楊 進(jìn) 李文龍 胡志強(qiáng) 殷啟帥 李舒展
(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249; 2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院 北京 100101)
自1947年美國(guó)首次提出水下井口概念以來(lái),水下生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展并逐步應(yīng)用于深水油氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域[1]。水下井口裝置是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,主要包括套管、套管頭、井口套、套管懸掛器和密封總成等[2]。安裝井口后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)套管的懸掛和密封,通過(guò)回接隔水管連接水下防噴器和浮式鉆井平臺(tái),在平臺(tái)上就可以實(shí)現(xiàn)井底的壓力控制。隔水管的安裝在二開(kāi)固井后、三開(kāi)鉆進(jìn)開(kāi)始前,必須通過(guò)鉆具來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程安裝,使其坐封于表層導(dǎo)管和表層套管上。深水淺層水下井口的安裝是鉆井成敗的關(guān)鍵,在井口安裝前后,均必須保證表層導(dǎo)管及表層套管的橫向、豎向穩(wěn)定,才能實(shí)現(xiàn)后續(xù)鉆進(jìn)作業(yè)的安全。如何保證井口快速準(zhǔn)確地安裝,又能保證其穩(wěn)定性滿足要求,對(duì)于降低鉆井成本,保障深水淺層建井安全具有非常重要的意義。
本文對(duì)水下井口安裝過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題進(jìn)行了分析,并對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外井口穩(wěn)定性研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié),對(duì)提高井口穩(wěn)定性的特殊井口裝置系統(tǒng)進(jìn)行了分析,以期為我國(guó)深水鉆井井口穩(wěn)定性研究提供參考。
1)井口下沉。深水淺層地層成巖性差,地層強(qiáng)度低[3]。如果地層承載力不足,或者井口承受的載荷大于設(shè)計(jì)載荷,那么可能會(huì)導(dǎo)致井口下沉,或表層導(dǎo)管出泥高度不夠,給后續(xù)井口設(shè)備的安裝帶來(lái)困難,甚至導(dǎo)致井眼報(bào)廢。2014年,西非某深水井采用噴射法安裝表層導(dǎo)管過(guò)程,發(fā)生表層導(dǎo)管下沉事故,給后續(xù)鉆井作業(yè)帶來(lái)困難,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[4]。
2)井口傾斜。隔水管安裝后,由于浮動(dòng)鉆井平臺(tái)的漂移或環(huán)境載荷的影響,隔水管傳遞給井口較大的橫向、豎向載荷,在復(fù)雜載荷的共同作用下,導(dǎo)管可能會(huì)發(fā)生較大橫向彎曲變形,導(dǎo)致井口的垂直度不足,甚至可能導(dǎo)致嚴(yán)重的井口傾斜或者傾覆。
3)井口下入不到位。在表層導(dǎo)管?chē)娚湎氯脒^(guò)程中,如果由于噴射參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng),或者對(duì)地層參數(shù)的預(yù)測(cè)有偏差,可能會(huì)導(dǎo)致表層導(dǎo)管下入阻力過(guò)大,無(wú)法下至設(shè)計(jì)深度。一方面,無(wú)法保證其足夠的豎向承載力;另一方面,導(dǎo)致表層導(dǎo)管出泥高度過(guò)高,橫向穩(wěn)定性差,給井口的穩(wěn)定性埋下長(zhǎng)期的隱患。
井口的豎向穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在,是否會(huì)出現(xiàn)由于豎向承載力不足引起的井口下沉問(wèn)題,當(dāng)表層導(dǎo)管的豎向摩擦力小于井口的載荷時(shí),就會(huì)引起豎向下沉[5]。井口下沉可能出現(xiàn)在噴射作業(yè)結(jié)束后送入工具解脫時(shí),和下入套管后固井作業(yè)時(shí)。表層導(dǎo)管受力如圖1所示,在進(jìn)行豎向穩(wěn)定性分析時(shí),一般不考慮水平受力的影響。噴射完成后,為了繼續(xù)鉆進(jìn)需要解脫送入工具,此時(shí),噴射完成后承載力較小,井口載荷全部由表層導(dǎo)管承擔(dān),載荷包括導(dǎo)管濕重、井口頭濕重、防塵板濕重和送入工具濕重。另一方面,在二開(kāi)固井時(shí)一般被認(rèn)為是井口最危險(xiǎn)工況,此時(shí)井口載荷最大,固井還未完成,僅由表層導(dǎo)管提供承載力,且承載力還沒(méi)有恢復(fù)到足夠大。其中,豎向最大載荷包括:井口豎向載荷、表層導(dǎo)管濕重、井口頭濕重、防沉板濕重、表層套管濕重、固井管柱濕重、固井水泥漿濕重、表層套管送入工具濕重等。而表層導(dǎo)管極限承載力與時(shí)間、地層抗剪強(qiáng)度、導(dǎo)管尺寸有關(guān),可表示為[4]
式(1)中:F為表層導(dǎo)管極限承載力,k N;D為導(dǎo)管外徑,m;Su為地層原始不排水抗剪強(qiáng)度,kPa;A為表層導(dǎo)管橫截面積,m2;q為導(dǎo)管底部單位面積的樁端阻力,kPa,由于表層導(dǎo)管橫截面積相對(duì)于側(cè)面面積來(lái)說(shuō)較小,一般樁端阻力可以忽略;αt為土體排水抗剪強(qiáng)度的恢復(fù)力系數(shù),無(wú)量綱;L為表層導(dǎo)管長(zhǎng)度,m。
圖1 導(dǎo)管豎向受力圖Fig.1 Vertical force of conductor
Jeanjean[6]根據(jù)分析已有的噴射下導(dǎo)管的承載力數(shù)據(jù),第1次給出了恢復(fù)力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為
式(2)中:t為等待時(shí)間,d。后來(lái)的學(xué)者多沿用此公式進(jìn)行表層導(dǎo)管?chē)娚涑休d力的計(jì)算。
周波等[7]考慮排量、鉆頭伸出量等因素,對(duì)表層導(dǎo)管的實(shí)時(shí)承載力模型進(jìn)行了如下改進(jìn):
式(3)中:V0為最小噴射破土及攜巖排量,m3/min;V為表層導(dǎo)管下入過(guò)程平均排量,m3/min;di為表層導(dǎo)管內(nèi)徑,m;do為表層導(dǎo)管外徑,m;l為噴射安裝表層導(dǎo)管過(guò)程鉆頭伸出量,m;θ為水射流擴(kuò)散角,(°);t為表層導(dǎo)管靜置時(shí)間,h。
影響豎向穩(wěn)定性的主要參數(shù)主要有:
1)抗剪強(qiáng)度。抗剪強(qiáng)度是表層導(dǎo)管設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)之一,可以根據(jù)隨鉆測(cè)量資料和淺層土質(zhì)調(diào)查資料獲得[8-9]??辜魪?qiáng)度參數(shù)將會(huì)直接影響表層導(dǎo)管的豎向承載力,也是后續(xù)橫向承載力計(jì)算的基礎(chǔ)??梢酝ㄟ^(guò)土質(zhì)調(diào)查資料擬合獲得抗剪強(qiáng)度上限、下限、設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度,一般可以獲得抗剪強(qiáng)度隨深度變化的線性擬合方程,再根據(jù)設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度計(jì)算表層導(dǎo)管極限承載力。
2)表層導(dǎo)管入泥深度。一般來(lái)說(shuō),入泥深度過(guò)小,可能會(huì)引起承載力不足,因此,最小入泥深度是深水淺層鉆井最重要的參數(shù)之一,在噴射作業(yè)前都會(huì)根據(jù)臨井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)管最小入泥深度的設(shè)計(jì)。另一方面,入泥深度越大,豎向承載力越大,但是如果入泥深度過(guò)深,可能會(huì)導(dǎo)致噴射不到位。我國(guó)南海大部分深水井井口入泥深度在60~90 m。許云錦等[10]計(jì)算了表層導(dǎo)管的最小和最大入泥深度,提出設(shè)計(jì)表層導(dǎo)管的入泥深度應(yīng)該在這一范圍內(nèi)。陸續(xù)有學(xué)者分析了不同工況下的表層導(dǎo)管入泥深度[11-18]。
3)靜置時(shí)間。靜置時(shí)間包括2個(gè),一是導(dǎo)管送入工具解脫時(shí)的靜置時(shí)間,二是固井前的靜置時(shí)間。根據(jù)上述分析,淺層土質(zhì)在噴射后,抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間的變化而緩慢恢復(fù)。如果靜置時(shí)間過(guò)短,承載力不足,可能引起導(dǎo)管下沉;如果靜置時(shí)間過(guò)長(zhǎng),則降低作業(yè)時(shí)效,增加經(jīng)濟(jì)成本[19]。Zhou Bo等[20]通過(guò)實(shí)例分析,計(jì)算不同時(shí)間導(dǎo)管承載力與工況載荷,得出表層導(dǎo)管?chē)娚涞轿缓笾了腿牍ぞ呓饷撉暗撵o置時(shí)間應(yīng)不少于3 h,噴射到位后至二開(kāi)套管固井前的靜置時(shí)間應(yīng)不少于120 h。
4)導(dǎo)管參數(shù)。深水常用表層導(dǎo)管包括φ914.4 mm×25.4 mm,φ762 mm×38.1 mm,φ762 mm×25.4 mm,φ762 mm×38.1 mm,一般在淺部安裝2~3根壁厚38.1 mm的導(dǎo)管,由于其抗彎剛度大,可以抵抗較大彎矩,深部安裝壁厚25.4 mm的導(dǎo)管。根據(jù)公式,φ914.4 mm表層導(dǎo)管要比φ762 mm表層導(dǎo)管的承載力更大,但是其自重的區(qū)別不大,所以外徑大的表層導(dǎo)管,承載力會(huì)明顯提高;壁厚大的表層導(dǎo)管,承載力比同外徑壁厚小的表層導(dǎo)管要略小。在Campus盆地超過(guò)2 000 m水深鉆探時(shí),噴射鉆φ762 mm導(dǎo)管時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)問(wèn)題,導(dǎo)致井口不穩(wěn)定,通過(guò)使用φ914.4 mm導(dǎo)管才解決這個(gè)問(wèn)題[21],導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)問(wèn)題雖然不是豎向穩(wěn)定性的范疇,但也是由于環(huán)向側(cè)摩阻力小于井口載荷而引起的,可以通過(guò)增大導(dǎo)管外壁面積來(lái)避免。
5)其他。除了以上參數(shù),鉆頭伸出量[7,22]、水力參數(shù)[23-24]、鉆壓鉆速[25]等均可對(duì)井口承載力產(chǎn)生影響,都需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
橫向穩(wěn)定性問(wèn)題主要是指井口在巨大的彎矩、軸向力、橫向力載荷下,有可能出現(xiàn)較大橫向偏移,甚至引起井口傾覆。橫向失穩(wěn)主要發(fā)生在防噴器和隔水管安裝以后,表層導(dǎo)管、表層套管、固井水泥共同作為承載對(duì)象。相比于豎向穩(wěn)定性,套管柱的橫向受力更為復(fù)雜,如圖2所示。
圖2 深水鉆井導(dǎo)管和表層套管受力示意圖Fig.2 Deep water conductor and surface casing force diagram
蘇堪華[26]對(duì)水下井口的穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,考慮了隔水管頂張力、鉆井船漂移、鉆井液密度、導(dǎo)管尺寸等眾多參數(shù)的影響。管志川等[27]根據(jù)受力平衡關(guān)系給出了表層導(dǎo)管經(jīng)典橫向撓曲方程為
式(4)中:EI為套管柱的抗彎剛度,k N·m2;N為套管柱所受軸向力,k N;p為橫向單位面積地基反力,k N·m2;D為套管柱的外徑,m。需要注意的是,分析井口的橫向穩(wěn)定性時(shí)必須考慮豎向軸力的變化,軸力變化可以根據(jù)上節(jié)中豎向承載力來(lái)計(jì)算。對(duì)于橫向地基承載力,不同的樁土接觸力類(lèi)型對(duì)應(yīng)不同的計(jì)算方法,常用的是彈塑性地基反力法,又稱(chēng)p-y曲線法。由于它可以描述管柱和淺層土之間的非線性特征,比其他方法更準(zhǔn)確分析管柱的橫向承載力。在沒(méi)有試驗(yàn)資料的情況下,可以參考該規(guī)范提供的理論公式計(jì)算黏土、砂土的p-y曲線。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),表層導(dǎo)管所受彎矩、橫向剪力隨著深度迅速下降,表層導(dǎo)管的彎矩、橫向偏移主要集中在泥線以下30 m以內(nèi)[27]。
影響橫向穩(wěn)定性的主要參數(shù)主要有:
1)導(dǎo)管參數(shù)的影響。由于大直徑大壁厚導(dǎo)管的抗彎剛度大,在受彎發(fā)生橫向偏移時(shí),顯然其受到的橫向承載力也越大,在承受外載時(shí),橫向偏移和轉(zhuǎn)角越小,管志川等[27]的計(jì)算結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。
2)井口出泥高度的影響。管志川等[27]的研究結(jié)果表明,井口距泥線距離越高,管柱的橫向位移及彎矩越大,所以海底泥線處的沖刷對(duì)套管的橫向承載力有很大影響。張偉國(guó)等[28]提出了導(dǎo)管允許高度與井口傾斜角相互關(guān)系的計(jì)算方法和模型,以表層導(dǎo)管或表層套管屈服為極限條件,通過(guò)數(shù)值模擬得出了隨著井口傾斜角的增加,井口出泥高度隨之下降,且二者之間近似二次曲線關(guān)系。即井口高度越大,井口穩(wěn)定性越差,越容易引起表層導(dǎo)管的橫向失效。
3)樁土接觸模型的影響。Wang Yanbin等[29-30]通過(guò)ABAQUES軟件,在計(jì)算軸向力時(shí)考慮庫(kù)倫摩擦模型和古德曼單元接觸模型,計(jì)算橫向穩(wěn)定性時(shí)考慮接觸力學(xué)法和接觸面單元法,得出不同接觸模型會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響,建議使用不同的接觸模型來(lái)計(jì)算井口承載力性,以獲得相對(duì)保守和安全的設(shè)計(jì)。
Yan Wei等[31]根據(jù)應(yīng)用樁基礎(chǔ)理論,計(jì)算了樁土作用非線性彈簧單元的D-F參數(shù)。利用APDL語(yǔ)言連續(xù)分配不同深度土體的非線性彈簧參數(shù),可以很好地模擬土體變形后的力學(xué)性質(zhì)。
4)隔水管頂張力的影響。在防噴器安裝到位后,平臺(tái)偏移量一定的情況下,只能通過(guò)控制頂張力來(lái)控制軸向載荷,影響井口穩(wěn)定。周榮鑫等[32]通過(guò)分析隔水管頂張力對(duì)水下井口受力和橫向位移的影響,得出提高隔水管頂部張緊力可以進(jìn)一步改善隔水管和水下井口的變形和受力狀況,在深水現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)中,設(shè)置1.0~1.5倍張力比有利于提高水下井口系統(tǒng)的穩(wěn)定性,但未考慮鉆井船偏移的影響。通過(guò)ANSYS軟件模擬,得出鉆井船偏移增大后,高的張力比會(huì)急劇增大井口的橫向位移、轉(zhuǎn)角和管身最大彎矩,易造成井口側(cè)翻。因此,當(dāng)鉆井船偏移量增大時(shí),建議適當(dāng)降低隔水管頂部的張力,以降低井口側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)。
5)環(huán)境載荷的影響。Lin Xiujuan等[33]根據(jù)海洋環(huán)境力和材料力學(xué)理論,建立了海底井口綜合力學(xué)穩(wěn)定性分析方法,研究了安裝采油樹(shù)后井口力學(xué)行為,結(jié)果表明水下井口穩(wěn)定性受海水阻力系數(shù)、海流流速的影響較大,隨著海水阻力系數(shù)、海流速度的增加,套管柱的位移和剪力明顯增大。因此,為了提高井口穩(wěn)定性,需要獲得目標(biāo)區(qū)域的準(zhǔn)確的環(huán)境參數(shù)。
6)其他參數(shù)。同時(shí),井口橫向穩(wěn)定性還受到固井水泥返高、土質(zhì)類(lèi)型、導(dǎo)管材質(zhì)、工作水深、靜置時(shí)間等因素的影響,在此不做一一分析。
水上防噴器技術(shù)將防噴器放置在水面以上,甲板位置以下,水下井口通過(guò)隔水管回接至鉆井平臺(tái)。使用水上防噴器時(shí),有利于維修保養(yǎng)防噴器及配套設(shè)施,降低了對(duì)鉆井平臺(tái)性能的要求。同時(shí),與傳統(tǒng)的水下防噴器使用的φ533.4 mm隔水管相比,水上防噴器使用φ339.7 mm或φ298.5 mm等尺寸更小的隔水管系統(tǒng),其配置和操作更輕、更簡(jiǎn)單,受到的浪、流載荷也更小[34]。國(guó)外已經(jīng)在墨西哥灣、巴西、埃及等海域有過(guò)成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
蘇堪華等[35]分析了使用水上防噴器時(shí)水下井口的穩(wěn)定性,結(jié)果表明:采用水上防噴器系統(tǒng),導(dǎo)管下入深度可以比常規(guī)隔水管系統(tǒng)淺,橫向偏移和彎矩也會(huì)比常規(guī)隔水管系統(tǒng)要小。但是目前還沒(méi)有見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道在國(guó)內(nèi)深水鉆井中使用過(guò),隔水管尺寸與常規(guī)隔水管也不一致。
圖3 NEODrill公司生產(chǎn)的吸力樁井口基礎(chǔ)Fig.3 Suction pile wellhead foundation produced by NEODrill
吸力樁基礎(chǔ)具有承載力大、安裝便捷等優(yōu)點(diǎn),在海洋油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中,常使用吸力樁基礎(chǔ)作為系泊系統(tǒng)、水下生產(chǎn)系統(tǒng)及自安裝式平臺(tái)的樁基[36-37],吸力樁井口基礎(chǔ)是一種特殊的錨式結(jié)構(gòu),由一個(gè)開(kāi)口向下的圓柱形外殼和一個(gè)同心導(dǎo)向管組成,如圖3通過(guò)泵出筒內(nèi)海水,造成負(fù)壓實(shí)現(xiàn)安裝。導(dǎo)向管在安裝過(guò)程中對(duì)導(dǎo)管起導(dǎo)向作用,安裝完成后對(duì)導(dǎo)管起機(jī)械支撐作用,使導(dǎo)管具有較高的橫向承載能力和抗彎剛度[38]。吸力樁井口基礎(chǔ)相比常規(guī)井口基礎(chǔ),節(jié)省了噴射下導(dǎo)管的時(shí)間,井口更加穩(wěn)定,且可以回收,實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。同時(shí)在樁體內(nèi)部可以預(yù)斜一定角度,適用于深水淺層,特別是深水淺部地層的水平井鉆進(jìn)[39-40]。
目前,吸力樁井口基礎(chǔ)已經(jīng)在挪威等海域?qū)崿F(xiàn)了成功安裝使用,未來(lái)這種井口基礎(chǔ)有望在國(guó)內(nèi)深水海域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。
Kan Changbin等[41]設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu),該組合導(dǎo)管結(jié)構(gòu)由導(dǎo)管和桶型基礎(chǔ)構(gòu)成,桶型基礎(chǔ)的直徑和高度均約為6 m,如圖4所示。該裝置通過(guò)噴射法一起下入,通過(guò)桶型基礎(chǔ)頂部的閥門(mén)排出裝置內(nèi)部的海水,噴射作業(yè)完成后可以直接進(jìn)行后續(xù)鉆進(jìn)作業(yè),從而節(jié)省了導(dǎo)管靜置時(shí)間。井口橫向載荷主要由桶型基礎(chǔ)承擔(dān),豎向載荷由導(dǎo)管承擔(dān)。由于增大了土體與結(jié)構(gòu)的接觸力面積,同時(shí)在下入過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的土堵效應(yīng),豎向承載力也將得到提高;另一方面,由于土體與桶型基礎(chǔ)的接觸面積較大,上部土體的水平阻力也會(huì)增大,橫向承載力也會(huì)改善。通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)研究了該組合導(dǎo)管基礎(chǔ)的承載能力,結(jié)果表明:豎向力和彎矩均影響導(dǎo)管頂部的橫向位移,但彎矩對(duì)橫向位移的影響比豎向力的影響更為顯著。但是在安裝前,需要對(duì)桶型基礎(chǔ)的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),避免導(dǎo)管無(wú)法下入到預(yù)定位置的情況。
圖4 組合導(dǎo)管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of composite conductor foundation
Su Kanhua等[42-43]研制了一種表層導(dǎo)管承載力加強(qiáng)裝置,如圖5所示,該裝置的裝配與下入過(guò)程與組合導(dǎo)管基礎(chǔ)原理相似,但是外徑與阻隔導(dǎo)管的桶型基礎(chǔ)小很多,變化范圍在1.2~1.5倍的導(dǎo)管外徑,長(zhǎng)度為3~6 m。因此,通過(guò)計(jì)算分析了該裝置的承載力特性,結(jié)果表明:安裝該裝置后套管柱的抗彎剛度大大提升,比單純?cè)黾訉?dǎo)管壁厚更有利于提升橫向承載力,且安裝了該裝置的導(dǎo)管的頂部側(cè)向位移比未安裝該裝置時(shí)大大降低。該裝置直徑較小,在隨導(dǎo)管?chē)娚湎氯脒^(guò)程中,由于深水淺層土質(zhì)松軟,有可能會(huì)引起井眼的坍塌,應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究在噴射貫入過(guò)程中,該裝置是否會(huì)引起井眼的不穩(wěn)定。
圖5 承載力加強(qiáng)裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of strengthening device for bearing capacity
1)井口穩(wěn)定性仍然是影響深水鉆井安全高效的一大難題,井口橫向承載力和豎向承載力模型受等待時(shí)間、導(dǎo)管尺寸、導(dǎo)管下深、井口出泥高度、地層參數(shù)等因素影響較大,特殊工況下非常規(guī)井口裝置系統(tǒng)對(duì)提升井口穩(wěn)定性具有較好的應(yīng)用價(jià)值,是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。
2)建議加強(qiáng)深水油氣鉆探淺層地質(zhì)災(zāi)害(淺層氣、淺層流、水合物)對(duì)井口穩(wěn)定性影響研究,以及特殊工程地質(zhì)條件下的井口穩(wěn)定性問(wèn)題研究,以期為深水鉆井井口穩(wěn)定性提供安全保障。