海洋無隔水管鉆井模式下鉆井載荷分析

夏開朗, 王志偉,2，陳國明,2

(1中國石油大學海洋油氣裝備與安全技術研究中心·華東 2江蘇省海洋油氣鉆井裝備重點實驗室)

隨著鉆探水深和井深的增加，新型鉆井平臺要求具有更大的鉆井載荷和儲存能力，這給深水鉆探發展帶來了巨大挑戰。為了解決深水鉆探[1-2]過程中的各種難題，挪威AGR公司[3]研發了深水無隔水管鉆井技術[4-5]，目前已經成功應用于石油鉆采領域。鉆井載荷主要包括大鉤載荷與鉆井可變載荷，大鉤載荷與鉆井可變載荷是深水鉆井平臺的關鍵性能指標，不同的鉆井技術、鉆井平臺對大鉤載荷與鉆井可變載荷需求不同。國內學者針對鉆井平臺配備隔水管鉆井大鉤載荷以及鉆井可變載荷進行了研究，提出了計算方法，新型鉆探船的建造以及舊平臺改造需要無隔水管鉆井技術支持，通過隔水管鉆井技術與無隔水管鉆井技術的區別與聯系，對無隔水管鉆井技術大鉤載荷與鉆井可變載荷進行分析研究。

一、無隔水管鉆井技術

無隔水管鉆井技術在鉆井過程中不使用常規隔水管，鉆桿直接暴露在海水中，利用吸入模塊實現井眼和海水之間的密封，巖屑和鉆井液經一條小直徑回流管線返回鉆井平臺。從實現功能上講，無隔水管鉆井技術屬于雙梯度鉆井技術范疇，可以解決目前深水鉆井遇到的諸多問題,無隔水管鉆井作業模式如圖1所示，設備系統組成見表1。

圖1 無隔水管鉆井液閉式循環作業模式圖

表1 無隔水管鉆井液閉式循環系統設備清單

二、無隔水管鉆井載荷分析與計算

無隔水管鉆井技術與隔水管鉆井技術在工藝及關鍵設備上有明顯區別，對大鉤載荷與鉆井可變載荷的需求也不同，結合具體工藝及設備要求，進行無隔水管鉆井技術鉆井載荷計算方法研究。

1. 大鉤載荷計算方法

最大鉤載即在下套管或者進行其它鉆井作業時，大鉤上不允許超過的最大載荷。為滿足深水鉆井作業需求，無隔水管鉆井大鉤載荷需考慮3種作業工況，即下吸入模塊、下套管和起下鉆作業。在深水鉆井過程中，鉆井平臺的升沉運動會產生很大的動載效應，因此不同工況下的大鉤載荷為靜態載荷與動態載荷之和[6]。

1.1 下吸入模塊時靜態載荷計算

無隔水管鉆井液閉式循環技術利用鉆桿下放海底吸入模塊，因此在下吸入模塊時考慮鉆桿重量與吸入模塊重量。

下吸入模塊時大鉤靜態載荷W1為：

W1=Wdp+Wsmo

(1)

式中：Wdp—下吸入模塊過程中鉆桿最大濕重，kN；Wsmo—吸入模塊濕重，kN。

1.2 下套管時靜態載荷計算

下套管時大鉤載荷的計算方法與隔水管鉆井技術相同，下套管時大鉤靜態載荷W2為：

(2)

Wcs可以參照淺水平臺鉆機最大管柱濕重計算方法。

Wcs=L×G×(1-ρw/ρs×2/3)+400

(3)

式中：L—套管長度，m；G—套管單位長度干重，kN/m；ρw—海水密度，通常取1.05 g/cm3；ρs—鋼鐵密度，取7.85 g/cm3。

1.3 起下鉆桿時靜態載荷計算

起下鉆桿作業時大鉤載荷的計算可以參照下套管作業時的計算公式。

1.4 動態載荷計算

鉆井過程中動態載荷主要來源于鉆探船的升沉運動在軸向產生加速度，對起下吸入模塊及下套管作業產生軸向力。動態載荷F為:

F=mequa

(4)

式中：mequ—作業時管柱的重量,kg；a—深水鉆井裝置升沉運動產生的軸向加速度,m/s2。

(5)

式中：τsθ0—深水鉆井裝置的運動周期,s；X0—鉆探船運動的初始幅值,m。

對于三種作業工況，將動態載荷與靜態載荷相加完成后，進行數值比較，選取最大的大鉤載荷值Wmax，則所需的大鉤載荷數值Qmax≥1.2×Wmax。

2. 鉆井可變載荷計算方法

可變載荷是鉆井平臺關鍵性能指標之一，通常是指在鉆井操作期間容易移動的載荷，主要包括鉆井人員、材料備品、鉆井設備載荷、鉆具以及鉆井材料等[7]。確定合理的可變載荷大小有利于減少物資運輸次數，降低作業成本，保證連續鉆井作業。無隔水管鉆井可變載荷V的計算可以參考深水半潛式平臺甲板可變載荷的計算公式：

V≥C(Vm+Vr+Vdp+Vcs+V0)

(6)

式中:Vm—鉆井液載荷，kN；Vr—關鍵設備載荷，kN；Vdp—鉆桿載荷，kN；Vcs—套管載荷，kN；V0—其他載荷，kN；C—載荷系數，根據實際情況取1～1.5。

2.1 鉆井液載荷

在無隔水管鉆井液閉式循環鉆探技術中，鉆井液的體積主要包括地面管匯內容積、鉆桿內容積、井眼環空容積和鉆井液返回管線內容積等。根據所用鉆井液的密度，并考慮鉆井液備用量，計算鉆井液載荷。

2.2 無隔水管關鍵設備載荷

與傳統的隔水管鉆探不同，無隔水管鉆井液閉式循環鉆探技術中不使用隔水管與防噴器，而是利用無隔水管鉆井特殊的鉆井設備，這些關鍵設備對鉆井可變載荷有一定的影響，因此在鉆井可變載荷的計算時，應考慮這些關鍵設備的重量。

2.3 鉆桿載荷

根據水深及鉆桿的線重，計算出鉆桿載荷。

2.4 套管載荷

根據套管組合及套管線重，計算出每段套管重量，相加得套管載荷。無隔水管鉆井技術在井深結構設計過程中與常規隔水管鉆井不同，因此對套管的需求也就不同。

2.5 其他載荷

其他載荷包括水泥載荷、重晶石載荷、土粉載荷等，對于無隔水管鉆井技術，由于下套管的數量要少于常規隔水管鉆井技術，因此固井鉆井液的需求也不同。作業水深與鉆井深度影響這些材料的使用量，具體載荷情況視實際鉆井需要而定。

三、計算實例

1. 深水鉆探船

1.1 技術參數

深水鉆探船作業水深2 000 m+泥線下鉆孔深度4 000 m。鉆桿參數為：外徑145 mm，內徑125 mm，單位長度質量34 kg/m，鉆井液密度為1.56 g/cm3，鋼制鉆井液返回管線的內徑為120 mm,線重32.1 kg/m。鉆探船的升沉運動初始幅值為3.16 m，周期為15 s。

1.2 無隔水管鉆井井身結構及套管配置

無隔水管鉆井技術井身結構與常規隔水管鉆井有所不同，因此對套管的需求也就不同。利用無隔水管鉆井技術可以延伸表層套管的深度，使其跨過危險區域，提高作業安全系數，節約套管。井身結構如圖2所示。

圖2 無隔水管鉆井與常規鉆井井身結構對比圖

根據井身結構的制定原則，設計無隔水管鉆井套管配置見表2。

表2 套管組合配置表

1.3 大鉤載荷計算

根據深水科學鉆探船基礎數據，結合無隔水管鉆井大鉤載荷計算方法，計算各工況大鉤載荷數值見表3。

通過表3數據可知，進行下技術套管2時出現最大鉤載為3 572 kN，所以大鉤載荷Qmax≥1.2×3572=4 286.4 kN。

1.4 鉆井可變載荷計算

根據深水科學鉆探船基礎數據，結合無隔水管鉆井可變載荷需求，科學鉆探船鉆井可變載荷計算數值見表4。

表4 科學鉆探船鉆井可變載荷數值

通過上述計算可得，在水深2 000 m，鉆孔深度6 000 m情況下，使用無隔水管鉆井技術，大鉤載荷為4 286.4 kN，鉆井可變載荷為3 3881.2 kN。

1.5 隔水管系統與無隔水管系統鉆井可變載荷對比

將常規隔水管系統與無隔水管系統可變載荷對比，見表5。

表5 兩種系統鉆井可變載荷對比表

由表5可知，隨著作業水深的不斷增加，隔水管系統鉆井可變載荷明顯增大，而無隔水管系統鉆井可變載荷逐漸減小，兩者之間鉆井可變載荷減少量變大。通過表中數據分析，作業水深越深，無隔水管鉆井系統的優勢越明顯。

2. 舊平臺改造

利用無隔水管鉆井技術可以使第三、第四代鉆井平臺達到新型第六代鉆井平臺的鉆深，降低了對高性能深水鉆井平臺的依賴，使舊平臺在深水中重新得到應用，節約成本，提高鉆井效率，降低鉆井事故的風險。

以某半潛式鉆井平臺為例，對配備隔水管鉆井系統與無隔水管鉆井系統時作業水深與鉆井深度進行比較。當鉆井平臺配備隔水管系統時，隔水管、防噴器和鉆桿的載荷為V1，配備無隔水管系統時，關鍵設備和鉆桿的載荷為V2。

V1=L1(P1+P2)+Vbop+L2P2

(7)

式中：L1—隔水管鉆井最大作業水深，m;P1—隔水管線重,kN/m;Vbop—防噴器載荷,kN;L2—最大鉆井深度，m;P2—鉆桿的線重,kN/m。

V2=S1(P3+P2)+Vk+S2P2

(8)

式中：S1—無隔水管鉆井最大作業水深，m;P3—鋼制鉆井液返回管線線重，kN/m;S2—最大鉆井深度，m;Vk—吸入模塊和海底泵模塊載荷，kN。

根據可變載荷計算中的相關數據，令V1=V2。式(8)中的所有數據均已知，進行S1與S2的求解，對比結果見表6。

表6 鉆井可變載荷相同時兩種系統作業水深與鉆井深度對比表

通過計算對比可知，某半潛式鉆井平臺配備無隔水管鉆井系統后，最大作業水深與最大鉆井深度得到明顯提高，即使第三代或第四代半潛式鉆井平臺也能在超過3 000 m的深水區鉆井。因此無隔水管鉆井技術能夠支持小型鉆井平臺進行深水作業。

四、結論

(1)無隔水管鉆井大鉤載荷計算過程中要考慮下吸入模塊工況，鉆井可變載荷計算時考慮海底吸入模塊、海底泵模塊以及鉆井液返回管線等，這是與常規隔水管鉆探技術不同之處。與隔水管鉆井相同，無隔水管鉆井的最大鉤載出現在下技術套管過程中，實際鉆井作業時，應針對下技術套管工況進行詳細安全評估。

(2)通過對比分析可知，利用無隔水管鉆井技術可以有效控制船體規模，降低鉆探成本。并且在進行舊平臺改造時，建議為平臺配備無隔水管鉆井技術，以期實現舊平臺的充分利用。

(3)最新鉆井平臺并沒有足夠的能力應對目前深水鉆井出現的各種困難，因此無隔水管鉆井技術是一個機會。將無隔水管鉆井系統投向市場后，鉆井公司可以依靠規模較小的鉆探船以及較低性能的鉆井平臺進行作業，提高鉆井平臺的鉆井載荷與存儲能力，同時還可以降低鉆井事故的風險，為舊平臺帶來新的春天。