深水表層導管下入方式適應性分析

周建良

（中海油研究總院，北京100027）

楊 進，嚴 德，田瑞瑞

（石油工程教育部重點實驗室 （中國石油大學），北京102249）

自20世紀90年代以來，深水 （≥500 m）油氣資源鉆探工作在世界范圍內(nèi)得到了大規(guī)模開展［1］。深水鉆井表層導管下入技術(shù)是深水鉆井工程施工的關鍵環(huán)節(jié)，是挑戰(zhàn)深水作業(yè)難度的核心技術(shù)之一［2－5］。表層導管是鉆完井作業(yè)中下入的第1層結(jié)構(gòu)套管，其為水下井口、防噴器組及采油樹等設備提供支撐，需要滿足海上鉆井設備、隔水管以及將來生產(chǎn)、修井作業(yè)時的多種作業(yè)載荷要求，且須垂直安裝 （傾斜度小于1.5°），以避免鉆井過程中鉆柱、套管柱與水下井口發(fā)生磨損［3－4］。深水鉆井表層導管的下入由于深水環(huán)境和作業(yè)工況復雜，具有操作風險高、作業(yè)難度大等特點，如果下入方式選擇不正確，控制措施采取不當，容易導致導管下入不到位、井口偏角過大、井口下沉甚至井報廢等嚴重后果［5］，造成大的經(jīng)濟損失。下面，筆者擬通過對目前海上深水表層導管主要下入方式 （鉆入法［6］、噴射法［7－8］和魚雷錨固法［9－10］）進行分析，選擇合適的深水鉆井表層導管下入方式，以降低深水淺層鉆井作業(yè)風險，提高表層導管施工經(jīng)濟性和安全性，為深水區(qū)油氣資源鉆井作業(yè)提供技術(shù)指導。

1 深水淺層鉆井作業(yè)難點

深水淺層鉆井作業(yè)面臨諸多挑戰(zhàn)，給表層導管安裝作業(yè)帶來了不少難題：

1）海床疏松不穩(wěn)定 大陸坡區(qū)域，海床的坡度非常大。海床的不穩(wěn)定和大的坡度都促使海底極易形成滑坡和泥石流，滑坡快速沉積形成較厚、松軟、高含水且未膠結(jié)的地層，并且隨著水深的增加，淺層土體不排水抗剪強度呈下降趨勢［11］，這對表層導管安裝深度的確定造成了一定的難度，如果入泥深度過淺則難以獲得足夠的豎向承載力。

2）海水低溫影響 隨著水深的增加，溫度隨之降低，深水海底溫度通常約為4℃左右，在該溫度下很容易形成水合物，而且這樣低溫度的會導致鉆井液流變性能變差，延緩水泥漿的水化反應［12］。

3）淺層地質(zhì)災害風險 淺層氣、淺層流和淺層水合物的存在對鉆井井控帶來很大的難度，如果控制不當，則可能引起井口偏斜過大，甚至失穩(wěn)垮塌［13］。

4）破裂壓力梯度低 隨著水深增加，地層的破裂壓力梯度降低，致使破裂壓力梯度和地層孔隙壓力梯度之間的窗口較窄，容易發(fā)生井漏和井塌等復雜情況。

2 表層導管鉆入下入方式

鉆入法下入導管方式與常規(guī)鉆孔／下套管／固井方式?jīng)]有區(qū)別，由于深水區(qū)海底表層土質(zhì)塑性指數(shù)Ip增大，土體次固結(jié)系數(shù)Cα增大 （Sekiguchi建立了一個用塑性指數(shù)來表達的關系式［14］Cα＝0.00168＋0.00033Ip），導致蠕變性能增強［15］，土質(zhì)非常松軟，鉆孔后井眼容易被回填掩埋，深水區(qū)表層導管采用鉆入法下入時存在無法找到井眼的風險。

鉆入法下入表層導管需要進行注水泥漿固井作業(yè)，由于深水海底淺層低溫的影響，會延長水泥漿由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過渡時間［16］，導致水泥漿膠凝強度和水泥石抗壓強度發(fā)展緩慢［17］，這對導管獲得足夠的承載能力是不利的。此外，由于深水海底淺層破裂壓裂梯度低，注水泥漿固井時容易發(fā)生漏失。因此，鉆入法對深水鉆井表層導管下入的適應性不強。

但是，由于鉆入法對海底淺層土質(zhì)強度沒有特殊要求。因此，對于淺層土質(zhì)較硬 （抗剪強度＞200k Pa）的深水區(qū)來說，鉆入法對表層導管的下入具有較好的適應性。

圖1 表層導管噴射下入方式示意圖

3 表層導管噴射下入方式

表層導管噴射技術(shù)是針對深水作業(yè)特點發(fā)展起來的一種導管下入方式［18］，其歷史可以追溯到20世紀60年代，首先應用在墨西哥灣，并且隨著工具的發(fā)展 （如井下馬達和送入工具），使得噴射技術(shù)得到了很好的推廣，到20世紀90年代中后期，澳大利亞、南非和加拿大都將表層導管噴射作為首選安裝方法［3］，目前在西非、馬來西亞等深水海域得到了成功應用。其基本安裝過程如圖1所示。表層導管噴射作業(yè)流程為：平臺組裝鉆具和導管→下入管串、探泥面確認井眼位置→開泵噴射、導管下入至目的深度→脫手送入工具→繼續(xù)二開井眼鉆進→鉆進完成→上提鉆具和送入工具，實現(xiàn)了一趟管柱完成一開井眼鉆孔、導管下入和二開井眼鉆進3個過程，節(jié)約了作業(yè)時間和成本，解決了深水表層鉆孔后下套管不易找到井口的難題，且這種方法無需固井，可避免海底低溫對水泥漿水化作用的影響和因水泥漿密度過大而壓破地層。

深水鉆井表層導管噴射下入方式中導管最小入泥深度的計算是非常關鍵的一項內(nèi)容，這對導管獲得足夠地層承載能力，滿足作業(yè)載荷要求是至關重要的。Beck［19］、Philippe Jean［11］、Akers［6］、蘇堪華［12］、楊進［2］等對該問題都進行了研究分析。對于表層導管的最小入泥深度需根據(jù)表層套管固井最危險工況下來確定，即固井水泥漿達到井眼底部并尚未進入表層導管和表層套管環(huán)形空間那一刻，如圖2所示。導管的最小入泥深度通用計算公式為：

式中，Hmin為導管最小入泥深度，m；W 為作業(yè)載荷（導管、水泥漿、固井管柱等），k N；D為導管外徑，m；f（t）為導管與海底土之間的摩擦力，取決于土體性質(zhì)和恢復時間，k N／m2。

4 表層導管魚雷錨固下入方式

2001年開始，巴西石油公司借鑒海上浮式平臺、隔水管的魚雷樁基錨固方法［20］，開始在坎普斯盆地深水海域采用魚雷錨固工藝來安裝表層導管，且在數(shù)百口井中得到了成功應用［13］。

采用魚雷錨固工藝安裝表層導管 （見圖3）時，其組合主要由導管、錨桿和鰭3部分組成，錨桿內(nèi)部填充水泥、聚合物等物質(zhì)來配重，并保持重心處于較低位置，可以使導管組合能夠順利到達目標入泥深度以獲得足夠的地層承載能力，導管安裝完成后，錨桿由錨鏈上提至拖船重復使用，鰭則用來提高表層導管側(cè)向摩擦力和抗彎剛度，以滿足超深水隔水管作業(yè)需求。

魚雷錨固工藝安裝表層導管由工作船、駁船和拖船共同來完成作業(yè) （見圖4），其最大的優(yōu)點在于導管安裝過程土體不受鉆孔或水力噴射擾動影響，使得表層導管能獲得更好的承載能力，滿足安全作業(yè)要求。但對于此工藝中關鍵的錨桿配重、導管自由下落高度參數(shù)設計未見文獻報道，需做進一步的研究，同時由于整個導管組合部分由錨鏈下放，給組合裝置的控制作業(yè)帶來了較大的難度。

圖2 表層導管固井最危險工況示意圖（插入式內(nèi)管柱固井）

圖3 表層導管魚雷錨

圖4 隔水導管魚雷錨固作業(yè)過程示意圖

5 深水表層導管下入方式適應性分析

根據(jù)對上述3種表層導管下入方式的分析，它們的作業(yè)特點和適應性的對比分析如表1所示。從表1中可以看出，鉆入法對深水鉆井表層導管下入適應性不強，噴射法和魚雷錨固法對深水區(qū)表層導管安裝作業(yè)有好的適應性，且噴射法比魚雷錨固法有較好的經(jīng)濟性。

表1 海上鉆井表層導管下入方式適應性對比分析表

6 結(jié)論及建議

1）鉆入法不適宜深水鉆井表層導管安裝作業(yè)，但對淺層土質(zhì)不排水抗剪強度大于200k Pa的深水區(qū)來說，鉆入法是一種可行的選擇。噴射法和魚雷錨固法對深水鉆井表層導管安裝作業(yè)具有較好的適應性，且在深水作業(yè)現(xiàn)場取得了良好的應用效果，噴射法比魚雷錨固法應用范圍更廣。

2）噴射法具有作業(yè)時效高、操作方便和作業(yè)工具少等特點，對深水鉆井表層導管安裝作業(yè)具有很好的適用性，可應用于我國南海深水鉆井作業(yè)；魚雷錨固法對海底淺層非常松軟的地層具有很好的適應性，可獲得足夠的地層承載能力，但由于其下入方式復雜，需要的輔助船舶和工具多，因此經(jīng)濟性和操作性較差。

3）深水鉆井表層導管的安裝關系到水下井口穩(wěn)定性和鉆井作業(yè)的安全性，無論選擇何種下入方式，都要求導管在安裝最終到位及鉆井作業(yè)過程中能夠有足夠的支撐力，這就要求對深水海底淺層土體承載能力和導管的入泥深度有深入的分析，目前關于這方面的研究主要集中在墨西哥灣和巴西深水海域，我國要開發(fā)南中國海深遠海區(qū)塊的油氣資源，有必要對海底淺層土力學參數(shù)進行充分的調(diào)查和試驗研究，以保證深水淺層鉆井作業(yè)安全高效的進行。

［1］Henry S.Pettingill，Repsol Y P F.World－Wide Deepwater Exploration and Production：Past，Present and Future［J］.SPE 14024，2002.

［2］Yang Jin，Liu Shujie，Zhou Jianliang.Research of Conductor Setting Dept h Using Jetting in t he Surface of Deep water ［J］.SPE 130523，2010.

［3］Akers T J.Jetting of str uctural casing in deep water envir on ments：Job design and operational practices［J］.SPE 102378，2006.

［4］楊進，劉書杰，周建良 .海上鉆井隔水導管下入深度理論與控制技術(shù) ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009：1－10.

［5］付英軍，姜偉，朱榮東 .深水表層導管安裝方法及風險控制技術(shù)研究 ［J］.石油天然氣學報 （江漢石油學院學報），2011，33（6）：153－157.

［6］楊進，彭蘇萍，周建良，等 .海上鉆井隔水導管最小入泥深度研究 ［J］.石油鉆采工藝，2002，24（2）：1－3.

［7］Jeanjean P.In novative design met hod f or deep water surface casings ［J］.SPE 77357，2002.

［8］蘇堪華，管志川，蘇義腦 .深水鉆井導管噴射下入深度確定方法 ［J］.中國石油大學學報，2008，32（4）：48－50.

［9］Nogueira E F，Bor ges A T，Junior C J M，et al.Tor pedo base－a new conduct or installation pr ocess ［J］.OTC 17197，2005.

［10］Araujo J B，Medeiros C J.High Holding Power Tor pedo Pile－Results for First Long Ter m Application ［A］.Proceedings OMAE04 Conference［C］.Vancouver，Canada，2004.

［11］唐海雄，盛磊祥，陳彬，等 .深水噴射鉆井導管力學分析與強度校核 ［J］.石油天然氣學報 （江漢石油學院學報），2010，32（5）：146－150.

［12］王友華，王文海，蔣興迅 .南海深水鉆井作業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和對策 ［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（2）：50－54.

［13］Al berty M W，Hafle M E，Mingle J C，et al.Mechanis ms of shallow water flows and drilling practices for intervene tion ［J］.SPE Drilling ＆Co mpletion，1999，14 （2）：123－129.

［14］Nakase A，Kamei T，Kusakabe O.Constit utive Parameters Esti mated by Plasticity Index ［J］，Jr.of Geotech.Eng.，ASCE，1988，114 （7）：844－858.

［15］白冰，肖宏彬 .軟土工程若干理論與應用 ［M］.北京：中國水利水電出版社，2002：8－19.

［16］Rae P，Lullo G D.Light weight Cement For mulations f or Deep Water Cementing ［J］.SPE 91002，2005.

［17］王成文，王瑞和，卜繼勇 .深水固井面臨的挑戰(zhàn)和解決方法 ［J］.鉆采工藝，2006，29（3）：11－14.

［18］張輝，高德利，唐海雄 .深水導管噴射安裝過程中管柱力學分析 ［J］.石油學報，2010，31（3）：516－520.

［19］Beck R D，Jackson C W，Ha milt on T K.Reliable Deep water Str uctural Casing Installation Using Controlled Jetting ［J］.SPE 22542，1991.

［20］Salies J B.New Technologies f or Field Develop ment in 3000 Meters of Water Dept h ［J］.SPE 180857，2005.