深水鉆井噴射下導(dǎo)管水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

王 磊， 張 輝, 周宇陽(yáng), 柯 珂， 張進(jìn)雙， 彭 興

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249)

深水鉆井噴射下導(dǎo)管水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

王 磊1， 張 輝1, 周宇陽(yáng)2, 柯 珂1， 張進(jìn)雙1， 彭 興2

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249)

針對(duì)目前現(xiàn)有深水鉆井噴射下導(dǎo)管水力參數(shù)設(shè)計(jì)方法沒(méi)有較強(qiáng)理論支撐的問(wèn)題，以射流和巖土力學(xué)理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出了導(dǎo)管?chē)娚湎氯肱R界出口速度及臨界排量的計(jì)算公式，并據(jù)此提出了深水鉆井噴射下導(dǎo)管水力參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，給出了設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)步驟。分析了深水鉆井噴射下導(dǎo)管常用鉆頭與導(dǎo)管組合采用不同直徑噴嘴時(shí)的臨界排量，對(duì)于φ660.4 mm鉆頭和φ762.0 mm導(dǎo)管的組合，噴嘴當(dāng)量直徑為24.0 mm時(shí)，臨界排量為69.5 L/s；噴嘴當(dāng)量直徑為26.0～30.0 mm時(shí)，破土直徑最大為762.0 mm。在排量一定的情況下，噴嘴當(dāng)量直徑越小，能夠破碎地層的強(qiáng)度也越高。對(duì)西非深水JDZ區(qū)塊深水鉆井噴射下導(dǎo)管的水力參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用φ14.3 mm噴嘴時(shí)，設(shè)計(jì)排量與實(shí)鉆排量對(duì)比，誤差不超過(guò)10%，證明該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)結(jié)果合理，可用于深水鉆井噴射下導(dǎo)管水力參數(shù)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

深水鉆井 噴射下導(dǎo)管 水力參數(shù) 臨界排量 臨界速度 優(yōu)化設(shè)計(jì)

深水鉆井中，導(dǎo)管具有承載井口重量、維持井口穩(wěn)定及封隔淺部不穩(wěn)定地層的作用。噴射下導(dǎo)管作業(yè)是目前深水鉆井作業(yè)廣泛使用的一種作業(yè)方式，與淺水及陸地鉆井導(dǎo)管下入作業(yè)方式具有明顯的不同[1-2]。利用該技術(shù)能夠一趟鉆完成導(dǎo)管、表層套管井段的鉆進(jìn)與下導(dǎo)管兩項(xiàng)作業(yè)，縮短鉆井周期并降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。在噴射下導(dǎo)管作業(yè)過(guò)程中，射流對(duì)導(dǎo)管下部地層的沖擊破巖作用是導(dǎo)管克服阻力下入地層的主要作用力之一。因此，水眼尺寸、排量和射流速度等水力參數(shù)對(duì)導(dǎo)管下入速度以及導(dǎo)管下入后的承載力具有重要的影響。排量、流速過(guò)小，導(dǎo)致巖屑無(wú)法充分循環(huán)出井底、導(dǎo)管下入速度過(guò)慢，甚至無(wú)法下入。排量、流速過(guò)大，導(dǎo)致地層沖刷嚴(yán)重，導(dǎo)管承載力降低。此外，在不同類型的地層中，水力參數(shù)對(duì)導(dǎo)管下入作業(yè)的影響規(guī)律也有所不同[3-5]。國(guó)內(nèi)外的專家、學(xué)者對(duì)水力參數(shù)的確定均開(kāi)展了研究:T.J.Akers和T.G.Evans等人依據(jù)實(shí)際作業(yè)條件，總結(jié)出了噴射參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)確定方法，T.J.Akers依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)數(shù)據(jù)，歸納分析出噴射下導(dǎo)管作業(yè)參數(shù)的確定方法[6-8]；劉書(shū)杰等人通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，通過(guò)擬合大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了深水鉆井噴射下導(dǎo)管的水力參數(shù)計(jì)算公式[9-11]。整體而言，目前導(dǎo)管?chē)娚湎氯胨?shù)的確定主要以數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)分析為主，還沒(méi)有一種具有較強(qiáng)理論支撐的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。筆者在已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合射流基礎(chǔ)理論和噴射下導(dǎo)管作業(yè)的技術(shù)要求，分析了射流參數(shù)對(duì)噴射下導(dǎo)管作業(yè)的影響規(guī)律，提出了深水鉆井噴射下導(dǎo)管水力學(xué)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合西非JDZ區(qū)塊深水井進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算與分析，結(jié)果表明該方法的設(shè)計(jì)結(jié)果合理，對(duì)深水鉆井噴射下導(dǎo)管作業(yè)具有一定的指導(dǎo)作用。

1 噴射下導(dǎo)管臨界水力參數(shù)計(jì)算

1.1 噴射下導(dǎo)管射流破土臨界出口速度及排量

射流對(duì)土體的破壞作用取決于土體的臨界破壞強(qiáng)度以及噴嘴尺寸、排量、射流速度等射流參數(shù)。當(dāng)射流沖擊力過(guò)小時(shí)，射流在土體中的切割深度也較小，在噴射下導(dǎo)管作業(yè)過(guò)程中無(wú)法起到有效的輔助破巖作用，這種情況下，鉆頭鉆出的井眼直徑等于鉆頭直徑，導(dǎo)管內(nèi)其余部分的土體只能在導(dǎo)管壓力作用下進(jìn)行破壞，從而增大導(dǎo)管下入阻力；當(dāng)射流沖擊力較大時(shí)，射流在土體中的切割深度可以超過(guò)鉆頭直徑，對(duì)導(dǎo)管內(nèi)的部分土體起到直接破碎作用，有助于降低導(dǎo)管下入阻力、順利下入導(dǎo)管。當(dāng)水力噴射作用破碎地層的范圍恰好達(dá)到導(dǎo)管壁位置處時(shí)(如圖1所示)，其對(duì)應(yīng)的射流出口速度稱為射流破土的臨界出口速度，對(duì)應(yīng)的排量稱為臨界排量。根據(jù)淹沒(méi)水射流特性、土體在射流作用下的破壞條件以及鉆頭水眼的位置、傾角，對(duì)噴射下導(dǎo)管作業(yè)的臨界射流出口速度和臨界排量進(jìn)行計(jì)算[12]。

1.1.1 臨界射流出口速度

如圖1所示，在臨界射流出口速度一定的條件下，射流在土體中的最大切割深度為L(zhǎng)jo，稱之為射流臨界切割深度，其計(jì)算公式為：

(1)

式中：Ljo為射流臨界切割深度，m；ε為射流初始段長(zhǎng)度系數(shù)；dn為噴嘴直徑，m；vo為射流出口速度，m/s；Nc為土體在射流沖擊下的無(wú)因次承載力系數(shù)；Su為土體不排水抗剪強(qiáng)度，kPa;ρ為射流介質(zhì)的密度，kg/m3。

射流臨界切割深度由導(dǎo)管內(nèi)徑、噴嘴出口位置及傾角決定。

(2)

式中：dcon為導(dǎo)管內(nèi)徑，m；Ljc為噴嘴出口到鉆頭中心線的距離，m；α為噴嘴傾角，(°)。

將式(2)代入式(1)推導(dǎo)出臨界射流出口速度為：

(3)

從式(3)可以看出，噴射下導(dǎo)管作業(yè)的臨界射流出口速度由地層土體在射流作用下的臨界破壞強(qiáng)度、導(dǎo)管內(nèi)徑、噴嘴尺寸、噴嘴出口到鉆頭中心線的距離及噴嘴傾角所決定。

1.1.2 臨界排量

根據(jù)臨界射流出口速度和噴嘴直徑，即可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的臨界排量Q，其表達(dá)式為：

(4)

1.2 導(dǎo)管及鉆頭組合對(duì)臨界射流出口速度和臨界排量的影響

通過(guò)上述分析可知，鉆頭直徑越大，水眼距離導(dǎo)管壁越近，射流破壞土體的直徑也越大。表1和表2為噴射下導(dǎo)管常用導(dǎo)管和鉆頭的相關(guān)尺寸。

地層土體不排水抗剪強(qiáng)度取100 kPa，土體在射流作用下的臨界破壞強(qiáng)度系數(shù)為2.4，以清水為射流流體，利用式(3)和式(4)計(jì)算不同鉆頭與導(dǎo)管組合下，噴射下導(dǎo)管作業(yè)臨界射流出口速度及臨界排量與噴嘴直徑的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出：使用較大直徑的鉆頭及較小直徑的噴嘴進(jìn)行噴射下導(dǎo)管作業(yè)，能夠在較小排量下，獲得更好的水力破土能力，從而實(shí)現(xiàn)破土效果；采用φ660.4 mm鉆頭和φ762.0 mm導(dǎo)管組合，噴嘴直徑為24.0 mm時(shí)，臨界排量為69.5 L/s。

1.3 水力參數(shù)對(duì)射流擴(kuò)孔效果的影響

在噴射下導(dǎo)管作業(yè)過(guò)程中，由于受到鉆具組合中動(dòng)力鉆具及隨鉆測(cè)量?jī)x器的限制，排量往往無(wú)法達(dá)到水射流破土的臨界排量。深水鉆井所用井下動(dòng)力鉆具、隨鉆測(cè)量?jī)x器和隨鉆測(cè)井儀器的最大允許排量為75 L/s。

在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中所用排量小于射流破土臨界排量時(shí)，射流無(wú)法將井眼擴(kuò)至與導(dǎo)管相同的尺寸，但仍能夠達(dá)到一定的擴(kuò)孔效果。在鉆具組合最高允許排量(75 L/s)下，計(jì)算不同直徑鉆頭及不同當(dāng)量直徑噴嘴的井眼擴(kuò)孔尺寸，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，當(dāng)?shù)貙油馏w不排水抗剪切強(qiáng)度為100 kPa時(shí)，在鉆具組合允許的最大排量下，若使用噴嘴組合的當(dāng)量直徑超過(guò)30.0 mm，則φ508.0和φ660.4 mm鉆頭都無(wú)法達(dá)到水力擴(kuò)眼的效果。此外，從圖3還可以看出，在該地層條件及排量下，當(dāng)使用φ660.4 mm鉆頭和φ762.0 mm導(dǎo)管組合作業(yè)時(shí)，噴嘴當(dāng)量直徑為26.0～30.0 mm時(shí)，能夠達(dá)到較好的水力擴(kuò)眼效果；若噴嘴組合的當(dāng)量直徑小于26.0 mm，水力擴(kuò)眼范圍將超出導(dǎo)管外徑，造成過(guò)量擴(kuò)眼。

1.4 地層強(qiáng)度對(duì)臨界射流出口速度及臨界排量的影響

圖4為不同地層強(qiáng)度下，不同當(dāng)量直徑噴嘴的臨界射流出口速度和臨界排量。由圖4可知，在排量一定的情況下，噴嘴當(dāng)量直徑越小，能夠破碎地層的強(qiáng)度也越高。

2 噴射下導(dǎo)管水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2.1 水力參數(shù)設(shè)計(jì)原則[13]

1) 從水射流輔助破巖作用方面考慮，應(yīng)盡量提高水射流的破巖能力。增大排量或使用小當(dāng)量直徑噴嘴可提高射流速度和破巖能力。

2) 為避免水射流對(duì)導(dǎo)管壁附近土體擾動(dòng)過(guò)度，降低導(dǎo)管下入后的承載能力，作業(yè)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)控制水射流破巖擴(kuò)眼直徑小于導(dǎo)管內(nèi)徑，即排量不能超過(guò)射流破土的臨界排量。

3) 從鉆井液攜巖方面考慮，應(yīng)當(dāng)盡可能使用大排量，以提高鉆井液環(huán)空返速，增強(qiáng)攜巖能力。

4) 在選擇排量時(shí)，需要考慮鉆具組合中動(dòng)力鉆具、MWD等最大允許排量的限制。

5) 選擇噴嘴直徑時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮噴嘴直徑與鉆頭直徑相匹配。例如，噴射下導(dǎo)管作業(yè)常用的φ660.4 mm鉆頭，通常使用直徑14.3～25.4 mm的噴嘴。

2.2 水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

根據(jù)上述原則對(duì)噴射下導(dǎo)管水力參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，按照以下步驟進(jìn)行：

1) 列出水力參數(shù)設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)，包括導(dǎo)管的直徑和壁厚，鉆頭直徑、鉆頭水眼出口中心距離鉆頭中心線的距離和鉆頭水眼出口傾角，地層土體的不排水抗剪強(qiáng)度剖面。

2) 利用式(1)計(jì)算射流臨界切割深度Ljo，并計(jì)算不同直徑噴嘴組合下的臨界排量，并繪制臨界排量與地層不排水抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線。

3) 以鉆具的最大允許排量Qmax為標(biāo)準(zhǔn)，做平行于x軸的基準(zhǔn)線，稱為最大允許排量基準(zhǔn)線(如圖5所示)。最大允許排量基準(zhǔn)線與最小噴嘴排量曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的不排水抗剪切強(qiáng)度為Suo。

4) 以導(dǎo)管設(shè)計(jì)深度范圍內(nèi)的地層最大不排水抗剪強(qiáng)度Su max為標(biāo)準(zhǔn)，做平行于y軸的基準(zhǔn)線(如圖5所示)。

5) 當(dāng)Su max小于Suo時(shí)(如圖5中的Su max1)，在最大允許排量基準(zhǔn)線以下，Su max1與噴嘴1、噴嘴2及噴嘴3對(duì)應(yīng)的臨界排量曲線分別相交(如圖5所示)。說(shuō)明在最大允許排量范圍內(nèi)，使用這3種噴嘴均可達(dá)到臨界破巖效果，其對(duì)應(yīng)的臨界排量分別為Qa1,Qa2和Qa3，且Qa1

6) 考慮到環(huán)空攜巖能力的需要，應(yīng)使用盡可能大的排量，因此選噴嘴3。

7) 根據(jù)選取的最優(yōu)噴嘴尺寸以及地層的不排水抗剪強(qiáng)度剖面，計(jì)算臨界排量與地層深度的關(guān)系曲線，作為噴射下導(dǎo)管作業(yè)的排量指導(dǎo)曲線。

8) 當(dāng)Su max大于Suo時(shí)，在最大允許排量基準(zhǔn)線以下，Su max2與各噴嘴對(duì)應(yīng)的臨界排量曲線均無(wú)交點(diǎn)。說(shuō)明該地層強(qiáng)度條件下，在最大允許排量范圍內(nèi)，使用上述噴嘴都無(wú)法對(duì)導(dǎo)管內(nèi)的地層進(jìn)行完全破碎。

9) 為盡可能提高水射流破巖能力，應(yīng)當(dāng)選擇直徑最小的噴嘴，因此選噴嘴1。

10) 根據(jù)選取的最優(yōu)噴嘴及地層的不排水抗剪強(qiáng)度剖面，計(jì)算臨界排量與地層深度的關(guān)系曲線，作為噴射下導(dǎo)管作業(yè)的排量指導(dǎo)曲線。當(dāng)臨界排量大于最大允許排量時(shí)，作業(yè)排量應(yīng)為鉆具的最大允許排量。

3 實(shí)例計(jì)算分析

以西非深水JDZ區(qū)塊深水井為例，應(yīng)用筆者提出的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了噴射下導(dǎo)管水力參數(shù)實(shí)例計(jì)算與分析，并與實(shí)鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 基本數(shù)據(jù)

該區(qū)塊平均水深1 655.00 m，淺部地層強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表3。設(shè)計(jì)水力參數(shù)所用相關(guān)數(shù)據(jù)依次為鉆頭外徑660.4 mm；導(dǎo)管內(nèi)徑863.6 mm；噴嘴出口距鉆頭中心線距離200 mm；導(dǎo)管下入深度64 m；噴嘴出口距鉆頭下端距離280 mm；海水密度1 030 kg/m3；噴嘴傾角25°；射流沖擊下的地層承載力系數(shù)2.4。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)利用式(4)分析射流臨界排量與地層抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，結(jié)果如圖6所示。

噴射下導(dǎo)管鉆具組合最大允許排量為75 L/s，Suo=56 kPa。根據(jù)前述水力參數(shù)設(shè)計(jì)所用數(shù)據(jù)計(jì)算得到導(dǎo)管設(shè)計(jì)下入深度(64.00 m)內(nèi)的地層抗剪強(qiáng)度剖面(見(jiàn)圖7)。由圖7可知，在導(dǎo)管設(shè)計(jì)下入深度內(nèi)地層最大抗剪強(qiáng)度Su max=160 kPa，即Su max>Suo。根據(jù)筆者提出的方法，建議選取φ14.3 mm噴嘴。結(jié)合地層的抗剪強(qiáng)度剖面及最大允許排量，計(jì)算得到噴射下導(dǎo)管作業(yè)設(shè)計(jì)排量隨地層深度的變化曲線，如圖8所示。

圖8為4口已鉆井噴射下導(dǎo)管實(shí)際排量曲線和設(shè)計(jì)排量曲線。從圖8可看出，利用筆者提出的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的噴射下導(dǎo)管排量與實(shí)際作業(yè)排量相比，誤差不超過(guò)10%,證明設(shè)計(jì)結(jié)果合理。

4 結(jié) 論

1) 當(dāng)水力參數(shù)達(dá)到理論計(jì)算的射流破土臨界水力參數(shù)時(shí)，井眼擴(kuò)孔直徑剛好等于導(dǎo)管外徑，此時(shí)在不影響導(dǎo)管?chē)娚湎氯胭|(zhì)量的前提下，可以提高導(dǎo)管下入速度，以降低作業(yè)成本。

2) 綜合考慮射流破土效果隨噴嘴直徑、排量等參數(shù)的變化規(guī)律，提出了噴射下導(dǎo)管水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則、方法和流程。與現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法相比，新方法綜合考慮了噴嘴直徑、排量對(duì)射流能量的影響，即在滿足攜巖和井下工具要求前提下，優(yōu)選噴嘴直徑，使射流能量滿足破土要求，保證導(dǎo)管順利下入。

3) 噴射下導(dǎo)管水力參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與淺部地層強(qiáng)度緊密相關(guān)，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)不同深度地層的強(qiáng)度分段進(jìn)行水力參數(shù)設(shè)計(jì)，而不是整個(gè)導(dǎo)管井段采用相同的水力參數(shù)。

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[編輯 劉文臣]

Optimal Design of Hydraulic Parameters for Conductor
Jetting in Deepwater Drilling

Wang Lei1, Zhang Hui1, Zhou Yuyang2, Ke Ke1, Zhang Jinshuang1, Peng Xing2

(1.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing,100101,China;2.CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing,102249,China)

Considering that there is no strong theory support to the design of hydraulic parameters in conductor jetting in deep water drilling,the calculation formulas of critical jet outlet velocity and flow rate in jetting were derived based on the water jetting theory and rock mechanics,by which an optimal design methods,criteria and procedures were presented,and investigated.The combination patterns of different bits and conductors used in jetting,showing that the critical jet flow rate was 69.5 L/s for the combination ofφ660.4 mm bit andφ762.0 mm conductor,with 24.0 mm equivalent nozzle diameter,and the maximum breaking diameter was 762.0 mm when the nozzle diameter was 26.0-30.0 mm.Given constant jet flow rate,the smaller the equivalent nozzle diameter,the greater the breaking strength is.Taking the design of hydraulic parameters in deep water jetting drilling in JDZ Block,West Africa,as example,the error between designed and actual jet flow rates was less than 10% ifφ14.3 mm nozzle was used.It proved that this optimal design method was reasonable and it could be effectively used in design of hydraulic parameters in deepwater conductor jetting operations.

deepwater drilling;conductor jetting;hydraulic parameters;critical jet flow rate;critical jet velocity;optimal design

2014-07-18；改回日期：2014-11-20。

王磊(1983—)，男，遼寧錦州人，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋工程專業(yè)，2011年獲中國(guó)石油大學(xué)(北京)巖土工程專業(yè)碩士學(xué)位，工程師，主要從事深水鉆完井技術(shù)、巖石力學(xué)和地?zé)崮茉撮_(kāi)發(fā)成井技術(shù)研究。

中國(guó)石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“瓊東南深水鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號(hào)：P13010)部分研究?jī)?nèi)容。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201502004

TE245

A

1001-0890(2015)02-0019-06

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