海外某深水井表層導管 下沉原因分析及井口穩定性研究

林志強，汪文星，劉海涵，張星星，張天瑋

(1.中國海洋石油國際有限公司，北京 100028；2.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

0 引言

近些年隨著對海洋油氣資源的加大勘探開發，目前油氣勘探作業已經從淺水轉向深水，而深水表層鉆進一般采用噴射技術。深水表層導管噴射作業無需進行固井作業，因此可以減少一趟起下鉆，節約了費用和工期，這種方法解決了深水表層鉆眼后下表層導管不容易找到井口的難題[1-3]。而某海外的一口深水井S井發生了井口下沉的事故，因此本文分析該井井口下沉原因，以及對入泥深度進行了相應分析，為該區域的第二口深水井的順利作業提供技術支持。

1 井口下沉原因分析

1.1 第一口井井口下沉過程

27日17:30開鉆，噴射鉆進36”井眼從1091.8 m至1158.4 m，共用時9.5 h，噴射過程：以20 s/min泵沖開始，逐漸增大排量，噴射鉆進30 m后增大排量至1030 g/min，控制鉆壓不超過入泥導管和鉆具總入泥浮重的80%，期間根據噴射鉆進情況上下活動導管。最終36”導管入泥80.7 m，低壓井口頭高出泥面3.7 m，噴射期間ROV觀察井口頭返出孔返出正常，井口泥線處無竄漏。提住全部導管懸重，浸泡36”導管4.5 h，逐步釋放導管懸重，井口穩定無下沉，解脫CADA工具。

28日09:00開始鉆進26”井眼，至29日21:30鉆26”井眼從1172.5 m至中完井深1755.5 m。鉆進參數：鉆壓：907.2～3628.7 kg，排量：4100～4200 L/min，泵壓：13.1～15.2 MPa，轉速：80 r/min，鉆進期間井況正常，無漏無涌。

起鉆至1172 m，期間在1558 m、1567～1560 m、1471～1473 m、1460～1452 m、1437 m、1430 m及1327 m處，遇阻13607.8～18143.7 kg，上下活動通過；起鉆至1516～1519 m遇阻，上下活動無法通過，接頂驅開泵倒劃通過。過提54431.1 kg，剪切銷釘，解脫CADA工具。

由于沒有坐高壓井口頭的支撐盤，下20”套管內管柱困難，嘗試預接高壓井口頭與MRLD立柱，為下20”套管內管柱坐準備工作；立高壓井口頭與MRLD立柱于井架，發現下鉆桿單根彎曲嚴重，風險較大；拆高壓井口頭與MRLD立柱，立MRLD立柱于井架；重新接高壓井口頭提升工具，并在提升工具下接一鉆桿單根(為下內管柱準備)，甩高壓井口頭至甲板，下20”套管。

31日23:15 ROV水下關閉MRLD工具排氣球閥，坐高壓井口頭，坐高壓井口頭前大鉤總懸重208652.5 kg，下壓40823.3 kg鎖緊井口，ROV觀察井口穩定，過提22679.6 kg，驗證鎖緊井口，逐漸釋放套管重量至井口(套管總懸重115212.4 kg)，當釋放到60327.7 kg時，井口突然下沉。開補償器，多次嘗試逐漸過提58967.0 kg至大鉤懸重267619.5 kg，未能提動井。井口下沉情況如圖1所示。

1.2 井口下沉原因分析

可能原因1：表層套管固井前管柱上提力不足。

表層套管固井前，表層套管固井管柱上提力不小882.0 kN(90.0 t)的前提下，表層導管安全入泥深度設計值81.5 m。8月31日，坐高壓井口頭，下壓40823.3 kg鎖緊井口，ROV觀察井口穩定。過提 22679.6 kg，驗證鎖緊井口；逐漸釋放套管重量至井口(套管總懸重115212.5 kg)，當釋放到60327.8 kg時，井口突然下沉約3.0 m，所以上提力不足是一個可能的原因。

可能原因2：表層導管噴射過程海底土擾動程度較大。

根據S井噴射排量記錄分析：S井上部地層排量偏小，下部地層排量與鄰井相比稍偏大。上部地層排量偏小，導致噴射下入速度偏小，地層受噴射擾動影響時間偏長；下部地層排量偏大，加劇對海底土的擾動，導致表層導管承載力降低。S井噴射作業時間偏長(上部地層排量偏小導致)，導致地層受噴射擾動影響時間偏長，導致表層導管承載力降低。

通過分析現場作業，該S井在表層導管噴射作業時候，現場采用的是小排量，所以噴射速度較慢，時間較長，上部地層長時間的收到擾動，導致了地層給導管提供的承載力明顯降低，并且在接近設計深度之前，現場采用的大排量噴射，底部土壤被沖開，給端部提供的承載力也受到了一定的影響。兩種情況都導致表層導管的承載力降低，最終造成了井口的下沉。

2 表層導管入泥深度設計及井口穩定性校核研究

2.1 噴射法鉆井導管下入方式使用范圍研究

目前大多數的深水表層作業大都采用36”或30”導管噴射鉆進，這種噴射法的管串沒有浮鞋，底部地層對管串提供承載時候截面積小，所以盡量要求在接近設計入泥深度之前，人為控制排量以減少對井底的沖洗，避免造成較大的井眼導致井底失穩。

噴射法進行表層作業主要是根據噴射水力和表層導管本身的重量，邊噴射開孔邊下導管，同時在噴射管柱中下入動力鉆具組合以提高安全性和作業效率。一般在噴射到設計的入泥深度之后，需要根據計算的時間保持整個管串靜置不動，此時需要大勾一直提著，等到海底土和表層導管之間的摩檫力恢復到一定程度后，才可以解開送入工具，完成表層作業。

一般將地層大致的分為砂土和黏土，楊進等[4]的研究發現，砂性土可以給導管提供較大的側向摩擦力，所以在同樣下入深度條件下導管承載力比粘性土要大一些。在現場作業時候，二開鉆進需要在一開的管鞋處開泵正常鉆進，而砂性土的抗沖刷能力較弱，容易受沖刷產生承載力減小的情況，導致表層失穩。因此條件允許的情況下，建議將表層導管的管鞋坐在粘性土位置。

黏土一般提供的側向摩擦力較小，如果表層黏土較厚，無法避開粘性土，現場作業的時候，建議將表層導管下入深一些，提供足夠的側向承載力和端部承載力[5]。

噴射法適應在海底坡度較小，并且沒有垮塌、凹坑和溝槽等情況下使用，一般情況下，現場進行一開作業之前，推薦采用ROV水下機器人下潛到海底，對井位標記出周圍進行可視化觀察，確認沒有相關的復雜地形后方可進行作業，否則需要重新選定井位。如果觀察到海底地形坡度大，一般需要精細化操作，控制排量和鉆壓等，避免發生事故。

2.2 表層導管安全入泥深度設計研究

在表層導管噴射安裝技術中，考慮導管初始承載能力不受土壤條件限制，而是受獲得的鉆壓的控制，在導管安裝過程中釋放的最終鉆壓即為導管的初始承載能力。因此，通過計算表層導管下入過程中的最終鉆壓即可得到其初始承載力[6]。

上述方法可用數學公式表達如下：

式中：Q0為導管初始承載力；WOBlast為安裝過程中所記錄的最終鉆壓；R為鉆壓使用率，推薦為0.8～1.0；Wcondutor為表層導管的濕重；W1-wellhead為低壓井口頭的濕重；WCADA為送入工具CADA的濕重；Wj-string為噴射管柱的濕重。

一般情況下，表層導管和表層套管的直徑、線重，防沉板和井口頭重量等工程參數都是確定的。因此，當海底淺層土對導管的實時承載力在可以求得的情況下，決定導管入泥深度的主要因素是表層套管固井最危險工況下的井口載荷和導管靜置時間[7]。

固井最危險工況下表層導管承受的載荷Wlanded組成如下：

式中：Wload為固井最危險工況下表層導管承受的載荷；Wconductor為表層導管濕重；Wwellhead為井口頭濕重；Wmud-mat為防沉板濕重；Wcasing為表層套管濕重；Wc-string為固井管柱濕重；Wcement為固井水泥漿濕重；WMRLD為表層套管送入工具濕重。

因為S井發生了井口下沉事故，本文需要考慮水下井口和表層導管的相關參數，重點分析最危險工況下的載荷，通過載荷分析和計算，得出該區域36”表層導管的實時承載力。

圖2 36”表層導管入泥深度設計圖版

一般情況下，在噴射到位后，在解脫CADA工具之前需要靜置一段時間，這個時間需要根據載荷而確定，如果時間不夠進行解脫，則井口容易發生下沉，為確定這個時間，需要滿足楊進提出的公式(3)[8]：

即表層導管最大側向摩擦力要大于CADA解脫時導管所承受的豎向載荷。表層導管的最大側向摩擦力依據海底淺層土對導管的實時承載力求取，根據公式(4)確定CADA工具解脫時導管的最小靜置時間。

根據計算得到的表層導管入泥深度為81.5 m，結合表1得出的數據，需要在噴射到位后靜置2.5 h再解脫送入工具，否則容易造成井口下沉。

表1 某井36”表層導管安全入泥深度設計值

2.3 鉆頭在套管中的伸出量與井眼尺寸關系研究

在確定采用噴射法進行表層導管作業后，需要確定排量、鉆壓和鉆頭伸出量。噴射的排量和鉆壓可以在噴射作業時候隨時進行調整，鉆具在組合時候，就需要確定鉆頭伸出量，這個伸出量后續不可改變，所以，在設計的時候就需要確定鉆頭底部伸出套管鞋的長度。

表層導管的噴射下入速度受到鉆頭伸出量的制約。如果鉆頭伸出量過短，噴嘴噴射的海水聚合物作用在套管內壁上，無法起到清潔井眼和破碎巖石的作用，這種情況下，噴射下入的速度慢，效率低；但是這個伸出量也不可較長，如果伸出距離較大，噴射區域的遠離表層導管的底部，這中間的距離越大，越是容易造成導管急速下沉，這對現場容易造成控制不穩的情況，不利于套管下入。如果伸出量選擇在合適的情況下，通過水力射流破巖和清潔井眼，噴射區域與導管的底部相近，剛好在噴射后導管能同步下入到位，這種方式可以顯著的提高噴射下入的效率。因此，優化和確定最佳的鉆頭伸出量，可以大大提高噴射下入的效率，從而節約鉆井的工期和費用[9]。

3 現場應用情況與效果

通過對S井的下沉分析，以及對該區域表層土壤參數研究，考慮了表層導管噴射時候的實時承載力，以及對表層套管固井最危險工況下的載荷進行了分析，對36”表層導管噴射入泥深度進行了計算，確定了CADA工具解脫時候的最小靜置時間，現場應用效果良好，未發生后期井口下沉的情況。

4 結語

(1)結合表層導管噴射作業載荷，對36”表層導管噴射到位后至解脫工具不同浸泡時間下所需最小入泥深度進行了分析，對坐防噴器工況下表層導管豎向承載力進行了校核。

(2)鉆頭伸出量影響了井眼尺寸，鉆頭伸出量在允許的情況下應該盡量小一些。

(3)在進行表層噴射作業時候，盡量的控制小排量，降低導管活動頻率和幅度，尤其是接近設計入泥深度時候，一定要精細化操作。

(4)深水表層套管固井作業期間，在水泥漿到達管鞋且未進入環空時，井口受到的向下載荷達到最大，為避免出現危險性的情況，應該根據設計提前做好準備和調整上提載荷。