深水噴射下表層導(dǎo)管合理鉆頭伸出量計(jì)算

楊進(jìn)，嚴(yán)德，田瑞瑞，周波，劉書杰，周建良，唐海雄

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中海石油（中國）有限公司北京研究中心；3.中海石油深海開發(fā)有限公司）

0 引言

噴射法下表層導(dǎo)管是為適應(yīng)深水海床土質(zhì)疏松的特點(diǎn)和避免淺層地質(zhì)災(zāi)害而發(fā)展起來的深水鉆井技術(shù)[1-8]。該技術(shù)的基本工藝為：作業(yè)時(shí)將導(dǎo)管和鉆具組合為一體，通常由牙輪鉆頭水眼噴射出的水流沖刷土體形成鉆孔，導(dǎo)管和鉆具的組合體利用自重下入至設(shè)計(jì)深度，然后解脫導(dǎo)管和鉆具，完成二開井眼鉆進(jìn)后上提鉆具并將鉆具送至鉆井船[9-10]。在噴射鉆進(jìn)過程中，鉆頭底部伸出導(dǎo)管鞋的長度稱為鉆頭伸出量，它始終保持不變，即鉆頭與導(dǎo)管在豎直方向上成為一體，同步下入地層[11]。合理的鉆頭伸出量能使鉆頭底部土體被充分沖刷，破碎的泥屑能及時(shí)從導(dǎo)管內(nèi)部環(huán)空返出，提高導(dǎo)管下入速度。不合理的鉆頭伸出量則會(huì)導(dǎo)致土體無法受到有效沖刷或泥屑在導(dǎo)管鞋處堵塞，從而降低作業(yè)時(shí)效甚至造成導(dǎo)管下入失敗。目前，針對(duì)深水噴射法下表層導(dǎo)管技術(shù)的研究主要集中在導(dǎo)管入泥深度設(shè)計(jì)、水下井口穩(wěn)定性分析和工程應(yīng)用實(shí)例等方面，未見對(duì)鉆頭伸出量設(shè)計(jì)和優(yōu)化的研究報(bào)道[12-15]。工程實(shí)際作業(yè)中主要憑經(jīng)驗(yàn)確定鉆頭伸出量，無理論依據(jù)且不確定性大。本文通過理論推導(dǎo)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)噴射法下表層導(dǎo)管技術(shù)中的鉆頭伸出量進(jìn)行研究，建立其計(jì)算模型，為合理鉆頭伸出量的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 理論假設(shè)與模型建立

在噴射鉆井中，鉆井液通過鉆頭噴嘴噴射而產(chǎn)生水射流，以實(shí)現(xiàn)井下的破巖和清巖。鉆井液經(jīng)鉆頭噴嘴流出后，不僅被井筒中的液體淹沒，而且還受到井壁和井底的限制以及反噴射流的干擾，所以從鉆頭噴嘴流出的射流是淹沒非自由射流[16-17]。此外，由于鉆頭上的噴嘴均為圓形，所以這種射流又屬于圓形射流，具有軸對(duì)稱性[18-19]。

為建立合理鉆頭伸出量計(jì)算模型，首先分析不同鉆頭伸出量產(chǎn)生的噴射鉆進(jìn)效果。當(dāng)鉆頭伸出量過小時(shí)（鉆頭噴嘴處于導(dǎo)管鞋上部且軸向距離大），射流束將部分或全部作用在導(dǎo)管內(nèi)壁，不能充分破碎土體和清潔井底，導(dǎo)致成孔和鉆進(jìn)效率低下；當(dāng)鉆頭伸出量過大時(shí)（鉆頭噴嘴與導(dǎo)管鞋軸向距離小甚至處于導(dǎo)管鞋下部），射流束將會(huì)過度沖刷破壞鉆頭底部土體，使破碎的泥屑從導(dǎo)管外側(cè)返出，從而導(dǎo)致導(dǎo)管噴射到位后周圍土體回填困難，使導(dǎo)管無法及時(shí)獲得足夠的地層承載力，影響水下井口穩(wěn)定性?；谏鲜龇治?，假設(shè)當(dāng)射流束上邊緣與導(dǎo)管下邊緣內(nèi)側(cè)相切時(shí)鉆頭伸出量最優(yōu)，即射流束上邊緣QG與導(dǎo)管內(nèi)壁AG相切于G點(diǎn)（見圖1），此時(shí)既能保證導(dǎo)管噴射下入速度，又能滿足安全作業(yè)要求。根據(jù)這一理論假設(shè)建立了合理鉆頭伸出量的計(jì)算模型（見圖1）。

根據(jù)如圖 1所示的計(jì)算模型，通過幾何關(guān)系推導(dǎo)出合理鉆頭伸出量的計(jì)算公式為：

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證建立的合理鉆頭伸出量計(jì)算模型，在渤海灣淤泥質(zhì)土海域?qū)嵤┝藝娚浞ㄏ卤韺訉?dǎo)管現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)方案

圖1 合理鉆頭伸出量計(jì)算模型

圖2 噴射法下表層導(dǎo)管現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖

圖3 導(dǎo)管到位靜置后上拔現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖

采用30根導(dǎo)管進(jìn)行噴射法下表層導(dǎo)管試驗(yàn)（見圖2、圖3）。其中15根導(dǎo)管的外徑為244.48 mm，壁厚為 6.50 mm，采用的鉆頭尺寸為 215.90 mm（H為133.33 mm、L為 60.00 mm、R0為 15.00 mm、θ為 60°）；另外15根導(dǎo)管的外徑為339.73 mm，壁厚為8.50 mm，采用的鉆頭尺寸為269.88 mm（H為140.00 mm、L為60.00 mm、R0為 17.00 mm、θ為 60°）。

在噴射泵壓和導(dǎo)管入泥深度為定值的情況下，鉆頭伸出量在?127.0～228.6 mm區(qū)間內(nèi)每隔25.4 mm取一個(gè)值。記錄不同鉆頭伸出量時(shí)導(dǎo)管的下入速度，分析鉆頭伸出量對(duì)導(dǎo)管下入時(shí)效的影響；測(cè)定不同鉆頭伸出量時(shí)導(dǎo)管下入到位靜置2 h后的上拔力，分析鉆頭伸出量對(duì)導(dǎo)管周圍土體摩擦力恢復(fù)情況的影響。在既保證導(dǎo)管下入時(shí)效又保障作業(yè)安全的條件下，確定合理的鉆頭伸出量。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由鉆頭伸出量與導(dǎo)管下入速度的關(guān)系圖（見圖4）可知：導(dǎo)管下入速度隨鉆頭伸出量的增加呈逐漸增大的趨勢(shì)，鉆頭伸出量小于100 mm時(shí)，導(dǎo)管下入速度增長較快；鉆頭伸出量在100～150 mm時(shí)，導(dǎo)管下入速度基本達(dá)到最大值；鉆頭伸出量大于150 mm時(shí)，導(dǎo)管下入速度基本不再隨鉆頭伸出量的增加而增大。這可能是由于鉆頭底部距離導(dǎo)管底部較遠(yuǎn)時(shí)，被鉆頭水射流沖刷的泥屑不能及時(shí)從導(dǎo)管內(nèi)部環(huán)空返出，從而影響導(dǎo)管下入時(shí)效。

圖4 鉆頭伸出量與導(dǎo)管下入速度關(guān)系圖

由鉆頭伸出量與導(dǎo)管靜置 2 h后上拔力的關(guān)系圖（見圖5）可知：隨著鉆頭伸出量的增加，導(dǎo)管在噴射下入到位靜置2 h后的上拔力逐漸減小。這是由于鉆頭伸出量越大，對(duì)土體造成的沖刷破壞越大，從而使導(dǎo)管周圍土體摩擦力恢復(fù)減緩。

基于上述分析，綜合考慮鉆頭伸出量與導(dǎo)管下入時(shí)效和導(dǎo)管周圍土體摩擦力恢復(fù)情況的關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件下的合理鉆頭伸出量為100～150 mm。

將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中導(dǎo)管和鉆頭的相關(guān)參數(shù)代入（1）式，并分別取射流擴(kuò)散角α為25°和30°，可計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件下的合理鉆頭伸出量，然后將其與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定的合理鉆頭伸出量進(jìn)行對(duì)比（見表1）。

圖5 鉆頭伸出量與導(dǎo)管靜置2 h后上拔力關(guān)系圖

表1 合理鉆頭伸出量理論計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

由表 1可知，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件下，用計(jì)算模型計(jì)算出的合理鉆頭伸出量處于試驗(yàn)得到的合理鉆頭伸出量區(qū)間中，驗(yàn)證了理論假設(shè)的合理性和計(jì)算模型的正確性。

3 實(shí)際應(yīng)用

本文建立的深水噴射下表層導(dǎo)管合理鉆頭伸出量計(jì)算模型已成功應(yīng)用于南中國海荔灣、流花和白云等海域多口深水井。實(shí)際作業(yè)時(shí)，首先運(yùn)用計(jì)算模型求出各井的合理鉆頭伸出量（見表 2），然后采用求得的鉆頭伸出量進(jìn)行噴射鉆井作業(yè)。在12口深水井的噴射鉆井作業(yè)中，平均每口井節(jié)約作業(yè)時(shí)間14.96 h。

表2 各井應(yīng)用計(jì)算模型求得的鉆頭伸出量和節(jié)約的作業(yè)時(shí)間

4 結(jié)論

深水噴射下表層導(dǎo)管技術(shù)中鉆頭伸出量是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)鉆井作業(yè)時(shí)效和水下井口穩(wěn)定性都有重要影響。本文基于理論分析，假設(shè)當(dāng)鉆頭水眼噴射出的射流束上邊緣與表層導(dǎo)管下邊緣內(nèi)側(cè)相切時(shí)鉆頭伸出量最優(yōu)，在此基礎(chǔ)上建立了合理鉆頭伸出量計(jì)算模型。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論假設(shè)的合理性和計(jì)算模型的正確性。模型計(jì)算出的合理鉆頭伸出量均處于試驗(yàn)得到的合理鉆頭伸出量區(qū)間中。

計(jì)算模型在南中國海荔灣、流花和白云海域多口深水井的鉆井作業(yè)中取得了顯著的應(yīng)用效果，單井平均節(jié)約作業(yè)時(shí)間14.96 h，提高了作業(yè)時(shí)效，并達(dá)到了作業(yè)安全要求。

符號(hào)注釋：

Δh——合理鉆頭伸出量，mm；H——鉆頭噴嘴口中心所在平面與鉆頭頂部所在平面間距離，mm；D——導(dǎo)管外徑，mm；r——導(dǎo)管壁厚，mm；L——鉆頭噴嘴口中心與鉆頭中軸線間垂直距離，mm；θ——鉆頭噴嘴中軸線與鉆頭中軸線間夾角，（°）；R0——噴嘴口半徑，mm；α——射流擴(kuò)散角，（°），一般取 25°～30°。

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