深水鉆井導管噴射過程中鉆頭與海底土的相互作用

許云錦　楊　進　孟　煒　李　彬（.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京　049；.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58067）

深水鉆井導管噴射過程中鉆頭與海底土的相互作用

許云錦1楊進1孟煒1李彬2
（1.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京102249；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067）

為分析噴射下入導管過程中鉆頭與海底土相互作用情況，建立了導管下入過程中鉆頭的力學模型。根據射流理論和土力學的分析，得到了噴嘴射流力與土層臨界破壞力的計算方法。研究結果表明，鉆頭與海底土相互作用力可分為直接作用力和射流作用力，只有當射流力較小時才有鉆頭直接作用地層的壓力，排量是影響其作用力的主要因素。通過對現場實際案例計算，對比出施工過程中射流力與土層抗沖蝕力并得出了噴射下入過程中鉆頭距井底的高度。該研究成果能夠結合具體海域的海底土特性，進行噴射過程中鉆頭及鉆柱受力分析，為深水鉆井噴射下入導管的鉆井參數設計提供理論依據。

導管；噴射下入；射流；海底土；土臨界破壞力

在深水鉆井過程中，噴射下入導管技術優于常規的導管下入技術［1］，其突出的特點是能夠減少其下鉆的時間以及固井所需要的時間，減少鉆井作業時間，節約鉆井成本。噴射下導管技術將成為深水鉆井中廣泛應用的導管下入技術［2］。

在深水導管下入過程中，由于導管通過導管送入工具連接著鉆桿，使得鉆壓參數不能反映鉆頭的受力情況。有些學者認為［3］，在導管噴射下入過程中，射流噴射的作用就足夠沖擊破壞地層土，鉆頭不接觸井底，但是沒有理論和數據來證明這一結論。本文在前人研究成果的基礎上［4］，建立導管噴射下入過程中的鉆頭受力模型，通過對現場噴射數據及井場資料的計算，研究鉆頭在噴射過程中的受力情況。該方法可以定量分析噴嘴射流沖擊力與海底土的抗沖蝕能力以及鉆頭距井底的高度，更具體清晰地了解鉆頭與土層的作用關系。

1　鉆頭受力模型

導管噴射下入過程中，通過整體分析導管下入的軸向載荷來研究鉆頭的受力情況［5］，其軸向載荷由5部分組成：管柱上提載荷、導管側壁摩擦載荷、導管重力、下入鉆柱重力、鉆頭對海底的作用力。

由圖1可知，在導管噴射下入過程中，軸向的受力平衡方程可表示為

式中，T為上提管柱的軸向載荷，N；Nf為導管側向受到的摩擦力，N；W導管為導管在海水中的浮重，N；W鉆柱為鉆柱在海水中的浮重，N；W鉆頭為噴射過程中鉆頭施加給海底土的壓力，N。

分析鉆頭的受力，在導管下入過程中，鉆頭對地層施加的力有水眼噴射的射流沖擊力和鉆頭對地層的直接作用力

式中，F射為噴嘴射流對地層的沖擊力，N；N鉆為鉆頭對地層的直接作用力，N。

鉆頭對地層的壓力取決于射流沖擊力與地層的抗沖擊能力的比較。當射流沖擊力小于地層的抗沖擊能力，才會存在鉆頭對地層的直接作用力。

2　噴嘴射流沖擊力

水從噴嘴射出沖向地層的過程是一個淹沒射流的過程。根據水射流的理論［6］，噴嘴出口至轉折面的距離為射流初始段S0，在初始段內部有一個速度保持不變的核心，其速度為u0，在轉折面之后射流軸線上的速度開始衰減，其速度為um。經過求解計算得出半經驗理論結果。

核心段長度S0為

式中，R0為噴嘴半徑，m。

射流軸向速度的衰減規律為

射流截面的流量為

式中，Q為射流流量，m3/s；Q0為噴嘴處流量，m3/s； S為計算面距離噴嘴出口的距離。

根據動量定理，射流沖擊前的動量為ρQu，射流沖擊后的動量為ρQucosφ，則射流作用在土體表面上的沖擊力［7］為

式中，ρ為流體的密度，kg/m3；u為射流流速，m/s；φ為射流沖擊土體表面后離開土體表面的角度，°。

3　土的臨界破壞壓力

在噴射土體表面過程中，射流能否破壞土體不僅取決于噴射的射流參數，同時也取決于土體對噴射射流的抗沖蝕能力。土的臨界破壞壓力是土體本身的性質決定的，僅與土體本身的參數有關。引用東北大學教授杜嘉鴻等人［8］的研究成果，土體在射流作用下的臨界破壞壓力Fcr與土的滲透性、土顆粒粒徑的大小以及土的密度等參數有關，即

式中，Fcr為土體破壞面上的射流臨界壓力，kN；α為修正系數，經試驗測定α=1.8×1010；τf為土的抗剪強度，kPa；d60為土顆粒限定粒徑，mm；k為土的滲透系數，m/s；γd為土體重度，kN/m3。

根據該臨界破壞壓力計算公式，即可通過現場井場數據分析和計算海底淺層土體的臨界破壞壓力。

4　應用實例

現根據南海某口深水井的噴射作業參數，所用鉆頭直徑為660.4 mm，噴嘴參數為?24 mm×3+?22 mm×1，鉆井液密度為1.03 g/cm3。該井的井場調查報告的地層參數見表1，土的滲透系數為6.74×10–10m/s，土顆粒限定粒徑為0.003 mm，射流沖擊土體表面后離開土體表面的角度取120°。經過計算比較深水淺層土的臨界破壞壓力與噴射沖擊力的大小，其作用力對比及排量參數如圖1所示。

表1　海底表層土參數

從圖1中可以發現，在64 m以前，通過噴嘴的射流作用就可以達到破土的效果，鉆頭與地層沒有接觸，如圖2（a）。在64 m以后由于降低了排量，使得射流沖擊力小于地層臨界破壞力，從而鉆頭直接作用于地層，發揮鉆頭旋轉破巖的能力，直至目的井深，如圖2（b）。接觸地層后鉆頭的受力大小可以通過式（1）計算得出。

圖1　噴射沖擊力與海底土抗沖蝕能力對比

圖2　噴射過程中鉆頭與地層的關系

通過計算噴嘴的射流沖擊力達到土的臨界破壞壓力時的射流距離，可以計算出不同尺寸噴嘴作業時距離井底的高度，其結果如圖3所示。

圖3　噴射過程中不同尺寸噴嘴距離井底的高度對比

從圖3中可以發現，對比2種尺寸的噴嘴雖然產生相同的噴射沖擊力，但是達到土臨界破壞壓力的流速不同，進而破壞面距離噴嘴出口的距離也不同。從圖中可以發現?24 mm尺寸的射流距離比?22 mm的小，對于鉆頭距井底的高度采用較大的射流計算結果，即?22 mm的射流距離。在剛開始噴射和快到噴射目的層時，鉆頭距離井底的高度較低，在噴射的中間時期鉆頭距離井底的距離較高。在噴射初期，為保證導管下入過程中的垂直穩定，排量較低；在噴射中期排量較大，加快噴射下入的速度以及黏土在環空的返排，鉆頭距井底的高度有10~50 cm；在噴射末期，為減小射流噴射對地層土的擾動，減小排量有助于地層土對導管承載力的恢復。

根據這一理論，鉆頭距井底的高度是射流力與土層抗沖蝕能力共同作用的結果。根據不同區域地層參數以及噴射施工參數的計算，可以了解鉆頭與土層的作用關系，通過調節排量使得射流力與海底抗沖蝕能力滿足合理的關系，以提高噴射施工安全及效率。

5　結論

（1）得到了噴嘴射流力與流速、流量的關系以及土層臨界破壞壓力的計算方法；在對噴射下入過程中鉆頭受力分析的基礎上，建立了鉆頭在噴射下入過程中的受力模型。

（2）鉆頭對地層的作用力取決于射流沖擊力與地層的抗沖擊能力的比較，噴射排量是關鍵性因素，當射流沖擊力較小時，鉆頭接觸井底產生直接作用力。

（3）通過對現場某口井噴射下導管的施工參數以及地層參數的計算，并對比分析噴嘴射流力與地層土的臨界壓力，鉆頭射流力只在噴射末期與地層接觸，噴射中期鉆頭距井底的高度有10~50 cm。

［1］YANG Jin，LIU Shujie, ZHOU Jianliang, et al. Research of conductor setting depth using jetting in the surface of deepwater［R］. SPE 130523, 2010.

［2］徐榮強，陳建兵，劉正禮，等.噴射導管技術在深水鉆井作業中的應用［J］.石油鉆探技術，2007，35（3）：19-22.

［3］汪順文，楊進，嚴德，等.深水表層導管噴射鉆進機理研究［J］.石油天然氣學報，2012，34（8）：157-160.

［4］劉書杰，楊進，周建良，等.深水海底淺層噴射鉆進過程中鉆壓與鉆速關系［J］.石油鉆采工藝，2011，33（1）：12-15.

［5］BECK R D, JACKSON C W, HAMILTON T K. Reliable deepwater structural casing installation using controlled jetting［R］. SPE 22542, 1991.

［6］李根生，沈忠厚.自振空化射流理論與應用［M］.東營：中國石油大學出版社，2008：12-16.

［7］馬飛，宋志輝.水射流動力特性及破土機理［J］.北京科技大學學報，2006，28（5）：7-10.

［8］李范山，杜嘉鴻，施小博，等.射流破土機理研究及其工程應用［J］.流體機械，1997，25（2）：26-29.

（修改稿收到日期2014-12-31）

〔編輯宋宇〕

Interaction between drill bit and subsea soil during deepwater drilling pipe ejection

XU Yunjin1, YANG Jin1, MENG Wei1, LI Bin2
（1. MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China）

In order to analyze the interaction between the drill bit and subsea soil during the pipe ejection and lowering, the mechanical model of drill bit during the pipe lowering has been established. According to the analysis of jet flow theory and soil mechanics, the calculation method 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.

pipe; ejection and lowering; jet flow; subsea soil; critical destruction force of soil

TE21

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0047 – 03

10.13639/j.odpt.2015.01.011

國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究”（編號：51434009）；國家自然科學基金“深水鉆井表層導管噴射鉆進機理研究”（編號：51274215）。

許云錦，1985年生。現主要從事海上鉆完井技術研究工作，在讀博士研究生。E-mail：xuyunjin520@126.com。

引用格式：許云錦，楊進，孟煒，等.深水鉆井導管噴射過程中鉆頭與海底土的相互作用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：47-49.