深水钻井作业风险分析及应对策略

殷志明，周建良，蒋世全，刘健

（中海油研究总院，北京100027）

摘要：深水钻井具有高风险、高技术和高投入的特点，介绍了深水钻井主要风险，包括：恶劣环境、浅层气、浅层水流动、天然气水合物、不稳定海床、以及狭窄压力窗口引起的井喷、井漏、远距离后勤支持等。对深水钻井风险进行了分析评估，并根据评估结果给出应对策略，研究结论对深水钻井作业风险控制具有实用意义。

关键词：深水钻井；浅层灾害；井喷；风险分析；应对策略

Deepwater Drilling Risk Analysis and Countermeasure Strategy YIN Zhiming, ZHOU Jianliang, JIANG Shiquan, LIU Jian

(CNOOC Reserch Institute, Beijing 100027,China)

Abstract: High-risk, high-tech and high investment are specific characteristics of deepwater drilling. In this paper, main risks of deepwater drilling are introduced and classified, such as, harsh environment, shallow gas, shallow water flow, gas hydrates, unstable seabed , well blowout or well loss caused by narrow pressure window, and long-range logistical support. Furthermore, deepwater drilling risks are analyzed respectively. Finally, according to the assessment results, some practical and functional risk control measures are put forward，which are potentially useful in the field of deepwater drilling.

Keywords: deepwater drilling, shallow hazards, blowout, risk analysis, Strategy

1 引言

海洋中蕴藏着丰富的石油天然气资源，约占全球油气资源总储量的70%，全球近十年发现的大型油气田中，海洋油气田已占60%以上，尤其是500 m以上的深水海域。国际石油界早已形成共识，海洋油气特别是深海油气将是未来世界油气资源接替的重要区域。目前全世界有60多个国家在开展深水油气勘探。

但是，由于深水海洋环境和浅部地层复杂情况，海底沉积物形成年代较晚，地层孔隙压力和破裂压力之间窗口狭窄，与浅水钻井和陆地钻井作业有很大区别，给深水钻井作业的压力控制带来了巨大挑

基金项目：国家科技重大专项课题“深水油气田开发钻完井工程配套技术”（2008ZX05026-001）；国家高技术研究发展计划（863计划）“深水表层钻井关键技术及装备研究”（2007AA09A103）

作者简介：殷志明（1980—），男，博士，主要研究方向为深水钻完井技术的研究；联系电话：010-********，E-mail: yinzhm@https://www.360docs.net/doc/005046581.html,

战。2010年，BP在墨西哥湾的Macondo井发生井喷爆炸，造成钻井平台“深水地平线”沉没，11人失踪、17人受伤，大量原油泄漏，成为美国历史上最严重的漏油事件，给墨西哥湾沿岸造成严重环境污染、重大经济损失，引起政治危机和社会危机，成为一场生态灾难。事故给深水油气开发敲响了安全警钟，特别是深水探井的钻井。

2 深水钻井主要风险

2.1 恶劣的海洋环境

（1）海底高压、低温环境；钻进过程中易形成天然气水合物冰状颗粒堵塞管线和防喷器管线。低温环境对钻井液的流变性有很大影响，黏切力大幅度上升，而且可能出现显著的胶凝现象。对水泥浆流变性、凝固时间都有很大影响。

（2）波、浪、流；深水钻井一般采用浮式平台或者钻井船，受风、浪、流的影响会发生纵摇、横摇运动，对锚泊系统、动力定位系统造成不利影响；另外海流对隔水管、表层套管产生负载，发生涡激振动问题。

（3）台风；台风对深水钻井船的危害极大，因台风引起平台翻沉事故屡有发生。南中国海伤亡最大的一次是1983年10月23日，美国阿科石油公司在莺歌海钻井作业的美国“爪哇海”号钻井船，遭到十六号强台风袭击而沉没，平台上81名作业人员全部遇难。

（4）内波流；内波流是流体内的一部分，因特殊原因而发生密度变化，形成流体内部之不连续现象，以致产生最大振幅之振荡。主要特点包括：时间不定，流速无常，方向有规律，持续时间短，区域分布差异较大，危害大等。

2.2 浅层地质灾害

浅层地质灾害主要包括四类：浅层气、浅层水流动、天然气水合物和不稳定海床，通常发生在泥线和泥线下大约1500m地层内，在钻完井作业期间，可能引起井控以及井眼完整性、储层可及性等问题。

（1）浅层气；来自海底沉积物中有机质分解的甲烷气体，也有来自较深地层的油气藏运移至浅部。浅层气一般以含气沉积物、高压气囊、浅层气渗漏等三种赋存形式出现。浅层气的存在，破坏土的原有骨架结构，使沉积物中孔隙水压力增加，而地层有效压力相应减小，地基强度降低，成为海底工程建设的不稳定因素。在深水钻井中，一旦钻到一定压力的浅层气聚集层，可能造成井口基底冲跨、发生井喷，甚至造成井口塌陷、火灾、平台倾覆等灾难事故。我国南海浅层气主要分布于大陆架区，而且甚为广泛，如万安盆地、莺歌海盆地、琼东南盆地、珠江口盆地等[1，2]。

（2）浅层水流动（Shallow Water Flow，简称SWF）[3]；SWF通常不会对人员和钻机构成安全威胁，但SWF存在不利于建立高质量的套管尾管固井，影响井眼安全。在常规上部井眼钻井，SWF通常会在套管周围造成地层冲刷，冲刷将影响表层套管的完整性，最终造成套管破坏，甚至整个井眼被毁，引起严重的时间和费用损失。

（3）天然气水合物；天然气水合物是类似于冰的混合物，是天然气分子和水分子的结合。水合物虽然看起来与冰的构造相似，形成相对于水的结冰过程，只要具备确定成分的天然气出现在钻井液的水相中，并且这种水气混合物受到高压条件，水合物可以在更高的温度下形成。深水油井中的低温和高压环境为水合物形成提供了物理条件。水合物的形成带来影响包括[4]：①阻塞节流管线、压井管线、节流管汇、排出管线、钻井液（气）分离器；②在BOP中部或下部造成阻塞，防碍油井压力监测；③阻塞物在钻杆周围形成，防碍钻杆旋转或BOP关闭。

（4）不稳定的海床；海床不稳定性在某些地方表现为海底滑坡。尽管斜坡越陡，不稳定风险越大，但是目前发现的海底滑坡主要见于坡度低于2°的斜坡。作为钻井风险评估基础研究的一部分，海底不稳定

性从短期或长期来看都值得认真考虑。

2.3 地层压力窗口狭窄

在深水中，由于海底表层沉积物的特征以及较低的上覆岩层压力梯度，表层孔隙压力与地层破裂压力之间的压力窗口很小，将可导致大量的力学问题，发生井漏的机率非常高，可能引起的危害包括：钻井液损失、井涌、卡钻、井眼垮塌、需要下多层套管等等。

2.4 钻井工程风险

（1）表层钻井钻井液及固井风险；钻进时钻井液直接排放到海底不仅造成钻井液浪费，还造成恶劣的环境影响，限制在低流量下携带钻屑的专用钻井液的使用，不能在钻井液中添加抑制水合物形成的化学试剂。而为了实现常规钻井液有效携带钻屑，需要增加排量，容易引起井眼冲蚀，影响井眼完整性。

（2）深水表层钻进通常采用喷射方法，由于不使用隔水管，钻井液不返回平台，难以得到井底压力数据，只能依靠海底ROV图像和目测方法确定是否有溢流发生，对井眼压力控制带来了挑战。

（3）井眼环空压力控制；深水地层孔隙压力和破裂压力间隙通常较小，对当量循环密度的控制将更加严格，提高钻井液密度的可以提高或控制某井段的稳定性，但如过高可能压漏地层，钻井液密度过低有可能发生溢流、井喷事故。以压力间隙1 ppg（0.119 8 g/cm3）为例，通常要控制ΔECD在0.5 ppg（0.059 9 g/cm3），安全余量0.2 ppg（0.024 g/cm3）。

（4）钻具及设备安全；在深水无隔水管钻井条件下，送入管柱直接暴露在海洋中，管柱受到轴向载荷和由海浪、海流力等环境载荷造成横向载荷联合作用发生纵横弯曲变形。钻井过程中引起的震动将会导致钻具、钻井设备的损坏，更严重的是导致井眼不规则等现象的发生，进而影响测井、完井等施工作业。

（5）深水高昂的钻井日费，快速钻进能缩短钻井周期和降低钻井成本，但钻井参数和钻井液体系选择不当，将会导致井漏、卡钴、井涌和井喷等事故的发生。

2.5 钻井装备安全风险

深水钻井平台体积庞大、结构复杂、造价昂贵、技术含量高，操作工况十分复杂，所以深水钻井平台必须满足以下特殊要求：（1）必须满足防火、防爆、防腐蚀的要求，而且要有完善的监控系统，以防止事故发生。海上钻井平台必须配备应急设备，以保证全平台的生活和动力用电，避免卡钻事故的发生。（2）结构安全；在风、浪、流的载荷导致结构倒塌；由于疲劳和环境腐蚀、材料老化使结构的强度损失超过其设计寿命。受到各类船舶与平台设施的撞击时结构完整，功能正常。要求钻机各部件的性能都十分可靠，且经久耐用，尤其是平台的供电设备必须十分可靠。一旦断电停产，不仅会造成经济损失，而且可能造成重大事故。（3）拖航及定位安全；钻井平台海上拖航（自航）是死亡事故风险的主要来源之一。作业工况下锚链、动力定位系统的安全可靠性。

2.6 后勤供应及保障

深水钻井离岸距离远，作业环境复杂、钻井作业工况多、应急储备物料多，必须满足准确性、及时供给性、成本优化性和应急保障性等要求。另外在正常钻井时需要储备大量用于应急处理材料和工具，给平台储存能力以及后勤供应保障提出了挑战。

3 深水钻井风险评估

3.1 深水钻井作业风险评估流程

为使风险评估方法能够有效运行，必须按照严格的评估流程进行具体风险评估。主要包括风险识别、风险量化分析、风险应对计划制定和风险评估结论确定等四个重要流程。风险评估，即根据潜在风险发生的概率和危害度确定风险是否能被接受，是否需要采取对应措施进行防范。为了度量安全事故造成的潜在影响，将深水钻井安全事件可能发生概率（如表1）、风险影响等级的确定（如表2）。

通过对危险的可能性等级和严重性等级的定性分析得到可比较的风险评价（如图1）。横坐标表示后果，纵坐标表示可能性，两者决定的区域为风险区，其中绿色为低风险，黄色为中等风险区，橘红色为中高风险区，红色为高风险区。

表1 风险发生概率的解释性说明

可能性权重解释说明

可忽略 1 每500口井发生次数小于1次

低 2 每100口井发生次数小于1次

中 3 每10口井发生次数小于1次

高 4 每10口井发生次数大于1次

表2 风险影响等级的确定

风险影响等级权重定义或说明

可忽略 1 低作业时间损失，轻微污染，有限设备损坏（少于$15万），时间损失（小于一天）

一般 2 延长作业时间，原油泄漏10m3以下，或者持续一天天然气井喷，设备损失小于$50万，时间损失小于30天

严重的 3 1人伤亡，原油泄漏100m3，长时间气体井喷（小于30天），设备损失小于$1500万，时间损失小于100天

非常严重（灾难的） 4 人员伤亡大于1人，污染失控，设备、时间损失巨大

图1 深水钻井作业定性风险矩阵

3.2 评估算例

某海域深水井，水深1 500 m，海水密度假定为1 025 kg/m3，海流流速2.0 m/s，月平均气温最大28.7℃（7月），最小21.4℃（1月）。根据井场调查数据和邻井资料分析，分析浅层灾害风险评估结论如表3。

表3 某深水井浅层灾害风险评估

风险意外事件可能后果可能性严重度风险值

浅层灾害

溢流时间损失中一般 6 井喷

井底发生井喷

油气在平台下、海底溢出

低严重 6 油气井喷到平台上，引起人员伤亡、

起火爆炸，造成环境污染，平台损坏

可忽略灾难 4 地下井喷

时间损失，低严重 6

隔水管损坏低严重 6

失去控制可忽略灾难 4 井口失稳防喷器组倾斜低严重 6 井漏损失时间高一般8

4 深水钻井风险应对策略

4.1 采用海底调查降低作业风险

1998年，印度ONGC公司对其位于Cochin地区的Sagar Vijay号钻井船开往Krishna Godavari盆地用于钻深水探井。但由于没有进行井场调查，只是在设计阶段开展一些桌面研究工作，分析了50年以来收集到的所有气旋数据后，确定钻探井位处的海流速度约为2节以下。而实际海流速度超过了4节，钻井船无法进行正常作业，造成直接经济损失高达1800万美元，而井场调查大约只需约200万美元[6]。

通过海底调查数据，评价深水油气勘探井场的适宜性以及为井场灾害性地质现象的预防提供基础资料，主要包括：潜在钻井地质灾害识别（浅层气、浅层水）、浅层土质工程特性评价、水深测量、海床上的障碍物调查、水体的参数（潮、流）观测等。

4.2 精细钻井设计、详细作业程序和严格管理措施

深水钻井作业作业风险高，工程师应该提供风险因素考虑全面设计书，有必要针对深水特殊问题开展专题研究，比如导管下入深度分析、井口稳定性分析、压井管线摩阻计算，要预测地层孔隙压力和破裂压力，选用合理的钻井液密度，安全井身结构，并制定各种风险详细的应急预案。作业要应严格按照施工设计的要求精心操作，使用随钻测压工具等井下设备监测井下压力、温度等参数，在阻流管线上安装压力表监测环空压力，实时观测泥浆池液位变化。发生异常情况，应立即按照应急预案执行。另外，钻井团队应有严格的监督管理体制，切实做到“有规必依”。

4.3 采用先进的钻井技术及钻井装备

采用双梯度钻井技术控制浅层灾害；由于双梯度钻井系统是一个闭环系统，在钻井液中添加水化抑制剂，可以预防钻井液和钻井设备中天然气水合物的形成，控制钻井过程中天然气水合物的分解可能引起严重的井控问题。另外双梯度钻井系统具有快速的溢流监测优势，当水合物分解进入井眼，海底泵入口压力就会增加，海底泵流量将会自动增加进行补偿，接着泥浆池液面高度增加。司钻通过增加海底泵出口压力，降低海面泵的出口压力，调节海底泥浆返回系统背压控制，防止水合物分解，分解的水合物可以安全的从井眼中循环出，恢复快速钻井。

采用底部锤击法[7，8]增加导管下入深度控制浅层水流动。与常规的顶部锤击相比，该技术可使30"的导管柱下入更深。可确保导管鞋能承受海底泵控制的SWF背压。低压井口头也将做为桩的一部分打入以确保套管打入到预定的深度，然后钻进26〞或24〞井眼，整个作业钻井液全部返回平台。可使20〞套管下入泥线下1 800 m。

选用钻井船在考虑工作能力同时，应要求海面井控设施完备，水下防喷器系统功能完备，具有海底

应急关断功能。选择性配置防喷器死机系统（失去海面的电信号和液压信号时，启动死机系统，完成剪切关井功能）、EDS系统（在规定时间内，按控制系统既定顺序完成关井、解脱等动作）、自动剪切系统（当LMRP与水下防喷器组意外脱开时会激发自动剪切系统，剪断管柱，关闭井口）、ROV控制界面、声纳（无线遥控）功能等。

5 结论

（1）分析了深水钻井作业可能的工程风险，包括：恶劣环境、浅层地质灾害、井喷、井漏等可能风险，而实际上深水钻井作业是一个系统工程，还包括其他风险：经济风险、生态环境风险、社会政治风险等，需要进一步研究。

（2）提出一种实用深水钻井风险评估方法，以事件可能发生概率、风险影响等级确定定性风险矩阵。提出采用海底调查、精细钻井设计、制定详细作业程序和严格管理措施，以及采用先进的钻井技术及钻井装备等最大限度的降低深水钻井作业风险。我国深水钻井刚刚起步，本文研究对工程应用具有一定参考意义。

参考文献

[1] 鲍才旺，姜玉坤．中国近海海底潜在地质灾害类型及其特征[J]．热带海洋，1999，18（3）：24-31．

[2] 陈俊仁，杨木壮．南海潜在地质灾害因素研究[J]．工程地质学报，1996，4（3）：34-38．

[3] Brandee Anastacia Marie Elieff. Top hole drilling with dual gradient technology to control shallow hazards[D]. Texas: Texas

A&M University, 2006．

[4] 何小军．北海深水钻探：挑战与新解决方案[J]．中国造船，2002．43（增刊）：19-27．

[5] M M S. Shallow Waterflows Can Pose Significant Hazards to Deepwater Drilling[S]. 2010.

[6] Chevron B P. Floating Drilling Manual[S]. 2007.

[7] Jonggeun Choe, Hans C, Juvkam-Wold. Unconventional method of conductor installation to solve shallow water flow

problems[C]//SPE 38625, 1997．

[8] Jonggeun Choe, Hans C, Juvkam-Wold. Pile driving analysis for top hammering and bottom hammering[J]. Journal of

Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2002.