李牧 楊堯焜 楊帥

摘 要：深水鉆井中導(dǎo)管一般采用噴射方式下入，該方法相比于淺水區(qū)常采用的鉆入法和錘入法更加節(jié)約時(shí)間和費(fèi)用，并且解決了氣體水合物堵塞、淺層水流危害以及海底低溫變化等淺層土地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)難題。導(dǎo)管入泥深度設(shè)計(jì)是噴射鉆井作業(yè)中最為關(guān)鍵的一環(huán)。分析極限工況下導(dǎo)管的承載能力與載荷，同時(shí)考慮靜置時(shí)間對承載力的影響，得出深水鉆井噴射導(dǎo)管最小入泥深度設(shè)計(jì)方法。研究表明：導(dǎo)管的入泥深度主要由當(dāng)?shù)氐耐寥佬再|(zhì)、后續(xù)套管設(shè)計(jì)深度、固井井口載荷以及靜置時(shí)間決定，現(xiàn)場施工中計(jì)算入泥深度時(shí)通?？紤]該極限工況條件即可。

關(guān)鍵詞：深水鉆井 噴射導(dǎo)管 入泥深度 極限工況 承載力

中圖分類號：T28 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0005-02

深水鉆井中導(dǎo)管通常采用噴射方式下入。導(dǎo)管入泥深度過淺會由于支撐力不足而失穩(wěn)下沉，入泥深度過大則會造成浪費(fèi)，所以確定合適的導(dǎo)管入泥深度十分關(guān)鍵。R.D.Beck最早給出了一種導(dǎo)管入泥深度的設(shè)計(jì)方法。G.L Faul分析了導(dǎo)管下入過程中與周圍土壤的簡單受力關(guān)系及參數(shù)控制。Philippe Jean jean提出了考慮導(dǎo)管實(shí)時(shí)載荷的入泥深度設(shè)計(jì)方法并在墨西哥灣得到成功應(yīng)用。蘇堪華以土力學(xué)和樁基理論為基礎(chǔ)，利用迭代法提出了一種入泥深度設(shè)計(jì)方法。唐海雄等依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況提出了一種極限工況下的入泥深度設(shè)計(jì)方法。但是，目前仍然缺少適合我國地層及現(xiàn)場實(shí)際工作情況的導(dǎo)管入泥深度通用設(shè)計(jì)方法。筆者在上述文獻(xiàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上研究分析了極限工況下的導(dǎo)管載荷及實(shí)時(shí)承載能力計(jì)算，結(jié)合土壤力學(xué)得出了一種更為全面的噴射導(dǎo)管入泥深度計(jì)算方法。

1 極限工況下導(dǎo)管入泥深度設(shè)計(jì)方法

危險(xiǎn)工況（管柱豎向承載力最大）出現(xiàn)在隔水管及防噴器下入前，表層導(dǎo)管固井階段。此時(shí)固井水泥漿通過固井管柱到達(dá)井眼底部但尚未進(jìn)入導(dǎo)管和表層套管之間的環(huán)空。由于表層套管還未固井，導(dǎo)管將承擔(dān)所有重量。此時(shí)的工況如圖1所示。

1.1 導(dǎo)管承載能力分析

導(dǎo)管下入到設(shè)計(jì)深度時(shí)的初始承載能力等于其最終記錄鉆壓，故初始承載能力為：

（1）

Q0為噴射完成時(shí)導(dǎo)管的初始承載能力，kg。R為鉆壓利用率，取值在0.8～1.0之間。Wcond為導(dǎo)管在海水中的浮重，一般為了保證導(dǎo)管的抗彎強(qiáng)度，在泥線以下80 ft內(nèi)這一段采用壁厚為1.5 in的導(dǎo)管，后續(xù)部分則采用壁厚1.0 in的導(dǎo)管，故，為上部導(dǎo)管單位長度浮重，kg/m；為下部導(dǎo)管單位長度浮重，kg/m；為上部導(dǎo)管的長度；L為導(dǎo)管設(shè)計(jì)入泥深度，m。WLPWH為低壓井口頭在海水中的浮重，kg。Wcol為噴射鉆具在海水中的浮重，噴射鉆具浮重也與導(dǎo)管入泥深度有關(guān)，為噴射鉆具單位長度浮重，kg/m。Wcada為CADA工具在海水中的浮重，kg。綜上：導(dǎo)管初始承載力

（2）

深水噴射導(dǎo)管安裝時(shí)，由于對導(dǎo)管周圍的土壤層產(chǎn)生了擾動，土壤對導(dǎo)管的初始承載力較低，但隨著導(dǎo)管靜置時(shí)間的增長土壤逐漸固結(jié)，地基土中的超靜載孔隙水壓力逐漸消散，土層強(qiáng)度恢復(fù)導(dǎo)管承載力將提高，因此有必要考慮導(dǎo)管承載力的時(shí)效性。顧自乘等通過大量實(shí)驗(yàn)建立了實(shí)時(shí)承載力計(jì)算公式，導(dǎo)管入土后任意間歇期的承載力Qt可以由下式估算：

（3）

式中，Qt為導(dǎo)管靜置t時(shí)間時(shí)的實(shí)時(shí)承載力，kg；k為極限承載力增長系數(shù)；Qu為導(dǎo)管最終極限承載力，kg；t為導(dǎo)管靜置時(shí)間，d。

導(dǎo)管的極限承載力由導(dǎo)管總側(cè)阻力和管端阻力組成，但由于在鉆井后續(xù)的施工中導(dǎo)管鞋處在鉆井液的沖刷下形成大肚子，導(dǎo)管端部的阻力對導(dǎo)管的支撐可以忽略不計(jì)，故只考慮總側(cè)阻力即可滿足工程要求。所以極限承載力為：

（4）

式中，Di為第i段土層的導(dǎo)管外徑，m；li為第i段土層的厚度，m；qsui為第i段土層的單位面積極限管側(cè)阻力，kn/m2。

綜上：導(dǎo)管實(shí)時(shí)承載力

（5）

1.2 導(dǎo)管載荷分析

固井時(shí)坐掛在井口的軸向載荷為：Nt=W1+W2+W3。其中，表層套管在鉆井液中的浮重：，為鉆井液中單位長度表層套管浮重，kg/m；hs為表層套管設(shè)計(jì)深度，m。固井管柱在鉆井液中的浮重：，為鉆井液中單位長度固井管柱浮重，kg/m；hc為固井管柱長度，m。現(xiàn)場工作中一般采用插入式固井，所以鉆桿即為固井管柱。固井管柱中水泥漿及底部口袋的重量：，為水泥漿密度，kg/m3；dc為固井管柱內(nèi)徑，m。

由上式可知，Nt主要由表層套管和固井管柱的長度決定，此極限工況下導(dǎo)管承受載荷為：

（6）

式中，LOAD為極限工況下導(dǎo)管承受載荷，kg；FS1、FS2為局部安全系數(shù)。

1.3 入泥深度計(jì)算

為了避免導(dǎo)管失穩(wěn)下沉或者下入過多增加成本，導(dǎo)管承受的總載荷應(yīng)該略小于導(dǎo)管安裝完成后土壤經(jīng)過一定恢復(fù)時(shí)間時(shí)的實(shí)時(shí)承載力。導(dǎo)管下入深度設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則為：

考慮極限情況LOAD=Qt可得導(dǎo)管最小入泥深度L，即：

（7）

這里需要注意的是各段土層的長度累加之和應(yīng)該等于導(dǎo)管的設(shè)計(jì)入泥深度即，因此導(dǎo)管的入泥深度應(yīng)該使用迭代法計(jì)算獲得。在取得泥線以下一定深度的導(dǎo)管周圍土壤單位面積極限側(cè)阻力數(shù)據(jù)后，假設(shè)取導(dǎo)管的入泥深度為Li，計(jì)算出這種情況下靜置t時(shí)間時(shí)的導(dǎo)管實(shí)時(shí)承載力，然后再計(jì)算出導(dǎo)管所需承擔(dān)的載荷，對比兩個(gè)力是否滿足基本準(zhǔn)則LOAD≤Qt。若不滿足，則試用新的Li值重復(fù)上述步驟，直到得出剛好滿足準(zhǔn)則的值，即為導(dǎo)管的最小入泥深度?，F(xiàn)場施工中可能存在第二種危險(xiǎn)工況，此極限工況出現(xiàn)在隔水管及防噴器安裝到井口上后，表層套管固井完成后技術(shù)套管下入并懸掛在井口等待固井的階段，此時(shí)固井水泥漿通過固井管柱到達(dá)井眼底部但尚未進(jìn)入表層套管和技術(shù)套管之間的環(huán)空。該工況下防噴器的部分或全部重量，導(dǎo)管、表層套管、表層套管與導(dǎo)管之間的水泥環(huán)及技術(shù)套管全部重量都要由導(dǎo)管和表層套管共同承擔(dān)，但筆者在多個(gè)工程案例試算中發(fā)現(xiàn)，表層套管只需下入較小的深度，即可滿足第二種極限工況的要求，而深水鉆井表層套管設(shè)計(jì)深度一般在500 m以上，故一般可以不用考慮。

2 實(shí)例計(jì)算

某深水區(qū)域的導(dǎo)管單位側(cè)阻力和管端阻力取樣數(shù)據(jù)如表1。

導(dǎo)管外徑914.4 mm，內(nèi)徑863.6 mm，線重7.8 kn/m，表層套管外徑508 mm，壁厚16.13 mm，表層套管長700 m，線重1.98 kn/m，固井管柱內(nèi)徑151.51 mm，線重0.44 kn/m，噴射鉆具組合線重3.6 kn/m，CADA工具重3.1 t，低壓井口頭13.1 t，高壓井口頭4.1 t，水泥漿密度1.6 g/cm3，水中浮力系數(shù)為0.85，鉆井液中浮力系數(shù)為0.78，F(xiàn)S1、FS2為1.0、1.3，土壤恢復(fù)系數(shù)為0.1，靜置時(shí)間2 d。

根據(jù)工況一中的公式試算得到：導(dǎo)管入泥長度為80 m時(shí)，導(dǎo)管總載荷為266160.6 kg，實(shí)時(shí)承載力為264749.8 kg，此時(shí)LOAD>Qt不滿足要求；導(dǎo)管入泥長度為81 m時(shí)，導(dǎo)管總載荷為266823.6 kg，實(shí)時(shí)承載力為270286.2 kg，導(dǎo)管的實(shí)時(shí)承載力正好超過其總載荷，故導(dǎo)管的最小入泥深度為81 m。

不同靜置時(shí)間條件下導(dǎo)管下入一定深度時(shí)的實(shí)時(shí)承載力曲線如圖2，可以看出靜置一段時(shí)間后導(dǎo)管的承載力隨土層深度的增加有較大幅度的增長，導(dǎo)管實(shí)時(shí)承載力的大小與靜置時(shí)間也有關(guān)，隨著靜置時(shí)間的增加，相同土層深度處的導(dǎo)管承載力增強(qiáng)，因此導(dǎo)管所需的下深也相應(yīng)的減小。

3 結(jié)語

（1）根據(jù)深水鉆井的特點(diǎn)，分析最危險(xiǎn)工況下的管柱承載能力發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)管入泥深度應(yīng)根據(jù)極限工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，現(xiàn)場施工中一般采用該極限工況。

（2）導(dǎo)管靜置一段時(shí)間后，受到擾動的土壤強(qiáng)度得到恢復(fù)，導(dǎo)管的實(shí)時(shí)承載力遠(yuǎn)大于其初始承載力，因此設(shè)計(jì)導(dǎo)管入泥深度時(shí)應(yīng)該考慮導(dǎo)管承載力隨靜置時(shí)間的變化。

（3）根據(jù)公式可以看出，導(dǎo)管的入泥深度主要由當(dāng)?shù)氐耐寥佬再|(zhì)、后續(xù)套管的設(shè)計(jì)深度、固井井口載荷以及導(dǎo)管的靜置時(shí)間決定，承載力增長系數(shù)對入泥深度也有很大的影響。

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