南海西部烏石海域?508 mm隔水導(dǎo)管簡易井口穩(wěn)定性研究

朱志潛，劉賢玉，陳 力，鄭浩鵬，弓世卿，王養(yǎng)鋒

(1.中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù) 湛江分公司，廣東 湛江 524057)

淺層海底土泥質(zhì)松軟，承壓能力較低，若隔水導(dǎo)管入泥深度過淺，淺部地層無法提供足夠的承載力而發(fā)生井口下沉等情況，可能因隔水導(dǎo)管未能有效封隔淺部松軟地層而導(dǎo)致表層鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生井漏、失返等復(fù)雜情況，甚至被迫提前下套管固井。若隔水導(dǎo)管入泥深度過深，則會增加作業(yè)時(shí)間，造成不必要的投資浪費(fèi)。另外，南海西部海況惡劣，為保證現(xiàn)場作業(yè)安全，簡易井口下隔水導(dǎo)管需要考慮百年一遇極端海況[1-10]。

南海西部烏石海域常規(guī)探井通常采用自升式鉆井平臺進(jìn)行鉆井作業(yè)，為保證井口穩(wěn)定性，普遍采用?762 mm×25.4 mm大尺寸隔水導(dǎo)管，然而大尺寸隔水導(dǎo)管下入施工難度較大，作業(yè)成本較高。若能降低隔水導(dǎo)管尺寸，如采用?508 mm×25.4 mm套管作為隔水導(dǎo)管，將能大幅降低表層鉆井作業(yè)難度，節(jié)省管材成本。由于?508 mm套管可與?339.7 mm技術(shù)套管復(fù)合連接并一起下入，從而減少1個(gè)套管層次，大幅節(jié)省鉆井周期與作業(yè)成本。本文針對烏石海域探井簡易水上井口，從隔水導(dǎo)管樁土承載力、海底土淺層破裂壓力、極端風(fēng)浪流載荷下隔水導(dǎo)管強(qiáng)度等方面，系統(tǒng)分析采用?508 mm×25.4 mm較小尺寸隔水導(dǎo)管時(shí)的井口穩(wěn)定性，論證方案可行性。

1 井口穩(wěn)定性分析方法

1.1 隔水導(dǎo)管樁土承載力

采用鉆入法，在?660.4 mm井眼中下入?508 mm×25.4 mm隔水管后進(jìn)行固井，水泥返高至泥線，隔水管承載力主要取決于：①隔水管與水泥之間的膠結(jié)強(qiáng)度(第1膠結(jié)面)；②水泥與地層土之間膠結(jié)強(qiáng)度(第2膠結(jié)面)。

水泥環(huán)與地層的摩擦力可以取為淺層土的摩擦力。水泥環(huán)與隔水導(dǎo)管之間膠結(jié)面摩擦力大小可采用式(1)計(jì)算[10-11]。

f=0.018 1lnt-0.027 7

(1)

式中：f為水泥環(huán)與隔水導(dǎo)管之間的單位面積摩擦力，MPa；t為水泥環(huán)與套管之間的作用時(shí)間，h。

若隔水導(dǎo)管與水泥環(huán)之間的膠結(jié)強(qiáng)度大于水泥環(huán)與地層土膠結(jié)面強(qiáng)度，在分析隔水導(dǎo)管水泥環(huán)與地層軸向承載力時(shí)，可以將隔水導(dǎo)管與環(huán)空水泥作為一個(gè)整體大樁靴進(jìn)行樁土承載力分析，根據(jù)API規(guī)范中可用單樁軸向極限承載力經(jīng)驗(yàn)公式，來進(jìn)行極限承載力計(jì)算，隔水導(dǎo)管軸向極限承載力計(jì)算公式為：

Q=f·As+qu·Ap

(2)

式中：Q為水泥環(huán)外側(cè)壁摩阻力， N；As為水泥環(huán)外側(cè)壁表面積，mm2；Ap為隔水導(dǎo)管與水泥環(huán)底部截面積，mm2；qu為隔水導(dǎo)管與水泥環(huán)底部單位極限阻力，MPa。

1.2 海底土淺層破裂壓力

當(dāng)海底淺部地層所受載荷大于地層最大抗剪強(qiáng)度時(shí)，地層發(fā)生破壞，導(dǎo)致地層破裂，引起鉆井液漏失，所以地層的破裂壓力取值應(yīng)為最大的地層抗剪強(qiáng)度，即[12]：

pf=τ

(3)

式中：pf為地層的破裂壓力，MPa；τ為海底土的抗剪強(qiáng)度，MPa。

1.3 風(fēng)浪流載荷下隔水導(dǎo)管強(qiáng)度分析模型

烏石海域W區(qū)塊水深22 m，百年一遇極端海況下最大波高8.9 m，波浪有效周期5.2 s，表層海流速度1.53 m/s，風(fēng)速29 m/s，海水密度取1.025 t/ m3。表1為烏石海域W區(qū)塊海底土地質(zhì)資料，根據(jù)海底土p-y特性，采用彈簧約束模型模擬海底土對隔水導(dǎo)管的橫向約束承載，在水面以上簡易井口處，對隔水導(dǎo)管施加橫向簡支約束，在隔水導(dǎo)管頂部施加軸向載荷1 000 kN，隔水導(dǎo)管井口力學(xué)模型如圖1所示[13-14]。 隔水管橫向上主要受到海風(fēng)、海浪及海流共同作用力，風(fēng)浪流按同一作用方向考慮。波浪載荷根據(jù)司托克斯五階波理論進(jìn)行計(jì)算，直徑為D的孤立隔水導(dǎo)管，直立地固定于水深為h的波浪中，海浪及海流對隔水導(dǎo)管作用力如圖2所示。在樁柱的任一高程z處取一微分段dz，作用在該段上的波力可以表示為[3-4]：

圖1 隔水導(dǎo)管力學(xué)分析模型

圖2 海浪及海流對隔水導(dǎo)管作用力

表1 烏石海域W區(qū)塊海底土資料

(4)

海流的作用力可以與波浪力同時(shí)計(jì)算，只需將海流速度疊加到波浪力公式中的水平速度上即可，這是最惡劣的工況。作用在孤立樁柱上的波浪力的大小及為正或?yàn)樨?fù)，取決于波浪的相角。

風(fēng)對整個(gè)隔水導(dǎo)管上的總作用力則為基本風(fēng)壓、構(gòu)件迎風(fēng)面積A及氣流作用力系數(shù)C的乘積，即

(5)

2 隔水導(dǎo)管井口穩(wěn)定性分析

2.1 隔水導(dǎo)管樁土承載力

隔水導(dǎo)管線質(zhì)量為0.302 t/m，泥線以上隔水管質(zhì)量約18 t。基于烏石W區(qū)塊地質(zhì)資料，在隔水導(dǎo)管環(huán)空水泥返至泥線、固井質(zhì)量良好的情況下，分析了隔水導(dǎo)管第1膠結(jié)面承載力、第2膠結(jié)面承載力，結(jié)果如圖3～4所示。從圖3可以看出，?508 mm×25.4 mm隔水導(dǎo)管入泥32 m時(shí)，水泥環(huán)與隔水管膠結(jié)面承載力可滿足井口載荷1 000 kN要求。從圖4可以看出，隔水導(dǎo)管入泥42 m時(shí)，水泥環(huán)與地層膠結(jié)面強(qiáng)度可以滿足井口承載1 000 kN要求。因此，在烏石W區(qū)塊，隔水導(dǎo)管與水泥環(huán)之間的膠結(jié)強(qiáng)度大于水泥環(huán)與地層土膠結(jié)面強(qiáng)度，在分析隔水導(dǎo)管軸向承載力時(shí)，可以將隔水導(dǎo)管與環(huán)空水泥作為1個(gè)整體大樁靴進(jìn)行樁土承載力分析。

圖3 隔水導(dǎo)管第1膠結(jié)面承載力

圖4 隔水導(dǎo)管第2膠結(jié)面承載力

綜合考慮第2膠結(jié)面強(qiáng)度大于第1膠結(jié)面強(qiáng)度，?508 mm×25.4 mm隔水導(dǎo)管最小入泥深度為45 m，能滿足井口承載1 000 kN要求。

2.2 淺層破裂壓力

結(jié)合井場土質(zhì)資料，求得該區(qū)域的海底淺層破裂壓力值。設(shè)置一開井段水力學(xué)計(jì)算模型參數(shù)：鉆井液密度1.10 g/cm3，塑性黏度8.0 mPa·s，屈服值4 Pa，鉆井液泵入排量4 000 L/min。通過水力學(xué)分析，求取一開鉆進(jìn)時(shí)的環(huán)空鉆井液密度當(dāng)量ECD，并與淺層破裂壓力進(jìn)行對比。從圖5可以看出，隔水導(dǎo)管入泥為41 m時(shí)，管鞋處承壓能力大于鉆進(jìn)ECD，滿足安全鉆進(jìn)要求。隔水管下深超過41 m后，已封住該易漏失層，隔水管入泥至密實(shí)的粉土和細(xì)砂層，漏失風(fēng)險(xiǎn)降低。

圖5 海底土淺層破裂壓力與環(huán)空ECD

2.3 隔水導(dǎo)管風(fēng)浪流載荷下隔水導(dǎo)管強(qiáng)度

隔水導(dǎo)管所用材料為K55鋼，彈性模量取210 GPa，泊松比取0.3，質(zhì)量密度取7.85 t/m3，屈服強(qiáng)度379 MPa。

當(dāng)井口載荷1 000 kN時(shí)，?508 mm×25.4 mm隔水管在百年一遇海況載荷下應(yīng)力、位移、彎矩分別如圖6～8所示。最大應(yīng)力249 MPa，強(qiáng)度安全系數(shù)為1.52。根據(jù)Q/HS 14009—2011海上開發(fā)井隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)和作業(yè)規(guī)范，百年一遇海況下強(qiáng)度最小安全系數(shù)1.25[15]，因此? 508 mm×25.4 mm隔水管滿足百年一遇海況強(qiáng)度要求。在水面及泥線下2 m附近出現(xiàn)最大應(yīng)力與彎矩。隔水管最大位移0.68 m，出現(xiàn)在水面以下2 m處。泥線以下10 m后，隔水管彎矩和應(yīng)力較小，對隔水管強(qiáng)度影響較小。

圖6 百年一遇海況下隔水導(dǎo)管應(yīng)力分析界面

圖7 百年一遇海況下隔水導(dǎo)管位移分析界面

圖8 百年一遇海況下隔水導(dǎo)管彎矩分析界面

3 現(xiàn)場應(yīng)用

烏石W區(qū)塊X井，使用?444.5 mm鉆頭+ ?660.4 mm擴(kuò)眼器進(jìn)行一開雙眼鉆進(jìn)目的深度后，下入?508 mm和?339.7 mm復(fù)合套管，其中?508 mm入泥65 m兼做隔水導(dǎo)管，下部?339.7 mm套管為技術(shù)套管，井身結(jié)構(gòu)如圖9所示?，F(xiàn)場作業(yè)中未見井漏、井口失返、井口下沉等復(fù)雜情況，在臺風(fēng)海況下保持了井口穩(wěn)定性，鉆井作業(yè)安全順利完成。相比前期探井單獨(dú)采用?762 mm大尺寸隔水導(dǎo)管方案，減少了1個(gè)套管層次，節(jié)省工期約1 d，降低了隔水管材料費(fèi)用與作業(yè)費(fèi)用。

圖9 烏石海域W區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意

4 結(jié)語

1) 基于烏石W區(qū)塊常規(guī)探井簡易水上井口，采用鉆入法下入隔水導(dǎo)管，在固井質(zhì)量良好的情況下， ?508 mm×25.4 mm隔水導(dǎo)管最小入泥深度為45 m時(shí)，能滿足井口承載1 000 kN要求，且管鞋處承壓能力大于環(huán)空鉆井液密度當(dāng)量ECD量。

2) 當(dāng)井口載荷為1 000 kN時(shí)，?508 mm×25.4 mm隔水導(dǎo)管滿足百年一遇海況下強(qiáng)度要求，在水面及泥線下2 m左右出現(xiàn)最大彎矩與應(yīng)力，在水面以下2 m附近出現(xiàn)最大位移0.68 m，泥線以下10 m后隔水管彎矩應(yīng)力較小。

3) 烏石海域采用?508 mm×25.4 mm較小尺寸隔水導(dǎo)管，滿足井口穩(wěn)定性要求，可實(shí)現(xiàn)后續(xù)安全鉆井作業(yè)。相比?762 mm大尺寸隔水導(dǎo)管方案，可降低作業(yè)工期與費(fèi)用。