深水鉆井表層導(dǎo)管靜置時(shí)間窗口設(shè)計(jì)

周波，楊進(jìn)，劉正禮，羅俊峰，葉吉華，陳彬，劉書杰，周建良

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院；2.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司；3.中海油研究總院）

0 引言

1 深水鉆井表層導(dǎo)管承載力計(jì)算模型

表層導(dǎo)管承載力主要取決于表層導(dǎo)管與周圍海底土間的摩擦力，摩擦力在噴射下入過(guò)程方向向上，上拔過(guò)程方向向下，下入與上拔過(guò)程摩擦力大小相等。因此，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量表層導(dǎo)管上拔過(guò)程的上拔力，可以分析表層導(dǎo)管承載力。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，在同一地層預(yù)先噴射下入6組表層導(dǎo)管，在表層導(dǎo)管到達(dá)靜置時(shí)間（6組導(dǎo)管的靜置時(shí)間分別為2 h、4 h、6 h、12 h、24 h和48 h）時(shí)拔出，記錄表層導(dǎo)管上拔過(guò)程中最大上拔力。利用最小二乘法擬合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表1），得到表層導(dǎo)管與周圍海底土間摩擦力隨導(dǎo)管噴射到位后靜置時(shí)間的變化關(guān)系（見圖1）。圖1中平均上拔力為表1中各組表層導(dǎo)管的平均上拔力。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 表層導(dǎo)管與周圍土體間摩擦力隨靜置時(shí)間變化關(guān)系

基于表層導(dǎo)管與周圍土體間摩擦力隨靜置時(shí)間變化關(guān)系，得到表層導(dǎo)管承載力隨靜置時(shí)間恢復(fù)模型：

綜合考慮水深和土質(zhì)因素，將（1）式應(yīng)用到工程實(shí)際中，可得不同水深處表層導(dǎo)管承載力隨靜置時(shí)間恢復(fù)曲線（見圖2）。

圖2 不同水深處表層導(dǎo)管承載力恢復(fù)系數(shù)與靜置時(shí)間關(guān)系

深水鉆井表層導(dǎo)管噴射施工實(shí)時(shí)承載力計(jì)算模型為：

2 噴射法安裝表層導(dǎo)管力學(xué)分析

表層導(dǎo)管是深水鉆井安裝的第1層管柱，用于懸掛水下井口及下部各層管柱，支撐防噴器，是關(guān)鍵持力結(jié)構(gòu)[3-6]。深水鉆井噴射法安裝表層導(dǎo)管過(guò)程中，表層導(dǎo)管受力狀態(tài)極其復(fù)雜，其受力狀態(tài)可分為4個(gè)關(guān)鍵階段[7-11]（見圖3）：噴射下入階段、噴射到位至解脫送入工具階段、二開套管坐掛井口固井階段和安裝坐放水下防噴器系統(tǒng)階段。其中，表層導(dǎo)管噴射到位至解脫送入工具階段和二開套管坐掛井口固井階段是相對(duì)危險(xiǎn)階段，因此針對(duì)這兩個(gè)階段對(duì)表層導(dǎo)管進(jìn)行力學(xué)分析。

圖3 深水鉆井表層導(dǎo)管噴射下入關(guān)鍵受力階段

2.1 表層導(dǎo)管噴射到位至解脫送入工具階段力學(xué)分析

深水鉆井表層導(dǎo)管噴射到位后需與送入工具及管柱解脫以進(jìn)行二開井眼的鉆進(jìn)，解脫送入工具后僅由地層來(lái)承擔(dān)表層導(dǎo)管、低壓井口頭及其送入工具的重量，此時(shí)表層導(dǎo)管靜置時(shí)間短、承載力恢復(fù)小，為表層導(dǎo)管垂向受力風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)之一。

在垂直向上方向，表層導(dǎo)管側(cè)壁和端部受地層阻力作用，由于導(dǎo)管端部截面積小，通常忽略導(dǎo)管端部地層阻力的影響；在垂直向下方向，導(dǎo)管受自重以及防沉板、低壓井口頭、送入工具下接頭重量作用。送入工具解脫時(shí)表層導(dǎo)管承受的垂向載荷為：

三系雜交種皖芝10號(hào)參加2013年安徽省芝麻新品種區(qū)試，產(chǎn)量為1 498.50 kg/hm2，比對(duì)照品種豫芝4號(hào)增產(chǎn)2.04%，2014年通過(guò)安徽省鑒定。2015—2016年全國(guó)(江淮片)芝麻品種區(qū)域試驗(yàn)，兩年平均產(chǎn)量1 261.65 kg/hm2，比豫芝4號(hào)(CK)增產(chǎn)2.54%；含油量為58.18%，蛋白質(zhì)含量20.97%；莖點(diǎn)枯和枯萎病病情指數(shù)分別為5.07和0.85。該品種具有優(yōu)質(zhì)、高油、高產(chǎn)、多抗、綜合性狀優(yōu)于全國(guó)對(duì)照品種豫芝4號(hào)等特點(diǎn)，適合制油、食品保健。

其中

為保證送入工具解脫時(shí)表層導(dǎo)管不下沉，需滿足：

2.2 二開套管坐掛井口固井階段力學(xué)分析

表層導(dǎo)管承受垂向載荷最大的工況很可能出現(xiàn)在表層套管固井過(guò)程。深水鉆井二開套管固井時(shí)，水下井口垂向承載力僅由表層導(dǎo)管提供，固井水泥漿達(dá)到井眼底部而尚未進(jìn)入表層導(dǎo)管和表層套管間環(huán)形空間的時(shí)刻井口所受垂向載荷最大，在此工況下最容易出現(xiàn)表層導(dǎo)管下沉及井口失穩(wěn)事故[12-17]。該工況下表層導(dǎo)管承受的垂向載荷為：

為保證在該工況下表層導(dǎo)管不下沉，需滿足：

3 深水鉆井表層導(dǎo)管靜置時(shí)間窗口設(shè)計(jì)

由（1）式—（4）式可知，噴射到位至解脫送入工具階段表層導(dǎo)管靜置時(shí)間需滿足：

由（1）式—（2）式、（5）式—（6）式可知，為保證二開套管固井時(shí)周圍土體對(duì)表層導(dǎo)管有足夠的承載力，二開套管坐掛井口固井階段表層導(dǎo)管靜置時(shí)間需滿足：

由（7）式—（8）式可以看出，深水鉆井表層導(dǎo)管靜置時(shí)間窗口設(shè)計(jì)與低壓井口頭重量、防沉板重量、送入工具重量、導(dǎo)管自重、導(dǎo)管周圍土體不排水抗剪切強(qiáng)度和承載力恢復(fù)系數(shù)等密切相關(guān)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)外徑914.4 mm（36 in）表層導(dǎo)管極限承載力數(shù)值，基于表層導(dǎo)管承載力隨靜置時(shí)間恢復(fù)模型，求得南中國(guó)海某深水井外徑914.4 mm表層導(dǎo)管實(shí)時(shí)承載力（見圖4）。

圖4 南中國(guó)海某深水井外徑914.4 mm表層導(dǎo)管實(shí)時(shí)承載力

根據(jù)（3）式和工程實(shí)際參數(shù)可以求出表層導(dǎo)管在送入工具解脫時(shí)承受的垂向載荷與表層導(dǎo)管入泥深度的關(guān)系曲線（見圖5），再結(jié)合如圖4所示的表層導(dǎo)管實(shí)時(shí)承載力曲線，可以得到噴射到位至解脫送入工具階段表層導(dǎo)管靜置時(shí)間設(shè)計(jì)圖版（見圖5）。同理可得二開套管坐掛井口固井階段表層導(dǎo)管靜置時(shí)間設(shè)計(jì)圖版（見圖6）。

圖5 南中國(guó)海某深水井外徑914.4 mm表層導(dǎo)管噴射到位至解脫送入工具階段靜置時(shí)間設(shè)計(jì)圖版

圖6 南中國(guó)海某深水井外徑914.4 mm表層導(dǎo)管噴射到位至二開套管固井階段靜置時(shí)間設(shè)計(jì)圖版

由圖 5、圖 6可知，假設(shè)南中國(guó)海某深水井外徑914.4 mm表層導(dǎo)管設(shè)計(jì)入泥深度為65 m，則表層導(dǎo)管噴射到位后至送入工具解脫前的靜置時(shí)間應(yīng)不少于3 h，噴射到位后至二開套管固井前的靜置時(shí)間應(yīng)不少于120 h。

本文提出的深水鉆井表層導(dǎo)管靜置時(shí)間窗口設(shè)計(jì)方法在南中國(guó)海、西非等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（見表 2），成功指導(dǎo)了深水鉆井表層導(dǎo)管噴射作業(yè)：表層導(dǎo)管噴射到位至解脫送入工具階段平均每口井節(jié)約作業(yè)時(shí)間超過(guò)12 h，二開套管坐掛井口固井階段平均每口井節(jié)約作業(yè)時(shí)間超過(guò)24 h，且井口無(wú)傾斜無(wú)下沉。

表2 深水鉆井表層導(dǎo)管靜置時(shí)間窗口設(shè)計(jì)方法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

5 結(jié)論

基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)建立了深水鉆井表層導(dǎo)管承載力隨靜置時(shí)間恢復(fù)模型及表層導(dǎo)管實(shí)時(shí)承載力計(jì)算模型。針對(duì)表層導(dǎo)管噴射到位至解脫送入工具階段和二開套管坐掛井口固井階段對(duì)表層導(dǎo)管進(jìn)行了力學(xué)分析，并對(duì)兩個(gè)階段的表層導(dǎo)管靜置時(shí)間窗口進(jìn)行設(shè)計(jì)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例闡述了表層導(dǎo)管噴射到位后至送入工具解脫前的靜置時(shí)間以及噴射到位后至二開套管固井前的靜置時(shí)間的確定方法。

將本文提出的深水鉆井表層導(dǎo)管靜置時(shí)間窗口設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于南中國(guó)海、西非等海域多口深水井，表層導(dǎo)管噴射到位至解脫送入工具階段平均每口井節(jié)約作業(yè)時(shí)間超過(guò)12 h，二開套管坐掛井口固井階段平均每口井節(jié)約作業(yè)時(shí)間超過(guò)24 h，既保證了作業(yè)安全，又提高了作業(yè)時(shí)效。

符號(hào)注釋：

Kr——表層導(dǎo)管承載力恢復(fù)系數(shù)；α——修正系數(shù)，南中國(guó)海深水海域取0.04；t——表層導(dǎo)管靜置時(shí)間，h；β——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與土質(zhì)相關(guān)，南中國(guó)海深水海域取0.02～0.03；Qut——表層導(dǎo)管實(shí)時(shí)承載力，N；Qu0——表層導(dǎo)管初始承載力，N；D——表層導(dǎo)管外徑，m；L——表層導(dǎo)管入泥深度，m；Su——海底土與水泥環(huán)間的單位面積摩擦力，MPa；Gr——送入工具解脫時(shí)表層導(dǎo)管承受的垂向載荷，N；Wc——表層導(dǎo)管濕重，N；WLPWH——低壓井口頭重量，N；Wm——防沉板濕重，N；WCADA——送入工具重量，N；λ——表層導(dǎo)管單位長(zhǎng)度重量，N/m；kb——表層導(dǎo)管浮力系數(shù)；Fr——送入工具解脫時(shí)表層導(dǎo)管側(cè)向摩擦力，N；Fc——固井時(shí)表層導(dǎo)管側(cè)向摩擦力，N；Gc——固井最危險(xiǎn)工況下表層導(dǎo)管承受的垂向載荷，N；k——安全系數(shù)；Ww——井口頭濕重，N；Wca——表層套管濕重，N；Wcs——固井管柱濕重，N；Wce——固井水泥漿濕重，N；Wmr——表層套管送入工具濕重，N；tr——噴射到位至解脫送入工具階段表層導(dǎo)管靜置時(shí)間，h；tc——二開套管坐掛井口固井階段表層導(dǎo)管靜置時(shí)間，h。

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