南海超深水喷射钻井导管入泥深度设计方法.pdf

石油 天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 ] 1 年 3 月第 3 3 卷第 3 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I Ma r ． 2 0 1 1 V o 1 ． 3 3 N o ． 3 南海超深水喷射钻 井导管入 泥深度设计方法 唐海雄 ，罗俊丰 ， 叶吉华 中海 油 中国有限公司深i J l1分公司荔湾超深水项目， 厂东iaJ Ji 5 1 8 0 6 7 陈维杰 ，畅元江 ，陈国明 中国 芒油大学 华东机电工程学院， 山 东东营2 5 7 0 6 1 [ 摘要] 导管入泥深度 的合理设计是深水 } 射钻 井作业成功 实施 的关键。分析导 管轴 向最 大承 载工况 以及 导 管 承 载 力 随 时 间 的 变 化 。研 究 土 剖 面 已知 或 未 知 情 况 下 导 管 最 小 入 泥 深 度 设 计 方 法 ， 后 者 能 有 效 地 节 省对深层土壤进行 实际钻孔取心的作 业成本。研究表 明，导管入 泥深度 主要 由土壤 性质 、固井井 口载荷 以及导管静置时间决定。算例验证 了方法 的准 确性 。所 研究 的方法 与结 论可 为南海深水 喷射钻 井导管入 泥深度设计提供有用参考。 [ 关键词]超深水 ；喷射钻 井；导管 ； 入泥 深度 [ 中图分类号]T E 2 4 8 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 O 1 1 0 3 0 1 4 7 0 5 喷射下 导管技 术是 为 了解决海 床不 稳定 、破 裂压 裂梯度 底 、气体 水合 物堵 塞 、浅 层水 流危 害 以及海 底低温 变化 等浅 层土地 质 风险难题 而提 出的一种 新 的浅层 土钻井 工艺 ，该 技术 主要应 用 于墨西 哥湾 、马 来西亚 、巴西 以及 我 国南海 深水 区域 的油气 田开发 I ] 。导管 人泥深 度设 计是 喷射 钻井作 业 中最 为关键 的 一 环 ，入泥 深度过 大将 容易 造成导 管 喷射下 入遇 卡 ，入泥深 度过 浅将 由 于导管 轴 向承载 能力不 足而 导致 井 口失 稳下沉 ，合 理 的设 计 深度是 确保 导管 能够安 全定 位 以及后 续钻 井作业 能够 顺利 进行 的基础 。调 研 的文献 表明 ，导管人 泥深 度从 4 O ～ 1 3 0 m 不等 ，与井 位所 处水 深并 没有 直接 联 系 。B e c k l 2 最 早 提 出导 管 人 泥深度 的设计 方 法 ，但 没有 考虑 导管 实 时 承载 力 随 时 间 的变化 。A P I RP 一2 A WS D 2 0 0 0 [ 3 3 提供 了桩 设计 的相关 指导 规范 ，对 喷射 安装 的导管 人泥 深度设 计具 有一 定 指导 意 义 。Ak e r s _ 4 借 鉴 AP I中桩 的设 计理 论 ，对 导 管承载 力进行 了计 算并 给 出导管 设计方 法 ，但假 定扰 动后 的土 壤抗剪 强度 随时 间 的没 有增 量 。苏勘华 等_ E 基 于土 力学 与桩基 理论 ，利用 迭 代法提 出一 种导 管下 深设计 方法 ，能否应 用于 工程 实践有 待进 一步 验证 。P h i l i p p e l 6 提 出的方法 考虑 了承 载力 的时 间效 应 ，是 目前 最通 用 的 导管 人 泥深 度 设计方 法 ，该做 法在 墨西哥 湾 2 0余 口井得 到 了成 功 应用 ，前 提是 需 要 井位 浅 层 与深 层 土 的钻 孔 取心 数 据 。 笔 者在文 献 E 6 3 的研究 基础 上 ，更 为详 细地 分析 了固井 井 口载 荷 、导 管轴 向最 大 承载 以 及考 虑 时 间效应 的导管 实 时承载 能力计 算 ，尤其 对浅 层土钻 孔取 心而 缺乏 深层 土土壤 数据 的情 况 ，通过 参照 临近 浅层 土 数据 、导管 实际入 泥深 度等 基础数 据 ，提 出一种 导管 最小人 泥 深度 的设计 方法 。该 方法 可用 于指 导南 海超 深水 喷射钻 井导 管人 泥深度 的设 计 。 导管人泥深度设计方法 1 ． 1导管轴 向最 大承载 工 况分析 分 析喷射 钻井 _T艺 过程 可得 ，导管 轴 向最 大 承载工 况 出现在 表层 套管 固井 阶段 ，其最 大承 载在 固井 水 泥浆 到达井 眼底部 但 尚未进 入导 管和 表层套 管环 形 空 问那 一刻 最 大 。该 工 况 导 管最 有 可 能发 生 下沉 。 固井 工况 结构示 意 图如 图 1 所示 。 固井 时坐挂 在井 E l 上 的轴 向载荷 简 称 固井 井 口载荷 为 [ 收稿日期]2 O 1 0 1 22 2 [ 基金项 目]国家科技重大 专项 2 O O 8 Z X 0 5 0 2 6 0 0 1 。 [ 作者简介]唐海雄 1 9 6 2一 ，男 ，1 9 8 3 年大学毕业 高级工程师 ，现主要从事海洋石油钻完井技术方面的研 究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 1 年 3 月 W l d e d W l W 2 W 3 W 4十 W 5 1 式 中 ， W I d e d 为管 固井井 I2 1 载荷 ， k g ； W 为 空气 中表层套 管 重量 ， k g ； W 为 空气 中 固井 管柱 重量 ， k g ； W。为表 层套 管 与 固井 管柱 环 形 空 间 内海 水 重 量 ， k g ； w 为固井管 柱 中水泥浆 及其 底部 El袋 重量 ， k g ； w 为表 层套 管 排 开钻 井液 重量 ， k g 。 至 Ⅳs 均与表层套管的设计深度有关 ， 因此固井井 口载荷 的大小 主要 由表层 套管 下深决定 。 该 工况 下导管 承受 载荷 上 AD FSl W 。 n d W wH W M d M FS 2W I d e d 2 式 中， L O AD 为导 管 承 受 最 大 轴 向载 荷 ， k g ； F S 、 F S 为 局 部 安 全 系数 ， F S 建议 值取 1 ． 0 ， F 5 z 建议 值取 1 ． 3 ； W⋯d 为 导管 浮重 ， k g ； ww 为 井 口头 浮重 含高低 压经 口头 ， k g ； WM u d№ 为防沉板 浮重 ， k g 。 1 ． 2 导管承载能力分析 导 管经 喷射下 人到 最终深 度时 ， 其初 始承 载能力 Qo WOBl 一 R 。 。 d I P w H T D c c A D A W M d № 3 式 中， Q 。为导管 初始 承载 能力 ， k g ； WO B 为 最终 测 量 钻 压 导 管 到 达最 终深 度 时 作 用 在 钻 头 上 的 重 量 ， k g j R 为 钻 压 利 用 率 取 值 范 围 0 ． 8～ 图 1 固井工况示意 图 1 ． O ； WL P w 为 低压井 口头 浮重 ， k g ； D c为 钻铤浮重 ， k g ； Wc A D A为 C AD A 工具 浮重 ， 。 导管和钻铤的重量跟导管人泥深度及各线重有关 。 通常情况下 ， 为了导管能够承受更大的弯曲载荷， 在靠 近泥线 8 0 { t 这 一段 壁厚 采用 1 ． 5 i n ， 往下 壁厚 采用 l i n 。 导管 重量 W n d一 叫lL1 硼2 L L】 4 式 中 ， W 为上部 导管单 位长 度浮 重 ， k g ／ f t ； L 为 上部 导管 长度 通 常 为 8 0 f t ， f t ； 叫 为 下部 导 管单 位 长度 浮重 ， k g ／ f t ； L为导 管入 泥深度 ， f t 。 钻 铤重 量 W D c WD CL 5 式 中 ， WD C为钻 铤单 位长 度浮重 ， k g ／ f t 。 从导管喷射结束算起， 经静置时间 t 后 ， 导管实时承载能力 Q 一 Q0 S ETUP WOBl △ a 7 D L S u 6 式 中 ， S ETU P 为 土壤 恢 复力 ， k g l A a 为 土壤强 度恢 复 因子 ； D 为导管 直径 ， I t ； S u 为土 壤平均 抗剪 强度 ， k g ／ f t 。 土壤经喷射钻头扰动后其不排水抗剪强度会急剧减小 ， 需要经过一定时间才能恢复。 土壤强度恢复因 子可 以表示 为 A ∞ 一 k [ 2 l g t ] 7 式 中 ， k为恢 复系数 ， 根据 墨西 哥湾和西 非等 深水 井导管 入泥 深度 的成功设 计 经验 ， 建议值 取 为 0 ． 0 5 5 i t 为 导 管静置 时 间 s e t u p t i me 。 土壤 平均 抗剪 强度 为 S u⋯ 一 S u 0 S ul L 式 中， 。 、 为剪切强 度 系数 。 土壤 强度恢 复 N-N壤 平均抗 剪强度 主要 由设计 井 所处 海 域 的土 壤性 质决 定 。 土壤 经 喷射 钻 头扰 动 后抗剪 强度会 减 小 ， 随后 抗剪 强度会 随着 静置 时间 的增长逐 渐恢 复到 初始未 扰 动前 的抗剪 强度 。 土壤平均抗剪强度是为了方便计算导管侧向摩擦力引入的概念。 钻孔取心所得的土剖面一般是指不 排水抗 剪强 度与深 度 的关 系 。 土壤平 均抗 剪强 度和不 排水抗 剪强 度关 系如 图 2 所 示 。 假设 土壤 不排 水抗 剪强度 为 一 口 b L 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 1 年 3 月 图 3中邻井 平均 抗剪 强度 曲线 的反 推过程 如下 土壤恢 复 因子 ／ X a t 一是[ 2 l g ]一 _ _ 面 1 7 令 △Q F S 2W i d e d 1 8 则 s 一 S S u1 L 1 9 在 导管 尺寸 、 静 置时 间和 土壤强 度恢复 系数 已知的情 况下 ， 计算 每 口井 的 固井井 口载荷 ， 利 用式 1 9 ， 可求得 每 口井 在导 管实 际入泥 深度处 的平均 抗剪 强度 。 再 结合各 井浅 层土泥 线下 L处 的不 排水抗 剪强度 ， 即 Su Su o 2S ul L 2 0 联立式 1 9 、 2 0 ， 可求得可求得各邻井不排水抗剪强度与平均抗剪强度曲线 。 图 4中的转换 系数 定义 为土壤不 排水 抗 剪强度 的 比值 。在 转换邻 井平 均 抗剪 强 度 曲线 时首 先 不 排水 抗 强 度 曲 线 的 斜 率 和 常 量 都 同 时 除 以 转 换 系 数， 然 后 嫠 求 得平均 抗剪强 度 曲线为设 计井 所用 。 赠 2 算 例 蹄 以南 海 某 超 深 水 井 为 例 ，拟设 计 的 导 管 直 径 为 3 6 i n ，靠 近泥 线 8 O f t 段 壁 厚 采 用 1 ． 5 i n ，往 下 为 1 i n 。 根 据表层 套管 、固井 管柱线 重 ，以及水 泥浆 、海水 和 钻井液密度等基础数据，经计算求得固井井 口载荷为 2 6 7 ． 6 k i p s 每平 方英寸 千 磅 。该 井 位 土 剖 面 如 图 4 所 示 。 不排 水抗剪 强度 曲线 S u 一 0 ．1 0 8 4 0． 0 0 5 8 L 21 式 中 ， L单位 为 f t ； S u单位 为 k i p s 。 方法 1 土剖面 已知情 况下 导 管人 泥 深度 设计 方 法 。局 部安 全因 子 F 5 取 1 ． 0 ， F S 取 1 ． 3 ， 钻 压利 用 率 R取 0 ． 8 。得 出设 计井在 不 同静置时 间下 的导 管 最 小入泥 深度见 表 1 。 假设 设计井 土剖 面未 知 ，对邻 井 6口井 的平均抗 剪 强度进 行反 推 ，得 出各井 的平 均抗 剪强度 曲线 的斜 率及常系数见表 2 。 通过 浅层 土钻孔 取心 数据得 知 ，设 计井 在泥线 下 1 ． 4 m 处 的不排 水 抗 剪 强 度 为 2 ． 5 k P a ，而 邻 井 1 ～ 6 在 该位 置处 的值 为 3 ． 2 k P a 。因此 ，转换 系 数为 1 ． 2 8 。 一 ． 0 0 4 0 8 l 2 1 6 2 不排水抗剪强] U k i p s 图 4 设 计 井 不 排 水 抗 剪 强 度 表 1 不同静置时间下导 管最小入泥深度f 方法 1 导管静置时间／ d 最小人泥深度／ f t 表 2邻 井 平 均 抗 剪 强 度 曲 线 为保 守起 见 ，利用邻 井 3的不排 水抗剪 强度 曲线 进行 转换 该 井 斜率 最 小 ，求 得新 的不排 水抗 剪 强 度 曲线 S 一 0 ． 0 2 1 6 0 ． 0 0 6 6 L 2 2 经转 换得 到 的不排水抗 剪 强度与 实际不 排水抗 剪强 度 曲线 比较 如 图 5所示 ，由图 5可看 出 ，二者符 。如 猢瑚姗瑚 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3卷第 3期 唐海雄 等 南海超深水喷射钻井导管入泥深度设计方法 合 度较 高 。 方法 2 一 一 土剖 面未知 情况 下导 管人 泥 深度 设计 方法 。得 出设 计井 在不 同静 置时 间 下 的导管 最 小入 泥深度见 表 3 。 一 扭 曲 ’ 、、 ＼ 一一反推不排水抗剪 强度 曲线 ’ 、、 ＼ 一 实 际 不 排 水 抗 剪 强 度 曲 线 ＼ ＼ ．． 、 _ 0 4 0．6 0 ． 8 l 1 2 不排水抗剪强度／ k i p s 不排水抗剪强度比较 表 3不 同静 置 时 间下 导 管 最 小 入 泥 深度 方 法 2 导管静置 时问／ d 最小入泥深度／ f t 比较 表 1 与 表 3看 出 ，在 同等静 置时 间 下，两种 方 法设 计 的人 泥 深度 差 值 较 小 ， 以静置 时 间 6 d为 例 ，二者相 差不 到 l m，很 好 地验证 了方法 2的 准确性 。同 时 ，随着 静置 时 间 的增 大 ，导 管 人 泥深 度 的 差值逐 渐 变小 。 3 结 论 1 导 管最 易发生 下沉 的工况 出现 在表 层套 管 固井 阶段 。导管 实 时 承载 能 力 为导 管 初 始承 载 能 力与 土壤 的恢复力 之 和 。导 管承 载力 随着静 置时 问增 大而增 强 ，直 至扰动 后 的土壤 抗剪 强度恢 复 到未扰 动前 的状态 。 2 设计 井所处 海 域 的土壤 性 质 、固井 井 口载荷 与 导 管 静 置 时 间是 决 定 导 管人 泥深 度 的主 要 因素 。 超过 一定 天数 ，导 管 静 置 时 间 对 其 人 泥 深 度 的设 计 影 响很 小 ，需 在 静 置 时 间 与 钻 井 成 本 之 间 寻 求 平 衡 点 。 3 提 出的方法 能合 理地设 计导 管在 不 同 静置 时 间下 的最 小 入 泥 深度 ，减少 设 计 的 盲 目性 ，有 效 节 省 了对 深层 土壤 进行钻 孔取 心 的作业 成本 。 [ 参考文献] E l i徐荣强 ， 陈建兵 ，刘正礼，等 ．喷射导管技 术在深水钻 井作业中的应用 [ J 3．石油钻探技术 ，2 0 0 7 ， 3 5 3 1 9 ～2 2 ． [ 2 ]B e c k R D． R e l i a b l e De e p w a t e r S t r u c t u r a l C a s i n g I n s t a l l a t i o n Us i n g C o n t r o l l e d J e t t i n g E J ]．S P E 2 2 5 4 2 。1 9 9 1 ． [ 3 ]AP 1 R P 2 A WS D，R e c o mme n d e d p r a c t i c e f o r p l a n n in g[ s ]． [ 4 3 Ak e r s T J ．J e t t i n g o f s t r u c t u r a l c a s i n g i n d e e p w a t e r e n v ir o n me n t s j o b d e s ig n a n d o p e r a t i o n a l p r a c t i c e s[ J ]．S P E 1 0 2 3 7 8 ，2 0 0 8 [ 5 ]苏堪华 ，管志川，苏义脑 ．深水钻井导管喷射下人深度确定方法l J ]．石油大学学报 自然科学版 ，2 0 0 8 ，3 2 4 4 7 5 0 ． [ 6 ]P h i l i p p e J ．I n n o v a t i v e d e s i g n me t h o d f o r d e e p w a t e r s u r f a c e c a s i n g E J ]．S PE 7 7 3 5 7 ．2 0 0 2 ． [ 编辑] 苏开科 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 O 0 O O O O O O 5 m 加 强 如 2 5 O 图 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m