深水钻井表层导管静置时间窗口设计.pdf

2 3 4 2 0 1 4年 4月 石油勘探与开发 PETROLEUM EXPLORATI ON AND DEVELOPM ENT Vl0 1 ． 41 No． 2 文章编号1 0 0 0 ． 0 7 4 7 2 0 1 4 0 2 ． 0 2 3 4 0 5 DOI 1 0 ． 1 1 6 9 8 ／ P E D． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 1 4 深水钻井表层导管静置时间窗口设计 周波 ，杨进 ，刘正礼 2 ，罗俊峰 2 ，叶吉华 2 ，陈彬 2 ，刘书杰 ，周建 良 1 ．中国石油大学 北京 石油工程学院；2 ．中海石油 中国有限公 司深圳分公司；3 ．中海油研究总院 基金项目国家 自然科学基金项目 “ 深水钻井表层导管喷射钻进机理研究” 5 1 2 7 4 2 1 5 ；国家科技重大专项 “ 深水钻完井及其救援 井应用技术研 究” 2 0 1 I Z X 0 5 0 2 6 ． 0 0 1 ． 0 4 ． 2 0 1 2 0 5 2 3 摘要 为了降低深水钻井作业风险、缩短钻 井周期，提 出了深水钻井表层导管静置时间窗口设计方法，并通过现场 应用对其进行 了验证。根据现场试验数据得出了表层导管与周围海底土 间摩擦力随静置时间的变化关系，并建立了 表层导管实时承载力计算模型。针对表层导管喷射到位至解脱送入工具 阶段和二开套管坐挂井 口固井阶段这两个相 对危险的阶段对表层导管进行 了力学分析，并 以南 中国海某深水井表层导管为例确定 了喷射到位至解脱送入工具阶 段和二开套管 固井阶段的表层导管静置时间。现场应用结果表 明运用提出的表层导管静置时间窗 口设计方法既能 保证作业安全又能缩短作业时间，表层导管喷射到位至解脱送入工具阶段平均每 口井节约作业时间超过 1 2 h ，二开 套管固井阶段平均每 口井节约作业时间超过 2 4 h 。图 6 表 2参 1 7 关键词深水钻井；表层导管；喷射法；静置时间；导管承载力 中图分类号 T E 2 1 文献标识码 A De s i g n o f s t r u c t u r e c a s i ng s o a ki n g t i m e i n d e e p wa t e r dr i l l i n g Z h o u B o ， Y a n g J i n ， L i u Z h e n g l i ， L u o J u n f e n g ， Y e J i h u a ， C h e n B i n ， L i u S h u j i e ， Z h o u J i a n l i a n g 1 ． C o l l e g e o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m ， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2 ． S h e n z h e n C o m p a n y o fC NOOC ， S h e n z h e n 5 1 8 0 6 7 ， C h i n a ； 3 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o fC NO OC , Be ij i n g 1 0 0 0 2 7 ， C h i n a Abs t r a c t To d e c r e a s e t h e r i s k i n de e p wa t e r d r i l l i n g a n d s ho rte n t h e d r i l l i n g pe rio d ，a s t r uc t ure c a s i n g s o a ki n g t i me d e s i g n me t h od f or d e e p wa t e r j e t t i n g w a s p r o v i d e d a n d v e ri fi e d b y o 订fi e l d a p p l i c a t i o n ． B a s e d o n the fi e l d s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t o f s o i l p i l e i n t e r a c t i o n ． the r e l a t i o ns h i p b e t we e n s o a k i ng t i me a n d b e a rin g c a p a c i t y wa s a c h i e v e d，a nd a r e a l t i me b e a r i n g c a p a c i t y c a l c ul a t i o n mo d e l of s t r u c t u r e c a s i n g wa s e s t a bl i s h e d． Th e me c ha ni c a l p r o pe r t i e s o f s t r uc t u r e c a s i ng i n t wo c o n di t i o n s we r e a na l y z e d ， i n c l u di n g Ca m Ac t i v a t e d Dril l i n g A h e a d C A D A t o o l r e l e a s i n g s t a g e a n d s u r f a c e c a s i n g c e me n t i n g s t a g e ， a n d t h e s o aki n g t i me wi n d o w s o f t h e t w o s t a g e s w e r e d e s i g n e d ． F i e l d a p p l i c a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t Th i s me t h o d c a n e n s u r e the s a f e ty i n d e e p wa t e r d r i l l i n g ， o p t i mi z e d r i v i n g d e p th o f s t r u c t u r e c a s i n g ， a n d a l s o i mp r o v e the d r i l l i n g e ffi c i e n c y ． Mo r e tha n 1 2 h o u r s p e r we l l o n a v e r a g e i n CADA t o o t r e l e a s i n g s t a g e a n d 2 4 h o ur s p e r we l l o n a ve r a g e i n s ur f a c e c a s i n g c e me n t i n g s t a g e we r e s a v e d． Ke y wo r d s d e e p wa t e r d r i l l i n g ； s t r u c t u r e c a s i n g ； j e i n g ； s o a k i n g t i me ； b e a ri n g c a p a c i ty 0引言 1深水钻井表层导管承载力计算模型 深水钻井作业具有投人大 、风险高等特点 ，与浅 水钻井相比 ，对作业工艺 、钻井周期等有更严格的要 求。 目前 ，深水钻井一般采用喷射法安装表层导管 ， 即表层导管随喷射钻具 同时下入 ，表层导管喷射到位 后无需 固井作 业 ，依靠周 围海底 土的摩擦 力保持稳 定[ 1 ～ 1 。表层导管喷射到位后海底土的回填和密实需要 一 定时间 ， 且不同土质所需的静置时间存在一定差异。 深水钻井表层导管静置时间是喷射施工关键参数 ，如 果静置时间过短 ，可能引起导管下沉 ，如果静置时间 过长 ，则降低作业时效 ，增加经济成本 。因此 ，本文 对深水钻井表层导管静置时间窗 口进行设计 ，既保证 作业安全又不影响作业时效 。 表层导管承载力主要取决 于表层导管与周 围海底 土间的摩擦力 ，摩擦力在喷射下人过程方 向向上 ，上 拔过程方 向向下 ，下人与上拔过程摩擦力大小相等。 因此 ， 通过现场试验测量表层导管上拔过程的上拔力 ， 可以分析表层导管承载力 。 现场试验中，在同一地层预先喷射下人 6组表层导 管， 在表层导管到达静置时间 6组导管的静置时间分别 为 2 h 、4 h 、 6 h 、1 2 h 、2 4 h和 4 8 h 时拔出， 记录表层 导管上拔过程中最大上拔力。利用最小二乘法拟合现场 试验数据 见表 1 ，得到表层导管与周围海底土间摩擦 力随导管喷射到位后静置时间的变化关系 见图 1 。图 1中平均上拔力为表 1 中各组表层导管的平均上拔力。 2 3 8 石油勘探与开发 石油工程 V b 1 ． 4 1 N o ． 2 [ 8 】 【 9 ] 【 1 O ] 【 1 1 】 [ 1 2 】 [ 1 3 】 c o n n e c t e d o p e r a t i o n o f t h e d e e p wa t e r d r i l l i n g r i s e r [ J ] ．P e t r o l e u m Ex p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 01 2 ， 3 9 1 1 0 5 1 1 0 ． Ea t o n L E Ac t i s S C， Wi l l i a ms o n R N， e l a 1 ． De e p wa t e r b a t c h s e t o p e r a t i o n s t h r o u g h t h e Ma g n o l i a s h a l lo w wa t e r fl o w s a n d [ R ] ． S P E 9 2 2 8 9 ， 2 0 0 5 ． Ake r s T J ． I mp r o vi n g h o l e q u a l i t y a n d c a s i n g r u n n i n g p e r f o r ma n c e i n r i s e r l e s s t o p h o l e s De e p wa t e r A n g o l a [ R ] ． S P E 1 1 2 6 3 0 ， 2 0 0 9 ． 马飞 ，宋志辉．水 射流动力特性及 破土机理[ J ] ．北京科 技大学学 报， 2 0 0 6 ， 2 8 5 41 3 - 4 1 4 ． M a F e i ， S o n g Zh i h u i ． Dy n a mi c p r o p e r t y a nd b r e a k i n g s o i l me c h a n i s m o f wa t e r j e t [ J ] ．J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ， 2 0 0 6 ， 2 8 5 4 1 3 - 4 1 4 ． 徐荣强 ，陈建兵 ，刘 正礼 ，等 ．喷射 导管 技术在深 水钻井作业 中 的应用[ J ] ．石油钻探技术， 2 0 0 7 ， 3 5 3 1 9 - 2 2 ． Xu Ro n g q i a n g， Ch e n J i a n b i n g ， Li u Zh e n g l i ， e t a 1 ． T he a p p l i c a t i o n of j e t t i n g t e c h n o l o g y i n d e e p w a t e r d r i l l i n g [ J ] ．P e t r o l e u m D r i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 0 7 ， 3 5 3 1 9 - 2 2 ． Ake r s T J ．J e t t i n g o f s t r u c t u r a l c a s i n g i n d e e p wa t e r e n v i r o n me n t s J o b d e s i g n a n d o p e r a t i o n a l p r a c t i c e s [ R] ． S P E 1 0 2 3 7 8 ， 2 0 0 6 ． 刘 书杰，杨进，周建 良，等．深水海底浅层 喷射钻进过 程中钻压 与钻速关 系[ J 】 ．石油钻采工 艺， 2 0 1 1 ， 3 3 1 1 2 - 1 5 ． L i u S h i e ，Y a n g] in ，Z h o u J i a n l i a n g ，e t a 1 ．R e l a t i o n s h ip b e t we e n we i g h t - o n - b i t a n d d r i l l i n g r a t e d u r i n g j e r r i n g d r i l l i n g in s u b - b o t t o m d e e p w a t e r [ J ] ． Oi l D r i l l i n gP r o d u c t i o n T e c h n o l o g y , 2 0 1 1 ， 3 3 1 1 2 - 1 5 ． 唐 海雄，罗俊丰，叶吉华，等．南 海超深水 喷射钻井导 管人泥深 度设计方法 [ J ] ．石油天然气学报， 2 0 1 1 ， 3 3 3 1 4 7 1 5 1 ． T an g Ha i x i o n g ，L u o J u n f e n g ，Y e J i h ua ，e t a 1 ．De s i g n i n g me t h o d o f c o n d u c t o r s e t t i n g d e p t h f o r u l t r a d e e p w a t e r j e t t i n g d ri l l i n g in t h e S o u th C h i n a S e a [ J ] ． J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y , 2 0 1 1 ， 3 3 3 1 4 7 - 1 5 1 ． 【 l 4 】 苏堪华 ，管志川 ，苏义脑 ．深水钻井导管喷射下 人深度确定方法 [ J 】 ．中国石 油大学学报， 2 0 0 8 ， 3 2 4 4 8 5 0 ． S u Ka n h u a ，Gu a n Zh i c h ua n ，S u Yi ’ n a o ．De t e r mi n a t i o n me t h o d o f c o n d u c t o r s e t t i n g d e p t h u s i n g j e t t i n g d r i l l i n g i n d e e p wa t e r [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， 2 0 0 8 ， 3 2 4 4 8 - 5 0 ． 【 l 5 】 曲海，李根生，黄中伟，等．水力喷射分段压裂密封机理[ J ] ．石油 学报， 2 0 1 1 ， 3 2 3 5 1 4 5 1 7 ． Q u Hal ， L i G e n s h e n g ， H u a n g Z h o n g w e i ， e t a1 ． S e al i n g me c h a n i s m o f the h y d r a j e t s t e p w i s e f r a c t u r i n g [ J ] ． A c ta P e tr o l e i S i n ic a ， 2 0 1 1 ， 3 2 3 5 1 4 5 1 7 ． [ 1 6 ] 张辉，高德利，唐海雄，等．深水 导管喷射安装 过程 中管柱 力学 分析[ J ] ．石油学报， 2 0 1 0 ， 3 1 3 5 1 6 5 2 0 ． Zh a n g Hu i ，Ga o De l i ，T a n g Ha i xi o n g ，e t a 1 ．Tu b u l a r m e c h a n i c s i n j e t t i n g o p e r a t i o n o f c o n d u c t o r u n d e r d e e p w a t e r c o n d i t i o n [ J ] ．A c t a P e t r o l e i S i n i c a ， 2 0 1 0 ， 3 1 3 5 1 6 - 5 2 0 ． [ 1 7 ] 陈庭 根，管志川．钻井工程理论 与技术 [ M] ．北京石 油大学出版 社 ． 2 0 0 0 ． Ch e n T i n g g e n ，Gu a n Zh i c h u a n ．Th e o r y a n d t e c h n o l o g y o f d r i l l i n g e n g i n e e r i n g [ M] ． B e i j i n g Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m P r e s s ， 2 0 0 0 ． 第一作者简介周波 1 9 8 7 一 ，男，河南周口人 ，中国石油大学 北京 石油工程学院在读博士研 究生，主要从事海上钻完井技术研究工作 地址 北京市昌平区府 学路 1 8号，中国石油大学 北京 石油工程学院，邮政编 码1 0 2 2 4 9 。E m a i l z h o u b o 1 0 3 y e a h ． n e t 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 ． 2 7 修回日期 2 0 1 4 ． 0 1 ． 1 4 编辑胡苇玮 绘 图 刘方方 上接第 2 2 6页 [ 6 】 S a h i mi M，D a v i s H T ， S c r i v e n p h a s e a n d t e n s i o n b e h a v i o r o f J o u r n a l ， 1 9 8 5 ， 2 5 2 2 3 5 2 5 4 ． 【 9 】 [ 1 0 ] 【 l 1 】 [ 1 2 】 [ 1 3 ] [ 1 4 ] L E ．T h e r mo d y n a mi c mo d e l i n g o f [ 1 5 ] C O 2 ／ h y d r o c a r b o n s y s t e ms [ J ] ．S P E Gu p t a M k Ro b i n s o n R L Ap p l i c a t i o n o fg r a d i e n t th e o r y o fin h o mo g e n e o u s fl u i d t o p r e d i c t i o n o f l o w i n t e r f a c i a l t e n s i o n s i n C O2 ／ h y d r o c a r b o n s y s t e m s [ J ] ． S P E R e s e r v o i r E n g i n e e r i n g ， 1 9 8 7 ， 2 4 5 2 8 - 5 3 0 ． Ga s e m K A M ， Di e k s o n K B，S h a v e r R D，e t a 1 ． Ex p e r ime n t a l p h a s e d e n s i t i e s and in t e r f a c i al t e n s i o n s f o r a C O ／ s y n t h e fi c o i l a n d a C O 2 ／ r e s e r v o i r 0 订s y s t e m[ J ] ． S P E R e s e rvo i r E n g in e e r i n g ， 1 9 9 3 ， 8 3 1 7 0 1 7 4 ． Ke c h u t N I ， Za i n Z M ， Ab ro a d N， e t a 1 ． Ne w e x p e r im e n t a l a p p r o a c h e s i n min imu m mi s c ib i l i t y p r e s s u r e MMP d e t e r mi n a t i o n [ R ] ．S P E 5 7 2 8 6 ， 1 9 9 9 ． Ya n g Da o y o n g ，Gu Yo n g a n． Vi s u a l i z a t i o n o f i n t e r f a e i a l i n t e r a c t i o n s o f c rud e o i l - C O 2 s y s t e ms u n d e r r e s e r v o i r c o n d i t i o n s [ R ] ． S P E 8 9 3 6 6 ， 2 0 0 4 ． S e q u e i r a D S， Ay i r a l a S C， Ra o D N． Re s e r v o i r c o n d i t i o n me a s u r e me n t s o f c o mpo s i t i o n a l e f f e c t s o n g a s o i l i n t e r f a c i a l t e n s i o n a n d mi s c i b i l i t y [ R ] ． S P E 1 l 3 3 3 3 ， 2 0 0 8 ． No b a k h t M ， M o g h a d a m S ， Gu Yo n g a n ． De t e r mi na t i o n o f CO2 mi n i mu m m i s c i b i l i t y p r e s s u r e f r o m me a s u r e d a n d p r e d i c t e d e q u i l i b r i u m i n t e r f a c i a l t e n s i o n s [ J ] ． I n d u s t r i a l E n g i n e e r i n g C h e mi s t r y R e s e a r c h ， 2 0 0 8 ， 4 7 2 2 8 9 1 8 - 8 9 2 5 ． S a i n i D， Ra o D N． E x pe r i me n t a l d e t e r m i n a t i o n o f mi ni mu m mi s c i b i l i t y p r e s s u r e MMP b y g a s ／ o i l I F T me a s u r e me n t s f o r a g a s i n j e c t i o n E OR p r o j e c t [ R] ． S P E 1 3 2 3 8 9 ， 2 0 1 0 ． 王海涛，伦增珉，骆铭，等．高温高压条件下 C O2 ／ 原油和 N2 ／ 原油 的界 面张力[ J ] ．石油学报， 2 0 1 1 ， 3 2 1 1 7 7 - 1 8 O ． Wa n g Ha i t a o ，L u n Ze n g m i n ，L uo M i ng ，e t a 1 ．I n t e r f a c i a l t e n s i o n o f CO2 ／ c r u de o i l a n d N2 ／ c r ud e o i l a t h i g h pr e s s u r e a n d h i g h t e mp e r a t u r e [ J ] ． Ac t a P e t r o l e i S i n i c a ， 2 0 1 1 ， 3 2 1 1 7 7 1 8 0 ． [ 1 6 】 [ 1 7 ] [ 1 8 ] [ 1 9 ] H s u J C ， Na g a r a j a n N， R o b i n s o n R L ． E q u i l i b r i u m p h a s e c o mp o s i t i o n s ， p h a s e d e n s i t i e s ， a n d i n t e r f a c i a l t e n s i o n s for CO2 h y d r o c a r b o n s y s t e ms 1 ． C O 2 n b u t a n e [ J ] ．J o u r n a l o f C h e mi c a l a n d E n g i n e e r i n g Da t a ，1 9 8 5 ， 3 0 4 4 8 5 - 4 9 1 ． Na g a r a j a n N， Ro b i n s o n R L ． E q u i l i b r i u m p h a s e c o mp o s i t i o n s ， p h a s e d e n s i t i e s ，a n d i n t e r f a c i a l t e n s i o n s fo r CO2 h y d r o c a r b o n s y s t e ms 3 ． CO 2 c y c l o h e x a n e 4 ．C O 2 b e n z e n e [ J ] ．J o u r n a l o f C h e mi c a l a n d E n g i n e e r i n g D a t a ， 1 9 8 7 ， 3 2 3 3 6 9 3 7 1 ． Na g a r a j a n N， R o b in s o n R L ． E q u i l i b r i u m p h a s e c o m p o s i t i o n s ， p h a s e d e n s i t i e s ，a n d i n t e r f a c i a l t e n s i o ns for C02 h y d r o c a r b o n s y s t e ms 2． CO 2 n - d e c a n e [ J ] ． J o u r n a l o f C h e mi c a l a n d E n g i n e e r i n g D a t a ， 1 9 8 6 ， 3 1 2 1 6 8 - l 7 1 ． Ga s e m K A M 。Dl c k s o n K B，Du l c a me r a P B，e t a 1 ．Eq ui l i b r i u m p h a s e c o mpo s i t i o ns ，p h a s e d e n s i t i e s ，a n d i n t e r r a c i a l t e n s i o n s fo r CO 2 h y d r o c a r b o n s y s t e ms 5 ．C O2 n t e t r a d e c a n e [ J ] ．J o u r n a l o f Ch e mi c a l a n d E n g i n e e r i n g Da t a ， 1 9 8 9 ， 3 4 2 1 9 1 1 9 5 ． 姬泽 敏，秦积舜，李实，等．原油组分． C O z体系界面张力实验研 究【 R 】 ．北京中国石油勘探 开发研究院， 2 0 1 2 ． J i Z e mi n ， Q i n J i s h u n ， L i S h i ， e t a 1 ． I n t e r f a c i a l t e n s i o n e x p e r i me n t o f p u r e h y d r o c a r b o n c o mp o n e n t C O 2 s y s t e m[ R ] ． Be i j i n g P e t r o C h i n a Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Pe t r o l e u m Ex p l o r a t i o n De v e l o p me n t ． 2 01 2 ． 第一作者简介姬泽敏 1 9 8 5 ． ，男，山东东营人，中国石油勘探开发 研究院在读博士研究生，现从事 C O 2 驱相态基础理论 、注气提 高采收率数 值模拟研究。地址北京市海淀区学院路 2 O 号，中国石油勘探开发研究院 提 高 石 油 采 收 率 重 点 实 验 室 ， 邮 政 编 码 1 0 0 0 8 3。 E - mall j i z e mi n p e t r o c h i n a ．c o m． c n 收稿日期2 0 1 3 ． 1 0 ． 1 4 修回日期 2 0 1 4 0 3 0 5 编辑郭海莉 绘图 刘方方