深水科學(xué)鉆探鉆孔重返系統(tǒng)工藝分析與改進(jìn)措施

王孝山，褚道余，崔 強(qiáng)

（中石化海洋石油工程有限公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

鉆孔重返系統(tǒng)主要用于深水科學(xué)鉆探，在鉆具重入井口時(shí)起導(dǎo)向作用，該系統(tǒng)目前主要用于“決心”號(hào)大洋鉆探船，執(zhí)行大洋科學(xué)勘探系列計(jì)劃。返孔錐是鉆孔重返系統(tǒng)的重要組成部分，形似喇叭口，通過(guò)特殊工具固定在導(dǎo)管上，返孔錐頂部出露泥面約3 ～ 4 m，實(shí)現(xiàn)井口的導(dǎo)向功能，便于進(jìn)行后期的鉆井作業(yè)。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)正在建造相應(yīng)的深水科學(xué)鉆探船，需建立類似的鉆孔重返系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)“決心”號(hào)上使用的返孔錐結(jié)構(gòu)及下入工藝進(jìn)行分析，認(rèn)為該鉆孔重返系統(tǒng)工藝相對(duì)復(fù)雜，時(shí)效較低，這里對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行了深入探討并提出了改進(jìn)措施，為國(guó)內(nèi)即將進(jìn)行的深水科學(xué)鉆探船鉆孔重返系統(tǒng)建造提供了建議。

1 “決心”號(hào)使用的鉆孔重返系統(tǒng)介紹

“決心”號(hào)大洋鉆探船始建于1978年，主要用于深水石油勘探，在1985年經(jīng)過(guò)改裝供海洋科學(xué)鉆探使用。該船使用的鉆孔重返系統(tǒng)采用的是分離式結(jié)構(gòu)，該套系統(tǒng)主要由返孔錐、送入工具和水下電視等組成[1]，技術(shù)成熟但整體工藝相對(duì)落后，作業(yè)程序及步驟較多，影響作業(yè)時(shí)效。該套系統(tǒng)是在導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)完畢后，在井口將半開(kāi)的返孔錐套在鉆具上固定焊接，下送至返孔錐底座鎖定，鉆柱重入井口時(shí)，在水下電視的監(jiān)控下，順著返孔錐喇叭口導(dǎo)入井口，進(jìn)行后續(xù)的作業(yè)。

2 現(xiàn)有鉆孔重返系統(tǒng)作業(yè)程序及特點(diǎn)分析

2.1 鉆孔重返系統(tǒng)施工作業(yè)程序

大洋科學(xué)鉆探船抵達(dá)預(yù)定海域后，通過(guò)聲吶掃描及水下電視尋找相對(duì)平整的海底區(qū)域，目標(biāo)井位確定后，起出水下電視，進(jìn)行后續(xù)的地質(zhì)鉆探任務(wù)?？茖W(xué)鉆探整體過(guò)程中，一般會(huì)避開(kāi)油氣層段或存在地質(zhì)災(zāi)害的位置，不用下入水下防噴器，采用敞開(kāi)式水下井口進(jìn)行常規(guī)的取心及鉆進(jìn)作業(yè)。其主要的作業(yè)程序?yàn)椋?/p>

（1）導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)作業(yè)

① 鉆臺(tái)組合導(dǎo)管噴射作業(yè)相關(guān)的工具

導(dǎo)管噴射組合主要由內(nèi)外兩部分管串組成。內(nèi)管鉆進(jìn)管串為：牙輪鉆頭+動(dòng)力馬達(dá)+鉆鋌+扶正器+鉆鋌+送入工具+鉆桿；外部導(dǎo)管串為：導(dǎo)管串+擴(kuò)孔器+返孔錐底座。內(nèi)外兩個(gè)管串通過(guò)送入工具進(jìn)行連接（圖1），鉆頭相對(duì)外部導(dǎo)管串出露10 ～ 20 cm，一般情況下，較大的鉆頭尺寸具有較高的噴射成功率。

② 導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)

導(dǎo)管噴射組合下至泥面后，通過(guò)其自身的重量穿透軟的泥線地層，完成吃入實(shí)驗(yàn)后，開(kāi)泵通過(guò)馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，結(jié)合射流及導(dǎo)管自身的重量，形成井眼。導(dǎo)管噴射到位后，一般靜置3 ～ 5 h，待土壤的剪切強(qiáng)度及表皮摩阻恢復(fù)至設(shè)計(jì)值后，進(jìn)行后續(xù)解鎖作業(yè)。

圖1 導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)組合

（2）返孔錐下入作業(yè)

導(dǎo)管噴射作業(yè)完成后，在月池區(qū)將半開(kāi)的返孔錐進(jìn)行固定并焊接成整體（圖2），然后順著鉆桿下放至泥線位置并坐至返孔錐底座。

圖2 返孔錐月池區(qū)焊接

（3）返孔錐固定及內(nèi)管柱解脫回收作業(yè)

返孔錐順利坐入返孔錐底座后，反轉(zhuǎn)鉆桿，通過(guò)送入工具，帶動(dòng)擴(kuò)孔器收縮，直徑變小，從外部固定返孔錐（圖3）；同時(shí)送入工具與擴(kuò)孔器解鎖，內(nèi)管柱完成解脫作業(yè)，起出內(nèi)管柱，返孔錐則被固定在海底泥線以上（圖4），實(shí)現(xiàn)后續(xù)再入孔作業(yè)導(dǎo)引功能。

（4）再入孔作業(yè)

組合科學(xué)鉆探用取心鉆具并下至返孔錐以上的適當(dāng)位置后，在月池區(qū)安放水下電視（圖5），順著鉆柱并將其吊放至鉆頭以上位置，在水下電視的監(jiān)視下，移船位將鉆頭對(duì)準(zhǔn)返孔錐，下放鉆具（圖6），鉆具入孔后起出水下電視，即可進(jìn)行后續(xù)鉆進(jìn)作業(yè)。

圖3 反轉(zhuǎn)鉆桿固定返孔錐

圖4 返孔錐固定在海底后的最終狀態(tài)

圖5 月池區(qū)安放水下電視

圖6 水下電視監(jiān)視下導(dǎo)入鉆具

2.2 系統(tǒng)技術(shù)缺陷分析

現(xiàn)有鉆孔重返系統(tǒng)在“決心”號(hào)大洋鉆探船已使用一段時(shí)間，技術(shù)成熟可靠，其采用分體式結(jié)構(gòu)，操作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠滿足一般的科學(xué)鉆探作業(yè)需求。但存在一定的缺陷：

（1）返孔錐焊接下入與導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)是兩個(gè)相互獨(dú)立的程序，需單獨(dú)占用井口，耗費(fèi)較長(zhǎng)的作業(yè)時(shí)間；

（2）返孔錐在導(dǎo)管噴射到位后，再順著鉆具下放至底座，反轉(zhuǎn)鉆桿固定，由于水下作業(yè)的不可預(yù)見(jiàn)性，存在一定的操作風(fēng)險(xiǎn)；

（3）該系統(tǒng)采用水下電視引導(dǎo)鉆具入孔，視野角度受限，同時(shí)安裝期間占用井口，耗費(fèi)時(shí)間；

（4）該系統(tǒng)具有疊加返孔錐的功能，依靠返孔錐下部小尺寸長(zhǎng)導(dǎo)管穩(wěn)定井口，但無(wú)法進(jìn)行固定（或固定不穩(wěn)固）。

3 鉆孔重返系統(tǒng)的工藝改進(jìn)分析及技術(shù)措施

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有鉆孔重返系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)分析，結(jié)合深水石油勘探表層導(dǎo)管作業(yè)的特點(diǎn)[2-3]，提出以下改進(jìn)方法，以提高鉆孔重返系統(tǒng)作業(yè)的可靠性、高效性及多次疊加能力。

3.1 采用導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)及返孔錐一體化作業(yè)

對(duì)原有的返孔錐進(jìn)行改進(jìn)，采用整體式的返孔錐，內(nèi)部加工一個(gè)臺(tái)階，便于坐導(dǎo)管頭并固定。同時(shí)采用深水鉆探成熟的導(dǎo)管送入工具，與導(dǎo)管頭進(jìn)行連接。其主要的技術(shù)措施為：

（1）月池區(qū)安放好一體化的返孔錐；

（2）鉆臺(tái)組合導(dǎo)管及內(nèi)部鉆進(jìn)管串，內(nèi)部鉆進(jìn)管串為：牙輪鉆頭+動(dòng)力馬達(dá)+鉆鋌+扶正器+鉆鋌+送入工具+鉆桿，導(dǎo)管串為：導(dǎo)管+導(dǎo)管頭；

（3）下送導(dǎo)管串至月池區(qū)，組裝返孔錐及導(dǎo)管頭并用螺栓固定，螺栓在導(dǎo)管頭四周每90°位置布置一個(gè)，共四個(gè)，螺栓直徑為16 mm（圖7）；

圖7 月池區(qū)固定返孔錐及導(dǎo)管

（4）返孔錐隨導(dǎo)管一起噴射到位，導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)時(shí)，ROV（水下機(jī)器人）全程海底監(jiān)控，確認(rèn)返孔錐出露泥線高度（圖8）。

圖8 ROV監(jiān)視下導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)

3.2 正轉(zhuǎn)解鎖內(nèi)部鉆進(jìn)管串，確保作業(yè)的安全性

采用深水石油鉆探行業(yè)常用的導(dǎo)管送入工具，該系統(tǒng)可通過(guò)反轉(zhuǎn)心軸鎖定，正轉(zhuǎn)解鎖。作業(yè)時(shí)在井口通過(guò)反轉(zhuǎn)心軸將送入工具與導(dǎo)管頭通過(guò)鎖塊進(jìn)行連接，使內(nèi)外管串形成一個(gè)整體；待導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)完畢，靜置，土壤強(qiáng)度恢復(fù)后，正轉(zhuǎn)鉆具，帶動(dòng)送入工具心軸旋轉(zhuǎn)，收回鎖塊，內(nèi)部鉆進(jìn)管串與導(dǎo)管串完成解脫，即可起出鉆具。正轉(zhuǎn)鉆具可避免現(xiàn)有系統(tǒng)反轉(zhuǎn)鉆具脫扣的操作風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 采用ROV監(jiān)控再入孔作業(yè)

ROV即水下機(jī)器人[4]，其配備視頻監(jiān)視系統(tǒng)，使用電纜與母船進(jìn)行通訊，可對(duì)水下作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，ROV的下入及起出有自身的獨(dú)立系統(tǒng)執(zhí)行，不需要占用井口。在導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)及再入孔作業(yè)時(shí)，可事先下入ROV，在井口附近等待，觀察噴射作業(yè)工況或引導(dǎo)鉆具入孔，不必像現(xiàn)有的鉆孔重返系統(tǒng)需要占用井口，順著鉆具下入水下電視才能進(jìn)行水下觀察。

3.4 提高疊加返孔錐及下套管作業(yè)能力

采用半潛式平臺(tái)常用的水下井口頭，在需要疊加返孔錐或下入套管情況下，可將返孔錐與井口頭進(jìn)行連接固定，在ROV的監(jiān)視下，導(dǎo)入導(dǎo)管頭，采用卡簧將井口頭與導(dǎo)管頭進(jìn)行固定。這種井口頭下部也可連接套管串，便于在后期井眼出現(xiàn)復(fù)雜情況時(shí)下入套管穩(wěn)固井壁（圖9）。后續(xù)還可在井口頭內(nèi)部懸掛多種尺寸的套管及多次疊加返孔錐，下套管及疊加返孔錐既可一起進(jìn)行，也可以單獨(dú)作業(yè)，以滿足各種復(fù)雜井況的需要。

圖9 疊加返孔錐及下入套管

3.5 可回收并重復(fù)利用導(dǎo)管頭、井口頭及返孔錐

該套系統(tǒng)可借助棄井鉆具組合進(jìn)行切割回收，以便重復(fù)利用[5]。在返孔錐少于2個(gè)的情況下，可下入割刀組合，在泥線附近一次性切割導(dǎo)管及下一層套管（圖10）。若井口頭內(nèi)部還懸掛有套管，則先期下入對(duì)應(yīng)的割刀組合將該層套管切割回收。

圖10 下割刀切割并回收井口系統(tǒng)

4 結(jié)論與建議

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有及改進(jìn)后的鉆孔重返系統(tǒng)作業(yè)對(duì)比分析，可得到以下結(jié)論：

（1）改進(jìn)后的返孔錐與導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)可進(jìn)行一體化作業(yè)，避免了現(xiàn)有系統(tǒng)返孔錐月池焊接及下放單獨(dú)占用井口，節(jié)約了時(shí)間。

（2）新系統(tǒng)送入工具采用正轉(zhuǎn)解鎖的作業(yè)方式，防止現(xiàn)有系統(tǒng)反轉(zhuǎn)鉆具解鎖出現(xiàn)操作失誤、鉆具脫扣的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

（3）采用石油行業(yè)普遍使用的水下監(jiān)視系統(tǒng)ROV，能獨(dú)立監(jiān)視指導(dǎo)水下作業(yè)及清理井口巖屑，而非受限的水下電視，可提高作業(yè)效率。

（4）新系統(tǒng)擴(kuò)展性能得到大幅提高，可疊加多個(gè)返孔錐及下入多層套管，提高了應(yīng)對(duì)復(fù)雜井況的能力。

（5）由導(dǎo)管頭、井口頭及返孔錐組成的改進(jìn)后的鉆孔重返系統(tǒng)可回收重復(fù)利用，達(dá)到了降本增效的目的。