)，必須確定鉆井裝置的生存限制條件，以確保鉆井裝置安全。 ② 脫離操作限制條件 鉆井手冊 8 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需要脫離。 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。同時(shí)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。 鉆井手冊 7 水深 (m ) 全鋼絲纜 全錨鏈 錨鏈／鋼絲纜組合 動力 定位 300600900120018002400500600900120018002400 圖 722 不同水深定位方式選擇參考 選擇鉆井裝置錨泊定位時(shí)應(yīng)考慮以下因素：錨機(jī)與卷纜機(jī)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(jì)因素等。 (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。一般而言： ? 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(jī)動性差。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。 (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、防噴器及井口等。 鉆井手冊 5 第 二 節(jié) 深水鉆井裝置 深水鉆井裝置選擇是深水鉆井計(jì) 劃需完成的首要工作。雙作用鉆機(jī)在進(jìn)行單井作業(yè)時(shí)，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(shí)下放套管及防噴器等，從而提高作業(yè)效率。 (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(fèi)用均大幅增加。 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，容易發(fā)生井噴、井漏等復(fù)雜情況。 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。 (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?cái)U(kuò)大，井噴，井塌，套管變形和海床沉降等事故。 圖 711 與溫度梯度及水深有關(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。 (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。 由于表層鉆進(jìn)使用的鉆井液密度限制，鉆遇高壓水層時(shí)，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、