南海西部乌石海域ø508 mm隔水导管简易井口稳定性研究

2021-07-29朱志潜刘贤玉郑浩鹏弓世卿王养锋

石油矿场机械 2021年4期

朱志潜，刘贤玉，陈力，郑浩鹏，弓世卿，王养锋

(1.中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东湛江 524057；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术湛江分公司，广东湛江 524057)

浅层海底土泥质松软，承压能力较低，若隔水导管入泥深度过浅，浅部地层无法提供足够的承载力而发生井口下沉等情况，可能因隔水导管未能有效封隔浅部松软地层而导致表层钻进时发生井漏、失返等复杂情况，甚至被迫提前下套管固井。若隔水导管入泥深度过深，则会增加作业时间，造成不必要的投资浪费。另外，南海西部海况恶劣，为保证现场作业安全，简易井口下隔水导管需要考虑百年一遇极端海况[1-10]。

南海西部乌石海域常规探井通常采用自升式钻井平台进行钻井作业，为保证井口稳定性，普遍采用ø762 mm×25.4 mm大尺寸隔水导管，然而大尺寸隔水导管下入施工难度较大，作业成本较高。若能降低隔水导管尺寸，如采用ø508 mm×25.4 mm套管作为隔水导管，将能大幅降低表层钻井作业难度，节省管材成本。由于ø508 mm套管可与ø339.7 mm技术套管复合连接并一起下入，从而减少1个套管层次，大幅节省钻井周期与作业成本。本文针对乌石海域探井简易水上井口，从隔水导管桩土承载力、海底土浅层破裂压力、极端风浪流载荷下隔水导管强度等方面，系统分析采用ø508 mm×25.4 mm较小尺寸隔水导管时的井口稳定性，论证方案可行性。

1 井口稳定性分析方法

1.1 隔水导管桩土承载力

采用钻入法，在ø660.4 mm井眼中下入ø508 mm×25.4 mm隔水管后进行固井，水泥返高至泥线，隔水管承载力主要取决于：①隔水管与水泥之间的胶结强度(第1胶结面)；②水泥与地层土之间胶结强度(第2胶结面)。

水泥环与地层的摩擦力可以取为浅层土的摩擦力。水泥环与隔水导管之间胶结面摩擦力大小可采用式(1)计算[10-11]。

f=0.018 1lnt-0.027 7

(1)

式中：f为水泥环与隔水导管之间的单位面积摩擦力，MPa；t为水泥环与套管之间的作用时间，h。

若隔水导管与水泥环之间的胶结强度大于水泥环与地层土胶结面强度，在分析隔水导管水泥环与地层轴向承载力时，可以将隔水导管与环空水泥作为一个整体大桩靴进行桩土承载力分析，根据API规范中可用单桩轴向极限承载力经验公式，来进行极限承载力计算，隔水导管轴向极限承载力计算公式为：

Q=f·As+qu·Ap

(2)

式中：Q为水泥环外侧壁摩阻力， N；As为水泥环外侧壁表面积，mm2；Ap为隔水导管与水泥环底部截面积，mm2；qu为隔水导管与水泥环底部单位极限阻力，MPa。

1.2 海底土浅层破裂压力

当海底浅部地层所受载荷大于地层最大抗剪强度时，地层发生破坏，导致地层破裂，引起钻井液漏失，所以地层的破裂压力取值应为最大的地层抗剪强度，即[12]：

pf=τ

(3)

式中：pf为地层的破裂压力，MPa；τ为海底土的抗剪强度，MPa。

1.3 风浪流载荷下隔水导管强度分析模型

乌石海域W区块水深22 m，百年一遇极端海况下最大波高8.9 m，波浪有效周期5.2 s，表层海流速度1.53 m/s，风速29 m/s，海水密度取1.025 t/ m3。表1为乌石海域W区块海底土地质资料，根据海底土p-y特性，采用弹簧约束模型模拟海底土对隔水导管的横向约束承载，在水面以上简易井口处，对隔水导管施加横向简支约束，在隔水导管顶部施加轴向载荷1 000 kN，隔水导管井口力学模型如图1所示[13-14]。隔水管横向上主要受到海风、海浪及海流共同作用力，风浪流按同一作用方向考虑。波浪载荷根据司托克斯五阶波理论进行计算，直径为D的孤立隔水导管，直立地固定于水深为h的波浪中，海浪及海流对隔水导管作用力如图2所示。在桩柱的任一高程z处取一微分段dz，作用在该段上的波力可以表示为[3-4]：

图1 隔水导管力学分析模型

图2 海浪及海流对隔水导管作用力

表1 乌石海域W区块海底土资料

(4)

海流的作用力可以与波浪力同时计算，只需将海流速度叠加到波浪力公式中的水平速度上即可，这是最恶劣的工况。作用在孤立桩柱上的波浪力的大小及为正或为负，取决于波浪的相角。

风对整个隔水导管上的总作用力则为基本风压、构件迎风面积A及气流作用力系数C的乘积，即

(5)

2 隔水导管井口稳定性分析

2.1 隔水导管桩土承载力

隔水导管线质量为0.302 t/m，泥线以上隔水管质量约18 t。基于乌石W区块地质资料，在隔水导管环空水泥返至泥线、固井质量良好的情况下，分析了隔水导管第1胶结面承载力、第2胶结面承载力，结果如图3～4所示。从图3可以看出，ø508 mm×25.4 mm隔水导管入泥32 m时，水泥环与隔水管胶结面承载力可满足井口载荷1 000 kN要求。从图4可以看出，隔水导管入泥42 m时，水泥环与地层胶结面强度可以满足井口承载1 000 kN要求。因此，在乌石W区块，隔水导管与水泥环之间的胶结强度大于水泥环与地层土胶结面强度，在分析隔水导管轴向承载力时，可以将隔水导管与环空水泥作为1个整体大桩靴进行桩土承载力分析。

图3 隔水导管第1胶结面承载力

图4 隔水导管第2胶结面承载力

综合考虑第2胶结面强度大于第1胶结面强度，ø508 mm×25.4 mm隔水导管最小入泥深度为45 m，能满足井口承载1 000 kN要求。

2.2 浅层破裂压力

结合井场土质资料，求得该区域的海底浅层破裂压力值。设置一开井段水力学计算模型参数：钻井液密度1.10 g/cm3，塑性黏度8.0 mPa·s，屈服值4 Pa，钻井液泵入排量4 000 L/min。通过水力学分析，求取一开钻进时的环空钻井液密度当量ECD，并与浅层破裂压力进行对比。从图5可以看出，隔水导管入泥为41 m时，管鞋处承压能力大于钻进ECD，满足安全钻进要求。隔水管下深超过41 m后，已封住该易漏失层，隔水管入泥至密实的粉土和细砂层，漏失风险降低。

图5 海底土浅层破裂压力与环空ECD

2.3 隔水导管风浪流载荷下隔水导管强度

隔水导管所用材料为K55钢，弹性模量取210 GPa，泊松比取0.3，质量密度取7.85 t/m3，屈服强度379 MPa。

当井口载荷1 000 kN时，ø508 mm×25.4 mm隔水管在百年一遇海况载荷下应力、位移、弯矩分别如图6～8所示。最大应力249 MPa，强度安全系数为1.52。根据Q/HS 14009—2011海上开发井隔水导管设计和作业规范，百年一遇海况下强度最小安全系数1.25[15]，因此ø 508 mm×25.4 mm隔水管满足百年一遇海况强度要求。在水面及泥线下2 m附近出现最大应力与弯矩。隔水管最大位移0.68 m，出现在水面以下2 m处。泥线以下10 m后，隔水管弯矩和应力较小，对隔水管强度影响较小。

图6 百年一遇海况下隔水导管应力分析界面

图7 百年一遇海况下隔水导管位移分析界面

图8 百年一遇海况下隔水导管弯矩分析界面

3 现场应用

乌石W区块X井，使用ø444.5 mm钻头+ ø660.4 mm扩眼器进行一开双眼钻进目的深度后，下入ø508 mm和ø339.7 mm复合套管，其中ø508 mm入泥65 m兼做隔水导管，下部ø339.7 mm套管为技术套管，井身结构如图9所示。现场作业中未见井漏、井口失返、井口下沉等复杂情况，在台风海况下保持了井口稳定性，钻井作业安全顺利完成。相比前期探井单独采用ø762 mm大尺寸隔水导管方案，减少了1个套管层次，节省工期约1 d，降低了隔水管材料费用与作业费用。