海洋深水钻井早期溢流综合监测技术研究

丛军勇, 李晓东^*

(中海油田服务股份有限公司, 廊坊 065000)

摘要: 海洋深水钻井井下溢流及井喷的防控是急需解决的海洋油气开发重大难题, 行之有效的措施是发现井下早期溢流并及时采取井筒压力控制措施, 其关键在于溢流的监测。基于此, 本文分析了深水钻井井控面临的主要困难, 水深、低温环境、泥浆性能变化、窄安全密度窗口等导致井控难度增加。系统的对比分析了现有深水钻井溢流监测方法的特点, 指明了深水钻井溢流监测技术逐渐向着能够更早、更准确、更智能发现溢流的方向发展。通过分析深水钻井的井控难点和溢流监测方法的适应性, 设计了一套海洋深水钻井溢流综合监测技术核心体系, 分析了该技术体系的工作原理, 形成了以井眼随钻监测为核心、海水段监测和平台监测为辅助的系统方法, 该方法可及时、准确、自动发现井下溢流, 也可用于指导井筒压力控制作业和监控压井施工过程。本文为我国海洋深水钻井早期溢流监测技术的研究指明了方向, 具有重要的现实意义。

关键词: 深水钻井, 井控, 溢流, 气侵, 压井, 监测

DOI: 10.48014/cpngr.20241223001

引用格式: 丛军勇, 李晓东. 海洋深水钻井早期溢流综合监测技术研究[J]. 中国石油天然气研究, 2025, 4(1): 1-9.

文章类型: 研究性论文

收稿日期: 2024-12-23

接收日期: 2025-01-06

出版日期: 2025-03-28

1　引言

全球深水区油气资源丰富，全球深水区石油储量超过150亿吨^[1]。近年来，全球已证实有油气田的深水盆地主要包括墨西哥湾盆地深水区、西非陆缘深水区、巴西大坎波斯盆地、中国南海深水区等9个^[2]。据统计，2013—2017年，全球新发现大于2亿桶的大型油气田总共91个，其中，52个分布在深水区或超深水区，全球油气勘探开发的热点主要位于海域深水区-超深水区^[3]。中国南海的油气资源量占中国油气资源总量的1/3以上，其中深水区油气资源占比为70%，为中国油气资源的重要潜力与增长区，对南海深水油气资源的勘探开发是保障能源安全、维护海洋权益、践行海洋强国的重大战略^[4]。

随着海洋深水区和超深水区油气勘探开发的持续进行，海洋钻探的水深也在不断增加，例如，2003年，Transocean在墨西哥湾创造了水深超过3000m的世界纪录3051m;2011年，Transocean在印度洋海域创造了新的世界纪录3107m;2013年，Transocean在印度洋海域再次刷新了世界纪录，水深达到3165m和3174m^[5]。自2012年“海洋石油981”建成以来，中国海油正式向深水油气勘探开发进军，具备了1500m(超)深水油气田开发的钻完井作业能力，支撑了我国首个自营超深水大气田——“深海一号”的成功投产，实现了由300m水深到1500m水深、由勘探到开发的伟大跨越，创造了西太平洋第一水深2619m的钻探纪录^[6]。因此，全球海洋油气工业正逐步迈向水深更深、环境更加复杂的深水区域。伴随钻探水深的不断增长，钻井环境也愈发恶劣，钻井难度不断增加，使得海洋深水钻井风险大大增加^[7]。

海洋深水钻井过程中，井筒压力小于地层压力时，地层流体将流入井筒，如未能及时得到有效控制，地层流体将持续流入井筒，首先表现为溢流，而后是井涌，随之可能发生井喷，情况严重的可发展为井喷失控。井喷失控是性质恶劣、损失巨大的钻井工程灾难性事故。例如，2010年墨西哥湾“深水地平线”钻井平台井喷漏油事故和2011年蓬莱19-3油田溢油事故等^[8-9]，这些事故的危害都是巨大的，不仅造成巨大的经济损失和人员伤亡，而且还造成海洋污染和生态破坏。因此，海洋深水的复杂恶劣环境造成了新的井筒压力控制问题，深水溢流及井喷的防控在深水油气开发中占据了极其重要的作用和地位。解决深水钻井溢流及井喷问题，行之有效的措施是溢流的监测/诊断/预警，并及时采取井筒压力控制措施，其关键在于溢流的监测^[10-13]。为此，分析海洋深水钻井井控面临的主要困难，对比分析深水钻井井下溢流监测方法，并建立井下溢流监测、预警及压井动态监控的综合技术，对于深水溢流及井喷的防控具有极其重要的作用和现实意义，还可为海洋石油开发提供技术支持，确保海洋石油开发更加安全科学高效，防止海洋污染事故的发生，从而推动我国海洋石油勘探开发的迅速健康的发展，为我国带来更大的社会经济效益。

2　深水钻井井控面临的主要困难

深水钻井井控与浅水和陆地钻井存在不同，深水钻井井控防喷器(Subsea Blow-Out Preventer，SBOP)置于海水环境，使得井控受水深的严重影响，大幅度增加了井控的难度。通过调研分析和总结，不难发现深水钻井井控面临的主要困难和挑战表现为以下几方面^[7，14-18]:

(1)钻井水深导致井控难度增加:随着水深的增加，地质不确定因素变多，主要表现为地层孔隙压力预测不准、地层破裂压力预测不准、存在浅层流风险、表层地层松软、容易生成水合物;随着水深的增加，井筒高压环境下气体与钻井液间存在严重的滑脱效应，使得气体井涌威胁将以指数规律增加而非线性增加;伴随水深的不断增加，井涌余量迅速减少，井控设备可靠性降低;这些都给深水井控提出了更大的挑战，使井控的难度大幅度增加。

(2)深水低温环境导致井控难度增加:深水环境中的温度分布规律与浅水和陆地不同，海床以上温度随水深增加而下降，在海床处温度最低(一般低于4℃);海床以下温度则随深度增加而上升。深水低温环境带来了一系列问题，如循环压耗增加、井内压力增加、泥浆流变性变差、天然气水合物容易堵塞钻井液循环体系(堵塞SBOP管线、隔水管和水下井口头等)，这些给井控带来了极大的风险，导致井控难度增大。

(3)窄安全密度窗口导致井控难度增加:由于海水代替了上覆岩层压力，使得上覆岩层压力偏低，地层其作用下欠压实，导致破裂压力较小，而孔隙压力受水深影响较小，这表现为窄安全密度窗口(即孔隙压力和破裂压力的差值)。而且，随着水深的增加，安全密度窗口会继续降低，若井筒压力低于孔隙压力可能诱发井喷，若井筒压力高于破裂压力可能诱发井漏，这给井控提出了更加严苛的挑战。

(4)节流、压井管线内摩擦损失较大导致井控难度增加:深水钻井中节流、压井管线较为狭小，导致循环压耗较大，深水低温环境使情况进一步恶化;节流、压井管线体积减小会在管线底部产生“气体交换效应”(即管线内迅速被气体充满，导致静水压头迅速降低)，只有通过快速节流平衡地层孔隙压力;这些问题也导致深水井控变得十分困难。

(5)气体被封闭在防喷器组中造成井控隐患:循环井涌时，防喷器组中的气体不能完全被排出，形成气体聚集，由于深水钻井防喷器组处于海底，聚集气体压力较高若不能加以控制，再次打开防喷器组时气泡扩张会造成严重后果。

海洋深水钻井井控作业面临着诸多的困难和挑战，主要受限于井下溢流的监测、预警及压井的动态监控，为解决深水井控面临的困难，必须发展新型可靠的监测/预警技术和有效的井控方法以防止井喷事故的发生，为海洋深水钻井安全提供坚实的理论基础和技术保障。

3　深水钻井溢流监测技术的对比分析

深水钻井可以分为隔水管钻井技术和无隔水管钻井技术，其中，隔水管钻井技术包括常规隔水管钻井、隔水管双梯度钻井、隔水管多梯度钻井等多种方法，无隔水管钻井技术包括表层无隔水管钻井、表层无隔水管喷射下导管、表层动态压井钻井(Dynamic Kill Drilling，DKD)、表层无隔水管套管钻井、无隔水管海底钻井液举升钻井、无隔水管海底钻井液举升钻井等等。这些深水钻井技术又可以分为无法建立海底至平台循环和能够建立海底至平台循环两种方法。深水钻井井控与浅水和陆地钻井存在不同，深水钻井隔水管长度更长，可以在钻井平台、海水段和井眼中进行溢流的监测。根据深水钻井所具有的特殊情况和井下溢流监测的位置，可以将井下溢流监测方法分为:平台监测、海水段监测、井眼随钻监测3种方法^[10]。而根据溢流发生后表现出的宏观特征，可以采取不同形式的测量和监测方式。为此，根据目前主流的井下溢流监测技术现状的物理测量原理，将平台监测、海水段监测和井下随钻监测三个层面的溢流监测方法的进行分类总结和对比^{[7-13，19-54]}，如表1所示。

表1　深水钻井井下溢流监测方法及其特点^{[7-13，18-54]}

Table 1　The characteristics of downhole kick detection technology for deepwater drilling

注:DAPC(Dynamic annular pressure control)，MFC(Micro flow control)，SMD(Subsea pump mudlift drilling)，ROV(Remote operated vehicle)，PWD(Pressure while drilling)，APWD(Annulus pressure while drilling)，PTWD(Pressure and temperature while drilling)，LWD(Logging while drilling)。

由表1不难看出:(1)平台监测方法在一定程度上能够满足隔水管钻井的基本需求，但平台监测方法的精度较低且存在明显的滞后性，不利于溢流的早期监测。海水段监测方法在较大程度上弥补了平台监测方法的不足，但是，海水段监测的手段有限，其监测溢流的方法仍然存在一定的滞后性。根据溢流的产生及其演变规律，在刚开始发生溢流的阶段控制井筒压力，防止溢流继续发生，其控制难度和控制方式、方法均比较容易，而且控制成功率非常高，基本不会出现井喷和井喷失控的情况，为此，需要在更深的井眼中监测早期溢流，这说明溢流监测正逐步向更早、更准确发现溢流的方向发展。(2)深水钻井井下溢流监测方法中，适合于快速监测井下溢流的方法包括:井口声波监测法、井口流量监测方法、海水段监测法、井下随钻监测法和综合监测法，这些方法的能够比常规监测方法更早、更快的监测出井下溢流。其中，流量监测方法适合于井口、海水段和井眼三个层面，因为井下溢流导致的流量变化将快速的传递至井口，即流量测量方法的传递和响应速度是最快到达井口的，监测的时效性最强;井口声波监测方法与流量监测方法有比较相似的监测时效特性，即通过井口向井筒环空发射声波，也可快速地检测和识别井下溢流，其时效性也非常强;声波监测方法、气测方法、液面监测方法、流体特性监测方法、压力监测方法、温度监测方法等需要溢流发展至测点或测点以上的井段方可监测和识别，因此这类方法存在一定的滞后性，因此，越靠近钻头的位置可以更早的监测出井下溢流。

4　深水钻井溢流综合监测和识别技术

目前，国内还没有针对海洋深水钻井的井下溢流早期监测和识别成熟技术，而溢流监测正逐步向更早、更准确、更智能发现溢流的方向发展，这就需要从平台监测、海水段监测、井下随钻监测三个方面综合考虑和设计，并综合利用大数据、人工智能、机器学习等先进技术^[55-59]。为此，依据深水钻井、深水井控和溢流监测方法的综合特征，优选出了适用于海洋深水钻井早期溢流监测的方法，包括:泥浆池液面监测法、综合录井方法、隔水管压力梯度监测法、井口流量监测法、PWD/LWD监测法、超声波流量法、ROV监测方法、随钻井下流量测量法、随钻压力梯度测量法、随钻声波监测气侵方法等，同时，集成大数据、人工智能、机器学习等先进技术，以提升井下溢流识别的精度和智能化程度，其工作原理如图1所示。

图1　早期溢流综合监测和识别技术工作原理

Fig.1　Principle of monitoring and recognition integrated technology for early kick

(1)通过井眼随钻监测方法及时地在溢流发生的初期监测井下溢流及溢流流体性质，其中PWD/LWD是目前深水钻井常用的方法之一，随钻井下流量是一种监测早期溢流的新技术，随钻声波监测气侵主要用于监测和识别井下气体侵入，这三种方法与传统溢流监测方法的主要差别是几乎不存在监测时效滞后的问题，这样就能做到在早期监测和识别井下溢流。其中，通过声波及其属性进行井下溢流识别的技术和方法已经成为发展的热门方向，各大油田技术服务公司、开发公司正在开发相关仪器和监测方法，以期解决深水钻井、高压气井钻井等复杂情况下的井下溢流问题，以降低溢流的风险，确保安全、高效钻井。

(2)通过海水段监测方法辅助监测井下溢流，考虑到技术的成熟性和可靠程度，在海水段采用隔水管压力梯度、超声波流量法、ROV监测三种方法，其中管压力梯度监测的原理简单、可靠性强，超声波流量法利用超声波测量钻柱与隔水管之间环空流体流量和含气量，ROV监测方法主要用于解决无法建立正常循环的特性情况(如表层钻井)，这三种方法的可靠性相对较高，而且可以井眼随钻监测无法监测和识别的上部井段溢流方面的监测，其监测早期溢流的时效性比井眼随钻监测方法稍微差一些。

(3)平台监测方法，主要以井口流量监测为主，以综合录井和泥浆池液面监测法为辅助，其中发现溢流的时间最早的是井口流量监测法，其次是综合录井监测法，最后是泥浆池液面监测法。目前，井口流量监测法已经成为国内外溢流监测的核心手段，例如，Schlumberger公司的动态环空压力控制系统(DAPC)、Halliburton公司的Geo Balance控压钻井系统、Weatherford公司微流量控制钻井系统(MFC)、Mezurx公司的FADS流体异常监测系统和中石油川庆钻探CQMPD-I精细控压系统等，均实现了井口流量监测识别井下溢流^[12]。这样便形成了海洋深水钻井早期溢流的监测和识别技术体系，通过井眼随钻监测方法及时的发现井下溢流;若井下随钻工具由于信号传输、可靠性、误报等原因无法准确发现井下溢流，则通过海水段监测方法作为第二道准确发现井下溢流的屏障;若井眼随钻监测方法和海水段监测方法均无法准确发现井下溢流，则以平台监测方法作为井下溢流监测的最终屏障;可以看出，三者之间呈现出逐步递进的关系，发现溢流的时间最早的是井眼随钻监测方法、其次是海水段监测方法、最后是平台监测方法;三种方法互相独立、互为补充，通过实时数据的交叉比对，可以确保准确的发现井下溢流，并防止常规监测方法出现误报、错报等问题。另外，溢流早期监测和识别技术可以用于监控井下压井施工、指导井筒压力控制作业及其过程，还可以用于指导井筒压力的精确控制，从而确保海洋深水钻井的安全。

(4)综合利用大数据、人工智能、机器学习等先进技术，实现井下溢流的高精度、自动化和智能化识别。在深水钻井过程中，需要综合利用钻井实时录井大数据，并结合井眼随钻监测、海水段监测和平台监测多源数据，采用人工智能和机器学习算法，建立正常钻井工况(开停泵、起下钻、钻进、倒划眼)与异常工况(溢流、漏失)的随钻监测、海水段监测、平台监测与录井参数响应模式识别方法，同时，还应建立海洋钻井船升沉运动过程中随钻监测、海水段监测、平台监测与录井参数响应模式识别技术，以排除正常钻井工况和海洋特殊工况对溢流识别的影响，从而实现基于多源大数据和人工智能的井下溢流实时准确识别，并在识别井下溢流后井下溢流预警，以指导井控作业、确保钻井安全，该方法还可用于压井施工过程的监控和指导井筒压力控制作业。

5　结论及建议

(1)海洋深水钻井中由于井控防喷器位于深水环境，使得深水井控难度远比陆地钻井难度大，同时由于受水深、低温环境、泥浆性能变化、窄安全密度窗口、节流压井管汇循环摩阻大等因素影响，进一步加大了深水井控的难度。

(2)从平台监测、海水段监测和井下随钻监测三个层面分别整理出现有监测方法的监测原理、现状和特点，从而以监测方法的成熟度、监测精度、时效性、可靠性等方面对比分析了现有溢流监测方法的特点，并指明了深水钻井溢流监测技术的发展方向，溢流监测逐渐向着能够更早、更准确、更智能发现溢流的方向发展。

(3)通过对比现有溢流监测方法的差异和特点，结合深水钻井井控难点和相关监测方法及其原理的适应性，利用大数据、人工智能、机器学习等方法，设计了一套海洋深水钻井溢流综合监测技术核心体系，分析了该技术体系的工作原理，从而形成了以井眼随钻监测和平台监测为核心、海水段监测为辅助的系统方法，该方法可及时、准确、自动发现井下溢流，还可用于压井施工过程的监控和指导井筒压力控制作业。

利益冲突: 作者声明没有利益冲突。

^[①] *通讯作者　Corresponding author:李晓东，1958036253@qq.com
收稿日期:2024-12-23;　录用日期:2025-01-06;　发表日期:2025-03-28

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Integrated Technology of Early Kick Detection for Offshore Deep-Water Drilling

CONG Junyong, LI Xiaodong^*

(China Oilfield Services Limited, Langfang 065000, China)

Abstract: The prevention and control of kick or blowout for offshore deep-water drilling is a major issue facing the offshore oil and gas development. The effective means is the kick early detection technology, and respond in a timely manner. The key lies in the monitoring of kick. Based on this, this article analyzed the main difficulties facing well control problem in deep-water drilling, due to factors such as water depth, low temperature environment, changes in mud performance, and narrow safety density window, which cause increased difficulty in well control. The characteristics of existing kick detection methods for deep-water drilling were contrasted and analyzed systematically, and indicated the development direction of being able to detect overflow earlier, more accurately, and intelligently of kick detection technology for deep-water drilling. By analyzing the well control difficulties of deepwater drilling and the adaptability of overflow monitoring methods, designed a core technology system of kick integrated detection for deep-water drilling, and analyzed the working principle of this system, the systemic method with borehole monitoring as the core, ocean floor and platform. monitoring method as auxiliary have been formed. This method not only can be used in kick early detection, but also can be used in comprehensive monitoring during kick-killing and accurate control down-hole pressure. This paper have been pointed out the research direction of kick detection technology for offshore deep-water drilling, it has very important practical significance.  

Keywords: Deep-water drilling, well control, kick, gas cut, kick-killing, survey

DOI: 10.48014/cpngr.20241223001

Citation: CONG Junyong, LI Xiaodong. Integrated technology of early kick detection for offshore deep-water drilling[J]. Chinese Petroleum and Natural Gas Research, 2025, 4(1): 1-9.