北部湾盆地大尺寸隔水导管开窗再利用技术

2021-12-29刘贤玉赵宝祥杨仲涵艾常明

钻采工艺 2021年5期

管申，刘贤玉，赵宝祥,郭浩，杨仲涵，艾常明，王腾

1中海石油(中国)有限公司海南分公司 2中海石油(中国)有限公司湛江分公司 3中海油能源发展股份有限公司工程技术湛江分公司 4中国石油大学(华东)

0 引言

南海北部湾地区地质条件复杂，前期部分隔水导管因工程打桩出现问题，桩管鞋发生变形，导致部分井槽在常规钻井工艺下无法利用。如涠西南地区就有多个平台出现隔水导管严重变形问题，长期处于闲置报废状态，井槽资源严重浪费，影响开发成本。而针对严重变形的隔水导管，若能进行半路开窗，绕开隔水导管损伤处，进行隔水导管开窗侧钻，则能大幅度提高井槽的利用率[1-2]。

对大尺寸隔水导管开窗作业风险较高，一方面，隔水导管开窗后可能因为浅部地层未能提供足够的承载力而发生井口下沉等风险；另一方面，北部湾盆地海况恶劣，隔水导管开窗后将造成隔水导管轴向抗压、抗弯强度显著下降，可能会导致隔水导管无法满足抗风浪能力。本文针对W油田X井槽报废问题，从桩土承载力、隔水导管横向稳定性、窗口强度等方面论证了隔水导管开窗可行性，为海上大尺寸隔水导管开窗侧钻工艺实施提供技术保障[3-6]。

1 隔水导管纵向力学分析

由于隔水导管横截面积过小，故而海底土对其底部的支持力可以忽略不计，因此钻井隔水导管的纵向受力主要由隔水导管上部井口载荷、自重、侧壁摩擦力等三部分组成。另一方面，插入至海底土中的隔水导管，由于其底部端面未与海水直接接触，故而并不受到海水的浮力作用，因此隔水导管自重按照在空气中的重量进行考虑[7-10]。

对于钻井隔水导管来说，可以作为一个不带桩靴的钻井船桩腿对待。在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：

Q=Qf+Qp=f·As+qu·Ap

(1)

式中：Qf—隔水导管侧壁摩阻力，kN；Qp—隔水导管端阻力，kN；As—隔水导管侧壁表面积，m2；Ap—隔水导管底部截面积，m2；f—隔水导管侧壁单位摩擦力，kN/m2；qu—隔水导管底部单位极限阻力，kN/m2。

W油田X井Ø609.6 mm隔水导管所用材料为X52钢材，杨氏模量取210 GPa，泊松比取0.3，最小屈服强度358 MPa，密度7.85 g/cm3；隔水导管入泥深度55 m。隔水导管开窗前，桩土整体承载力为2 020 kN，允许最大井口载荷为1 680 kN;在泥线以下30 m处开窗后，桩土对隔水导管承载力为1 710 kN，最大允许井口载荷为1 370 kN。隔水导管开窗后，导管与土的有效接触面积减少，从而造成开窗后导管承载力降低。

图1为不同开窗点深度下临界井口载荷，可以看出随着开窗点深度的增加，隔水导管桩土承载力降低，允许井口载荷变小。如在泥线10 m处开窗，井口允许载荷为1 610 kN；泥线15 m处开窗，井口允许载荷为1 550 kN；泥线20 m处开窗，井口允许载荷为1 500 kN。

图1 基于桩土承载力分析不同开窗点深度下允许井口载荷

2 隔水导管开窗口强度分析

2.1 隔水导管开窗口强度分析模型

由于开窗口结构本身复杂，为了便于理论分析，需对实际结构作必要的简化。根据求解问题的对称性，为减少计算单元，取缺陷管柱模型的二分之一建立三维有限元模型。为消除边界效应，取计算模型长度为开窗口长度的3倍。单元采用三维20节点六面体等参单元，该单元计算精度较高。为避免过大的应力集中，在窗口及附近区域划分较细密网格，同时为提高模型运行速度，在远离窗口处划分较稀疏网格，划分网格后的窗口整体分析模型见图2。

图2 隔水导管窗口有限元分析模型

2.2 隔水导管开窗口处载荷分析

结合W油田井槽结构特点，对隔水导管进行受力分析。隔水导管横向上主要受到海风、海浪及海流三者的作用；纵向上主要受井口载荷作用，如现场防喷器组以及各层套管悬挂重量。在海平面以上6.5 m、水面以下11 m处有导向孔对隔水导管提供横向扶正约束。考虑W油田开发周期20年，通过有限元力学分析，得到百年一遇海况下Ø609.6 mm×25.4 mm隔水导管弯矩分布如图3所示，可以看出，泥线以下最大弯矩92 kN·m，出现在泥线以下4 m附近；超过泥线15 m后，导管弯矩较小；超过泥线下30 m后，导管几乎不存在弯矩，可以忽略。

图3 百年一遇海况下Ø609.6 mm隔水导管弯矩图

另外,由于隔水导管的偏斜，会导致在导管开窗口产生附加弯矩。考滤泥线以下导管偏斜1°情况下，当井口载荷1 500 kN时，偏斜引起的附加弯矩为134 kN·m，井口载荷500 kN时，偏斜引起的附加弯矩为44 kN·m。

2.3 基于窗口强度下的隔水导管承载力分析

图4为Ø609.6 mm×25.4 mm隔水导管开窗处应力图，可以看出导管开窗后，在开窗口处出现了较大的应力集中，离窗口较远区域应力较小，说明导管开窗后主要影响开窗口附近的应力分布。导管仅承受弯矩载荷时，抗弯强度为1 460 kN·m，开窗后其抗弯强度降低至290 kN·m；导管仅承受轴向压力载荷时，轴向抗压强度为10 400 kN，开窗后其轴向抗压强度降低至1 587 kN。可见隔水管开窗后造成了其抗弯与轴向抗压强度的大幅度降低。

图4 隔水导管开窗口处应力图

进一步分析了弯矩、轴向压力组合载荷下的强度，随着开窗口处弯矩的增大，允许的轴向力近似呈线性关系降低，拟合其关系式为：

F=-5.46M+1500.9

(2)

式中：F—隔水导管开窗后允许的轴向力，kN；M—隔水导管窗口处弯矩，kN·m。

百年一遇海况下，基于隔水导管窗口强度，对隔水导管不同开窗深度下最大允许井口载荷进行了分析，结果如图5所示，可以看出隔水导管开窗后将大幅度降低井口允许载荷，开窗点深度对井口允许载荷影响较大。不考虑桩管的偏斜效应时，Ø609.6 mm隔水导管泥线下4 m附近开窗，允许井口载荷最小为720 kN；泥线15 m处开窗，允许井口载荷为1 080 kN；泥线30 m处开窗，允许井口载荷为1 220 kN。

图5 基于窗口强度分析不同开窗点深度下临界井口载荷

开窗点越靠近泥线，井口允许载荷越小，开窗深度超过泥线20 m后，井口允许载荷变化不大。这是因为超过泥线20 m后，隔水导管弯矩较小。相比桩土承载力，隔水导管开窗处强度是决定井口允许载荷的主要因素。

桩管的下部偏斜，将增加窗口处的弯矩，从而降低井口允许载荷，如考虑桩管偏斜1°情况下，在泥线处附近开窗时，桩管偏斜可使井口允许载荷降低220 kN，开窗点深度超过20 m后，桩管偏斜对井口允许载荷的影响较小。

3 隔水导管开窗侧钻工艺

3.1 开窗工具

隔水导管开窗工具主要包括：锚定器与斜向器；双铣椎；平底磨鞋。

3.2 工艺应用

W油田X井因隔水导管发生严重变形，Ø444.5 mm钻头在隔水导管鞋以上20 m附近遇阻无法通过，在南海西部首次采用Ø609.6 mm隔水导管开窗侧钻作业方案。作业流程为：①下入锚定器与斜向器，在泥线附近坐挂；②组合下入铣锥工具，对隔水导管进行磨铣开窗作业；③组合下入修窗钻具进行修窗。

开窗前对X井隔水导管隔水管鞋吊测陀螺，泥线处隔水导管偏斜1.04°，在泥线以下22 m附近对隔水导管进行开窗侧钻作业。考虑隔水导管偏斜情况下，X井隔水导管开窗后允许的井口载荷为1 210 kN，而钻完井作业中最大井口载荷约为1 500 kN，为保证作业安全，下入Ø444.5 mm×12.7 mm无接箍X56钢级套管，固井水泥返至泥线，以提高井口允许载荷，井口允许载荷从1 210 kN提高至1 680 kN，满足作业要求。钻完作业安全顺利实施，报废井槽得以成功利用，相比新增外挂井槽方案，节约工程建设投资约2 000万元，经济效益显著。