深水钻井表层导管喷射安全等候时间窗口设计.pdf

2 0 1 4年第 4 2卷第 4期 石 油机械 C HI NA PE TR0L EUM MACHI NERY 海 洋石 油装备 深水钻 井表层导管 喷射 安全等候 时间窗 口设计 罗俊丰 杨 进 严 德 田瑞瑞 1 ．中海石油 中国有限公司深圳分公司 2 ．中国石油大学 北京 3 ．中海油能源发展监督监理深圳分公司 摘要 针对 目前深水钻井表层导管喷射随钻下入工艺中，设计安全等候 时间窗 口时无理论计 算模型依据，存在作业盲 目性和风险性的现状，通过对表层导管喷射受力和侧向摩擦力进行分析， 建立了安全等候时间窗 口设计模型。该设计模 型表 明，在喷射管 串重力 已知的情况下，海底土质 不排水抗剪强度和承载力时间效应模型为准确设计导管安全等候时间窗口的重要影响 因素，在不 同海域和土质条件下需分别考虑。深水钻井表层导管喷射安全等候 时间窗 口设计方法 已在我国南 海荔湾、流花 、白云以及海外刚果、赤道几 内亚等 多个深水 区块得到 了成功应用，不仅保证 了表 层导管喷射施工的安全性，而且确保 了较高的作业时效性。 关键词 深水钻井；表层导管；喷射 ；静置；抗剪强度 ；等候时间窗 口 中图分类号 T E 5 2 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 1 3 De s i g n o f t he Sa f e t y W a i t i ng Ti me W i n do w f o r S ur f a c e Co n d u c t o r J e t i n S u b s e a Dr i l l i n g L u o J u n f e n g Ya n g J i n Ya n D e T i a n Ru i r u i 1 ． C N O O C S h e n z h e n B r a n c h 2 ． 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 ifi n g 3 ． S h e n z h e n B r a n c h ，C N O O C E n e r g y T e c h n o l o g y S e r v i c e s S u p e r v i s i o n T e c h n o l o g y C o ．， L t d ． Ab s t r a c t Cu r r e n t l y t he r e i s n o t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n mo d e l ba s i s f o r t h e d e s i g n o f s a f e t y wa i t i ng t i me wi n d o w i n r u n n i n g w h i l e - d ri l l i n g t e c h n o l o g y for s u r f a c e c o n d u c t o r j e t i n s u b s e a d ri l l i n g ． Mo r e o v e r ， t h e r e e x i s t b l i n d n e s s a n d r i s k i n o p e r a t i o n ． T h e r e f o r e ， t h r o u g h a n a n a l y s i s o f j e t f o r c e a n d l a t e r a l f r i c t i o n a l f o r c e o f s u r f a c e c o n d u c t o r ， t h e d e ． s i g n mo d e l o f s a f e t y w a i t i n g t i m e w i n d o w w a s e s t a b l i s h e d ． T h e m o d e l s h o w s t h a t w h e n t h e w e i g h t o f j e t p i p e s t ri n g i s g i v e n，t h e s e a b e d s o i l u n d r a i ne d s h e a r s t r e n g t h a nd l o a d i n g f o r c e t i me e f f e c t mo d e l i s a n i mp o r t a n t f a c t o r i n t h e p r e c i s e d e s i g n o f c o n d uc t o r s a f e t y wa i t i ng t i me wi n do w． Th e y s h o u l d b e c o ns i de r e d r e s p e c t i v e l y i n d i f f e r e n t s e a a r e a s a n d s o i l c o n d i t i o n s ． Th e me t ho d t o d e s i g n t he wa i t i n g t i me wi n d o w wa s s u c c e s s f ul l y u s e d i n s e v e r a l d e e p wa t e r b l o c k s i n L i wa n，L i u h u a a n d B a i y u n o f t h e S o u t h C h i n a S e a a n d o t h e r c o u n t r i e s s u c h a s Co n g o a n d Eq u a t o r i a l Gu i n e a ． I t e n s u r e s t h e s a f e t y o f s u rf a c e c o n d u c t o r j e t o p e r a t i o n a s w e l l a s t h e h i g h o p e r a t i n g e ffic i e n c y ． Ke y wo r d s s n b s e a d ri l l i n g ；s u r f a c e c o n d u c t o r ；j e t ；s t a n d i n g ；s h e a r s t r e n g t h ；w a i t i n g t i me w i n d o w 0 引 言 表层导管喷射随钻下人技术是深水浅层钻井的 技术之一 ，该技术有效解决 了导管找不到井 口和低 温环境下固井的难题 。喷射安全等候 时间窗 口 是指表层导管人泥到位后至解脱管 串继续二开钻进 的时问，又称为导管浸泡时间。合理的等候时间窗 口能在保证导管作业安全的基础上提高钻井时效 。 等候时间过短导管无法获得足够的承载能力 ，存在 下沉失去井口的风险；等候时间过长则会降低作业 时效 。 基金项 目国家科技重大专项 “ 深水钻完井及其救援井应 用技术研究 ” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 6 0 0 1 0 42 0 1 2 0 5 2 3 ；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 。 石 油机械 2 O 1 4年 第4 2卷 第4期 目前 ，针对深水钻井喷射随钻下人技术 的研究 主要集 中在表层导管水力喷射机理分析、入泥深度 设计和钻头伸出量计算等方面 ，未见关于喷射安全 等候时间窗 口设计 和优化 的研究 报道 ，而在 现场实际作业时根据 以往的作业经验 ，有的作业者 为节省时间，等候时间设计过短 5 ． 0 h ，影响 了作业 时效。笔者通过理论研究 和现场作业数据分析，对表层导管喷射安全等候时 间窗 口进行设计和优 化研究 ，建立理论计算模 型， 以期为深水钻井作业提供参考 。 l 受力模型分析 图 1为表层导管喷射到位时受力工况示意图。 1 一钻杆 ；2 一送人工具 ；3 -- 防沉板 ；4 一喷射管柱 ；5 --表层导管。 图 1 表层 导管喷射 到位 时受力工况示意图 F i g ． 1 Di a g r a m o f f o r c e c o n d i t i o n a f t e r S l l r f a c e c o n d u c t o r j e t i n p l a c e 表层导管喷射到位时 ，由钻杆上提力 、导管侧 向摩擦力和端部承载力来提供表层导管所需要的竖 向承载力。表层导管喷射到位时的受力平衡方程表 示 为 PQ 侧Q 端 G 导 管G 送 人 工 具G 防 沉 板G 管 柱 1 式 中P 钻杆上提力 ，k N； Q 侧 侧 向摩擦力 ，k N； Q 端 端部承载力 ，k N； G 导 管 表层导管重力 ，k N； G 送 人 工 具 送人工具重力 ，k N； G 防 沉 板 防沉板重力 ，k N； G 管 柱 喷射管柱重力 ，k N。 当表层导管在地层 中静置一定时间后 ，喷射管 柱与送人工具解脱 ，进行二开井眼钻进 。图 2为表 层导管喷射解脱后受力工况示意图。此时 ，表层导 管、防沉板及送入工具 的重力完全由导管侧 向摩擦 力和端部承载力来承担。由于底部表层导管壁厚 比 较薄 ，通常为 2 5 ． 4 m m，且二开钻进时会把表层导 管串底部地层冲刷掉 ，所以导管端部承载力可忽略 不计。表层导管喷射解脱后的受 力平衡方程为 Q 侧 G 导 管 G 送 入 工 具 G 防 沉 板 2 由式 2 可知 ，表层导管 、送人工具及 防沉 板重力全部由导管侧 向摩擦力来承担 ，表层喷射到 位后静置时间越长 ，其侧 向摩擦力越大 ，但会降低 作业时效 。因此 ，侧向摩擦力是表层导管安全时间 窗 口设计 的关键参数。 1 一钻杆 ；2 一送人工具 ；3 一防沉板 ；4 一 喷射管柱 ；5 一表层导管。 图2 表层 导管喷射解脱后 受力工况示意图 Fi g ． 2 Di a g r a m o f f o r c e c o n d i t i o n a f t e r s u r f a c e c o n d u c t o r j e t r e l e a s e 2 表层导管侧 向摩擦力分析 将表层导管当作一个开 口的圆柱形桩基，根据 桩基设计规范 ，忽略其端部承载力 ，可得到表层导 管 的侧 向摩擦力计算公式 Q 侧 7 r D L f 3 式中D 表层导管直径 ，m； 泥面以下表层导管长度，m； 一 表层导管单位面积摩擦力 ，k P a 。 表层导管喷射法钻进时钻头未直接切削地层 ， 而是由水射流冲刷海底土层 ，土层受到大排量水射 流冲击作用 ，在土体内部产生剪应力并发生剪切破 坏 。深水表层导管喷射的实质为，高压喷射水射流 水动力作用下的饱和水 土体破坏和运移形成钻孔 ， 使得表层导管顺利人 泥。表层导 管喷射人泥到位 2 O l 4年 第4 2卷第4期 罗俊丰等深水钻井表层导管喷射安全等候时间窗口设计 后 ，周 嗣土体逐渐回填密实包裹住管体 ，随着时间 的延长 ，土体与表层导管之间的单位表面摩擦力增 大。深水海底浅层土质多为饱和软粘土 ，因此表层 导管侧 向摩擦力计算问题 即为饱和软粘土桩基承载 力时间效应问题 “ 。参考 同内外研 究成果 ，考 虑时间效应的饱和软粘土桩基承载力可表示为 Q 删 丌 D ， J a l n t b 5 4 式f } 1 s ，， 土体不排水抗剪强度，k P a ； 表层导管静置时间，h ； n、6 承载力时间效应经验系数 ，与土质 情况相关 ，可通过现场试验求得。 根据雪佛龙和哈斯基等同外石油公司在南中国 海的表层导管喷射作业经验 ，反演喷射施T过程中 表层 导管往复运动上提力与时间的关系，得到承载 力时间效应 经验系数 00 ． 0 4 0 、b0 ． 0 2 3 。由此 | _ f 得南巾同海深水钻井表层 导管侧 向单位面积摩擦 力时问效应经验模型，如 同 3所示 。 图 3 南 中国海深 水钻 井表 层导管侧 向 单位 面积摩擦 力时间效 应经验模 型 Fi g ． 3 Emp i r i c a l mo d e l o f l at e r a l un i t a r e a f r i c t i o n t i me e f f e c t o f S | l h s e d r i l l i n g s u r f a c e c o n d u e l o r i n S o u t h C h i n a S e a 3 安全等候 时间窗 口设计模型 联立表层导管喷射解脱l丁况下 的表层导管受力 平衡方程 2 和考虑时间效应的饱和软粘土桩基 承载 力汁算公式 4 ，得到表层导 管喷射安全等 候时问窗 u设计模型 ，即 Te p f 塑 L 一l 6 l 1 5 一 , r r aDL S Ⅱ ／ 式 r f 1 卜等候时间窗 t- J ，h 。 从式 5 可以看出，表层导管安全等候时间 窗 u设计 与导管重 力、送入工具重 力 、防沉板 重 力、土质不排水抗剪强度和承载力时间效应模型等 参数密切相关 ，其 中导管重力、送入T具重力、防 沉板重力等参数可根据钻井设计 准确求得 。因此 ， 土质不排水抗剪强度和承载力时间效应模型为准确 设 计导管安全等候时问窗 L J 的重要影响因素。 4 设计 实例 L HA井位于南 中国海 东部 ，水深 l 0 0 0 m， 采用 1 4 ． 4 IT l r n表层 导管喷射法施T ，设计入泥 深度 7 2 ． 0 m。T程勘察单位提供的海底浅层土质 参数如表 1 所示 。 表 l 海底浅层 土质 参数 Ta b l e 1 PH r a me t r s 0 f s B be d s h a 1 1 o w s o i l 根据钻井设计‘ 中提供的表层导管 、防沉板和送 入_丁具等参数和土质参数 ，采用南 中同海深水钻井 表层导管侧 向单位表 面摩擦力时间效应经验模型， 求得喷射管柱与送人T具解脱后载荷和静置不同时 间条件下导管的承载力关 系，如图 4所示。由图可 知 ，在保证 人泥深度值 不小于 7 2 ． 0 1 1 1 的情 况下 ， 表层导管解脱送 入T具的安全等候 时间为喷射到位 后 的 3 h ，即安全等候时问窗口应大于 3 h 。 量 ＼ 一 媸 85 90 9 5 0 0 承 载力／ k N 0 5 0 0 l 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 1 、 ＼ ， l | } { j ＼ 。删 ＼、 解 脱 时 载 荷 ／ ， Il t 1 ． ＼ ／ |． 4 l ＼ ＼ I ． L ＼ ． { l ＼ |． | | l ＼ 、 | ＼ I 、 t I ． ＼ I h。 ● 卜2 h‘ ● ‘ j h． - 4 h 5 h。 ■ ‘6 h ，I 1 一一 h 图 4 表 层导 管喷射安 全等候 时间窗 口设计 图版 Fi g ． 4 De s i g n c h a n o f s a f e t y wa i t i n g t i me w i n d o w f o r s u r f a c e c o n d u c t o r j e t L HA井表层导管实际喷射入泥深度为 7 2 ． 2 m，喷射到位后解脱送 入工具 的等候 时间为 3 h ， 钻井过程 中表层导管 未出现下沉 和倾斜等 复杂情 况 ，确保了作业安全 。 深水钻井表层导管喷射安全等候时间窗 口设计 方法已在我 国南海荔 湾 、流花 、白云 以及海外 刚 果 、赤道几 内亚等多个深水 区块得到 了成功应用。 石 油机械 2 0 1 4年 第4 2卷 第4期 通过跟踪数十口井 的作业数据可知，表层导管现场 作业喷射到位后解脱送入工具的等候时问与设计时 间窗 口很接近，同时也避免 了等候 时间窗 口设计过 于保守的情况 ，保证了较高的作业 时效 。 5 结束语 安全等候时间窗 口设计是深水钻井表层导管喷 射施工的一个关键参数 ，合理的等候时间窗口设计 能在保证表层导管获得充分地层承载能力和作业安 全性的前提下有效提高钻井时效 。在喷射管串重力 已知的情况下 ，海底土质不排水抗剪强度和承载力 时间效应模型是准确设计导管安全等候时间窗 口的 重要影响因素。笔者基于理论分析建立了安全等候 时间窗 口设计模型 ，并将该模型在我国南海荔湾 、 流花 、白云以及海外刚果 、赤道几内亚等多个深水 区块进行应用。应用结果表明，这些深水井的表层 导管喷射作业时效高，且在后续钻井作业过程 中均 未出现导管下沉失稳等情况。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 B e c k R D，J a c k s o n C W ，Ha mi h o n T K ． R e l i a b l e d e e p w a t e r s t r u c t u r a l c a s i n g i n s t a l l a t i o n u s i n g c o n t r o l l e d j e t r i n g[ R]． S P E 2 2 5 4 2 ，1 9 9 1 ． J e a n j e a n P ． I n n o v a t i v e d e s i g n m e t h o d f o r d e e p w a t e r s u r f a c e c a s i n g s[ R]． S P E 7 7 3 5 7 ，2 0 0 2 ． A k e 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 w a t e r e n v i r o n m e 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]． SPE 1 0 2 37 8， 2 0 0 6． Y a n g J i n ，L i u S h u j i e ，Z h o u J i a n l i a n g ，e t a 1 ． R e s e a r c h 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 i n t h e s n a e e o f d e e p w a t e r[ R]． S P E 1 3 0 5 2 3 ，2 0 1 0 ． 简讯 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] Ya n g J i n，Ya n De ，T i a n Ru i r u i ，e t a 1 ． B i t s t i c k o u t c a l c u l a t i o n for t h e d e e p w a t e r c o n d u c t o r j e t t i n g t e c h n i q u e [ J ]． P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p me n t ，2 0 1 3 ， 4 0 3 3 9 43 9 7 ． 杨进，周建 良，刘书杰 ．深水表层导管钻井技术 [ M]． 北京 石油工业出版社，2 0 1 2 ． 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 ]．中国石油大学学报自然科学 版 ，2 0 0 8 ，3 2 4 4 8 5 O ． 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 ． 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 ]．石油钻采丁艺， 2 0 1 1 ，3 3 1 1 21 5 ． 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 65 2 0 ． 李雄 ，刘 金砺 ．饱 和软 土 中预制 桩承 载 力Ⅱ | f 问时 效 的研究[ J ]．岩土工程学报 ，1 9 9 2，l 4 4 9 1 6． 白兵 ，肖宏彬 ．软土 T程若 干理论 与应用[ M]． 北京 中国水利水 电出版社 ，2 0 0 2 ． 王美云 ，顾国荣 ，陈晖 ．软粘土中单桩承载力时间效 应的研究 [ J ]．工程勘察，2 0 0 5 1 7 9 ，1 4 ． 第一作者简介 罗俊 丰 ，高级工 程师 ，1 9 8 9年毕业 于 西南石油学院钻井 l丁程 专业 ，现从 事钻完井 技术 研究 及管 理工 作。地 址 5 1 8 0 0 0 广东 省深圳 市。电话 0 7 5 5 2 6 0 2 2 2 8 1 。Em a i l l u o j f c n o o c ． c o rn． c n 。 收稿 日期 2 0 1 31 1 2 7 本文编辑刘锋 西部钻探首创工具面稳定器 截至 2 0 1 4年 3月 1 8日，西部钻探定向井技术服务公司 自主研发的工具面稳定器在吉 1 7 1 、吉 1 7 5等5口井应用 ，成功 率 1 0 0 ％ ，定向段提速 3 6 ． 9 ％以上 。该装置为 国内首创 ，并 已申请 国家专利 。 定向井钻进时沿程摩擦力较大，所加钻压在途中被吸收，传输到钻头的] 二 作钻压不稳定 ，不仅影响机械钻速，还会导 致钻头早期磨损 。为此 ，西部钻探定 向井技术 服务公 司研制 了工具 面稳定器 。工具样 品先后在 3 12 1 井进行 了现场试验 ，研 发人 员根 据试 验结 果 ，对该 丁具 进行 了二次改进 ，进一 步完善了各项 性能 ，并成功通过 了项 目验 收。 该工具结构设计符合现场实际，操作简单方便；工具内有油腔，当有较大振动时，油腔通过泄油孑 L 泄压 ，从而可以起 到减振作用，有效地保证了钻压恒定。在钻具遇卡时，该工具可以对钻具进行上击，达到快速解除复杂事故的目的。 西部钻探定向井技术服务公司结合工具面稳定器的特点，形成了配套的工艺技术 ，通过钻铤或加重钻杆，减少了钻进 过程中的托压现象，极大地稳定了钻头所需的钻压，提高了定向井机械钻速，可缩短钻井工期和节约生产成本。 内容来 自中石油钻井 院网站 ，本刊有改动