南海西部烏石海域?508 mm隔水導管簡易井口穩定性研究

朱志潛，劉賢玉，陳 力，鄭浩鵬，弓世卿，王養鋒

(1.中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術 湛江分公司，廣東 湛江 524057)

淺層海底土泥質松軟，承壓能力較低，若隔水導管入泥深度過淺，淺部地層無法提供足夠的承載力而發生井口下沉等情況，可能因隔水導管未能有效封隔淺部松軟地層而導致表層鉆進時發生井漏、失返等復雜情況，甚至被迫提前下套管固井。若隔水導管入泥深度過深，則會增加作業時間，造成不必要的投資浪費。另外，南海西部海況惡劣，為保證現場作業安全，簡易井口下隔水導管需要考慮百年一遇極端海況[1-10]。

南海西部烏石海域常規探井通常采用自升式鉆井平臺進行鉆井作業，為保證井口穩定性，普遍采用?762 mm×25.4 mm大尺寸隔水導管，然而大尺寸隔水導管下入施工難度較大，作業成本較高。若能降低隔水導管尺寸，如采用?508 mm×25.4 mm套管作為隔水導管，將能大幅降低表層鉆井作業難度，節省管材成本。由于?508 mm套管可與?339.7 mm技術套管復合連接并一起下入，從而減少1個套管層次，大幅節省鉆井周期與作業成本。本文針對烏石海域探井簡易水上井口，從隔水導管樁土承載力、海底土淺層破裂壓力、極端風浪流載荷下隔水導管強度等方面，系統分析采用?508 mm×25.4 mm較小尺寸隔水導管時的井口穩定性，論證方案可行性。

1 井口穩定性分析方法

1.1 隔水導管樁土承載力

采用鉆入法，在?660.4 mm井眼中下入?508 mm×25.4 mm隔水管后進行固井，水泥返高至泥線，隔水管承載力主要取決于：①隔水管與水泥之間的膠結強度(第1膠結面)；②水泥與地層土之間膠結強度(第2膠結面)。

水泥環與地層的摩擦力可以取為淺層土的摩擦力。水泥環與隔水導管之間膠結面摩擦力大小可采用式(1)計算[10-11]。

f=0.018 1lnt-0.027 7

(1)

式中：f為水泥環與隔水導管之間的單位面積摩擦力，MPa；t為水泥環與套管之間的作用時間，h。

若隔水導管與水泥環之間的膠結強度大于水泥環與地層土膠結面強度，在分析隔水導管水泥環與地層軸向承載力時，可以將隔水導管與環空水泥作為一個整體大樁靴進行樁土承載力分析，根據API規范中可用單樁軸向極限承載力經驗公式，來進行極限承載力計算，隔水導管軸向極限承載力計算公式為：

Q=f·As+qu·Ap

(2)

式中：Q為水泥環外側壁摩阻力， N；As為水泥環外側壁表面積，mm2；Ap為隔水導管與水泥環底部截面積，mm2；qu為隔水導管與水泥環底部單位極限阻力，MPa。

1.2 海底土淺層破裂壓力

當海底淺部地層所受載荷大于地層最大抗剪強度時，地層發生破壞，導致地層破裂，引起鉆井液漏失，所以地層的破裂壓力取值應為最大的地層抗剪強度，即[12]：

pf=τ

(3)

式中：pf為地層的破裂壓力，MPa；τ為海底土的抗剪強度，MPa。

1.3 風浪流載荷下隔水導管強度分析模型

烏石海域W區塊水深22 m，百年一遇極端海況下最大波高8.9 m，波浪有效周期5.2 s，表層海流速度1.53 m/s，風速29 m/s，海水密度取1.025 t/ m3。表1為烏石海域W區塊海底土地質資料，根據海底土p-y特性，采用彈簧約束模型模擬海底土對隔水導管的橫向約束承載，在水面以上簡易井口處，對隔水導管施加橫向簡支約束，在隔水導管頂部施加軸向載荷1 000 kN，隔水導管井口力學模型如圖1所示[13-14]。 隔水管橫向上主要受到海風、海浪及海流共同作用力，風浪流按同一作用方向考慮。波浪載荷根據司托克斯五階波理論進行計算，直徑為D的孤立隔水導管，直立地固定于水深為h的波浪中，海浪及海流對隔水導管作用力如圖2所示。在樁柱的任一高程z處取一微分段dz，作用在該段上的波力可以表示為[3-4]：

圖1 隔水導管力學分析模型

圖2 海浪及海流對隔水導管作用力

表1 烏石海域W區塊海底土資料

(4)

海流的作用力可以與波浪力同時計算，只需將海流速度疊加到波浪力公式中的水平速度上即可，這是最惡劣的工況。作用在孤立樁柱上的波浪力的大小及為正或為負，取決于波浪的相角。

風對整個隔水導管上的總作用力則為基本風壓、構件迎風面積A及氣流作用力系數C的乘積，即

(5)

2 隔水導管井口穩定性分析

2.1 隔水導管樁土承載力

隔水導管線質量為0.302 t/m，泥線以上隔水管質量約18 t。基于烏石W區塊地質資料，在隔水導管環空水泥返至泥線、固井質量良好的情況下，分析了隔水導管第1膠結面承載力、第2膠結面承載力，結果如圖3～4所示。從圖3可以看出，?508 mm×25.4 mm隔水導管入泥32 m時，水泥環與隔水管膠結面承載力可滿足井口載荷1 000 kN要求。從圖4可以看出，隔水導管入泥42 m時，水泥環與地層膠結面強度可以滿足井口承載1 000 kN要求。因此，在烏石W區塊，隔水導管與水泥環之間的膠結強度大于水泥環與地層土膠結面強度，在分析隔水導管軸向承載力時，可以將隔水導管與環空水泥作為1個整體大樁靴進行樁土承載力分析。

圖3 隔水導管第1膠結面承載力

圖4 隔水導管第2膠結面承載力

綜合考慮第2膠結面強度大于第1膠結面強度，?508 mm×25.4 mm隔水導管最小入泥深度為45 m，能滿足井口承載1 000 kN要求。

2.2 淺層破裂壓力

結合井場土質資料，求得該區域的海底淺層破裂壓力值。設置一開井段水力學計算模型參數：鉆井液密度1.10 g/cm3，塑性黏度8.0 mPa·s，屈服值4 Pa，鉆井液泵入排量4 000 L/min。通過水力學分析，求取一開鉆進時的環空鉆井液密度當量ECD，并與淺層破裂壓力進行對比。從圖5可以看出，隔水導管入泥為41 m時，管鞋處承壓能力大于鉆進ECD，滿足安全鉆進要求。隔水管下深超過41 m后，已封住該易漏失層，隔水管入泥至密實的粉土和細砂層，漏失風險降低。

圖5 海底土淺層破裂壓力與環空ECD

2.3 隔水導管風浪流載荷下隔水導管強度

隔水導管所用材料為K55鋼，彈性模量取210 GPa，泊松比取0.3，質量密度取7.85 t/m3，屈服強度379 MPa。

當井口載荷1 000 kN時，?508 mm×25.4 mm隔水管在百年一遇海況載荷下應力、位移、彎矩分別如圖6～8所示。最大應力249 MPa，強度安全系數為1.52。根據Q/HS 14009—2011海上開發井隔水導管設計和作業規范，百年一遇海況下強度最小安全系數1.25[15]，因此? 508 mm×25.4 mm隔水管滿足百年一遇海況強度要求。在水面及泥線下2 m附近出現最大應力與彎矩。隔水管最大位移0.68 m，出現在水面以下2 m處。泥線以下10 m后，隔水管彎矩和應力較小，對隔水管強度影響較小。

圖6 百年一遇海況下隔水導管應力分析界面

圖7 百年一遇海況下隔水導管位移分析界面

圖8 百年一遇海況下隔水導管彎矩分析界面

3 現場應用

烏石W區塊X井，使用?444.5 mm鉆頭+ ?660.4 mm擴眼器進行一開雙眼鉆進目的深度后，下入?508 mm和?339.7 mm復合套管，其中?508 mm入泥65 m兼做隔水導管，下部?339.7 mm套管為技術套管，井身結構如圖9所示。現場作業中未見井漏、井口失返、井口下沉等復雜情況，在臺風海況下保持了井口穩定性，鉆井作業安全順利完成。相比前期探井單獨采用?762 mm大尺寸隔水導管方案，減少了1個套管層次，節省工期約1 d，降低了隔水管材料費用與作業費用。

圖9 烏石海域W區塊井身結構優化示意

4 結語

1) 基于烏石W區塊常規探井簡易水上井口，采用鉆入法下入隔水導管，在固井質量良好的情況下， ?508 mm×25.4 mm隔水導管最小入泥深度為45 m時，能滿足井口承載1 000 kN要求，且管鞋處承壓能力大于環空鉆井液密度當量ECD量。

2) 當井口載荷為1 000 kN時，?508 mm×25.4 mm隔水導管滿足百年一遇海況下強度要求，在水面及泥線下2 m左右出現最大彎矩與應力，在水面以下2 m附近出現最大位移0.68 m，泥線以下10 m后隔水管彎矩應力較小。

3) 烏石海域采用?508 mm×25.4 mm較小尺寸隔水導管，滿足井口穩定性要求，可實現后續安全鉆井作業。相比?762 mm大尺寸隔水導管方案，可降低作業工期與費用。