基于極限工況的深水鉆井噴射導(dǎo)管入泥深度研究

李牧 楊堯焜 楊帥

摘 要：深水鉆井中導(dǎo)管一般采用噴射方式下入，該方法相比于淺水區(qū)常采用的鉆入法和錘入法更加節(jié)約時間和費用，并且解決了氣體水合物堵塞、淺層水流危害以及海底低溫變化等淺層土地質(zhì)風(fēng)險難題。導(dǎo)管入泥深度設(shè)計是噴射鉆井作業(yè)中最為關(guān)鍵的一環(huán)。分析極限工況下導(dǎo)管的承載能力與載荷，同時考慮靜置時間對承載力的影響，得出深水鉆井噴射導(dǎo)管最小入泥深度設(shè)計方法。研究表明：導(dǎo)管的入泥深度主要由當(dāng)?shù)氐耐寥佬再|(zhì)、后續(xù)套管設(shè)計深度、固井井口載荷以及靜置時間決定，現(xiàn)場施工中計算入泥深度時通常考慮該極限工況條件即可。

關(guān)鍵詞：深水鉆井 噴射導(dǎo)管 入泥深度 極限工況 承載力

中圖分類號：T28 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0005-02

深水鉆井中導(dǎo)管通常采用噴射方式下入。導(dǎo)管入泥深度過淺會由于支撐力不足而失穩(wěn)下沉，入泥深度過大則會造成浪費，所以確定合適的導(dǎo)管入泥深度十分關(guān)鍵。R.D.Beck最早給出了一種導(dǎo)管入泥深度的設(shè)計方法。G.L Faul分析了導(dǎo)管下入過程中與周圍土壤的簡單受力關(guān)系及參數(shù)控制。Philippe Jean jean提出了考慮導(dǎo)管實時載荷的入泥深度設(shè)計方法并在墨西哥灣得到成功應(yīng)用。蘇堪華以土力學(xué)和樁基理論為基礎(chǔ)，利用迭代法提出了一種入泥深度設(shè)計方法。唐海雄等依據(jù)現(xiàn)場實際工況提出了一種極限工況下的入泥深度設(shè)計方法。但是，目前仍然缺少適合我國地層及現(xiàn)場實際工作情況的導(dǎo)管入泥深度通用設(shè)計方法。筆者在上述文獻研究結(jié)果的基礎(chǔ)上研究分析了極限工況下的導(dǎo)管載荷及實時承載能力計算，結(jié)合土壤力學(xué)得出了一種更為全面的噴射導(dǎo)管入泥深度計算方法。

1 極限工況下導(dǎo)管入泥深度設(shè)計方法

危險工況（管柱豎向承載力最大）出現(xiàn)在隔水管及防噴器下入前，表層導(dǎo)管固井階段。此時固井水泥漿通過固井管柱到達井眼底部但尚未進入導(dǎo)管和表層套管之間的環(huán)空。由于表層套管還未固井，導(dǎo)管將承擔(dān)所有重量。此時的工況如圖1所示。

1.1 導(dǎo)管承載能力分析

導(dǎo)管下入到設(shè)計深度時的初始承載能力等于其最終記錄鉆壓，故初始承載能力為：

（1）

Q0為噴射完成時導(dǎo)管的初始承載能力，kg。R為鉆壓利用率，取值在0.8～1.0之間。Wcond為導(dǎo)管在海水中的浮重，一般為了保證導(dǎo)管的抗彎強度，在泥線以下80 ft內(nèi)這一段采用壁厚為1.5 in的導(dǎo)管，后續(xù)部分則采用壁厚1.0 in的導(dǎo)管，故，為上部導(dǎo)管單位長度浮重，kg/m；為下部導(dǎo)管單位長度浮重，kg/m；為上部導(dǎo)管的長度；L為導(dǎo)管設(shè)計入泥深度，m。WLPWH為低壓井口頭在海水中的浮重，kg。Wcol為噴射鉆具在海水中的浮重，噴射鉆具浮重也與導(dǎo)管入泥深度有關(guān)，為噴射鉆具單位長度浮重，kg/m。Wcada為CADA工具在海水中的浮重，kg。綜上：導(dǎo)管初始承載力

（2）

深水噴射導(dǎo)管安裝時，由于對導(dǎo)管周圍的土壤層產(chǎn)生了擾動，土壤對導(dǎo)管的初始承載力較低，但隨著導(dǎo)管靜置時間的增長土壤逐漸固結(jié)，地基土中的超靜載孔隙水壓力逐漸消散，土層強度恢復(fù)導(dǎo)管承載力將提高，因此有必要考慮導(dǎo)管承載力的時效性。顧自乘等通過大量實驗建立了實時承載力計算公式，導(dǎo)管入土后任意間歇期的承載力Qt可以由下式估算：

（3）

式中，Qt為導(dǎo)管靜置t時間時的實時承載力，kg；k為極限承載力增長系數(shù)；Qu為導(dǎo)管最終極限承載力，kg；t為導(dǎo)管靜置時間，d。

導(dǎo)管的極限承載力由導(dǎo)管總側(cè)阻力和管端阻力組成，但由于在鉆井后續(xù)的施工中導(dǎo)管鞋處在鉆井液的沖刷下形成大肚子，導(dǎo)管端部的阻力對導(dǎo)管的支撐可以忽略不計，故只考慮總側(cè)阻力即可滿足工程要求。所以極限承載力為：

（4）

式中，Di為第i段土層的導(dǎo)管外徑，m；li為第i段土層的厚度，m；qsui為第i段土層的單位面積極限管側(cè)阻力，kn/m2。

綜上：導(dǎo)管實時承載力

（5）

1.2 導(dǎo)管載荷分析

固井時坐掛在井口的軸向載荷為：Nt=W1+W2+W3。其中，表層套管在鉆井液中的浮重：，為鉆井液中單位長度表層套管浮重，kg/m；hs為表層套管設(shè)計深度，m。固井管柱在鉆井液中的浮重：，為鉆井液中單位長度固井管柱浮重，kg/m；hc為固井管柱長度，m?，F(xiàn)場工作中一般采用插入式固井，所以鉆桿即為固井管柱。固井管柱中水泥漿及底部口袋的重量：，為水泥漿密度，kg/m3；dc為固井管柱內(nèi)徑，m。

由上式可知，Nt主要由表層套管和固井管柱的長度決定，此極限工況下導(dǎo)管承受載荷為：

（6）

式中，LOAD為極限工況下導(dǎo)管承受載荷，kg；FS1、FS2為局部安全系數(shù)。

1.3 入泥深度計算

為了避免導(dǎo)管失穩(wěn)下沉或者下入過多增加成本，導(dǎo)管承受的總載荷應(yīng)該略小于導(dǎo)管安裝完成后土壤經(jīng)過一定恢復(fù)時間時的實時承載力。導(dǎo)管下入深度設(shè)計的基本準則為：

考慮極限情況LOAD=Qt可得導(dǎo)管最小入泥深度L，即：

（7）

這里需要注意的是各段土層的長度累加之和應(yīng)該等于導(dǎo)管的設(shè)計入泥深度即，因此導(dǎo)管的入泥深度應(yīng)該使用迭代法計算獲得。在取得泥線以下一定深度的導(dǎo)管周圍土壤單位面積極限側(cè)阻力數(shù)據(jù)后，假設(shè)取導(dǎo)管的入泥深度為Li，計算出這種情況下靜置t時間時的導(dǎo)管實時承載力，然后再計算出導(dǎo)管所需承擔(dān)的載荷，對比兩個力是否滿足基本準則LOAD≤Qt。若不滿足，則試用新的Li值重復(fù)上述步驟，直到得出剛好滿足準則的值，即為導(dǎo)管的最小入泥深度?，F(xiàn)場施工中可能存在第二種危險工況，此極限工況出現(xiàn)在隔水管及防噴器安裝到井口上后，表層套管固井完成后技術(shù)套管下入并懸掛在井口等待固井的階段，此時固井水泥漿通過固井管柱到達井眼底部但尚未進入表層套管和技術(shù)套管之間的環(huán)空。該工況下防噴器的部分或全部重量，導(dǎo)管、表層套管、表層套管與導(dǎo)管之間的水泥環(huán)及技術(shù)套管全部重量都要由導(dǎo)管和表層套管共同承擔(dān)，但筆者在多個工程案例試算中發(fā)現(xiàn)，表層套管只需下入較小的深度，即可滿足第二種極限工況的要求，而深水鉆井表層套管設(shè)計深度一般在500 m以上，故一般可以不用考慮。

2 實例計算

某深水區(qū)域的導(dǎo)管單位側(cè)阻力和管端阻力取樣數(shù)據(jù)如表1。

導(dǎo)管外徑914.4 mm，內(nèi)徑863.6 mm，線重7.8 kn/m，表層套管外徑508 mm，壁厚16.13 mm，表層套管長700 m，線重1.98 kn/m，固井管柱內(nèi)徑151.51 mm，線重0.44 kn/m，噴射鉆具組合線重3.6 kn/m，CADA工具重3.1 t，低壓井口頭13.1 t，高壓井口頭4.1 t，水泥漿密度1.6 g/cm3，水中浮力系數(shù)為0.85，鉆井液中浮力系數(shù)為0.78，F(xiàn)S1、FS2為1.0、1.3，土壤恢復(fù)系數(shù)為0.1，靜置時間2 d。

根據(jù)工況一中的公式試算得到：導(dǎo)管入泥長度為80 m時，導(dǎo)管總載荷為266160.6 kg，實時承載力為264749.8 kg，此時LOAD>Qt不滿足要求；導(dǎo)管入泥長度為81 m時，導(dǎo)管總載荷為266823.6 kg，實時承載力為270286.2 kg，導(dǎo)管的實時承載力正好超過其總載荷，故導(dǎo)管的最小入泥深度為81 m。

不同靜置時間條件下導(dǎo)管下入一定深度時的實時承載力曲線如圖2，可以看出靜置一段時間后導(dǎo)管的承載力隨土層深度的增加有較大幅度的增長，導(dǎo)管實時承載力的大小與靜置時間也有關(guān)，隨著靜置時間的增加，相同土層深度處的導(dǎo)管承載力增強，因此導(dǎo)管所需的下深也相應(yīng)的減小。

3 結(jié)語

（1）根據(jù)深水鉆井的特點，分析最危險工況下的管柱承載能力發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)管入泥深度應(yīng)根據(jù)極限工況進行設(shè)計，現(xiàn)場施工中一般采用該極限工況。

（2）導(dǎo)管靜置一段時間后，受到擾動的土壤強度得到恢復(fù)，導(dǎo)管的實時承載力遠大于其初始承載力，因此設(shè)計導(dǎo)管入泥深度時應(yīng)該考慮導(dǎo)管承載力隨靜置時間的變化。

（3）根據(jù)公式可以看出，導(dǎo)管的入泥深度主要由當(dāng)?shù)氐耐寥佬再|(zhì)、后續(xù)套管的設(shè)計深度、固井井口載荷以及導(dǎo)管的靜置時間決定，承載力增長系數(shù)對入泥深度也有很大的影響。

參考文獻

[1] Beck R D，Jackson C W， Hamilton T K.Reliable deep water structural casing installation using con rolled jetting[R].SPE22542，1991.

[2] Faul G L，Au dibert J M E，Hamilton T K.Using suction technology for deep installation of structural pipe in deepwater[R].IADC/SPE39336，1998.

[3] Philippe Jean jean.Innovative design method for deepwater surface casings[R].SPE77357， 2002.

[4] 蘇堪華，管志川，蘇義腦.鉆井導(dǎo)管噴射下入深度確定方法[J].中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，32（4）：47-50.

[5] 唐海雄，羅俊豐，葉吉華，等.南中國海超深水噴射鉆井導(dǎo)管入泥深度設(shè)計方法[J].石油天然氣學(xué)報，2011，39（2）：50-55.

[6] 高大釗.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998：273-325.

[7] 《樁基工程手冊》編寫委員會.樁基工程手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995.

[8] 王偉，盧廷浩，宰金珉.單樁極限承載力時間效應(yīng)估算方法比較[J].巖土力學(xué)，2005（26）：244-247.

[9] 葉慶志，王建華.噴射導(dǎo)管安裝后實時承載力分析[J].低溫建筑技術(shù)，2014（1）：112-114.

[10] 蘇堪華.深水鉆井井口力學(xué)分析及導(dǎo)管承載能力研究[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2009.