北极圈内喀拉海磁翻板液位计技术研究

    摘要：北极海域极寒环境下，海上钻井面临时间窗口窄、浅层危害大，地层情况不明，温度低、海况差、补给困难等诸多挑战。但是，这些“困难和挑战”完全可以通过高效的钻井组织效率、浅层危害物识别与控制、井身结构的优化设计、提高钻进过程中的机械钻速、寒带水下井控保障等手段来缩短磁翻板液位计周期，提高磁翻板液位计效率，使得我国在北极进行钻井成为可能。本文以列宁格（Leningradskoye GCF）3#井（简称L3井）为例，研究了北极极寒海域磁翻板液位计的困难和解决措施，为北极资源的开发提供借鉴。

    受特殊的地理位置和自然环境制约，北极开发近百年历史，却只有瑞士、挪威两个国家顺利完成北极深水钻探任务。相比于大多数海上油气盆地，北极大陆架、大陆坡地区因极端恶劣的自然气候条件，远离陆上油气工业基础设施，生态环境脆弱和海上边界纠纷等原因，油气资源开采进展非常缓慢。可以说，放眼整个国际市场，极地水域钻井项目的成功经验都极度匮乏[1]。

    2011年，俄罗斯天然气工业企业（以下简称俄气）在喀拉海和伯朝拉海许可区进行了大范围的地震勘探，并得到了12个区块的勘探许可证。拥有这样多区块的俄气不能单独开发，所以选择了中国石油企业合作。L3井就是俄罗斯石油企业与中国石油企业首度合作开发的一口井。

    1  L3井区域概述
    1.1  地理条件
    列宁格勒（Leningradskoye GCF）3#井位于喀拉海大陆架的西南部，距离亚马尔半岛西北部130km，该区块面积达8482平方公里，水深在80~160m之间。井位距离较近的海岸线约为99.84km，距离东南方向较近的居住区约130公里。

    1.2  勘探历史
    1989年俄罗斯联邦国有企业“Arcticmorneftegazrazvedka”在该区域钻探了1#勘探井，深度2453m。1990年在对14层含油气可能性较高的地层测试过程中发现有油气显示，产量为7.5-40.2万m3/d，并发现了Lenigradskoye GCF区块，同年，在该区域钻探2#井，深度2502m，未进行测试。由此可见，俄罗斯在该海域内的钻探经验匮乏，对储层的认识较少。

    1.3  气象条件
    喀拉海为高纬度地区，太阳辐射量小，气候冰冷，该区域全年平均气温为-6~-10℃。由于受到北
极寒流与中纬度暖流的频繁交替，导致气候非常不稳定，气温变化幅度大，风暴多，相对湿度高。从6月中旬到11月上旬，喀拉海夏季主要吹北风，平均风速约5~6m/s。

    1.4  海区冰况
    每年的十月份到十一月份，作业区域开始结冰，次年的四月份冰开始融化，至七八月份喀拉海可以通航。根据冰况，拖航/飞行作业应当计划6月中旬至11月上半月开始，在这些线路飞行时，必须时刻小心并经常目视及借助雷达观察海面，在沿岸区根据冰况和危险飞行深度选择路线，在开阔海域内，根据冰况选择路线，海中可能存在浮冰。

    1.5  地质概述
    喀拉海属于西西伯利亚油气盆地的北部。喀拉海大陆架油气资源丰富，主要以天然气为主，但沉积和构造特征较为复杂。

    2  施工风险与难点
    2.1  环境是制约磁翻板液位计的主要因素
    北极海冰数量巨大，海冰和冰脊撞击会对钻井平台和海底管道造成严重危害。北极海上作业除要求配备较高抗撞能力的钻井船或浮动钻井平台外，还需配备先进的海冰监控设备；极地特有的极昼现象会对作业人员和现场工作开展带来较大困扰，一是淡化睡眠动机，降低睡眠质量，二是带来较大的负面情绪波动，三是强烈的紫外线会造成短暂眩晕等视觉伤害；恶劣环境下，平台基本与外界隔绝，如果此时出现重大安全事故，外部资源很难采取有效介入，损失可能会非常惨重。

    2.2  后勤补给困难
    北极周边国家中，俄罗斯的摩尔曼斯克港是较好的的全年不冻港，符合物资及人员转运的安全需求。但港口距离井位约1500km，船舶往返至少需要7天时间，在复杂的极地环境面前，供应链相对单一、脆弱，一旦断裂，平台可能就要陷入长期无补给状态。

    2.3  极地环境脆弱
    北极地区纬度高、气温低，生态环境在遭受破坏污染后，恢复速度异常缓慢，影响会持续数十年以上。同时，清洁工作很难在极地地区有效开展，溢油等污染不仅会导致大量生物的死亡，还会随着强风、冰冻等，扩散到极地各个角落，招致更大的灾难。北极地区生态环境脆弱，污染之后将要面临巨大的经济制裁和国际舆论压力。

    2.4  极地钻井工艺面临挑战
    列宁格勒油田区块为初期勘探，基本无钻井资料参考，该区块的作业环境、海底地貌、浅层潜在的地质危害因素、地层压力系统等资料缺乏，同时缺少深水低温条件下钻井液、水泥浆与施工工艺，以及成熟的窄密度窗口条件下的钻井、井控等工艺技术。这直接导致钻井设计、井身结构优化、水泥浆与钻井液体系优选、钻进工艺优化的不确定性，钻井风险极大。

    2.5  浅层地质危害大
    极地作业环境恶劣，对钻井技术装备要求更高，泥线以下浅层流体(浅层流、浅层气、浅层水合物)的危害大、安全密度窗口窄、对井控要求高，这导致钻井风险极大且成本较高。

    3  磁翻板液位计成功关键技术
    L3井是一口勘探井，设计井深2000m，作业水深105m，平台补芯海拔26m，钻井周期89.5天。该井实际完钻井深2030m，测试2层，均获得高产油气流。

    3.1  组织管理效率的提高
    L3井磁翻板液位计过程中采用了项目管理的理念与方法，对整个项目实施进行全面科学的掌控。在项目准备阶段，根据北极恶劣的作业环境、《Polar code》（极地规则）、以及北极环保的要求，针对常年在亚热带作业的钻井平台进行适应性防寒改造。

    作业过程中的主要时间节点为：2017年1月14日钻井平台防寒改造工程开工，4月10日开始干驳运输，6月15日抵达摩尔曼斯克港口清关，7月11日平台拖至井位7月13日正式开钻 ，8月6日完钻进行电测作业，9月26日完成试油作业，10月4日弃井结束。磁翻板液位计开钻到弃井时间为83天，其中油气测试时间为23天。磁翻板液位计时间比设计计划提前5天。

    3.2  浅层危害物识别与控制技术
    由于喀拉海地区地质资料少，对该区域的浅层危害物认识不足，于是在磁翻板液位计之前，在预钻井位处钻8½″领眼。领眼钻进的目的是发现和评估潜在的地质风险和浅层危险，为安装BOP井口提供条件。计划钻领眼到表层套管下入位置560m，根据该海域深水地质情况和钻井实践表明，该方法是控制浅层气(浅水流)较有效的方法。

    3.3  井身结构的优化设计
    L3井作业区域可供参考的地层资料匮乏，地层压力预测具有一定的不确定性，地层的破裂压力相对较低，泥浆密度窗口窄，井身结构设计存在挑战。系统考虑这些因素以及作业特点，以安全第一位原则，并考虑成本因素，提出优化井身结构的思路。表层套管穿过不稳定的黏土层至200m，用海水钻井，每打一段顶替搬土稠塞，携带岩屑出井，考虑到浅层气影响，表层套管采用常规水泥固井。钻26″井眼550m，隔离不稳定地层脱落和坍塌，安装套管头，为水下防喷器和隔水管形成一个封闭的循环回路。考虑到地质因素影响，L3井取消17-1/2″井眼的钻井计划，水下防喷器安装后，开始钻进12-1/2″井眼至1080m，9-5/8″套管固井。较后进行8½″井眼钻进至2000m完钻，下7″尾管，并进行电测和取芯。现场应用表明，设计井身结构与作业现场钻井身结构吻合较好，钻井过程中没有出现因井身结构设计不合理导致的井口失稳和井下故障发生。

    3.4  提高机械钻速
    提高机械钻速是在狭窄时间窗口内完成钻探任务的关键[2]。由于该海域作业可供借鉴资料稀少，针对L3井的井下钻具选择针对性还不够成熟，领眼钻进使用海水钻进，使用DT1GJM RS生产的牙轮钻头，钻头入泥25m采用小钻压，低转速进行钻进，保证井眼垂直，25m以后逐渐增大钻压，提高转速。36″井眼钻进使用26″牙轮钻头和36寸扩眼器，从海床面以下25米到TD，机械钻速15m/h。其他井段按照井况合理控制机械钻速。

    3.5  寒带水下井控保障
    在北极寒带作业，对防喷器的正常运转考验极大，控制系统会出现冰堵的情况，进而影响防喷器的运转。在防喷器的控制液中添加防冻液，合理调控控制液中乙二醇配比会防止控制系统冰堵的情况发生。针对伸缩节，根据当时海水温度，决定冷却水是否使用热水；针对BOP控制系统，采用控制液乙二醇浓度30%进行冲洗；针对井口连接器，定时注乙二醇；此外，每天对室外、海面、海底温度及隔水管水平偏移量、球接头角度、控制液使用量、防喷器组上3个牛眼角度等关键数据进行统计及监控。

    4  结束语
    (1）在北极海域极寒环境下，海上钻井面临时间窗口窄、浅层危害大，地层情况不明，温度低、海况差、补给困难等诸多挑战。但完全可以通过高效的钻井组织效率、浅层危害物识别与控制、井身结构的优化设计、提高钻进过程中的机械钻速、寒带水下井控保障等手段来缩短磁翻板液位计周期，提高磁翻板液位计效率。

    (2)在极地海域环境下还要高度重视钻井组织管理工作，只有做到钻井工序无缝衔接、减少设备DOWNTIME才能保障磁翻板液位计工作顺利完成。