海洋钻井隔水导管关键技术研究及标准化

2020-01-09谢仁军刘书杰仝刚吴怡徐国贤

石油工业技术监督 2019年12期

谢仁军，刘书杰，仝刚，吴怡，徐国贤

中海油研究总院有限责任公司（北京 100028）

海上钻井隔水导管是第一层承受井口负荷的套管，在海上钻井中发挥着重要作用。由于目前ISO或API 缺乏具体标准，特别是在设定深度的计算模型中，导致发生了许多事故，例如井口不稳定和结构变形，设置太浅或太深，导致成本损失甚至安全隐患。10多年来，中国海油在钻井隔水导管入泥深度预测和控制方面做了大量工作。由中国海油牵头完成的ISO 18647—2017模块钻机标准已于2017年8月正式发布。为了进一步提升我国海洋石油工业在各领域技术方面的话语权，原TC67/SC4/WG8模块钻机工作组于2017 年10 月在IOGP（国际油气生产者协会）及ISO/TC67 年会上提出了“海上钻井隔水导管入泥深度设计及作业导则”国际标准新提案，标准提案于2018 年4 月27 日正式进入IOGP 立项投票程序。根据ISO/TC67 领导委员会决议，新提案拟由TC67/SC4/WG8 工作组开展工作，2018 年6 月正式通过IOGP 立项，目前正在IOGP 和SC4/WG8组织下开展标准的起草工作。

1 新标准提案的背景及意义

海洋钻井隔水导管（Conductor）是海上油气井的重要组成部分，是第一层入泥的套管，其具有3个重要的功能（隔离海水、提供钻井液循环通道、支撑井口的持力结构），一般有3种施工方法（锤入法、钻入法、喷射法），最关键的环节是下入深度的预测及合理控制[1-2]。如果下入深度太浅，会由于承载力不足而导致井口不稳定或井口下沉，从而造成严重的事故和经济损失，这种事故在全球范围内时有发生，比如西非海域的F2井井口下沉事件，损失达300万美元；相反，如果下入深度过深，就会造成浪费，或者由于群桩效应造成的拒锤问题导致隔水导管结构变形，在渤海湾的某油田就曾发生过这样的事故，造成了1 200万美元的经济损失。

海洋钻井隔水导管入泥深度和稳定性控制是国际公认的海洋钻井首要技术难题。中国海油在这方面历经10余年的研究和工程实践，突破了多项重大关键技术。

1）隔水导管入泥深度及控制的原理方法。揭示了海洋钻井条件下隔水导管与海底土相互作用机理，创建了综合海洋环境、钻井动载等多因素导管与土相互作用的本构关系、群桩效应计算模型，研发了隔水导管下入深度及控制的原理方法和模拟3 000 m 水深的试验装置，为突破隔水导管关键技术奠定了理论基础。

2）不同下入工艺的隔水导管入泥深度设计方法。通过系统室内实验和现场大型模拟试验，揭示了导管作为“循环通道”、“持力结构”两大功能的动态力学特性，研发了锤入、钻入及喷射法下隔水导管入泥深度设计方法，创建了喷射下导管钻井参数设计图版，研发了应用软件，为工业化应用提供了设计基础。

3）隔水导管海上施工监测方法及控制技术。揭示了隔水导管贯入度与打桩锤性能参数，土质特性内在影响规律，研发了隔水导管下入施工实时监测方法和控制技术，研制了打桩防斜、扶正等关键控制工具，保证了隔水导管施工质量，实现了海上作业的安全高效。

4）高强度、高效率隔水导管关键产品。研发了承载能力提高40%、可抵御我国海域百年一遇冰载的抗冰隔水导管组合结构，研制了连接效率提高2倍以上的新型快速接头，突破了恶劣海况下常规隔水导管抗冰技术难题，保障了油气生产安全，大大提高了作业效率。该套技术于2014 年获得了国家技术发明二等奖。

基于技术的研发与应用经验，中国海油于2011年发布了有关海洋钻井隔水导管的企业标准，截至2018年底，这部标准在中国、西非、印度尼西亚等多个海域的58个油田、2 500多口井成功推广应用，取得了非常好的效果，节约成本数千万美元。

虽然目前API 有两个与隔水导管相关的标准，但其直接涉及到隔水导管的内容非常少，缺乏入泥深度计算模型及作业的相关要求等。因此，《海上钻井隔水导管入泥深度设计及作业导则》标准旨在建立一套合适的入泥深度设计和作业指导规范，以避免海洋钻井由于钻井隔水导管下入深度问题所导致的安全事故，从而达到节省费用的目的。同时该标准的制定也可以填补国际标准在该隔水导管技术领域的空白。未来该标准如能如期成功发布，将成为我国海洋石油工业领域在纯算法技术领域的一次重大跨越，提升我国在该领域的话语权和技术影响力。

2 新标准的主要内容

该标准旨在规范海洋钻井隔水导管入泥深度的设计和作业要求，包括3 种不同的下入方式及其选择原则：锤入法、钻入法和喷射法，强度和稳定性分析，入泥深度计算和作业要求。主要内容包括：①提供3 种施工方法选择标准，以处理如何选择不同海上油气田的隔水导管下入；②提供强度和稳定性分析方法，以及确定隔水导管的直径、壁厚、钢级等需要考虑的因素；③提供入泥深度预测模型以确定合理的深度，该模型考虑了钻井隔水导管作为循环通道和承载结构2 种功能以及群桩效应；④提供施工作业监控和控制要求，确保操作安全；⑤提供一些信息附录。

3 新标准核心技术内容

3.1 海上钻井隔水导管功能及施工方式

3.1.1 主要功能及其特征

隔水导管主要有两个功能（图1），一个是作为浅层钻井的钻井液循环通道；另一个是作为井口及后续套管的支撑持力结构。隔水导管的入泥深度设计需要同时考虑这两个功能。

图1 钻井隔水导管两个功能示意图

隔水导管安装到位后，表层钻进过程中，隔水导管与钻柱形成的环形空间可使得钻井液从该环空上返至井口或泥线处，而不至于压漏隔水导管鞋处的地层。

对于干式井口，隔水导管作为井口持力结构，主要用于支撑地面防喷器重量、表层套管重量及后续套管的部分重量，同时承受风、海浪、波流及海冰等横向荷载；对于水下湿式井口，隔水导管作为井口持力结构，主要用于支撑水下防喷器、表层套管重量、后续套管的部分重量，并承受隔水管传递的弯矩荷载及海流作用的横向荷载。

3.1.2 施工方式优选

大多数情况下，隔水导管有3种施工作业方式，分别是：锤入施工、钻入施工和喷射施工。根据油气田开发模式、地区作业经验、水深、海底土质状况、经济性等因素确定具体施工作业方式。

1）锤入施工。隔水导管的可锤入性校核，取决于海底土特性、导管规格、桩锤规格、井槽间距等。适宜于锤入法下入隔水导管的情况：①采用固定式导管架平台开发的干式井口；②水深一般小于100 m，锤击过程中产生的动载应小于导管能够承受的极限失稳轴向荷载；③土体不排水，抗剪强度不易过大，具体可根据可锤入性分析得到。采用锤入施工的隔水导管一般应由固定式导管架平台提供导向孔和横向支撑。

2）钻入施工。在不考虑作业效率的情况下，钻入法几乎适应于所有隔水导管下入施工，尤其适宜于：①地质条件复杂、岩面起伏较大或地下障碍物较多；②采用半潜式钻井平台预钻井再回接的开发井和浅水海域的探井。

3）喷射施工。喷射法下隔水导管一般用于深水钻井，主要适宜于：①深水海域的探井和开发井；②土体不排水，抗剪强度不宜过高而导致喷射无法下入。

3.2 海上钻井隔水导管下入深度计算模型

隔水导管下入深度应同时满足2个主要功能的要求承载，最小下入深度取二者计算结果的较大值[3]。①作为钻井液循环通道，其最小入泥深度处的地层破裂压力应大于钻井液循环当量密度，不发生井漏为限制条件；②作为井口持力结构，隔水导管入泥深度应满足轴向力学平衡，即隔水导管的侧向摩擦力应大于隔水导管自重及其承受的轴向荷载之和。

3.2.1 依据循环通道功能最小下入深度计算方法

钻井隔水导管要作为泥浆循环的通道，其最小入泥深度hmin：

式中：Pf为导管管鞋处土体的破裂压力，Pa；Pl为环空压耗，Pa；g 为重力加速度，m/s2；dmud为下个井段钻井流体密度，kg/m3；L为泥线以上导管的长度，m。

海底浅层一般是固结较差的土壤，其破裂模式与岩石破裂差别较大，其主要受固结理论控制，一般破坏形式为土体的剪切破坏，即当钻井液循环压力大于土体的抗剪切强度时，地层发生破坏[4]。因此，隔水导管鞋处的土体破裂压力：

式中：τmax为土体最大抗剪切强度，Pa。

3.2.2 依据井口持力结构功能最小下入深度

1）采用锤入法、钻入法施工的隔水导管，作为干式井口持力结构时，最小入泥深度按照以下步骤计算。

①确定隔水导管上端部所受荷载Ntop：

式中：Ntop导管顶部所有荷载之和，kN；Wwellhead施加在隔水导管上的井口荷载（包括防喷器（BOP）、采油树等重量），kN；Wsur表套固井时施加在隔水导管上的井口荷载，kN；Wsqu后续套管固井井口荷载，kN；α 为施加在隔水导管上的坐挂重量分配系数，按照导管与套管横截面刚度比确定。

②确定隔水导管自重Wcond：

式中：Wcond为导管本体重量，kN；w 为导管单位长度的重量，kN/m；Hmin为持力结构功能下的最小下入深度，m。

③确定隔水导管入泥部分土体极限侧向承载力Qf：

式中：Qf为导管侧面极限摩擦阻力，kN；De为隔水导管与土体接触部分的有效直径，钻入法施工包括水泥环厚度，m；n 为导管入土范围内海底土的层数；fi为第i 层土体单位面积侧面摩擦阻力，kPa；hi为第i 层土体中长度，m，其中

④确定隔水导管端部极限承载力Qu：

式中：Qu为导管端部持力层极限承载能力，kN；Di为隔水导管内径，m；qu为隔水导管端部所在土层单位面积极限阻力，kPa。

⑤确定隔水导管最小入泥深度：

式中，S 为土体侧向极限承载力安全系数，一般取1.5。

2）采用喷射法施工的隔水导管，作为水下湿式井口持力结构时，最小入泥深度按以下步骤计算。

①确定隔水导管的初始承载力Q0：

Q0=WOBlast=R∙(Wcond-b+WLPWH+WDC+WCADA+WMud_Mat)（10）式中：Q0为初始承载力，kN；WOBlast为最终喷射到位的测量钻压，kN；R 为钻压的可利用率(取值范围0.8~1.0)，建议取0.8；Wcond-b为隔水导管浮重，kN；WLPWH为低压井口头浮重，kN；WDC为喷射钻具浮重，kN ；WCADA为CADA（Cam Actuated Drilling Assembly）工具浮重，kN；WMud_Mat为防沉板浮重，kN。

②确定隔水导管的实时承载力Qt：

式中：Qsetup为土壤恢复力，kN；Δ αt为土壤强度恢复因子，无量纲，Δ αt=k∙[2+lg( t )]，其中k 为承载力恢复系数，取0.055，t 为导管静置时间，d；DC为隔水导管直径，m；H 为试算过程中的隔水导管的下入深度，m；Suave为土体抗剪强度，kPa。

③确定隔水导管的极限侧向承载力Qf：

④确定隔水导管端部极限承载力Qu：

⑤确定表层套管固井井口荷载：

式中：Wlanded为表套固井井口荷载，kN；W1为表层套管浮重，kN；W2为固井管柱浮重，kN；W3为表套与固井管柱环空流体重量，kN。

⑥确定隔水导管承受的轴向荷载Nload：

式中：Nload为导管顶端部轴向荷载，kN；FS1、FS2为荷载扩大系数，FS1取1.0，FS2建议值取1.3；WWH为井口浮重，kN。

⑦确定隔水导管最小入泥深度：

式中，Hmin为隔水导管最小入泥深度，m。

隔水导管入泥深度合理性校核，应包括喷射受阻校核、防止隔水导管下沉校核。

3.3 隔水导管极限承载力研究

重点对采用锤入法、钻入法两种施工方式进行研究。

3.3.1 锤入法下隔水导管侧向摩擦力

1）黏性土单位面积侧向摩擦力。对于黏性土的管桩，沿桩长上任一点的桩侧摩阻力：

式中：fi-c为黏性土体侧面摩擦阻力，kPa；Su为土体不排水抗剪强度，kPa；β 为黏着系数，无量纲，由下式确定：

式中，P0为计算点处的有效上覆压力，kPa。

2）粒状土单位面积侧向摩擦力。对于粒状土，沿隔水导管侧面任一点的单位面积侧向摩擦力：

式中：fi-s为非黏性土体单位面积侧向摩擦阻力，kPa；K 土压力作用系数，无量纲，取值为0.8；δ桩土间有效摩擦角，（°）。

3.3.2 钻入法下隔水导管侧向摩擦力试验研究

采用钻入施工方法下入隔水导管，首先采用海水作为循环流体进行钻进，钻至预定深度后下入隔水导管并进行固井，隔水导管的承载力与水泥环及其外部的地层直接相关。该标准在制定以前，曾开展过大量的试验研究，以探索导管与水泥环以及地层见的相互作用规律。

基于调整优化固井水泥浆配方达到控制水泥浆固结时间的目的。水泥浆固结时间分别设定为48 h、36 h和24 h，以分别测量水泥固结过程中水泥与钢管桩之间摩擦力的变化情况。试验采用的力学模型以及海边模拟试验过程如图2、图3所示。

图2 钻入法下隔水导管侧向摩擦力试验模型

图3 钻入法下隔水导管侧向摩擦力试验

基于大量的试验模拟研究，导管侧面与水泥环之间的黏结强度主要体现在侧面摩擦阻力的变化上。根据以往相关研究，其固结强度的变化主要表现在48 h以内的时间，之后水泥环与外部地层之间的相互作用转变为主要矛盾。48 h 以内，导管侧面与水泥环之间的摩擦阻力增加明显；之后其导管-水泥环间的黏结力基本稳定，变化趋缓。因此导管侧面与水泥环之间的黏结力，可基于48 h之内的拔导管阻力数据进行分析处理。

通过对比多组试验结果，取得了导管侧面与水泥环黏结强度随固结侯凝时间的变化规律。考虑到水泥环与钢管桩黏结强度的变化趋势具有相似性，均可用y=aln(t)+b 进行回归，其中y 为导管侧面与水泥环的摩擦力，MPa；t为水泥浆固结时间，h；a、b为常数。

根据所开展的3 组典型试验结果，可推导出不同固结时间工况下水泥环与导管侧面的黏结强度变化规律趋势。推导得出单桩和群桩情况下，导管侧面与与水泥环摩擦阻力随固结时间变化趋势如图4所示。

图4 导管侧面与水泥环之间摩擦阻力力随时间变化关系

当固结作用时间在t 范围以内时，导管侧面与水泥环之间的摩擦阻力随着时间的变化规律为：

当固结作用时间超过t 范围时，导管侧面与水泥环之间的摩擦阻力随着时间的变化规律为：

式中：τ 为导管侧面与水泥环之间的单位面积摩擦阻力，MPa；t 为导管侧面与水泥环之间的固结作用时间，h。

3.4 隔水导管施工作业技术要求

3.4.1 锤入法施工

采用锤入施工法下入隔水导管时，固定式平台导管架上设置的导向孔应与隔水导管尺寸相匹配，导向孔直径一般应比隔水导管直径大50.8 mm（2 in）；扶正块的安装位置及数量应以隔水导管强度、稳定性计算结果为依据。当井口中心距小于3倍隔水导管直径时，应考虑群桩效应，优化锤入施工顺序[4]。

在贯入度控制方面，应根据不同型号打桩锤的推荐意见确定拒锤点标准。在无推荐意见时，一般规定：①当隔水导管重量不超过4 倍桩锤重量时的拒锤标准为：在连续1.5 m入泥范围内，每0.3 m不超过300 击，或入泥0.3 m 其锤击数超过800 锤；在锤入过程中如有超过1 h 的停歇且恢复锤入后，贯入深度小于0.3 m，该标准不能适用。②当隔水导管超过4 倍桩锤重量时，拒锤点时的锤击数应按比例增加。③隔水导管未到设计深度出现拒锤时，宜采用钻具钻出导管鞋以下约3 m，再恢复锤入作业，直到设计深度[5]。

3.4.2 钻入法施工

采用钻入法下隔水导管、钻头直径的选择应满足隔水导管下入要求及固井质量控制要求，一般情况下钻头与隔水导管尺寸配合关系为：914.4 mm钻头与762.0 mm隔水导管；660.4 mm钻头与508.0 mm隔水导管。

一般情况下，隔水导管钻入法施工技术要求是：①隔水导管内的泥线悬挂器支撑环应位于泥线以下2~3 m；遥控接头或泥线上方的第一个导管接头应位于泥线以上2 m左右；②下入导管过程中，当管鞋进入裸眼时，应观察钻台上的悬重变化情况；③最后一根导管的下部接头应避开套管头的安装位置。

侯凝时间应根据水泥浆化验结果和现场水泥浆样品凝固情况确定，应保证在下一开井眼钻井过程中隔水导管能够满足井口荷载的要求。

3.4.3 喷射法施工

一般情况下，隔水导管喷射法施工所采用的钻头与隔水导管的配合关系是：①钻头与隔水导管尺寸配合应考虑导管侧向摩擦力、喷射下入速度、喷射后静止时间等因素，一般的配合关系为660.4 mm钻头与914.4 mm隔水导管；②应根据地层的软硬情况确定钻头伸出导管鞋长度，一般为101.6 ~152.4 mm，且应保证钻头保径上台阶不出导管鞋。

喷射导管钻具组合一般为：钻头+马达+浮阀接头+随钻测井/测量+随钻测斜+扶正器+短无磁钻铤+短钻铤+钻铤+转换接头+钻铤+隔离接头+机械液压组合震击器+送入工具。

一般情况下，隔水导管喷射法施工作业参数可采用以下原则确定：①钻压选择的下限为泥线以下隔水导管浮重的80%，上限为隔水导管与钻具组合浮重的100%；②排量的选择应满足喷射液体从隔水导管和钻具组合的环形空间上返，并从送入工具的出口溢出的要求；③隔水导管喷射下到位后的等候时间，应根据入泥深度设计时采用的海底土性质及导管静止时间关系式确定。

在安装质量要求方面，隔水导管安装完成后其顶端低压井口头的水平度应小于1.0°。

3.5 现场应用效果

标准中所给出的钻井隔水导管下入深度预测和施工控制技术已在国内外海域近60 个油气田2 300 多口井中成功应用，作业精度从70%以下提高到90%以上，取得了显著的经济效益。该预测方法的研究改变了以往靠地区作业经验的做法，在保证作业本质安全的同时，实现了合理下深的目标。表1为该技术部分应用案例结果，在中国南海、渤海等4海域以及海外印尼、西非等区块应用效果显著。