深水吸力樁新型表層建井技術(shù)適應性分析

劉正，劉和興，同武軍，鄭金龍，趙維青，趙新

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司深水鉆采技術(shù)公司（廣東湛江 524057）

2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司（廣東湛江 524057）

3.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室（北京 102249）

0 引言

當前國內(nèi)深水井表層建井為表層導管噴射建井，技術(shù)手段單一，對于深水崎嶇海底建井、淺埋深目的層建井、水合物開發(fā)建井等情況表現(xiàn)為不適應，深水井建井將面臨技術(shù)瓶頸，工程原因?qū)е虏糠志痪邆渥鳂I(yè)條件[1]。噴射建井面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)如下：

1）井場調(diào)查要求高。噴射導管入泥深度70 m左右，需獲取海底以下70 m深度范圍內(nèi)的井場調(diào)查數(shù)據(jù)。對于超深水井或海底傾角大的深水井，井場調(diào)查物探船的作業(yè)能力及CPT（靜力觸探試驗）設(shè)備的作業(yè)條件受到挑戰(zhàn)，無法獲取準確的井場調(diào)查數(shù)據(jù)，深水淺部地層差異性大，鄰井的淺層地層強度數(shù)據(jù)并不能完全代表作業(yè)井，作業(yè)未知因素增加，表層建井風險較高。

2）噴射作業(yè)擾動大。受作業(yè)摩阻影響，噴射過程需來回活動管柱，防止管柱粘卡，對淺層土壤擾動較大，作業(yè)風險增加。我國南海當前已作業(yè)的部分井井點處于邊坡或過渡帶附近，淺層土質(zhì)情況復雜，結(jié)合軟件模擬分析，大的擾動可能會觸發(fā)海底滑坡，井口穩(wěn)定性控制難度大、壓力高，噴射建井存在不適應性。

3）噴射導管地層承載力小，井身結(jié)構(gòu)要求高。噴射建井Φ914.4 mm 導管不能夠完全提供足夠的承載力，需Φ508 mm 表層套管提供額外的承載力，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化受限。為確保有足夠的承載力，保障作業(yè)安全，噴射作業(yè)需固化2 層次套管結(jié)構(gòu)。對于埋深較淺的地層井身結(jié)構(gòu)無優(yōu)化空間，導致建井周期及投資費用增加[3]。表層套管固井質(zhì)量的要求高，增加作業(yè)控制（表層套管固井水泥返高及固井質(zhì)量）的難度。

4）導管入泥深度要求高。結(jié)合不同井淺層土質(zhì)特點及井口穩(wěn)定性對承載力的要求，各井噴射入泥深度不同。噴射入泥深度過淺，噴射導管地層承載力不足的風險高；噴射入泥深度過深，導管串粘卡及噴射不到位的風險高，且處理手段有限[4]。為確保作業(yè)安全，每一口深水井均需要開展井口穩(wěn)定性專題分析，確定導管噴射入泥深度。不合適的導管入泥深度，將會導致井口下沉或井口頭海底突出過長。

國內(nèi)自營深水井表層建井工藝單一，吸力樁表層建井技術(shù)適應性好，可較好地解決當前噴射建井面臨的技術(shù)難題，具有較大的使用價值和推廣價值。

為適應南海自營深水井大開發(fā)的需求，拓展深水井作業(yè)范圍，以盡早解決國內(nèi)海洋深水油氣資源勘探開發(fā)過程中的技術(shù)瓶頸問題。

1 深水吸力樁建井技術(shù)介紹

1.1 吸力樁建井技術(shù)

吸力樁表層建井技術(shù)最早由挪威提出并成功應用，形成相關(guān)技術(shù)標準。吸力樁是一個底部鏤空的大圓筒，圓筒中間是一個中心孔，將整個設(shè)備下至海底泥線附近，通過作業(yè)參數(shù)控制吸力樁貫入到設(shè)計深度。

吸力樁建井技術(shù)2006年開始使用，主要由國外公司提供相關(guān)技術(shù)服務，累計完成近20口井的吸力樁表層建井，作業(yè)過程較順利，井口穩(wěn)定性良好。

1.2 吸力樁建井作業(yè)流程

鉆井船到達井位前，吸力樁通過動力定位工作船或拖輪等進行安裝，不占用鉆機時間。

吸力樁貫入及回收過程如圖1 所示，吸力樁建井流程：吸力樁加工及建造→吸力樁運輸→吸力樁裝船及固定→吸力樁下入→吸力樁貫入及調(diào)整→回收吸力樁相關(guān)工具→復原。

圖1 吸力樁貫入及回收示意圖

吸力樁吸入過程：吸力樁接觸海床，松軟土質(zhì)條件下吸力樁會深入海床5～6 m后停止。水下機器人（ROV）動泵吸出吸力樁內(nèi)部扣住的海水，吸力樁表面上下產(chǎn)生壓差，通過調(diào)節(jié)吸力泵壓力，使吸力樁貫入到海床以下設(shè)計深度。

吸力樁可重復性較好，通過給吸力樁注水充壓，實現(xiàn)吸力樁的重復利用。

吸力樁回收過程：通過水下機器人給吸力樁充壓，啟動泵向吸力樁內(nèi)部灌注海水，吸力樁往上部運動推動吸力樁至入泥深度60%左右，依靠工作船吊機上提取出吸力樁。

1.3 吸力樁的種類

結(jié)合不同吸力樁的適用性，吸力樁根據(jù)建井方式不同分為四種：吸力樁中心管、吸力樁中心管及導管、吸力樁中心管及預斜導管、吸力樁中心管及套管，詳見表1。

1.4 吸力樁建井資源

吸力樁建井需要用到的工具有：導管或套管、井口頭、防噴器導桿插座、水平儀、聲學測量裝置、水下吸力泵、吊鎖、卸扣、吊耳、水下機器人可操作的升降鎖套等，使用設(shè)備較少，作業(yè)可靠性高，可通過工程船或鉆井平臺下入，如圖2所示。

表1 吸力樁種類

吸力樁作業(yè)基本要求：吸力樁直徑6 m，長度12～20 m，質(zhì)量70～115 t，吸力樁垂直度小于1°。

圖2 吸力樁相關(guān)設(shè)備工具

工作船需動力定位，帶升沉補償?shù)鯔C及工作型水下機器人，吊機需帶主動補償?shù)牡鯔C能力150 t以上，吊裝提升高度（吸力樁高度+吊索具高度）＞25.19 m，可舷外或月池安裝。

水下機器人要求：1臺或者2臺適應作業(yè)水深的水下機器人，可操作抽吸泵，帶水下機器人割刀、挖泥機及刷子。

2 深水吸力樁建井技術(shù)應用情況

2.1 吸力樁建井技術(shù)應用情況

截至目前，吸力樁建井技術(shù)在全球范圍內(nèi)共計使用超18井次，作業(yè)水深超過1 000 m井7口，截至2018年2月，最大作業(yè)水深1 495 m，詳見表2。

2.2 吸力樁國內(nèi)使用情況

國內(nèi)深水吸力樁表層建井技術(shù)僅有天然氣水合物試采井的使用記錄，中海油自營深水探井項目有使用意向，國內(nèi)對吸力樁表層建井技術(shù)的應用經(jīng)驗不足。中海油國際公司在英國首次應用于英國北海淺水項目—東Rochelle項目15/27 M重鉆井，作業(yè)過程無井口穩(wěn)定性問題，作業(yè)較成功。

表2 吸力樁使用情況統(tǒng)計

續(xù)表2

3 深水吸力樁建井技術(shù)適應性分析

3.1 淺層地質(zhì)災害方面

對于含淺層氣或水合物風險的井，噴射作業(yè)擾動或固井水泥漿放熱將導致淺層氣或水合物從地層或沿導管壁溢出，當淺層氣在井口或防噴器附近聚集時，海底的低溫環(huán)境將觸發(fā)次生水合物生成，井口及導管附近水合物的生成將對作業(yè)產(chǎn)生不利影響；吸力樁建井使用大直徑圓筒貫入，對地層擾動較小，最大程度地保持原狀地層特征，可最大程度的避免淺層氣沿導管運動或在井口附近生成[5]，如圖3所示。

圖3 南海某深水井崎嶇海底

吸力樁對表層套管能提供的承載力無要求，可優(yōu)化表層固井方案及水泥返高方案，減少固井放熱對水合物的擾動，避免或減少巖屑或水泥在井口附近堆積，過高的巖屑或水泥的堆積物可能誘發(fā)次生滑坡[6]。

吸力樁建井基本無管柱的往復運動，作業(yè)過程沉貫進入地層，作業(yè)過程對地層擾動?。ú胺秶。?，吸力樁外筒既提供機械支撐又隔離作業(yè)過程對吸力樁外部土體的擾動，閉環(huán)作業(yè)，降低發(fā)生次生滑坡的風險[7]。

3.2 井位方面

吸力樁對地層擾動較小，井口及圓筒附近基本為原狀地層，當需要選取備用井位時，備用井位可選范圍大，移動最小的距離（移動6 m 左右）即可實現(xiàn)與主井位相同的目的，對軌跡基本無影響，確保主井位與備用井位均處于地質(zhì)油藏圈閉的最有利位置，最大限度降低鉆井工程方案對勘探開發(fā)的影響，有利于發(fā)現(xiàn)目標油氣藏，提高勘探成功率[8]。

3.3 井身結(jié)構(gòu)及軌跡控制方面

噴射建井需表層套管提供額外的支撐力，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間較小。對于目的層埋深較淺的深水井，噴射建井將提高作業(yè)費用，承載力的不足導致井身結(jié)構(gòu)無優(yōu)化空間。南海一些自營深水井已呈現(xiàn)類似情況，目的層淺埋深井仍采用常規(guī)3～4 層次井身結(jié)構(gòu)，造成極大浪費，迫切需要表層建井新工藝進行優(yōu)化。

吸力樁建井可提供足夠大的承載力以支撐全部管串及水泥環(huán)重量，無需表層套管提供額外的支撐力，這為井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供最優(yōu)的技術(shù)方案，可減少井段或套管層次，減少建井周期，提高建井效率，實現(xiàn)早投產(chǎn)早建產(chǎn)[9]。

吸力樁可預斜到一定角度，可減少下部井段的造斜壓力，適于淺層大位移井或水合物開采井的勘探開發(fā)，大幅降低作業(yè)難度及費用。

3.4 工程方面

吸力樁建井可減少占用鉆井平臺作業(yè)時間，平臺到達井位前利用工程船提前下入吸力樁設(shè)備，作業(yè)過程無沉浸時間，提高表層建井效率。吸力樁建井作業(yè)機動性強，可縮短大項目開發(fā)周期，提前建產(chǎn)。

吸力樁使用貫入式下入，且吸力樁圓筒較短，作業(yè)過程無管柱串的往復運動，無管串粘卡風險，減少作業(yè)過程的風險控制，提高作業(yè)的可靠性[10]。

吸力樁表層建井技術(shù)吸力樁可實現(xiàn)快速的回收，可重復利用，可降低作業(yè)成本，提高作業(yè)效益。

3.5 吸力樁載荷分析

吸力樁載荷分析主要分析承載力及彎矩分析。

表層噴射建井，導管入泥70 m 左右，地層承載力僅250 t 左右，若無表層套管提供的額外的承載力，噴射建井井口穩(wěn)定性將無法保證。吸力樁表層建井方式通過加大樁管與土體的接觸面積，顯著地增大了地層承載力（吸力樁入泥12 m即可提供高達近800 t的承載力），作業(yè)安全性更高，作業(yè)風險控制點更少，可顯著地提高深水井的建井安全性。

泥線以上彎矩，吸力樁建井與噴射建井不同偏移量下彎矩的大小與發(fā)展程度一致。

常規(guī)噴射建井，泥線以下彎矩繼續(xù)增大，最大彎矩出現(xiàn)在泥線以下5～10 m 位置；吸力樁建井，泥線位置彎矩迅速降低，最大彎矩在接近泥線位置。最大彎矩位置上移且變小，大小與噴射時井口泥線附近彎矩基本一致，吸力樁建井作業(yè)安全性更高，詳見表3。

表3 噴射建井與吸力樁建井水下井口附近彎矩對比

以南海一口深水井為例，水深1 000 m，淺層土壤強度10～35 kPa，噴射入泥深度70 m 地層能提供的地層承載力為230 t，吸力樁入泥12 m 能提供的地層承載力為800 t 左右，吸力樁入泥17 m 能提供的地層承載力1 200 t，在入泥深度為導管深度20%左右的條件下，地層能提供的承載力是噴射的300%～600%。如圖4所示。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

1）目前國內(nèi)深水表層建井方式單一，迫切需要新技術(shù)新工藝拓展表層建井作業(yè)方式，提升各種淺層地質(zhì)條件下的風險應對能力，確保作業(yè)安全。

2）與常規(guī)噴射作業(yè)方式相比，吸力樁表層建井方式在松軟地層、含淺層氣或水合物淺層地質(zhì)風險應對、主井位與備用井位選擇、定向井軌跡優(yōu)化、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工程風險控制等方面優(yōu)勢明顯，可解決當前深水井面臨的挑戰(zhàn)，拓展并豐富深水井表層建井作業(yè)方式。

圖4 噴射建井承載力對比

3）深水吸力樁表層建井技術(shù)適應性好，適應當前深水井面臨的建井技術(shù)挑戰(zhàn)。

4.2 建議

1）為確保作業(yè)安全，需加強吸力樁建井技術(shù)機理分析及作業(yè)安全風險控制分析，落實技術(shù)方案，推進吸力樁建井技術(shù)在國內(nèi)的使用。

2）為適應深水開發(fā)的需求，建議盡快開展深水吸力樁表層建井技術(shù)引進，擴展當前深水井表層建井方式，以適應不同淺層地質(zhì)條件下的安全作業(yè)要求，實現(xiàn)深水井勘探開發(fā)持續(xù)安全、優(yōu)質(zhì)、高效。