北極圈內喀拉海磁翻板液位計技術研究

    摘要：北極海域極寒環境下，海上鉆井面臨時間窗口窄、淺層危害大，地層情況不明，溫度低、海況差、補給困難等諸多挑戰。但是，這些“困難和挑戰”完全可以通過高效的鉆井組織效率、淺層危害物識別與控制、井身結構的優化設計、提高鉆進過程中的機械鉆速、寒帶水下井控保障等手段來縮短磁翻板液位計周期，提高磁翻板液位計效率，使得我國在北極進行鉆井成為可能。本文以列寧格（Leningradskoye GCF）3#井（簡稱L3井）為例，研究了北極極寒海域磁翻板液位計的困難和解決措施，為北極資源的開發提供借鑒。

    受特殊的地理位置和自然環境制約，北極開發近百年歷史，卻只有瑞士、挪威兩個國家順利完成北極深水鉆探任務。相比于大多數海上油氣盆地，北極大陸架、大陸坡地區因極端惡劣的自然氣候條件，遠離陸上油氣工業基礎設施，生態環境脆弱和海上邊界糾紛等原因，油氣資源開采進展非常緩慢。可以說，放眼整個國際市場，極地水域鉆井項目的成功經驗都極度匱乏[1]。

    2011年，俄羅斯天然氣工業公司（以下簡稱俄氣）在喀拉海和伯朝拉海許可區進行了大范圍的地震勘探，并得到了12個區塊的勘探許可證。擁有這樣多區塊的俄氣不能單獨開發，所以選擇了中國石油公司合作。L3井就是俄羅斯石油公司與中國石油公司首度合作開發的一口井。

    1  L3井區域概況
    1.1  地理條件
    列寧格勒（Leningradskoye GCF）3#井位于喀拉海大陸架的西南部，距離亞馬爾半島西北部130km，該區塊面積達8482平方公里，水深在80~160m之間。井位距離較近的海岸線約為99.84km，距離東南方向較近的居住區約130公里。

    1.2  勘探歷史
    1989年俄羅斯聯邦國有企業“Arcticmorneftegazrazvedka”在該區域鉆探了1#勘探井，深度2453m。1990年在對14層含油氣可能性較高的地層測試過程中發現有油氣顯示，產量為7.5-40.2萬m3/d，并發現了Lenigradskoye GCF區塊，同年，在該區域鉆探2#井，深度2502m，未進行測試。由此可見，俄羅斯在該海域內的鉆探經驗匱乏，對儲層的認識較少。

    1.3  氣象條件
    喀拉海為高緯度地區，太陽輻射量小，氣候寒冷，該區域全年平均氣溫為-6~-10℃。由于受到北
極寒流與中緯度暖流的頻繁交替，導致氣候非常不穩定，氣溫變化幅度大，風暴多，相對濕度高。從6月中旬到11月上旬，喀拉海夏季主要吹北風，平均風速約5~6m/s。

    1.4  海區冰況
    每年的十月份到十一月份，作業區域開始結冰，次年的四月份冰開始融化，至七八月份喀拉海可以通航。根據冰況，拖航/航行作業應當計劃6月中旬至11月上半月開始，在這些線路航行時，必須時刻小心并經常目視及借助雷達觀察海面，在沿岸區根據冰況和危險航行深度選擇路線，在開闊海域內，根據冰況選擇路線，海中可能存在浮冰。

    1.5  地質概況
    喀拉海屬于西西伯利亞油氣盆地的北部。喀拉海大陸架油氣資源豐富，主要以天然氣為主，但沉積和構造特征較為復雜。

    2  施工風險與難點
    2.1  環境是制約磁翻板液位計的主要因素
    北極海冰數量巨大，海冰和冰脊撞擊會對鉆井平臺和海底管道造成嚴重危害。北極海上作業除要求配備較高抗撞能力的鉆井船或浮動鉆井平臺外，還需配備先進的海冰監控設備；極地特有的極晝現象會對作業人員和現場工作開展帶來較大困擾，一是淡化睡眠動機，降低睡眠質量，二是帶來較大的負面情緒波動，三是強烈的紫外線會造成短暫眩暈等視覺傷害；惡劣環境下，平臺基本與外界隔絕，如果此時出現重大安全事故，外部資源很難采取有效介入，損失可能會非常慘重。

    2.2  后勤補給困難
    北極周邊國家中，俄羅斯的摩爾曼斯克港是較好的的全年不凍港，符合物資及人員轉運的安全需求。但港口距離井位約1500km，船舶往返至少需要7天時間，在復雜的極地環境面前，供應鏈相對單一、脆弱，一旦斷裂，平臺可能就要陷入長期無補給狀態。

    2.3  極地環境脆弱
    北極地區緯度高、氣溫低，生態環境在遭受破壞污染后，恢復速度異常緩慢，影響會持續數十年以上。同時，清潔工作很難在極地地區有效開展，溢油等污染不僅會導致大量生物的死亡，還會隨著強風、冰凍等，擴散到極地各個角落，招致更大的災難。北極地區生態環境脆弱，污染之后將要面臨巨大的經濟制裁和國際輿論壓力。

    2.4  極地鉆井工藝面臨挑戰
    列寧格勒油田區塊為初期勘探，基本無鉆井資料參考，該區塊的作業環境、海底地貌、淺層潛在的地質危害因素、地層壓力系統等資料缺乏，同時缺少深水低溫條件下鉆井液、水泥漿與施工工藝，以及成熟的窄密度窗口條件下的鉆井、井控等工藝技術。這直接導致鉆井設計、井身結構優化、水泥漿與鉆井液體系優選、鉆進工藝優化的不確定性，鉆井風險極大。

    2.5  淺層地質危害大
    極地作業環境惡劣，對鉆井技術裝備要求更高，泥線以下淺層流體(淺層流、淺層氣、淺層水合物)的危害大、安全密度窗口窄、對井控要求高，這導致鉆井風險極大且成本較高。

    3  磁翻板液位計成功關鍵技術
    L3井是一口勘探井，設計井深2000m，作業水深105m，平臺補芯海拔26m，鉆井周期89.5天。該井實際完鉆井深2030m，測試2層，均獲得高產油氣流。

    3.1  組織管理效率的提高
    L3井磁翻板液位計過程中采用了項目管理的理念與方法，對整個項目實施進行全面科學的掌控。在項目準備階段，根據北極惡劣的作業環境、《Polar code》（極地規則）、以及北極環保的要求，針對常年在亞熱帶作業的鉆井平臺進行適應性防寒改造。

    作業過程中的主要時間節點為：2017年1月14日鉆井平臺防寒改造工程開工，4月10日開始干駁運輸，6月15日抵達摩爾曼斯克港口清關，7月11日平臺拖至井位7月13日正式開鉆 ，8月6日完鉆進行電測作業，9月26日完成試油作業，10月4日棄井結束。磁翻板液位計開鉆到棄井時間為83天，其中油氣測試時間為23天。磁翻板液位計時間比設計計劃提前5天。

    3.2  淺層危害物識別與控制技術
    由于喀拉海地區地質資料少，對該區域的淺層危害物認識不足，于是在磁翻板液位計之前，在預鉆井位處鉆8½″領眼。領眼鉆進的目的是發現和評估潛在的地質風險和淺層危險，為安裝BOP井口提供條件。計劃鉆領眼到表層套管下入位置560m，根據該海域深水地質情況和鉆井實踐表明，該方法是控制淺層氣(淺水流)較有效的方法。

    3.3  井身結構的優化設計
    L3井作業區域可供參考的地層資料匱乏，地層壓力預測具有一定的不確定性，地層的破裂壓力相對較低，泥漿密度窗口窄，井身結構設計存在挑戰。系統考慮這些因素以及作業特點，以安全第一位原則，并考慮成本因素，提出優化井身結構的思路。表層套管穿過不穩定的黏土層至200m，用海水鉆井，每打一段頂替搬土稠塞，攜帶巖屑出井，考慮到淺層氣影響，表層套管采用常規水泥固井。鉆26″井眼550m，隔離不穩定地層脫落和坍塌，安裝套管頭，為水下防噴器和隔水管形成一個封閉的循環回路。考慮到地質因素影響，L3井取消17-1/2″井眼的鉆井計劃，水下防噴器安裝后，開始鉆進12-1/2″井眼至1080m，9-5/8″套管固井。較后進行8½″井眼鉆進至2000m完鉆，下7″尾管，并進行電測和取芯。現場應用表明，設計井身結構與作業現場鉆井身結構吻合較好，鉆井過程中沒有出現因井身結構設計不合理導致的井口失穩和井下故障發生。

    3.4  提高機械鉆速
    提高機械鉆速是在狹窄時間窗口內完成鉆探任務的關鍵[2]。由于該海域作業可供借鑒資料稀少，針對L3井的井下鉆具選擇針對性還不夠成熟，領眼鉆進使用海水鉆進，使用DT1GJM RS生產的牙輪鉆頭，鉆頭入泥25m采用小鉆壓，低轉速進行鉆進，保證井眼垂直，25m以后逐漸增大鉆壓，提高轉速。36″井眼鉆進使用26″牙輪鉆頭和36寸擴眼器，從海床面以下25米到TD，機械鉆速15m/h。其他井段按照井況合理控制機械鉆速。

    3.5  寒帶水下井控保障
    在北極寒帶作業，對防噴器的正常運轉考驗極大，控制系統會出現冰堵的情況，進而影響防噴器的運轉。在防噴器的控制液中添加防凍液，合理調控控制液中乙二醇配比會防止控制系統冰堵的情況發生。針對伸縮節，根據當時海水溫度，決定冷卻水是否使用熱水；針對BOP控制系統，采用控制液乙二醇濃度30%進行沖洗；針對井口連接器，定時注乙二醇；此外，每天對室外、海面、海底溫度及隔水管水平偏移量、球接頭角度、控制液使用量、防噴器組上3個牛眼角度等關鍵數據進行統計及監控。

    4  結束語
    (1）在北極海域極寒環境下，海上鉆井面臨時間窗口窄、淺層危害大，地層情況不明，溫度低、海況差、補給困難等諸多挑戰。但完全可以通過高效的鉆井組織效率、淺層危害物識別與控制、井身結構的優化設計、提高鉆進過程中的機械鉆速、寒帶水下井控保障等手段來縮短磁翻板液位計周期，提高磁翻板液位計效率。

    (2)在極地海域環境下還要高度重視鉆井組織管理工作，只有做到鉆井工序無縫銜接、減少設備DOWNTIME才能保障磁翻板液位計工作順利完成。