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    深水噴射擾動(dòng)對(duì)表層導(dǎo)管承載力的影響規(guī)律*

    2016-06-09 08:58:49周建良劉書(shū)杰劉正禮楊建剛
    中國(guó)海上油氣 2016年1期
    關(guān)鍵詞:承載力

    周 波 楊 進(jìn) 周建良 劉書(shū)杰 劉正禮 楊建剛

    (1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249; 2. 中海油研究總院 北京 100028;

    深水噴射擾動(dòng)對(duì)表層導(dǎo)管承載力的影響規(guī)律*

    周 波1楊 進(jìn)1周建良2劉書(shū)杰2劉正禮3楊建剛1

    (1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249; 2. 中海油研究總院 北京 100028;

    3. 中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067)

    深水油氣井表層導(dǎo)管下沉是深水噴射鉆井作業(yè)面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)之一,噴射擾動(dòng)對(duì)海底土承載力影響是導(dǎo)致表層導(dǎo)管下沉的主要原因。為保證建井及生產(chǎn)期間水下井口穩(wěn)定,建立了考慮時(shí)間效應(yīng)的表層導(dǎo)管承載力計(jì)算模型,并基于表層導(dǎo)管結(jié)構(gòu)特征和噴射法安裝表層導(dǎo)管技術(shù)特點(diǎn),對(duì)表層導(dǎo)管承載力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明噴射施工參數(shù)對(duì)表層導(dǎo)管與海底土側(cè)向摩擦力恢復(fù)影響明顯:表層導(dǎo)管承載力隨靜置時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng),表層導(dǎo)管噴射下入到位初期為摩擦力快速恢復(fù)期,隨著時(shí)間增長(zhǎng),承載力增長(zhǎng)速度減?。槐韺訉?dǎo)管側(cè)向摩擦力隨著噴射排量、鉆頭伸出量的增大而急劇減?。汇@頭噴嘴完全伸出導(dǎo)管外部后,鉆頭伸出量對(duì)表層導(dǎo)管承載力影響減小。在深水表層導(dǎo)管設(shè)計(jì)與施工過(guò)程,充分考慮噴射施工參數(shù)及靜置時(shí)間對(duì)表層導(dǎo)管承載力的影響,設(shè)計(jì)合理入泥深度,對(duì)于保證表層導(dǎo)管穩(wěn)定具有重要意義。

    深水油氣井;表層導(dǎo)管;承載力;噴射參數(shù);入泥深度

    表層導(dǎo)管是深水鉆井安裝的第1層管柱,上部支撐防噴器(鉆井階段)和水下采油樹(shù)(生產(chǎn)階段)以及下部懸掛各層套管串,是重要的持力結(jié)構(gòu)和循環(huán)系統(tǒng)。在海洋環(huán)境和作業(yè)工況影響下,表層導(dǎo)管受力狀態(tài)十分復(fù)雜,在墨西哥灣、西非、南海等深水鉆井過(guò)程中曾出現(xiàn)多起表層導(dǎo)管下沉現(xiàn)象,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。由于深水海底淺層以未成巖粘土為主,土質(zhì)疏松,海底溫度低,淺層固井質(zhì)量難以保證,因此深水鉆井主要采用噴射法安裝表層導(dǎo)管,即表層導(dǎo)管隨噴射鉆具同時(shí)下入地層,安裝到位后無(wú)需固井作業(yè),依靠周圍海底土回填和密實(shí)提供的承載力而保持穩(wěn)定[2-3]。目前,表層導(dǎo)管承載力設(shè)計(jì)無(wú)相關(guān)規(guī)范,其設(shè)計(jì)主要借鑒淺水API樁基算法,但由于樁基算法不涉及水力噴射擾動(dòng)對(duì)樁基承載力的影響,導(dǎo)致表層導(dǎo)管承載力預(yù)測(cè)值與實(shí)際相差較大,無(wú)法滿足作業(yè)的需求。筆者在文獻(xiàn)[4]的工作基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析了噴射過(guò)程排量、鉆頭伸出量對(duì)周圍土體承載力影響規(guī)律,建立了考慮施工參數(shù)影響的導(dǎo)管承載力計(jì)算模型,并以某深水井表層導(dǎo)管下沉為例,對(duì)其表層導(dǎo)管承載力進(jìn)行了校核。

    1 基于時(shí)間效應(yīng)的表層導(dǎo)管承載力模型

    表層導(dǎo)管噴射到位后,依靠周圍海底土回填和密實(shí)提供的承載力而保持穩(wěn)定?;跇锻料嗷プ饔美碚摚梢缘玫奖韺訉?dǎo)管的極限承載力計(jì)算模型為

    (1)

    式(1)中:Qu為表層導(dǎo)管極限承載力,N;L為表層導(dǎo)管入泥深度,m;do為表層導(dǎo)管外徑,m;Su為海底原狀土體不排水抗剪強(qiáng)度,等于表層導(dǎo)管與土接觸面單位面積摩擦力,Pa;qu為表層導(dǎo)管下端部單位面積極限阻力,N/m2;A為表層導(dǎo)管下端部截面積,m2。

    在噴射法安裝表層導(dǎo)管過(guò)程中,表層導(dǎo)管周圍土體在水射流作用下發(fā)生剪切破壞,同時(shí)遇水飽和發(fā)生側(cè)阻軟化現(xiàn)象,導(dǎo)致表層導(dǎo)管承載力急劇降低[5-7]。考慮噴射擾動(dòng)影響,引入表層導(dǎo)管承載力降低系數(shù),則表層導(dǎo)管噴射到位后承載力計(jì)算模型為

    Qut=KQu

    (2)

    式(2)中:Qut為表層導(dǎo)管實(shí)時(shí)承載力,N;K為表層導(dǎo)管承載力降低系數(shù),無(wú)因次。

    在噴射施工過(guò)程,表層導(dǎo)管實(shí)時(shí)承載力受噴射參數(shù)影響明顯。根據(jù)動(dòng)量定理,水射流對(duì)土體作用力與噴射排量呈正比關(guān)系,即排量增加,水射流對(duì)土體作用力增加,表層導(dǎo)管承載力降低。排量對(duì)表層導(dǎo)管承載力影響因子可表示為

    (3)

    式(3)中:V0為最小噴射破土及攜巖排量,m3/min;V為表層導(dǎo)管下入過(guò)程平均排量,m3/min;t為表層導(dǎo)管靜置時(shí)間,h。

    基于水射流理論[8],水射流對(duì)土體作用力與噴嘴射程呈反比關(guān)系,即鉆頭伸出量增加,噴嘴射程減小,水射流對(duì)土體作用力增加,表層導(dǎo)管承載力降低。鉆頭伸出量對(duì)表層導(dǎo)管承載力影響因子可表示為

    (4)

    式(4)中:di為表層導(dǎo)管內(nèi)徑,m;l為噴射安裝表層導(dǎo)管過(guò)程鉆頭伸出量,m;θ為水射流擴(kuò)散角,(°)。

    綜合考慮靜置時(shí)間、噴射排量和鉆頭伸出量因素,表層導(dǎo)管噴射承載力降低系數(shù)可表示為

    (5)

    考慮到表層導(dǎo)管下端部截面積相對(duì)于側(cè)面積來(lái)說(shuō)是一極小量,因此quA可以忽略。由式(2)、(5)綜合可得表層導(dǎo)管實(shí)時(shí)承載力計(jì)算模型為

    (6)

    2 表層導(dǎo)管承載力影響因素實(shí)驗(yàn)分析

    為了驗(yàn)證表層導(dǎo)管承載力計(jì)算模型,分析承載力影響因素,開(kāi)展了噴射法安裝表層導(dǎo)管模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地:天津渤海塘沽地區(qū)中心漁港內(nèi);場(chǎng)地尺寸:50 m×50 m;土質(zhì)選擇:海底原狀土;場(chǎng)地水深:2.5 m;模擬實(shí)驗(yàn)采用φ339.7 mm導(dǎo)管模擬表層導(dǎo)管。根據(jù)導(dǎo)管尺寸,按比例研制了一套表層導(dǎo)管送入工具及噴射管柱,實(shí)驗(yàn)中關(guān)鍵設(shè)備參數(shù):噴嘴出口半徑18.67 mm,噴嘴當(dāng)量直徑64.67 mm,鉆井液密度1.03 g/cm3。

    表層導(dǎo)管豎向承載力由表層導(dǎo)管側(cè)壁和端部阻力組成,由于導(dǎo)管下端部開(kāi)口且端部截面積小,通常忽略導(dǎo)管端部地層阻力的影響,因此,表層導(dǎo)管承載力可以近似等于表層導(dǎo)管側(cè)向摩擦力。表層導(dǎo)管噴射下入與上拔過(guò)程中,其側(cè)向摩擦力大小相等、方向相反,因此,實(shí)驗(yàn)過(guò)程為了便于測(cè)量數(shù)據(jù),采用噴射方式將表層導(dǎo)管安裝下入到泥線以下同樣深度,分別靜置不同時(shí)間后向上拔起,記錄上拔過(guò)程最大上提力,然后減去導(dǎo)管重量得到其豎向摩擦力即表層導(dǎo)管承載力。表層導(dǎo)管噴射模擬實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1所示,模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

    圖1 表層導(dǎo)管噴射模擬實(shí)驗(yàn)示意圖

    圖2 噴射安裝表層導(dǎo)管模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

    2.1 靜置時(shí)間對(duì)承載力的影響

    通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)噴射模擬實(shí)驗(yàn),開(kāi)展了表層導(dǎo)管承載力隨時(shí)間恢復(fù)關(guān)系研究。實(shí)驗(yàn)過(guò)程使用相同噴射參數(shù)(排量1 000 L/min,鉆頭伸出量120 mm)將7組表層導(dǎo)管噴射安裝到泥線以下10 m,測(cè)量不同靜置時(shí)間(2、4、6、12、24、48和96 h)后表層導(dǎo)管最大上提力。為消除表層導(dǎo)管尺寸對(duì)承載力的影響,將實(shí)測(cè)上提力(減去導(dǎo)管重量)除以表層導(dǎo)管側(cè)面積,得到表層導(dǎo)管與土單位面積側(cè)向摩擦力恢復(fù)規(guī)律,如圖3所示。

    圖3 表層導(dǎo)管承載力隨時(shí)間變化的關(guān)系

    由圖3可以看出,海底土受噴射擾動(dòng)后承載力變化明顯,表層導(dǎo)管噴射到位靜置2 h后單位面積側(cè)向摩擦力為2 kPa,靜置24 h后側(cè)向摩擦力恢復(fù)至8.3 kPa,靜置96 h后側(cè)向摩擦力恢復(fù)至12 kPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致,表層導(dǎo)管側(cè)向摩擦力與靜置時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系遞增,靜置時(shí)間初期摩擦力恢復(fù)較快,隨著靜置時(shí)間增加,摩擦力恢復(fù)減慢,并趨于穩(wěn)定。

    2.2 噴射排量對(duì)承載力的影響

    噴射排量直接影響水力破土效果及表層導(dǎo)管承載力,是噴射法安裝表層導(dǎo)管施工工藝的關(guān)鍵參數(shù)[9-10]。噴射排量需滿足破土攜巖要求,計(jì)算得到的最小噴射排量如表1所示。模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,在滿足破土攜巖能力的最小排量基礎(chǔ)上,逐漸提高排量,分析不同排量對(duì)表層導(dǎo)管承載力的影響。模擬實(shí)驗(yàn)中設(shè)定鉆頭伸出量120 mm不變,表層導(dǎo)管分別以不同的排量(1 000、1 500和2 000 L/min)噴射安裝到泥線以下10 m,安裝到位后,分別靜置設(shè)定時(shí)間(2、4、6、12、24、48和96 h)后上拔導(dǎo)管,測(cè)定最大上提力,進(jìn)一步得到表層導(dǎo)管平均單位面積摩擦力,如圖4所示。

    表1 噴射滿足破土攜巖要求的排量

    圖4 表層導(dǎo)管承載力隨排量變化的關(guān)系

    由圖4可以看出,噴射排量分別采用1 000、1 500和2 000 L/min時(shí),表層導(dǎo)管安裝到位后靜置48 h,導(dǎo)管單位面積側(cè)向摩擦力分別為10、8和7 kPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著噴射排量增大,導(dǎo)管單位面積側(cè)向摩擦力減小,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測(cè)結(jié)果吻合。因此,噴射法安裝表層導(dǎo)管過(guò)程需選擇合理排量。若排量選取過(guò)大,水射流過(guò)度沖刷井眼,使得井眼尺寸擴(kuò)大,導(dǎo)致噴射作業(yè)結(jié)束后周圍土體回填密實(shí)困難,表層導(dǎo)管側(cè)向摩擦力恢復(fù)緩慢,現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程需要延長(zhǎng)表層導(dǎo)管靜置時(shí)間,否則可能造成表層導(dǎo)管承載力不足,發(fā)生井口下沉失穩(wěn)?;诶碚摲治黾澳M實(shí)驗(yàn),噴射下入表層導(dǎo)管過(guò)程推薦噴射排量為滿足水力破土攜巖對(duì)應(yīng)的最小排量值。

    2.3 鉆頭伸出量對(duì)承載力的影響

    噴射法安裝表層導(dǎo)管過(guò)程,鉆頭伸出量直接影響水射流與海底土作用面積,是噴射施工的關(guān)鍵參數(shù)[11-12]。模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)定噴射排量1 000 L/min,表層導(dǎo)管以不同的鉆頭伸出量(3、12、21 cm)噴射安裝到泥線以下10 m,分別靜置設(shè)定時(shí)間(2、4、6、12、24、48和96 h)后上拔導(dǎo)管,測(cè)定最大上提力,分析不同鉆頭伸出量對(duì)表層導(dǎo)管承載力恢復(fù)的影響,如圖5所示。

    由圖5可以看出,鉆頭伸出量分別采用3、12和21 cm時(shí),表層導(dǎo)管安裝到位后靜置48 h,導(dǎo)管單位面積側(cè)向摩擦力分別為11.0、10.0和9.8 kPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,表層導(dǎo)管承載力隨著鉆頭伸出量的增大而減小,當(dāng)鉆頭伸出量達(dá)到一定程度(即噴嘴完全伸出表層導(dǎo)管)后,鉆頭伸出量對(duì)表層導(dǎo)管承載力影響減小,表層導(dǎo)管承載力趨于穩(wěn)定。因此,在噴射法安裝表層導(dǎo)管施工過(guò)程中,鉆頭伸出量的減小有利于表層導(dǎo)管承載力恢復(fù),但鉆頭水流馬力降低會(huì)造成井眼擴(kuò)眼不足,導(dǎo)管側(cè)向摩擦力較大,表層導(dǎo)管下入比較困難。噴射過(guò)程中鉆頭伸出量保持10~12 cm,使噴嘴伸出表層導(dǎo)管外部,有利于提高噴射效率。

    圖5 鉆頭伸出量對(duì)導(dǎo)管承載力的影響

    3 深水表層導(dǎo)管下沉案例分析

    3.1 目標(biāo)井海底土質(zhì)資料

    西非某深水井采用噴射法安裝結(jié)構(gòu)導(dǎo)管,表層導(dǎo)管入泥深度69.36 m。噴射作業(yè)結(jié)束后解脫導(dǎo)管送入工具繼續(xù)一開(kāi)φ660.4 mm井眼鉆進(jìn),下入φ508.0 mm表層套管坐掛高壓井口頭,在φ508.0 mm表層套管固井前循環(huán)過(guò)程(距表層導(dǎo)管噴射安裝到位34 h)中發(fā)生井口下沉2.5 m。

    根據(jù)井場(chǎng)調(diào)查報(bào)告,目標(biāo)井海底淺層土質(zhì)不排水抗剪強(qiáng)度如表2所示,噴射排量為3.8 m3/min,鉆頭噴嘴伸出量為0.12 m,表層導(dǎo)管直徑為0.762 m。

    表2 目標(biāo)井海底淺層土質(zhì)不排水抗剪強(qiáng)度

    3.2 表層導(dǎo)管承載力校核

    根據(jù)上述井場(chǎng)土質(zhì)資料,分別利用API樁基模型和考慮時(shí)間效應(yīng)的導(dǎo)管承載力模型對(duì)該井導(dǎo)管承載力進(jìn)行校核,建立了表層導(dǎo)管承載力圖版,如圖6所示。

    圖6 不同模型表層導(dǎo)管承載力校核

    由圖6可以看出,目標(biāo)井在φ508.0 mm表層套管固井前循環(huán)工況,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)井口最大載荷4 050 N(413 t),基于API樁基理論,導(dǎo)管入泥深度69.3 m時(shí),表層導(dǎo)管承載力能夠滿足固井工況下井口的穩(wěn)定??紤]噴射對(duì)海底土的擾動(dòng)影響,采用考慮時(shí)間效應(yīng)的表層導(dǎo)管承載力模型分析,靜置時(shí)間34 h后,表層導(dǎo)管提供4 050 N承載力所需表層導(dǎo)管入泥深度為72 m,而表層導(dǎo)管下沉后實(shí)際入泥深度為71.8 m。由此可見(jiàn),API樁基理論計(jì)算結(jié)果為表層導(dǎo)管極限承載力,只考慮了壓載法對(duì)樁周圍土體的影響,沒(méi)有考慮噴射過(guò)程水射流對(duì)土體的擾動(dòng),導(dǎo)致表層導(dǎo)管承載力預(yù)測(cè)值比實(shí)際情況偏大,而基于時(shí)間效應(yīng)的表層導(dǎo)管承載力模型預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)吻合。

    4 結(jié)論

    1) 在深水噴射法安裝表層導(dǎo)管過(guò)程中,噴射排量、鉆頭伸出量和靜置時(shí)間是影響表層導(dǎo)管承載力的關(guān)鍵因素。表層導(dǎo)管側(cè)向摩擦力與靜置時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系遞增,靜置時(shí)間初期摩擦力恢復(fù)較快,隨著靜置時(shí)間增加,摩擦力恢復(fù)減慢。表層導(dǎo)管側(cè)向摩擦力隨著噴射排量、鉆頭伸出量的增大而急劇減??;當(dāng)鉆頭噴嘴完全伸出導(dǎo)管外部后,鉆頭伸出量對(duì)表層導(dǎo)管承載力影響減小。

    2) 淺水API樁基模型是基于壓載法對(duì)平臺(tái)樁周圍土體承載力進(jìn)行分析,沒(méi)有考慮噴射法安裝表層導(dǎo)管過(guò)程水射流對(duì)土體的擾動(dòng),直接利用API樁基算法預(yù)測(cè)承載力將導(dǎo)致表層導(dǎo)管承載力預(yù)測(cè)值比實(shí)際情況偏大。在表層導(dǎo)管下入深度設(shè)計(jì)中,充分考慮噴射施工參數(shù)對(duì)海底土承載力的影響,確定合理的下入深度,對(duì)于保證井口穩(wěn)定具有重要意義。

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    Liu Shujie,Yang Jin,Zhou Jianliang,et al.Research on relationship between weight-on-bit and drilling rate during jetting drilling in sub-bottom deepwater[J].Oil Drilling & Production Technology,2011,33(1):12-15.

    (編輯:孫豐成)

    Pattern of influence of disturbance caused by jetting on bearing capacity of surface conductor in deep water zones

    Zhou Bo1Yang Jin1Zhou Jianliang2Liu Shujie2Liu Zhengli3Yang Jiangang1

    (1.KeyLaboratoryforPetroleumEngineeringoftheMinistryofEducation,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China;3.ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

    Surface conductor sinking is one of the main risks in deep water drilling operations. Disturbance caused by jetting on bearing capacity is the main reason of surface conductor sinking. In order to ensure the subsea wellhead stability during well construction and production process, a calculation model of surface conductor bearing capacity considering time effect was established. Based on the structural features of surface conductor and jetting installation technique, jetting experiments were carried out to study the bearing capacity of the conductor. The results show that jetting parameters have significant influence on the recovery of the friction force between the conductor and the surrounding seabed soil. The surface conductor bearing capacity increased exponentially with time. The friction force restores quickly in an interval immediately after the conductor is jetted down to the designed depth. And the bearing capacity increases with time, but the rate of increase gets slower with time. Friction force of the conductor is inversely proportional to the flow rate and bit-out. Influence of bit-out on the bearing capacity decreases once the bit nozzle is completely out of the conductor. In jetting operations, it is significant to select the appropriate jetting parameters and take into account the time effect on bearing capacity to guarantee the stability of surface conductor.

    deep water well; surface conductor; bearing capacity; jetting parameter; driving depth

    *國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“深水鉆井表層導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)機(jī)理研究(編號(hào):51274215)”、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究(編號(hào):51434009)”、 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“深水淺層鉆井井眼穩(wěn)定性與作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)演化機(jī)制研究 (編號(hào):2015CB251202)”聯(lián)合資助。

    周波,男,中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣井工程專業(yè)在讀博士生,主要從事海洋深水鉆完井技術(shù)研究。地址:北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)石油工程學(xué)院(郵編:102249)。E-mail:zhoubo103@yeah.net。

    1673-1506(2016)01-0098-05

    10.11935/j.issn.1673-1506.2016.01.015

    TE951

    A

    2015-03-12 改回日期:2015-07-01

    周波,楊進(jìn),周建良,等.深水噴射擾動(dòng)對(duì)表層導(dǎo)管承載力的影響規(guī)律[J].中國(guó)海上油氣,2016,28(1):98-102.

    Zhou Bo,Yang Jin,Zhou Jianliang,et al.Pattern of influence of disturbance caused by jetting on bearing capacity of surface conductor in deep water zones[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(1):98-102.

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