深水钻井导管喷射过程中钻头与海底土的相互作用.pdf

第 37 卷 第 1 期 2015 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China） Abstract In order to analyze the interaction between the drill bit and subsea soil during the pipe ejection and lowering, the me- chanical model of drill bit during the pipe lowering has been established. According to the analysis of jet flow theory and soil mechanics, the calculation for nozzle jet flow force and critical destruction force of soil layer is gained. According to the research results, the interaction force between drill bit and subsea soil may be divided into direct acting force and jet flow acting force. The drill bit pressure directly acting on the stratum exists only when the jet flow force is small. The displacement is a main factor affecting the acting force. After the calculation of actual cases on site, the jet flow force and anti- erosion force of soil layer during the construction, and the height from drill bit to downhole during the ejection are figured out. Such research results are capable of analyzing the drill bit and drill string stress during the ejection based on the subsea soil characteristics in the specific sea areas, and providing a theoretical basis for the drilling parameter design of pipe ejection of deepwater drilling. Key words pipe; ejection and lowering; jet flow; subsea soil; critical destruction force of soil 基金项目 国家自然科学基金“海洋深水浅层钻井关键技术基础理论研究” （编号51434009） ；国家自然科学基金“深水钻井表层导 管喷射钻进机理研究” （编号51274215） 。 作者简介 许云锦， 1985 年生。现主要从事海上钻完井技术研究工作， 在读博士研究生。E-mailxuyunjin520。 在深水钻井过程中， 喷射下入导管技术优于常 规的导管下入技术［1］， 其突出的特点是能够减少其 下钻的时间以及固井所需要的时间， 减少钻井作业 时间， 节约钻井成本。喷射下导管技术将成为深水 钻井中广泛应用的导管下入技术［2］。 在深水导管下入过程中， 由于导管通过导管送 入工具连接着钻杆， 使得钻压参数不能反映钻头的 受力情况。有些学者认为［3］， 在导管喷射下入过程 中， 射流喷射的作用就足够冲击破坏地层土， 钻头不 接触井底， 但是没有理论和数据来证明这一结论。 本文在前人研究成果的基础上［4］， 建立导管喷射下 入过程中的钻头受力模型， 通过对现场喷射数据及 石油钻采工艺 2015 年 1 月（第 37 卷） 第 1 期48 井场资料的计算， 研究钻头在喷射过程中的受力情 况。该方法可以定量分析喷嘴射流冲击力与海底土 的抗冲蚀能力以及钻头距井底的高度， 更具体清晰 地了解钻头与土层的作用关系。 1 钻头受力模型 导管喷射下入过程中， 通过整体分析导管下入 的轴向载荷来研究钻头的受力情况［5］， 其轴向载荷 由 5 部分组成管柱上提载荷、 导管侧壁摩擦载荷、 导管重力、 下入钻柱重力、 钻头对海底的作用力。 由图 1 可知， 在导管喷射下入过程中， 轴向的受 力平衡方程可表示为 TNfW钻头W导管W钻柱 （1） 式中， T 为上提管柱的轴向载荷， N；Nf为导管侧向 受到的摩擦力， N；W导管为导管在海水中的浮重， N； W钻柱为钻柱在海水中的浮重， N；W钻头为喷射过程 中钻头施加给海底土的压力， N。 分析钻头的受力， 在导管下入过程中， 钻头对地 层施加的力有水眼喷射的射流冲击力和钻头对地层 的直接作用力 W钻头F射N钻 （2） 式中， F射为喷嘴射流对地层的冲击力， N；N钻为钻 头对地层的直接作用力， N。 钻头对地层的压力取决于射流冲击力与地层的 抗冲击能力的比较。当射流冲击力小于地层的抗冲 击能力， 才会存在钻头对地层的直接作用力。 2 喷嘴射流冲击力 水从喷嘴射出冲向地层的过程是一个淹没射流 的过程。根据水射流的理论［6］， 喷嘴出口至转折面 的距离为射流初始段 S0， 在初始段内部有一个速度 保持不变的核心， 其速度为 u0， 在转折面之后射流轴 线上的速度开始衰减， 其速度为 um。经过求解计算 得出半经验理论结果。 核心段长度 S0为 S09.22R0 （3） 式中， R0为喷嘴半径， m。 射流轴向速度的衰减规律为 u uRRS SS SS m 000 0 0 1 13 24        ≤ . ≤ （4） 射流截面的流量为 Q Q S R uu SS SS 0 0 0 0 0 10 12 2 13        ≤ . . m ≤ （5） 式中， Q 为射流流量， m3/s；Q0为喷嘴处流量， m3/s； S 为计算面距离喷嘴出口的距离。 根据动量定理， 射流冲击前的动量为 ρQu， 射流 冲击后的动量为 ρQucosφ， 则射流作用在土体表面 上的冲击力［7］为 F射ρQu（1–cosφ） （6） 式中， ρ 为流体的密度， kg/m3；u 为射流流速， m/s； φ 为射流冲击土体表面后离开土体表面的角度， 。 3 土的临界破坏压力 在喷射土体表面过程中， 射流能否破坏土体不 仅取决于喷射的射流参数， 同时也取决于土体对喷 射射流的抗冲蚀能力。土的临界破坏压力是土体本 身的性质决定的， 仅与土体本身的参数有关。引用 东北大学教授杜嘉鸿等人［8］的研究成果， 土体在射 流作用下的临界破坏压力 Fcr与土的渗透性、 土颗粒 粒径的大小以及土的密度等参数有关， 即 （7）F d k crfd τ2 60 2 1           − − ατ γ 式中， Fcr为土体破坏面上的射流临界压力， kN；α 为 修正系数， 经试验测定 α1.81010；τf为土的抗剪 强度， kPa；d60为土颗粒限定粒径， mm；k 为土的渗 透系数， m/s；γd为土体重度， kN/m3。 根据该临界破坏压力计算公式， 即可通过现场 井场数据分析和计算海底浅层土体的临界破坏压力。 4 应用实例 现根据南海某口深水井的喷射作业参数， 所用 钻头直径为 660.4 mm， 喷嘴参数为 24 mm322 mm1， 钻井液密度为 1.03 g/cm3。该井的井场调查 报告的地层参数见表 1， 土的渗透系数为 6.7410–10 m/s， 土颗粒限定粒径为 0.003 mm， 射流冲击土体表 面后离开土体表面的角度取 120 。经过计算比较深 水浅层土的临界破坏压力与喷射冲击力的大小， 其 作用力对比及排量参数如图 1 所示。 表 1 海底表层土参数 深度 /mγd/kN m–3τf/kPa深度 /mγd/kN m3τf/kPa 03.5365775 7.941269.47.579 385.745 从图 1 中可以发现， 在 64 m 以前， 通过喷嘴的 射流作用就可以达到破土的效果， 钻头与地层没有 接触， 如图 2 （a） 。在 64 m 以后由于降低了排量， 使 得射流冲击力小于地层临界破坏力， 从而钻头直接 作用于地层， 发挥钻头旋转破岩的能力， 直至目的井 49许云锦等深水钻井导管喷射过程中钻头与海底土的相互作用 深， 如图 2 （b） 。接触地层后钻头的受力大小可以通 过式（1） 计算得出。 图 2 喷射过程中钻头与地层的关系 通过计算喷嘴的射流冲击力达到土的临界破坏 压力时的射流距离， 可以计算出不同尺寸喷嘴作业 时距离井底的高度， 其结果如图 3 所示。 图 3 喷射过程中不同尺寸喷嘴距离井底的高度对比 从图3中可以发现， 对比2种尺寸的喷嘴虽然产 生相同的喷射冲击力， 但是达到土临界破坏压力的 流速不同， 进而破坏面距离喷嘴出口的距离也不同。 从图中可以发现 24 mm 尺寸的射流距离比 22 mm 的小， 对于钻头距井底的高度采用较大的射流计 算结果， 即 22 mm 的射流距离。在刚开始喷射和 快到喷射目的层时， 钻头距离井底的高度较低， 在喷 射的中间时期钻头距离井底的距离较高。在喷射初 期， 为保证导管下入过程中的垂直稳定， 排量较低； 在喷射中期排量较大， 加快喷射下入的速度以及黏 土在环空的返排， 钻头距井底的高度有 1050 cm； 在喷射末期， 为减小射流喷射对地层土的扰动， 减小 排量有助于地层土对导管承载力的恢复。 根据这一理论， 钻头距井底的高度是射流力与 土层抗冲蚀能力共同作用的结果。根据不同区域地 层参数以及喷射施工参数的计算， 可以了解钻头与 土层的作用关系， 通过调节排量使得射流力与海底 抗冲蚀能力满足合理的关系， 以提高喷射施工安全 及效率。 5 结论 （1） 得到了喷嘴射流力与流速、 流量的关系以及 土层临界破坏压力的计算方法；在对喷射下入过程 中钻头受力分析的基础上， 建立了钻头在喷射下入 过程中的受力模型。 （2） 钻头对地层的作用力取决于射流冲击力与地 层的抗冲击能力的比较， 喷射排量是关键性因素， 当 射流冲击力较小时， 钻头接触井底产生直接作用力。 （3） 通过对现场某口井喷射下导管的施工参数以 及地层参数的计算， 并对比分析喷嘴射流力与地层 土的临界压力， 钻头射流力只在喷射末期与地层接 触， 喷射中期钻头距井底的高度有 1050 cm。 参考文献 ［1］ YANG Jin， LIU Shujie, ZHOU Jianliang, et al. 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