深海钻井新型膨胀导管对等候时间的影响分析*

王志亮 韩雪莹 李俊雄 郭良林 夏成宇 任向东

(1.长江大学机械工程学院 2.中石化胜利油田孤岛采油厂生产管理部)

0 引 言

随着海洋钻井技术的逐步发展，海上油气勘探开发已从浅水(300 m以下)向深水(1 500 m以上)迈进[1]。由于我国南海深水区的海床不稳定，海床大多为松软且未胶结地层，使得井口稳定性面临巨大挑战[2]。表层导管(海上钻井过程中安装的第一层套管)作为维持井下安全的重要管柱[3-5]，其安全等候时间的长短直接影响着井口的稳定性。由于疫情影响，石油价格持续走低[6-8]，但深水钻井费用却在急剧上升，为了缩短钻完井时间，减少海上钻探成本，急需对深海钻井表层导管进行降本增效。

针对深海钻井表层导管，国内外学者做了大量研究。在导管下入方法方面，喷射法[9-10]是我国南海深水钻井的主要方法，适用于土层较软的深水区，而锤入法[11]则适用于土质更加松软的深水区，钻入法[12]作为最常规的方法，应用于土层较硬的浅水区。在导管下入深度方面，许云锦[13]建立了深水钻井表层导管的下入深度预测模型，得出了表层导管的最大下入深度。罗俊丰等[14]利用安全等候时间窗口设计模型，分析了表层导管下入深度与承载力的关系。在有限元仿真方面，杨仲涵等[15]通过对海底土的承载力与浅层破裂压力进行计算，得到了钢级为K55导管(直径508 mm、厚度14.3 mm)的最佳入泥深度为50 m。王宴滨[16]利用有限元软件分析了表层导管的横向位移，得出导管的横向位移受弯矩与导管顶部竖向力的影响较大。

虽然有关表层导管的研究较多，但关于提高导管承载力(目的是缩短安全等侯时间)的研究却较少。为了提高钻井效率，最大限度地减少生产成本，本文先对导管的材料进行了优选，再分别对提高导管承载力与导管下入方法进行优选，得出喷射法下新型膨胀导管(导管外层涂吸水橡胶)不但可以提高承载力，还可以缩短安全等侯时间，最后对导管进行受力分析，建立了新型膨胀导管与普通表层导管在一开后安全等候时间的数学模型，利用模型分析了导管密度和井口工具重力对承载力、安全等候时间及导管下放深度的影响。所得结论可为深水表层导管下放方法选择提供指导。

1 不同材料导管优选

钻井工程中常用的导管材料主要有3类，分别为传统钢导管、钛合金导管和铝合金导管。虽然这3种导管都存在一定优势，当考虑钻井环境、经济成本和下放深度等因素时，则应该对这3种材料的导管进行优选。通过收集这3种导管的基本物理参数(见表1)，传统钢导管的抗弯强度、抗压强度、剪切模量和弹性模量都要高于钛合金与铝合金导管，使得在深海钻井中，传统钢导管可以有效提高井口稳定性。

由于深海钻井时下放的导管不能回收，所以其经济成本需要考虑，对比三者的平均价格可知，钛合金导管与铝合金导管的价格分别约为传统钢导管的10和3倍，使得钛合金导管与铝合金导管不能广泛使用，故本文选用传统钢导管。传统钢导管的密度在三者中最大，再加上深海钻井中导管与土层间的承载力还不足以平衡钢导管与其他工具的总重力，使得传统钢导管相比其他导管在一开后的安全等侯时间更长，为了缩短安全等候时间(减少支出成本)，则有必要提出一种有效提高导管与土层间承载力的方法。

表1 不同导管的基本物理参数对比Table 1 Comparison of basic physical parameters of different conductors

2 提高导管与土层间承载力方法优选

为了缩短安全等候时间，本文分析了3种提高导管与土层间承载力的方法，如表2所示，现对3种方法进行优选。由表2可知：方法1是利用机械膨胀的方法，在导管重力一定的情况下，使导管与土层接触的表面积增大，从而提高承载力；而方法2与方法3是在导管外层添加膨胀材料，让材料在接触海水后进行吸水膨胀，进而增大表面积，提高承载力。虽然方法1相比方法2与方法3既不增加导管的整体重力，还提高了导管与土层间的承载力，但目前应用的波纹管直径最大也只有244.5 mm，只能在小尺寸井眼中应用，又考虑到机械膨胀的操作性比较复杂，故该方法不易广泛使用。方法2与方法3都是利用表层材料吸水膨胀的方法，但膨胀材料的性质却有一定差异，聚氨酯类[10]为膏状物质，其喷出形状与胶嘴形状有关，当贴附在导管外侧时，聚氨酯类很难均匀分布且固化时间较长，而吸水橡胶的形状却可以定制，长期浸入水中不会解体，故本文选用方法2来提高导管与土层之间的承载力。

表2 提高承载力的方法Table 2 Methods to improve bearing capacity

3 导管下入方法优选

在海洋钻井中，导管下入方法大多采用的是钻入法、喷射法和锤入法。虽然这三者在南海钻井中都有应用，但考虑到钻井环境、操作性和经济性时，则应该对安装方法进行优选。表3为导管下入方法性能对比表。

由表3可以看出，钻入法适应在水深为500 m以内的浅海，而喷射法与锤入法则适应于水深大于500 m的深海。由于钻入法对土质抗剪强度不敏感，可以应用于大多数地层的土质，而喷射法与锤入法却不一样，喷射法适用于较软地层土质，锤入法则适用于更加松软的土质。通过对3种方法的总费用进行对比，锤入法花费最少，而喷射法费用与其相差不大，由于在深海钻井中，锤入法的操作性较为复杂，风险性较大，故本文选用喷射法来进行导管下放。

表3 导管下入方法性能对比Table 3 Performance comparison of conductor run-in-hole methods

4 一开后安全等候时间模型建立

喷射法安装表层导管是利用喷射钻具组合的射流冲击力来进行钻进，当导管下放到泥线以下的确定深度后，由于表层导管与工具的总重力需要导管与海底地层之间的侧向摩檫力(承载力)来平衡，受土质影响，侧向摩擦力与时间存在一定的函数关系，所以需要静置一定时间以提高侧向摩擦力，从而防止表层导管下陷。通过上文对导管材料与提高承载力方法的优选，提出了一种下放新型膨胀导管(表层导管外层加吸水橡胶)的方法，用来提高导管与土层间的承载力，缩短安全等候时间。当新型膨胀导管随喷射管柱下放到确定深度后，其状态如图1所示。

图1 新型膨胀导管下放到规定深度时的受力分析Fig.1 Force analysis of new expansion conductor after setting in the designed depth

对新型膨胀导管竖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为张紧器给喷射管柱的上提力，kN；Fd为喷射钻头端部的承载力，kN；Fc为吸水橡胶与地层之间的摩擦力，kN；Gbcdg为表层导管的重力，kN；Gpsgz为喷射管柱的重力，kN；Gpszt为喷射钻头的重力，kN；k为安全系数，取值一般大于1.3；Gjk为水下井口的重力，kN；Gsrgj为送入工具的重力，kN；Gfcb为防尘板的重力，kN；Gxsxj为吸水橡胶的重力，kN。

新型膨胀导管静置一段时间后，喷射管柱与送入工具脱开，由于会继续钻进，Fd几乎可以忽略，此时平衡方程为：

Fc=kGbcdg+Gjk+Gsrgj+Gfcb+Gxsxj

(2)

由于海底地层的土质多为饱和软黏土，结合国内外研究成果[17]，则考虑时间效应的饱和软黏土的承载力函数为：

Fc=π(D1+2D2)L1P(alnt1+b)

(3)

式中：D1为表层导管外径，m；D2为吸水橡胶膨胀后的厚度，m；L1为表层导管长度，m；P为土体不排水抗剪强度，kPa；t1为新型膨胀导管安全等候时间，h；a、b为承载力的时间效应系数，根据中国南海现场作业情况反馈，a值取0.042，b值取0.024。

Gbcdg=[(0.5D1)2-(0.5d1)2]πL1ρ1g

(4)

式中：d1为表层导管内径，m；ρ1为表层导管密度，kg/m3。

联立式(2)～式(4)可得：

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

(5)

因此一开后新型膨胀导管安全等候时间的数学模型为：

(6)

同理可得，一开后普通表层导管安全等候时间的数学模型为：

(7)

式中：t2为普通表层导管安全等候时间，h。

5 数值分析

以南海深水油井LH-A3井为例，由深圳勘探研究院提供的现场数据，得到了普通表层导管的实际参数(密度为7 850 kg/m3，外径914.4 mm，壁厚15.4 mm)，其中井口头重力为11.12 kN，防尘板重力为23.13 kN，送入工具重力为41.37 kN，喷射管柱线重力为2.57 kN/m，喷射钻头及稳定器重力为10 kN，海底浅层土力学参数如表4所示。通过对吸水橡胶[10]进行调研，其平均密度为2 440 kg/m3，未膨胀时厚度为10 mm，在围压为20 MPa时膨胀率约为240%。本文分析了两种导管在改变导管密度和井口工具重力等因素时，其对承载力、安全等候时间和导管下放深度的影响。

5.1 导管密度对安全等候时间的影响

根据现场作业反馈，导管密度直接影响一开后安全等候时间。本文利用新型膨胀导管与普通表层导管在一开后安全等候时间数学模型，分析了两种

表4 LH-A3井海底浅层土力学参数Table 4 Mechanical parameters of seabed shallow soil in Well LH-A3

导管在密度改变情况下承载力、安全等候时间及导管下放深度的变化规律，结果如图2所示。图中2中实线表示承载力，虚线表示总重力。由图2可知：随着导管密度的增大，两种导管的总重力也在增大，由于新型膨胀导管外层涂有吸水橡胶，使得其总重力比普通表层导管更大；在安全等候时间一定时，随着导管下放深度的增加，两种导管的承载力也在逐渐增大，但新型膨胀导管始终比普通表层导管具有更大的承载力。当导管密度为7 850 kg/m3，安全等候时间为3 h时，普通表层导管的下放深度为82 m，而新型膨胀导管只需下放53 m，现以海洋981钻井平台为例，其平均每小时花费14万元，若钻井速度为15 m/h，则新型膨胀导管比普通表层导管节约2 h左右，大约减少28万元的费用支出。

图2 导管密度对安全等候时间的影响曲线Fig.2 Influence of conductor density on safe waiting time

5.2 井口工具重力对安全等候时间的影响

井口工具重力是影响井口稳定性的关键参数之一，直接影响一开后安全等候时间。利用新型膨胀导管与普通表层导管在一开后安全等候时间数学模型，分析了两种导管在井口工具重力改变情况下承载力、安全等候时间及导管下放深度的变化规律，结果如图3所示。图3中实线表示承载力，虚线表示总重力。由图3可知：随着井口工具重力的增大，两种导管的总重力也在增大，由于新型膨胀导管外层涂有吸水橡胶，使得其总重力比普通表层导管要大；在安全等候时间一定时，随着导管下放深度的增加，两种导管的承载力也在逐渐增大，但新型膨胀导管始终比普通表层导管具有更大的承载力。当井口工具重力为70 kN，安全等候时间为3 h时，普通表层导管的下放深度为80 m，而新型膨胀导管只需下放54 m，以海洋981钻井平台为例，其平均每小时花费14万元，若钻井速度为15 m/h，则新型膨胀导管比普通表层导管节约1.8 h左右，大约减少25万元的费用支出。

图3 井口工具重力对安全等候时间的影响曲线Fig.3 Influence of rig tool gravity on safe waiting time

5.3 导管内径对安全等候时间的影响

导管内径对安全等候时间有一定影响，利用新型膨胀导管与普通表层导管在一开后安全等候时间数学模型，分析了两种导管在内径改变情况下承载力、安全等候时间及导管下放深度的变化规律，结果如图4所示。图4中实线表示承载力，虚线表示总重力。

图4 导管内径对安全等候时间的影响曲线Fig.4 Influence of conductor inner diameter on safe waiting time

由图4可知：随着导管内径的增大，两种导管的总重力却在减小，由于新型膨胀导管外层涂有吸水橡胶，使得其总重力比普通表层导管要大；在安全等候时间一定时，随着导管下放深度的增加，两种导管的承载力也在逐渐增大，但新型膨胀导管始终比普通表层导管具有更大的承载力。当导管内径为885 mm，安全等候时间为2 h时，普通表层导管的下放深度为61 m，而新型膨胀导管只需下放36 m，以海洋981钻井平台为例，其平均每小时花费14万元，若钻井速度为15 m/h，则新型膨胀导管比普通表层导管节约1.7 h左右，大约减少24万元的费用支出。

6 结 论

(1)根据对导管材料的优选，得出传统钢导管相比铝合金导管与钛合金导管具有价格低、密度大、抵抗变形能力强等特点。为了提高导管与土层间的承载力(减少一开后安全等候时间)，对3种提高导管承载力的方法进行优选，得出在导管外层涂吸水橡胶既可以很好地防止导管腐蚀，还可以缩短一开后安全等候时间。最后对导管下入方法进行优选，得出喷射法相比其他方法具有操作简单、适应性高及费用低等特点。

(2)通过对导管进行受力分析，建立了新型膨胀导管与普通表层导管在一开后安全等候时间的数学模型，利用该模型分析了两种导管在改变导管密度和井口工具重力等因素时，其承载力、安全等候时间及导管下放深度的变化规律。结果得出，新型膨胀导管相比普通表层导管可以提供更大的承载力，在一开后安全等候时间一定的情况下，新型膨胀导管比普通表层导管平均少下放27 m，大约减少26万元的费用支出。