王志亮 韓雪瑩 李俊雄 郭良林 夏成宇 任向東

(1.長江大學(xué)機械工程學(xué)院 2.中石化勝利油田孤島采油廠生產(chǎn)管理部)

0 引 言

隨著海洋鉆井技術(shù)的逐步發(fā)展，海上油氣勘探開發(fā)已從淺水(300 m以下)向深水(1 500 m以上)邁進[1]。由于我國南海深水區(qū)的海床不穩(wěn)定，海床大多為松軟且未膠結(jié)地層，使得井口穩(wěn)定性面臨巨大挑戰(zhàn)[2]。表層導(dǎo)管(海上鉆井過程中安裝的第一層套管)作為維持井下安全的重要管柱[3-5]，其安全等候時間的長短直接影響著井口的穩(wěn)定性。由于疫情影響，石油價格持續(xù)走低[6-8]，但深水鉆井費用卻在急劇上升，為了縮短鉆完井時間，減少海上鉆探成本，急需對深海鉆井表層導(dǎo)管進行降本增效。

針對深海鉆井表層導(dǎo)管，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。在導(dǎo)管下入方法方面，噴射法[9-10]是我國南海深水鉆井的主要方法，適用于土層較軟的深水區(qū)，而錘入法[11]則適用于土質(zhì)更加松軟的深水區(qū)，鉆入法[12]作為最常規(guī)的方法，應(yīng)用于土層較硬的淺水區(qū)。在導(dǎo)管下入深度方面，許云錦[13]建立了深水鉆井表層導(dǎo)管的下入深度預(yù)測模型，得出了表層導(dǎo)管的最大下入深度。羅俊豐等[14]利用安全等候時間窗口設(shè)計模型，分析了表層導(dǎo)管下入深度與承載力的關(guān)系。在有限元仿真方面，楊仲涵等[15]通過對海底土的承載力與淺層破裂壓力進行計算，得到了鋼級為K55導(dǎo)管(直徑508 mm、厚度14.3 mm)的最佳入泥深度為50 m。王宴濱[16]利用有限元軟件分析了表層導(dǎo)管的橫向位移，得出導(dǎo)管的橫向位移受彎矩與導(dǎo)管頂部豎向力的影響較大。

雖然有關(guān)表層導(dǎo)管的研究較多，但關(guān)于提高導(dǎo)管承載力(目的是縮短安全等侯時間)的研究卻較少。為了提高鉆井效率，最大限度地減少生產(chǎn)成本，本文先對導(dǎo)管的材料進行了優(yōu)選，再分別對提高導(dǎo)管承載力與導(dǎo)管下入方法進行優(yōu)選，得出噴射法下新型膨脹導(dǎo)管(導(dǎo)管外層涂吸水橡膠)不但可以提高承載力，還可以縮短安全等侯時間，最后對導(dǎo)管進行受力分析，建立了新型膨脹導(dǎo)管與普通表層導(dǎo)管在一開后安全等候時間的數(shù)學(xué)模型，利用模型分析了導(dǎo)管密度和井口工具重力對承載力、安全等候時間及導(dǎo)管下放深度的影響。所得結(jié)論可為深水表層導(dǎo)管下放方法選擇提供指導(dǎo)。

1 不同材料導(dǎo)管優(yōu)選

鉆井工程中常用的導(dǎo)管材料主要有3類，分別為傳統(tǒng)鋼導(dǎo)管、鈦合金導(dǎo)管和鋁合金導(dǎo)管。雖然這3種導(dǎo)管都存在一定優(yōu)勢，當(dāng)考慮鉆井環(huán)境、經(jīng)濟成本和下放深度等因素時，則應(yīng)該對這3種材料的導(dǎo)管進行優(yōu)選。通過收集這3種導(dǎo)管的基本物理參數(shù)(見表1)，傳統(tǒng)鋼導(dǎo)管的抗彎強度、抗壓強度、剪切模量和彈性模量都要高于鈦合金與鋁合金導(dǎo)管，使得在深海鉆井中，傳統(tǒng)鋼導(dǎo)管可以有效提高井口穩(wěn)定性。

由于深海鉆井時下放的導(dǎo)管不能回收，所以其經(jīng)濟成本需要考慮，對比三者的平均價格可知，鈦合金導(dǎo)管與鋁合金導(dǎo)管的價格分別約為傳統(tǒng)鋼導(dǎo)管的10和3倍，使得鈦合金導(dǎo)管與鋁合金導(dǎo)管不能廣泛使用，故本文選用傳統(tǒng)鋼導(dǎo)管。傳統(tǒng)鋼導(dǎo)管的密度在三者中最大，再加上深海鉆井中導(dǎo)管與土層間的承載力還不足以平衡鋼導(dǎo)管與其他工具的總重力，使得傳統(tǒng)鋼導(dǎo)管相比其他導(dǎo)管在一開后的安全等侯時間更長，為了縮短安全等候時間(減少支出成本)，則有必要提出一種有效提高導(dǎo)管與土層間承載力的方法。

表1 不同導(dǎo)管的基本物理參數(shù)對比Table 1 Comparison of basic physical parameters of different conductors

2 提高導(dǎo)管與土層間承載力方法優(yōu)選

為了縮短安全等候時間，本文分析了3種提高導(dǎo)管與土層間承載力的方法，如表2所示，現(xiàn)對3種方法進行優(yōu)選。由表2可知：方法1是利用機械膨脹的方法，在導(dǎo)管重力一定的情況下，使導(dǎo)管與土層接觸的表面積增大，從而提高承載力；而方法2與方法3是在導(dǎo)管外層添加膨脹材料，讓材料在接觸海水后進行吸水膨脹，進而增大表面積，提高承載力。雖然方法1相比方法2與方法3既不增加導(dǎo)管的整體重力，還提高了導(dǎo)管與土層間的承載力，但目前應(yīng)用的波紋管直徑最大也只有244.5 mm，只能在小尺寸井眼中應(yīng)用，又考慮到機械膨脹的操作性比較復(fù)雜，故該方法不易廣泛使用。方法2與方法3都是利用表層材料吸水膨脹的方法，但膨脹材料的性質(zhì)卻有一定差異，聚氨酯類[10]為膏狀物質(zhì)，其噴出形狀與膠嘴形狀有關(guān)，當(dāng)貼附在導(dǎo)管外側(cè)時，聚氨酯類很難均勻分布且固化時間較長，而吸水橡膠的形狀卻可以定制，長期浸入水中不會解體，故本文選用方法2來提高導(dǎo)管與土層之間的承載力。

表2 提高承載力的方法Table 2 Methods to improve bearing capacity

3 導(dǎo)管下入方法優(yōu)選

在海洋鉆井中，導(dǎo)管下入方法大多采用的是鉆入法、噴射法和錘入法。雖然這三者在南海鉆井中都有應(yīng)用，但考慮到鉆井環(huán)境、操作性和經(jīng)濟性時，則應(yīng)該對安裝方法進行優(yōu)選。表3為導(dǎo)管下入方法性能對比表。

由表3可以看出，鉆入法適應(yīng)在水深為500 m以內(nèi)的淺海，而噴射法與錘入法則適應(yīng)于水深大于500 m的深海。由于鉆入法對土質(zhì)抗剪強度不敏感，可以應(yīng)用于大多數(shù)地層的土質(zhì)，而噴射法與錘入法卻不一樣，噴射法適用于較軟地層土質(zhì)，錘入法則適用于更加松軟的土質(zhì)。通過對3種方法的總費用進行對比，錘入法花費最少，而噴射法費用與其相差不大，由于在深海鉆井中，錘入法的操作性較為復(fù)雜，風(fēng)險性較大，故本文選用噴射法來進行導(dǎo)管下放。

表3 導(dǎo)管下入方法性能對比Table 3 Performance comparison of conductor run-in-hole methods

4 一開后安全等候時間模型建立

噴射法安裝表層導(dǎo)管是利用噴射鉆具組合的射流沖擊力來進行鉆進，當(dāng)導(dǎo)管下放到泥線以下的確定深度后，由于表層導(dǎo)管與工具的總重力需要導(dǎo)管與海底地層之間的側(cè)向摩檫力(承載力)來平衡，受土質(zhì)影響，側(cè)向摩擦力與時間存在一定的函數(shù)關(guān)系，所以需要靜置一定時間以提高側(cè)向摩擦力，從而防止表層導(dǎo)管下陷。通過上文對導(dǎo)管材料與提高承載力方法的優(yōu)選，提出了一種下放新型膨脹導(dǎo)管(表層導(dǎo)管外層加吸水橡膠)的方法，用來提高導(dǎo)管與土層間的承載力，縮短安全等候時間。當(dāng)新型膨脹導(dǎo)管隨噴射管柱下放到確定深度后，其狀態(tài)如圖1所示。

圖1 新型膨脹導(dǎo)管下放到規(guī)定深度時的受力分析Fig.1 Force analysis of new expansion conductor after setting in the designed depth

對新型膨脹導(dǎo)管豎直方向列力的平衡方程，于是有：

Fstl+Fd+Fc=k(Gbcdg+Gpsgz+Gpszt)+Gjk+Gsrgj+Gfcb+Gxsxj

(1)

式中：Fstl為張緊器給噴射管柱的上提力，kN；Fd為噴射鉆頭端部的承載力，kN；Fc為吸水橡膠與地層之間的摩擦力，kN；Gbcdg為表層導(dǎo)管的重力，kN；Gpsgz為噴射管柱的重力，kN；Gpszt為噴射鉆頭的重力，kN；k為安全系數(shù)，取值一般大于1.3；Gjk為水下井口的重力，kN；Gsrgj為送入工具的重力，kN；Gfcb為防塵板的重力，kN；Gxsxj為吸水橡膠的重力，kN。

新型膨脹導(dǎo)管靜置一段時間后，噴射管柱與送入工具脫開，由于會繼續(xù)鉆進，F(xiàn)d幾乎可以忽略，此時平衡方程為：

Fc=kGbcdg+Gjk+Gsrgj+Gfcb+Gxsxj

(2)

由于海底地層的土質(zhì)多為飽和軟黏土，結(jié)合國內(nèi)外研究成果[17]，則考慮時間效應(yīng)的飽和軟黏土的承載力函數(shù)為：

Fc=π(D1+2D2)L1P(alnt1+b)

(3)

式中：D1為表層導(dǎo)管外徑，m；D2為吸水橡膠膨脹后的厚度，m；L1為表層導(dǎo)管長度，m；P為土體不排水抗剪強度，kPa；t1為新型膨脹導(dǎo)管安全等候時間，h；a、b為承載力的時間效應(yīng)系數(shù)，根據(jù)中國南?，F(xiàn)場作業(yè)情況反饋，a值取0.042，b值取0.024。

Gbcdg=[(0.5D1)2-(0.5d1)2]πL1ρ1g

(4)

式中：d1為表層導(dǎo)管內(nèi)徑，m；ρ1為表層導(dǎo)管密度，kg/m3。

聯(lián)立式(2)～式(4)可得：

π(D1+2D2)L1P(alnt1+b)=Gsrgj+Gfcb+Gjk+Gxsxj+kπL1ρ1g[(0.5D1)2-(0.5d1)2]

(5)

因此一開后新型膨脹導(dǎo)管安全等候時間的數(shù)學(xué)模型為：

(6)

同理可得，一開后普通表層導(dǎo)管安全等候時間的數(shù)學(xué)模型為：

(7)

式中：t2為普通表層導(dǎo)管安全等候時間，h。

5 數(shù)值分析

以南海深水油井LH-A3井為例，由深圳勘探研究院提供的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，得到了普通表層導(dǎo)管的實際參數(shù)(密度為7 850 kg/m3，外徑914.4 mm，壁厚15.4 mm)，其中井口頭重力為11.12 kN，防塵板重力為23.13 kN，送入工具重力為41.37 kN，噴射管柱線重力為2.57 kN/m，噴射鉆頭及穩(wěn)定器重力為10 kN，海底淺層土力學(xué)參數(shù)如表4所示。通過對吸水橡膠[10]進行調(diào)研，其平均密度為2 440 kg/m3，未膨脹時厚度為10 mm，在圍壓為20 MPa時膨脹率約為240%。本文分析了兩種導(dǎo)管在改變導(dǎo)管密度和井口工具重力等因素時，其對承載力、安全等候時間和導(dǎo)管下放深度的影響。

5.1 導(dǎo)管密度對安全等候時間的影響

根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)反饋，導(dǎo)管密度直接影響一開后安全等候時間。本文利用新型膨脹導(dǎo)管與普通表層導(dǎo)管在一開后安全等候時間數(shù)學(xué)模型，分析了兩種

表4 LH-A3井海底淺層土力學(xué)參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of seabed shallow soil in Well LH-A3

導(dǎo)管在密度改變情況下承載力、安全等候時間及導(dǎo)管下放深度的變化規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。圖中2中實線表示承載力，虛線表示總重力。由圖2可知：隨著導(dǎo)管密度的增大，兩種導(dǎo)管的總重力也在增大，由于新型膨脹導(dǎo)管外層涂有吸水橡膠，使得其總重力比普通表層導(dǎo)管更大；在安全等候時間一定時，隨著導(dǎo)管下放深度的增加，兩種導(dǎo)管的承載力也在逐漸增大，但新型膨脹導(dǎo)管始終比普通表層導(dǎo)管具有更大的承載力。當(dāng)導(dǎo)管密度為7 850 kg/m3，安全等候時間為3 h時，普通表層導(dǎo)管的下放深度為82 m，而新型膨脹導(dǎo)管只需下放53 m，現(xiàn)以海洋981鉆井平臺為例，其平均每小時花費14萬元，若鉆井速度為15 m/h，則新型膨脹導(dǎo)管比普通表層導(dǎo)管節(jié)約2 h左右，大約減少28萬元的費用支出。

圖2 導(dǎo)管密度對安全等候時間的影響曲線Fig.2 Influence of conductor density on safe waiting time

5.2 井口工具重力對安全等候時間的影響

井口工具重力是影響井口穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)之一，直接影響一開后安全等候時間。利用新型膨脹導(dǎo)管與普通表層導(dǎo)管在一開后安全等候時間數(shù)學(xué)模型，分析了兩種導(dǎo)管在井口工具重力改變情況下承載力、安全等候時間及導(dǎo)管下放深度的變化規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。圖3中實線表示承載力，虛線表示總重力。由圖3可知：隨著井口工具重力的增大，兩種導(dǎo)管的總重力也在增大，由于新型膨脹導(dǎo)管外層涂有吸水橡膠，使得其總重力比普通表層導(dǎo)管要大；在安全等候時間一定時，隨著導(dǎo)管下放深度的增加，兩種導(dǎo)管的承載力也在逐漸增大，但新型膨脹導(dǎo)管始終比普通表層導(dǎo)管具有更大的承載力。當(dāng)井口工具重力為70 kN，安全等候時間為3 h時，普通表層導(dǎo)管的下放深度為80 m，而新型膨脹導(dǎo)管只需下放54 m，以海洋981鉆井平臺為例，其平均每小時花費14萬元，若鉆井速度為15 m/h，則新型膨脹導(dǎo)管比普通表層導(dǎo)管節(jié)約1.8 h左右，大約減少25萬元的費用支出。

圖3 井口工具重力對安全等候時間的影響曲線Fig.3 Influence of rig tool gravity on safe waiting time

5.3 導(dǎo)管內(nèi)徑對安全等候時間的影響

導(dǎo)管內(nèi)徑對安全等候時間有一定影響，利用新型膨脹導(dǎo)管與普通表層導(dǎo)管在一開后安全等候時間數(shù)學(xué)模型，分析了兩種導(dǎo)管在內(nèi)徑改變情況下承載力、安全等候時間及導(dǎo)管下放深度的變化規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。圖4中實線表示承載力，虛線表示總重力。

圖4 導(dǎo)管內(nèi)徑對安全等候時間的影響曲線Fig.4 Influence of conductor inner diameter on safe waiting time

由圖4可知：隨著導(dǎo)管內(nèi)徑的增大，兩種導(dǎo)管的總重力卻在減小，由于新型膨脹導(dǎo)管外層涂有吸水橡膠，使得其總重力比普通表層導(dǎo)管要大；在安全等候時間一定時，隨著導(dǎo)管下放深度的增加，兩種導(dǎo)管的承載力也在逐漸增大，但新型膨脹導(dǎo)管始終比普通表層導(dǎo)管具有更大的承載力。當(dāng)導(dǎo)管內(nèi)徑為885 mm，安全等候時間為2 h時，普通表層導(dǎo)管的下放深度為61 m，而新型膨脹導(dǎo)管只需下放36 m，以海洋981鉆井平臺為例，其平均每小時花費14萬元，若鉆井速度為15 m/h，則新型膨脹導(dǎo)管比普通表層導(dǎo)管節(jié)約1.7 h左右，大約減少24萬元的費用支出。

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)對導(dǎo)管材料的優(yōu)選，得出傳統(tǒng)鋼導(dǎo)管相比鋁合金導(dǎo)管與鈦合金導(dǎo)管具有價格低、密度大、抵抗變形能力強等特點。為了提高導(dǎo)管與土層間的承載力(減少一開后安全等候時間)，對3種提高導(dǎo)管承載力的方法進行優(yōu)選，得出在導(dǎo)管外層涂吸水橡膠既可以很好地防止導(dǎo)管腐蝕，還可以縮短一開后安全等候時間。最后對導(dǎo)管下入方法進行優(yōu)選，得出噴射法相比其他方法具有操作簡單、適應(yīng)性高及費用低等特點。

(2)通過對導(dǎo)管進行受力分析，建立了新型膨脹導(dǎo)管與普通表層導(dǎo)管在一開后安全等候時間的數(shù)學(xué)模型，利用該模型分析了兩種導(dǎo)管在改變導(dǎo)管密度和井口工具重力等因素時，其承載力、安全等候時間及導(dǎo)管下放深度的變化規(guī)律。結(jié)果得出，新型膨脹導(dǎo)管相比普通表層導(dǎo)管可以提供更大的承載力，在一開后安全等候時間一定的情況下，新型膨脹導(dǎo)管比普通表層導(dǎo)管平均少下放27 m，大約減少26萬元的費用支出。