柯 珂， 張 輝， 周宇陽， 王 磊， 馮士倫

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京102249；3.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

深水鉆井噴射下導(dǎo)管模擬試驗裝置的研制

柯 珂1， 張 輝1， 周宇陽2， 王 磊1， 馮士倫3

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京102249；3.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

深水鉆井下噴射導(dǎo)管的鉆井參數(shù)與陸地及淺水鉆井存在較大不同。為了模擬噴射下導(dǎo)管過程，為深水鉆井噴射下導(dǎo)管作業(yè)參數(shù)計算提供試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)深水噴射下導(dǎo)管的特點，以其工具及組合形式為基礎(chǔ)，結(jié)合土力學(xué)基礎(chǔ)理論，研制了深水鉆井噴射下導(dǎo)管模擬試驗裝置。該裝置主要由土箱、管柱系統(tǒng)、起吊系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成，可以模擬噴射下導(dǎo)管全過程，通過改變模擬試驗中的噴射參數(shù)和巖土性質(zhì)，并對導(dǎo)管的下入速率、承載能力(橫向應(yīng)變、豎向應(yīng)變及承載能力)進(jìn)行測量，進(jìn)而可以研究深水鉆井導(dǎo)管噴射作業(yè)過程當(dāng)中，不同巖土性質(zhì)條件下的噴射參數(shù)與導(dǎo)管下入速度和承載能力之間的相互關(guān)系和影響規(guī)律，建立導(dǎo)管作業(yè)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，為深水油氣鉆探中導(dǎo)管噴射下入的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

深水鉆井 噴射 導(dǎo)管 試驗裝置 模擬試驗 優(yōu)化設(shè)計

深水鉆井作業(yè)風(fēng)險大、費用高[1-2]。目前，深水鉆井導(dǎo)管井段所采用的噴射下導(dǎo)管鉆井的基本工藝流程為[3]：將噴射鉆具組合(由鉆頭和動力鉆具組成)置于導(dǎo)管內(nèi)部，并與導(dǎo)管送入工具相連，鉆頭位于導(dǎo)管內(nèi)部或伸出導(dǎo)管鞋一定長度；當(dāng)導(dǎo)管到達(dá)泥線處時，依靠其自身的重量鉆入地層中，并開泵驅(qū)動動力鉆具使鉆頭旋轉(zhuǎn)，循環(huán)鉆井液將巖屑從導(dǎo)管與鉆柱的環(huán)空返出井筒；當(dāng)導(dǎo)管下至設(shè)計深度時，靜止一定時間，使導(dǎo)管與地層黏土之間建立足夠的膠結(jié)強度，滿足后續(xù)作業(yè)導(dǎo)管的承載要求。該作業(yè)方式節(jié)省了固井和一趟起下鉆時間，較大地提高了深水鉆井前期的作業(yè)效率并節(jié)約了作業(yè)成本，因此逐漸成為深水鉆井下導(dǎo)管的主流作業(yè)方式。導(dǎo)管噴射鉆井參數(shù)選取得合理與否，直接決定了導(dǎo)管井段鉆井質(zhì)量的高低，因此研究導(dǎo)管井段無隔水管噴射鉆進(jìn)參數(shù)與導(dǎo)管承載能力的相互作用規(guī)律，對噴射下入?yún)?shù)的優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。近年來，國內(nèi)也建立了一些室內(nèi)模擬試驗裝置[4-5]，但這些裝置模擬行程過短(不超過1.0 m)，測量參數(shù)的種類和模擬精度有限，無法滿足模擬試驗的需要。為此，筆者根據(jù)深水鉆井噴射下導(dǎo)管作業(yè)的特點[6-7]，建立了專門模擬導(dǎo)管噴射下入的試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過改變模擬試驗中的噴射參數(shù)(包括噴嘴尺寸、排量、射流速度等)、巖土(黏土、砂土、互層土等)性質(zhì)，對導(dǎo)管下入速率、承載能力(橫向承載能力和豎向承載能力)進(jìn)行測量，以期為導(dǎo)管噴射下入作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供試驗依據(jù)。

1 試驗裝置組成與參數(shù)

1.1 試驗裝置整體結(jié)構(gòu)

深水噴射下導(dǎo)管鉆井模擬試驗裝置主要由土箱、管柱系統(tǒng)、起吊系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成，如圖1所示。

該試驗裝置中，各主要部件所起的作用分別是：由起重天車和吊纜及測力計構(gòu)成的起吊系統(tǒng)，負(fù)責(zé)起吊由模擬導(dǎo)管、模擬鉆桿、穩(wěn)定器和鉆頭組成的管柱系統(tǒng)；試驗土箱用以填放試驗用土和水，模擬海底環(huán)境；拉繩位移傳感器可以精確測量模擬導(dǎo)管下入的距離或者深度與時間的關(guān)系，從而計算出模擬導(dǎo)管的下入速度；承載箱體用以盛放加載砝碼，模擬導(dǎo)管施加的豎向載荷，從而模擬深水鉆井導(dǎo)管承受水下井口、表層套管等引起的載荷；橫向液壓加載裝置及位移傳感器結(jié)合剪力墻，用以給模擬導(dǎo)管頂部施加的橫向載荷并對模擬導(dǎo)管頂部的橫向位移進(jìn)行測量，從而模擬深水鉆井導(dǎo)管頂部或水下井口受到由洋流、隔水管運動所施加的橫向載荷；沿模擬導(dǎo)管壁上貼有應(yīng)變片，用以測量加載過程中導(dǎo)管不同部位的變形量；管線用以循環(huán)模擬裝置中的流體；流量計用以測量不同位置流體的流量；污水箱用以存放噴射下入過程中循環(huán)出的流體，污水箱出口帶有簡易的過濾柵，用以過濾從土箱循環(huán)出的流體中較大砂粒；過濾裝置用以進(jìn)一步過濾流體中的固體雜質(zhì)及顆粒，為下一步注入到模擬鉆桿中做好準(zhǔn)備；清水罐用以存儲過濾后的清水或重新輸入的清水；變頻控制柱塞泵可以以不同的排量向模擬鉆柱內(nèi)注入流體；閥門用來控制流動管線的開啟和閉合；數(shù)據(jù)傳送電纜用以將各種位移傳感器和應(yīng)變片上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)記錄及處理系統(tǒng)中，方便記錄、轉(zhuǎn)化和分析各類試驗數(shù)據(jù)。

1.2 技術(shù)參數(shù)

1.2.1 土箱

試驗土箱為高4.2 m、直徑1.0 m的鐵箱，土箱中的土樣深度為4.1 m。因為試驗中土箱里盛放土和水模擬海底環(huán)境，故土樣上部有0.1 m深的水。

1.2.2 管柱系統(tǒng)

管柱系統(tǒng)包括導(dǎo)管、鉆桿及鉆頭。其中，導(dǎo)管長4.0 m，沿導(dǎo)管長度方向設(shè)置7對電阻應(yīng)變片。

鉆桿為直徑3.0 cm的金屬管，頂端通過螺紋與導(dǎo)管連接，在鉆桿距下端0.2 m及3.0 m位置處焊接了4個金屬葉片，以保證鉆桿在導(dǎo)管內(nèi)居中。鉆桿下端通過螺紋與簡易刮刀鉆頭相連。

刮刀鉆頭主要使用5種尺寸的噴嘴，分別為1.5，2.0，2.5，3.0和3.5 mm。通過更換不同尺寸的噴嘴和改變排量，可實現(xiàn)射流參數(shù)的變化。

在裝配模擬導(dǎo)管和鉆桿時，將鉆桿伸出導(dǎo)管3～4 cm，使射流恰好作用于導(dǎo)管下端臨近的位置。

1.2.3 循環(huán)系統(tǒng)

循環(huán)系統(tǒng)由柱塞泵及循環(huán)管線組成，柱塞泵額定排量為6 m3/h，額定泵壓為15 MPa。為實現(xiàn)射流排量的變化，給柱塞泵配置了變頻控制柜，可實現(xiàn)出口排量在0～6 m3/h范圍內(nèi)的無級調(diào)速控制。

試驗以清水為循環(huán)介質(zhì)。清水由柱塞泵通過循環(huán)管匯泵入鉆桿，從鉆頭噴出后，大部分由內(nèi)外管柱之間的環(huán)空上返，少量流體通過外管柱與地層的間隙返出。

1.2.4 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)主要包括豎向加載和橫向加載系統(tǒng),如圖2所示。通過千斤頂對導(dǎo)管施加豎向及橫向壓力，并通過千斤頂及壓力傳感器分別采集壓力數(shù)值。

1.2.5 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)主要包括壓力、位移測量(見圖3)及應(yīng)變測量，通過多通道數(shù)據(jù)采集儀記錄并實時顯示和輸出測量數(shù)據(jù)，采樣頻率為1 Hz。

壓力測量系統(tǒng)用于在導(dǎo)管加載過程中測量施加在導(dǎo)管上的豎向及橫向壓力載荷，并通過多通道數(shù)據(jù)采集儀記錄并輸出數(shù)據(jù)。壓力測量通過千斤頂及壓力傳感器兩種方式分別獲取數(shù)據(jù)，壓力傳感器的測量范圍為24.5～9 800.0 N，測量精度為24.5 N。

位移測量包括拉繩位移傳感器和位移百分表。拉繩位移傳感器測量導(dǎo)管的下入速度，測量范圍為0～5.0 m，測量精度0.1 mm。位移百分表測量導(dǎo)管端部在豎向及橫向載荷作用下的位移量，量程為50.0 mm，測量精度0.1 mm。位移測量結(jié)果通過多通道數(shù)據(jù)采集儀記錄并輸出。

應(yīng)變測量通過設(shè)置在導(dǎo)管外壁的應(yīng)變片進(jìn)行測量，并由多通道數(shù)據(jù)采集儀記錄并輸出。

1.2.6 幾何參數(shù)選擇依據(jù)

導(dǎo)管噴射下入模擬試驗裝置幾何參數(shù)的選擇依據(jù)：實際導(dǎo)管外徑914.0 mm，內(nèi)徑838.0 mm，模型與實際導(dǎo)管的尺寸比例為1∶10，同時考慮到現(xiàn)有鋼管規(guī)格的尺寸，模型導(dǎo)管選擇外徑102 mm、內(nèi)徑為94 mm的鋼管；考慮到沉樁的邊界效應(yīng)(一般為樁徑的3～7倍)，選擇直徑1.0 m、深度4.2 m的圓柱形試驗土箱，模型導(dǎo)管的下入深度控制在3.0～3.5 m。

2 工作原理與主要功能

2.1 土樣制備

為模擬海底淺部地層條件，使試驗土樣的物理力學(xué)性能與海底淺部土層相近[8]，消除試驗所用土樣經(jīng)過取土?xí)r的擾動以及儲存和運輸過程中對試驗土樣力學(xué)性質(zhì)的影響，需要對其進(jìn)行一定的處理，主要包括篩選、水飽和、振搗、壓實等步驟，使土樣均質(zhì)、飽和并達(dá)到一定的強度要求。處理過程為：1)去除雜物，初選試驗用土，將大塊巖石、砂礫等挑出，同時打碎膠結(jié)的成塊土樣；2)分層填置、加水、振搗、加壓；3)靜置存放，靜置時間為一周，等待土壤排水固結(jié)，在等待過程中始終使用大型重物對土樣加壓，以模擬海底的情況；4)單次試驗后，均采用振搗方式振搗15 min，之后靜置24 h，保證土壤力學(xué)和物理特性保持基本一致。

2.2 模擬原理

深水噴射下導(dǎo)管鉆井模擬試驗裝置模擬導(dǎo)管噴射下入過程的工作原理為：將模擬鉆桿、穩(wěn)定器、鉆頭分別通過螺紋連接組裝在一起，然后將其放入模擬導(dǎo)管內(nèi)，通過接頭與模擬導(dǎo)管和承載箱體固定成一個整體。用起吊系統(tǒng)將由模擬鉆桿和模擬導(dǎo)管等組成的管柱系統(tǒng)吊起，使管柱系統(tǒng)完全在土箱上方并保持垂直狀態(tài)，拉繩感應(yīng)傳感器此時開始記錄導(dǎo)管承載箱體和土箱頂部的距離。隨后啟動變頻柱塞泵，將清水罐中的清水通過管線和閥門從模擬鉆桿內(nèi)注入，再經(jīng)管線由試驗土箱、污水箱、過濾裝置重新回到清水罐，從而模擬導(dǎo)管噴射下入過程中的海水或海水基鉆井液的循環(huán)過程；控制起重天車，將管柱系統(tǒng)逐漸放入土箱的試驗用土中，用測力計記錄下放的重量，以模擬深水鉆井導(dǎo)管下入及鉆壓控制的過程；模擬導(dǎo)管下入到位后，通過向承載箱體內(nèi)部放入指定重量的砝碼給模擬導(dǎo)管施加豎向載荷，通過橫向加載裝置給模擬導(dǎo)管頂部施加橫向載荷，以模擬深水鉆井導(dǎo)管噴射下入后所受到的來自水下井口、套管及隔水管所施加的豎向、橫向載荷。試驗過程中試驗流體的循環(huán)路線如圖1中箭頭所示。

2.3 裝置的主要功能

1) 能夠模擬導(dǎo)管噴射下入過程，研究不同水力參數(shù)對導(dǎo)管下入及承載能力的影響規(guī)律。通過協(xié)調(diào)該試驗裝置的各系統(tǒng)，可以較好地模擬導(dǎo)管噴射下入過程，通過改變試驗裝置中泵的排量、變換鉆頭噴嘴尺寸等參數(shù)，可以模擬導(dǎo)管噴射下入過程中不同水力學(xué)參數(shù)(即噴射下導(dǎo)管的排量和射流速度)對導(dǎo)管下入速度的影響；通過改變下入過程中起重天車的承載，可以模擬導(dǎo)管噴射下入過程中施加不同的鉆壓。此外，試驗過程中通過測量模擬管柱在下入后的沉降及應(yīng)力數(shù)據(jù)，可以分析實際過程中不同作業(yè)參數(shù)對導(dǎo)管最終承載能力的影響規(guī)律。

2) 能夠模擬導(dǎo)管承受動態(tài)載荷條件，研究導(dǎo)管所受載荷隨深度的變化規(guī)律。該試驗裝置在模擬管柱系統(tǒng)的頂部具有縱向和橫向載荷施加系統(tǒng)，與應(yīng)力測量與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)配合，可以模擬深水鉆井中導(dǎo)管下入后，在懸掛套管、隔水管等時導(dǎo)管的橫向和豎向承載能力，有助于研究導(dǎo)管下入后在后續(xù)鉆井工況下的管柱應(yīng)力分布狀態(tài)以及承載能力。

3) 能夠模擬不同巖土條件下的導(dǎo)管噴下入過程。通過改變土箱內(nèi)巖土的類型及夯實程度，可以模擬導(dǎo)管在不同種巖土類型、不同巖土強度條件下的導(dǎo)管噴射下入過程，從而有助于研究不同巖土環(huán)境下導(dǎo)管噴射下入作業(yè)參數(shù)對導(dǎo)管下入速度等的影響規(guī)律，有助于提出針對不同種巖土環(huán)境的導(dǎo)管噴射作業(yè)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法。

3 性能測試及模擬試驗

3.1 性能測試

深水噴射下導(dǎo)管鉆井模擬試驗裝置于2012年完成整體設(shè)計與組裝，分別于當(dāng)年10月和11月進(jìn)行了整體測試，在測試過程中重點控制試驗流體必須從模擬管柱內(nèi)管和外管的環(huán)空中返出，而不能從外管和巖土的間隙中返出。在整個測試過程中，試驗裝置的每個系統(tǒng)都運轉(zhuǎn)正常，數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)準(zhǔn)確。

3.2 模擬試驗

深水噴射下導(dǎo)管鉆井模擬試驗裝置在完成性能測試后進(jìn)行了數(shù)次導(dǎo)管噴射下入模擬試驗，試驗土樣分別為曹妃甸海底黏土和砂土。往土箱中填充土樣時，采取分層處理的方法，每層土樣模仿實際鉆井過程中不同深度處的巖土參數(shù)。土樣測試結(jié)果見表1、表2(試驗土層1、2、3、4其深度依次增加，滲透系數(shù)為20 ℃條件下的數(shù)據(jù))。

表1 砂土的基本物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

Table 1 Test results for basic physical and mechanical parameters of sand-soil

表2 黏土的基本物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

Table 2 Test results for basic physical and mechanical parameters of clay

模擬試驗主要測量分析了導(dǎo)管下入速度與噴射參數(shù)的相互關(guān)系，并分析了導(dǎo)管頂部在一定橫向載荷條件下全管柱的載荷應(yīng)變分布情況。具體試驗步驟為：1)更換好鉆頭噴嘴，用起重天車把導(dǎo)管直立吊起至試驗土層上方、土箱中間位置處；2)控制大鉤使管柱勻速緩慢下沉入泥，管柱入泥后前1.0 m不開泵；3)下入過程中，以拉繩位移傳感器測量管柱的下沉速度；4)管柱入泥1.0 m后開泵，開泵時先用小排量，逐漸增大至設(shè)計排量值；5)緩慢釋放大鉤，使管柱在自重及射流聯(lián)合作用下逐漸下沉，注意在下放過程中保持勻速，并盡量保證管柱下入的垂直性；6)管柱下入到標(biāo)記位置后，停泵，并用大鉤吊住管柱靜止20 min；7)釋放大鉤，觀察管柱是否發(fā)生沉降；8)靜置管柱恢復(fù)4 h之后，對管柱進(jìn)行承載力測試；9)在導(dǎo)管頂部施加向上的力，以位移 40.0 mm 作為標(biāo)準(zhǔn)，測試導(dǎo)管在軸向載荷作用下的變形及位移情況；10)在導(dǎo)管頂端固定位置處施加橫向推力，以位移40.0 mm作為標(biāo)準(zhǔn)，測試導(dǎo)管在橫向載荷作用下的變形及位移情況；11)拔出導(dǎo)管，測量拔出導(dǎo)管的力。重新整理土樣，更換試驗參數(shù)，按上述步驟重復(fù)試驗。部分試驗結(jié)果如圖4所示。

4 結(jié) 論

1) 深水噴射下導(dǎo)管鉆井模擬試驗裝置，可通過模擬深水噴射下導(dǎo)管鉆井環(huán)境和作業(yè)流程，進(jìn)而為研究深水噴射下導(dǎo)管作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法提供平臺。

2) 試驗裝置整個管柱的最大行程可達(dá)4.0 m，能夠較好地模擬下入過程中不同參數(shù)對下入過程的影響，土箱具備足夠的高度和體積，可以依據(jù)實際土層情況分層處理和充填不同參數(shù)的土樣，以更好地模擬實際情況。

3) 試驗裝置可以在試驗全過程中對試驗參數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，并對下入速度、位移、載荷等參數(shù)進(jìn)

行全程連續(xù)的監(jiān)測、記錄和處理，可以有效服務(wù)于相關(guān)設(shè)計方法的提出和驗證工作。

4) 雖然該試驗裝置試驗壓力未能達(dá)到深水海底環(huán)境具有的數(shù)十兆帕級別，但研究表明，深水海底土中水壓力與靜水壓力相同，根據(jù)土力學(xué)有效應(yīng)力原理，海水壓力大小對土的強度參數(shù)沒有明顯影響，因此該試驗裝置能夠較好地模擬導(dǎo)管噴射下入過程，試驗結(jié)果能夠?qū)嶋H噴射作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計起到較好的驗證與修正作用。

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[編輯 令文學(xué)]

The Development of Testing Simulators for Conductor
Jets Running in Deepwater Drilling

Ke Ke1， Zhang Hui1， Zhou Yuyang2， Wang Lei1， Feng Shilun3

(1.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering，Beijing，100101，China；2.CollegeofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing，102249，China；3.SchoolofCivilEngineering，TianjinUniversity，Tianjin，300072，China)

Conductor jets running in deepwater drilling have different drilling parameters from that of land or shallow water drilling.In order to simulate the deepwater conductor jet running process,and provide experimental data for calculating operation parameter of conductor jetting running,a new simulating device for conductor jet running in deepwater drilling has been developed according to characteristics of deepwater conductor jet running,combined basic theory of soil mechanics with the form of running tool assembly.This device mainly consists of a soil box,pipe string,hoist,circulating loop,loading and measuring systems.It can simulate the whole process of conductor jet running.By changing the jet parameters and the geotechnical properties in the simulation test,the running speed of the conductor and bearing capacity,including the horizontal and vertical strain as well as the bearing capacity,can be measured,so as to study the relationship among jet parameters,the conductor running speed and bearing capacity during the course of conductor jet running for deepwater drilling under different geotechnical properties,develop a optimization design for conductor operation parameters,and provide a reference for the optimization design of conductor jets running in deepwater drilling of oil and gas well.

deepwater drilling；jetting；conductor；testing simulator;simulation test；optimization design

2014-08-25；改回日期：2015-03-02。

柯珂(1982—)，男，湖北宜昌人，2004年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，2010年獲中國石油大學(xué)(華東)油氣井工程專業(yè)博士學(xué)位，高級工程師，主要從事井身結(jié)構(gòu)設(shè)計和深水鉆井關(guān)鍵技術(shù)方面的研究。

中國石化科技攻關(guān)項目“瓊東南深水鉆井關(guān)鍵技術(shù)方案研究”(編號：P13010)資助。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201502006

TE5245

A

1001-0890(2015)02-0033-05

聯(lián)系方式：(010)84988103，keke.sripe@sinopec.com。