我国海上钻井隔水导管使用现状及发展趋势

袁光宇

(中国海洋石油总公司，北京 100010)

我国海上钻井隔水导管使用现状及发展趋势

袁光宇

(中国海洋石油总公司，北京 100010)

随着我国海洋石油快速发展，油气勘探开发的海域不断扩大，水深不断加深，海况条件越来越复杂，对钻井隔水导管性能和设计要求越来越高。系统研究分析了隔水导管的失效形式、导管接头类型与性能、设计原则。在目前现有隔水导管设计和使用技术现状的基础上，提出了提高钻井隔水导管设计和选型技术水平的研究思路，为保证海上钻井隔水导管使用安全和钻完井工作提供技术参考。 ------------------------------

钻井；隔水导管；导管接头；设计

1 钻井隔水导管主要施工方式

海上钻井隔水导管是从海上钻井平台下到海底浅层的套管，主要功能是隔离海水、形成钻井液循环通道，同时作为海上钻井井口的持力结构。在海上石油的勘探开发中，钻井隔水导管对于整个石油的勘探、开采起着重要的作用。

1)锤入法 对于海上浅水海域的开发井来说，通常采用锤入法进行钻井隔水导管施工。在进行ODP方案(Oilfield development project(program)，油田开发计划或方案)设计时一般需要提供钻井隔水导管入泥深度数据，而在钻井施工过程中需要提供锤击数和贯入度的数据。在现场钻井隔水导管锤入施工过程中，一般根据海底土资料和打桩设备情况进行贯入度计算。

2)钻入法 对于海上浅水海域的探井来说，一般采用钻入法下钻井隔水导管。即用钻头钻出井眼，下入导管并固井的方法，该方法适合大多数海底土地层。

3)喷射法 对于深水海域的钻井来说，一般采用喷射法下隔水导管。喷射方式下隔水导管，就是利用水射流和管串的重力，边喷射开孔边下导管，同时在喷射管柱中下入动力钻具组合以提高安全性和作业效率。喷射钻至预定深度后，静止管串，利用海底浅层土的粘附力和摩擦力稳固住导管，然后脱手送入工具并起出管内钻具，从而完成隔水导管的安装。喷射法下导管技术可在钻进的同时下导管，解决了深水表层钻孔后下导管不易找到井口的难题；同时，这种方法也无需固井，可避免因水泥浆密度过大而压破地层；采用喷射法下导管技术可以有效地节约钻井时间，从而很大程度上节约了钻井成本。

2 钻井隔水导管主要失效形式

隔水导管不仅受到比较大的轴向载荷的作用，还要受到横向周期性的风、浪、流载荷的作用，这些载荷对隔水导管强度和安全性都会产生比较大的影响［1-4］。隔水导管失效形式及原因分析见表1。

表1 隔水导管失效形式及原因分析

3 钻井隔水导管接头类型和特性

目前隔水导管接头的类型主要有3种：焊接方式、螺纹接头和卡簧接头。

1)焊接方式 焊接方式在隔水导管的连接中已不常用，主要有以下几点原因：①焊接方式相比各种接头的连接需要更多的作业时间；②海上现场焊接受环境影响较大，并不能全天候作业；③焊接会由于各种原因易造成焊接缺陷，良好的检查可以一定程度的避免，但若需返工则造成大量工时的浪费；且如果检查不到位，焊接缺陷会带来焊缝强度等力学性能的下降，从而可能发生焊缝开裂等重大安全事故［5-6］。

2)螺纹接头 螺纹接头在隔水导管的连接中使用较为频繁。螺纹接头可以分为2类：一类是API接头(包括圆螺纹和偏梯形螺纹)，即按照API标准生产和检验的接头；另一类是非API接头，也称为特殊螺纹接头。目前API接头已经不能满足现有的工程技术要求，国内外先进的套管生产厂开发并推广了一批特殊螺纹接头。目前特殊螺纹接头的专利大约有100多种，应用较多的国外螺纹接头厂商有DST、V&M和NKK等；国内也有了螺纹接头技术的显著进步，攀钢、宝鸡和天津钢管等都研发和生产了多种特殊螺纹接头［7-8］。螺纹接头的优点在于：①采用螺纹接头可以减小隔水导管的最大外径，更有利于打桩作业；②螺纹接头采用吊卡起吊，可以提高作业时效；③特殊螺纹接头具有较好的机械性能，有效地保障作业安全。由于其具有较好的抗疲劳性能，在南海水深较深、海况条件较差的地方应用较多。

3)卡簧接头 卡簧接头在渤海海域是隔水导管常用的连接方式。卡簧接头主要可以分为2类：一类是内收式卡簧结构，这类将卡簧安装在外接头的卡簧槽内，依靠卡簧的外张弹力，约束内接头，使其悬挂在外接头内；另一类是外卡簧式结构，这类工作原理与内收式卡簧结构相反。由于内收式卡簧结构在安装、拆卸方面更具优势，现在较多的卡簧接头采用内收式卡簧结构［9-10］。卡簧接头的主要优点在于能够有效的减少接管的作业时间。卡簧接头的抗疲劳性能相比螺纹接头稍差，但其具有良好的抗剪切能力，可以在冬季冰区作业时保证更好的性能，故更多的应用于渤海海域。

4 钻井隔水导管设计原则

对于钻井隔水导管的设计主要包括导管结构设计、入泥深度设计以及施工方式设计。隔水导管设计总的原则要满足钻完井作业和后期生产对结构尺寸的要求，满足海况重现期内的环境条件，满足安全、经济、方便施工的基本原则［11-12］。

表2 环境载荷海况重现期

1)导管结构设计原则 对于结构设计，需根据表2环境载荷海况重现期取值要求，以及《海上固定平台入级与建造规范》考虑一定的腐蚀裕量，按工况对导管强度、稳定性进行校核，确定隔水导管本体直径、壁厚、钢级、材质和接头类型。结构受力分析包括静力分析和动力分析，应以静力分析结果为设计依据。满足下列情况之一时，应进行动力分析，并对疲劳应力进行校核：①隔水导管的固有频率接近于设计海域内波浪频率；②冲击载荷频率接近于隔水导管的固有频率；③受到冰载作用。

2)入泥深度设计原则 根据土壤力学参数、结构设计结果及浅部地层破裂压力，确定隔水导管最小入泥深度。对锤入法应进行单桩锤入过程模拟及群桩可锤入性分析。当井口中心距大于或等于3倍隔水导管直径且端部进入良好持力土层时，锤入法下隔水导管应按单桩设计；小于3倍应按群桩设计。隔水导管端部持力层，应选择中等密实或密实砂层、硬粘土层、碎石类土层或风化岩层等土层。

3)施工方式设计原则 若采用锤入法则应同时满足下列要求：①土体不排水抗剪强度小于120kPa；②隔水导管不发生弯曲失稳时能够承受的最大轴向载荷大于锤击过程中产生的动载。对于地质条件复杂、岩面起伏较大或地下障碍物较多时宜采用钻入法。

5 钻井隔水导管使用情况

目前隔水导管常用的外径规格一般为914、762、610及508mm，壁厚一般为38.1、25.4及15.9mm。在渤海湾由于冬季存在冰区，一般导管尺寸和壁厚都相对较大，基本上都是762×25.4mm以上规格；在南海等海域，一般导管规格为610×25.4mm的居多，具体的根据环境条件的不同会有变化。

6 结论与建议

1)开发新型的隔水导管组合方式。例如采用钻井隔水导管与表层套管通过变截面组合方式，在泥线以下一定深度以下部分采用钻井设计的表层套管，上部分采用满足结构要求的隔水导管，通过变截面接头连接。该方式可以有效提高作业效率，减少作业成本。

2)对于特殊作业海域，采用更适合该地区的隔水导管。例如渤海湾冰区较严重地区，可采用海油总公司研发的新型抗冰隔水导管组合结构。

3)通过对隔水导管分析过程的优化，在保证安全的前提下采用更合理的隔水导管尺寸、壁厚以及钢级，进一步降低作业成本。

［1］杨进,彭苏萍,周建良,等.海上钻井隔水导管最小入泥深度研究［J］.石油钻采工艺,2002,24(2):1-3.

［2］李中,杨进,曹式敬,等.深海水域钻井隔水管力学特性分析［J］.石油钻采工艺,2007,29(1):19-21.

［3］翟慧颖,杨进,周建良.隔水导管与土壤胶结强度试验分析研究［J］.石油钻采工艺,2008,30(2):36-41.

［4］Tani K,Craig W H.Bearing capacity of circular foundations on soft clay of strength increasing with depth［J］.Soils and Foundations,1995,35(4):21-35.

［5］肖文功.海洋平台焊接接头缺陷分析［J］.石油化工设备技术,2004,25(1):60-61.

［6］李东霞,贾宝春.焊接接头TIG熔修的疲劳强度及低温性能研究［J］.机械强度,2005,27(1):126-129.

［7］朴龙华,张毅.我国特殊螺纹接头油套管生产使用现状及需要注意的几个问题［J］.钢管,2006,35(4):45-48.

［8］高连新.石油套管特殊螺纹接头的结构与性能研究［D］.上海：上海交通大学,2005.

［9］杨鸿波,段异生. 海上钻井隔水导管新型快速接头设计［J］.中国科技博览,2009,32: 347.

［10］谭淑英.隔水套管快速接头的开发研制［J］.天津科技,2010,37(5):24-25.

［11］杨进.海上钻井隔水导管下入深度理论与控制技术［M］.北京：石油工业出版社,2009：86-122.

［12］SY/T 10030-2004,海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法-工作应用设计法［S］.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.034

2012-04-24

袁光宇(1959-)，男，1982年大学毕业，硕士，高级工程师，现主要从事钻完井工程方面的研究工作。

TE52

A

1673-1409(2012)07-N102-02

［编辑］ 洪云飞