淺海伸縮套管鉆探工藝研究

王林清，馬漢臣，許本沖，殷國樂，陳浩文，秦如雷，盧秋平

（1.中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.廊坊聚力勘探科技有限公司，河北 廊坊 065000；3.中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州 517000）

0 引言

近年來，我國海洋開發(fā)力度逐漸加大［1-2］，港口、碼頭、航道、濱海機場等海岸工程和近海工程的淺海地質(zhì)勘查工作需求也日益增多。與淺海鉆井相關(guān)的海洋礦業(yè)和海洋電力業(yè)的增加值都在平穩(wěn)增長，淺海鉆探業(yè)務需求持續(xù)增加［3-5］。

相較于深海鉆井，淺海鉆井受關(guān)注程度較低，鉆探設(shè)備和工藝方法發(fā)展較為緩慢。我國海上基礎(chǔ)工程建設(shè)和風電資源開發(fā)多集中在海岸帶或近海區(qū)域，隨著海洋開發(fā)力度的加大和生態(tài)環(huán)境保護意識的提高，淺海鉆井對鉆探設(shè)備和工藝方法也提出了更高的要求［6-10］。如何提高作業(yè)效率和經(jīng)濟實用性是淺海鉆井有關(guān)鉆井工藝和設(shè)備器具的研究方向。

目前淺海鉆井常見作業(yè)為淺海地質(zhì)調(diào)查或海洋工程地質(zhì)勘查。而各勘察單位作業(yè)設(shè)備和作業(yè)能力參差不齊，許多鉆探船為普通運輸船改造而來，不配備隔水管、海底泵等能夠建立泥漿循環(huán)的大型水下設(shè)備［11-18］，常采用套管作為隔離海水循環(huán)泥漿的通道。鉆井船作業(yè)時漂浮在海面上，通過錨泊定位，可以在一定范圍內(nèi)限制船身的水平位移，而垂直方向受海浪和潮汐的影響，鉆井船相對于海底泥面就會有相對運動，進而帶動套管受軸向載荷產(chǎn)生形變，導致鉆井事故的發(fā)生。需建立泥漿循環(huán)系統(tǒng)和鉆井升沉補償系統(tǒng)來保證鉆井工程的安全進行，鉆遇復雜地層，易坍塌、工況不穩(wěn)定，對淺海鉆探新工藝的需求更為迫切［19-25］。

1 傳統(tǒng)淺海鉆探工藝

1.1 現(xiàn)有淺海作業(yè)工藝

淺海海洋取心鉆探中鉆遇易坍塌地層時，需要下放套管封隔該段地層，保證泥漿循環(huán)，然后換徑繼續(xù)鉆進?，F(xiàn)有常規(guī)方法為使用帶有鉆臺層甲板和套管層甲板的鉆井船進行下放套管作業(yè)。套管層甲板位于鉆臺層甲板下部。鉆至需要下放套管鉆井深度后，下放套管，套管上部用套管夾或其他懸掛工具固定，懸掛在套管甲板上，使其可以隨海浪上下活動，并隨著潮汐加接或卸掉部分套管，使套管頭始終保持在套管層甲板與鉆臺層甲板之間。如果有需要下放多層套管，則其他層套管也如此處理。這種方法要求必須有鉆臺層甲板和套管層甲板，且兩層之間高度滿足套管隨海浪起伏運動的高度要求。

1.2 現(xiàn)有作業(yè)工藝局限性

這種雙層甲板下放套管的方法（見圖1），需要鉆井船鉆機下方從上至下依次有鉆臺甲板及套管層甲板兩層甲板，如果鉆井船沒有設(shè)計套管層甲板，則套管無合適安放方法。采用這種方法下放套管需隨時關(guān)注套管頭隨海浪起伏的高度是否超出兩層甲板限制，并依實際情況加接或者拆裝部分套管。在接卸套管過程中，人員在兩層甲板間的空間操作上下活動中的套管，有很大的誤操作風險，加之風浪影響，人員容易受傷，且對操作人員提出較高的能力要求。

圖1 現(xiàn)有淺海取心鉆探中下入套管的方法Fig.1 Existing casing running method in shallow sea core drilling

除此以外，部分無套管層甲板鉆井船在遇到必須下套管的工況時，需臨時搭建套管層平臺，如部分由拖船類改造而來的船只，在船艏或者舷側(cè)搭設(shè)鉆機。小排量鉆井船因其鉆機功率限制，鉆機體積小，下的套管尺寸也相應較小，質(zhì)量較輕，對套管層平臺要求不高，相對較容易實現(xiàn)；而大排量鉆井船鉆機功率大，鉆機體積也大，鉆孔深度一般較深，需下放大直徑套管，質(zhì)量大，對套管層平臺要求高，很難實現(xiàn)臨時搭建。

2 無套管層甲板的淺海鉆探工藝

2.1 工藝思路

為解決無套管層甲板的鉆井船在海洋鉆探取心時需要下入套管的難題，特設(shè)計了一種海洋鉆探中下入多層套管的工藝方法（見圖2）。在需要下入的外層套管串的泥面以上位置加裝一根伸縮套管，在伸縮套管以下位置安裝一個內(nèi)層套管懸掛短節(jié)。伸縮套管可以拉伸和壓縮，可傳遞扭矩并可密封鉆井液。而且伸縮套管可以補償海浪引起的鉆井船升降，使伸縮套管以下的套管串下部固定于地層內(nèi)，而伸縮套管以上的套管串則與鉆臺層甲板相對固定。內(nèi)層套管則下入到外層套管內(nèi)，并利用內(nèi)層套管投放接頭懸掛在內(nèi)層套管懸掛短節(jié)上，內(nèi)層套管則可相對地層保持固定。

圖2 下入兩層套管的伸縮套管工藝方法示意Fig.2 Schematic diagram of the telescopic casing process for running two tiers of casing

2.2 操作流程

當鉆進到需要下放套管的層位后，下放外層套管串：從下到上按照套管靴＋外層套管＋內(nèi)層套管懸掛短節(jié)＋伸縮套管＋外層套管＋轉(zhuǎn)換接頭＋鉆機的順序連接套管管串；在鉆機驅(qū)動下進行掃孔及下放外層套管串，當外層套管鉆進到預定下放位置后停止，同時記錄用于懸掛內(nèi)層套管的懸掛短節(jié)在管串中的位置。懸掛短節(jié)是懸掛內(nèi)層套管的接頭，記錄其位置即可知悉內(nèi)層套管下入后固定的位置。記錄方法為記錄整個外層套管串中套管單根長度、數(shù)量、下入順序，從而推算出甲板面下入多長距離為該懸掛短節(jié)。

將外層套管串用夾持器固定于下放孔處，卸掉套管串上的轉(zhuǎn)換接頭并更換為用于連接外層套管的投放接頭，再用鉆機上的外層套管投放器提起投放接頭及外層套管串并下放至月池蓋套管補心內(nèi)，完成后鉆機驅(qū)動鉆具繼續(xù)在套管內(nèi)鉆進；投放器和投放接頭配合使用，投放器的定位凸起（或螺栓）卡接于投放接頭的凹槽內(nèi)，下放到底后可以回轉(zhuǎn)并提出投放器。

當鉆進至下一個需要下套管的地層后，提出鉆具，進行內(nèi)層套管串的連接、掃孔和下放，內(nèi)層套管鉆進到預定位置后停止；內(nèi)層套管串包括由下至上依次連接套管靴＋內(nèi)層套管＋轉(zhuǎn)換接頭＋鉆機。

上提內(nèi)層套管串并使用夾持器固定于下放孔處，根據(jù)外層套管串中下放內(nèi)層套管的懸掛短節(jié)的位置，計算出所需內(nèi)層套管串的長度及內(nèi)層套管的投放接頭位置，對多余的內(nèi)層套管串進行拆裝，連接套管投放接頭，并由鉆機連接內(nèi)層套管投放器投放到投放接頭位置，再回收內(nèi)層套管投放器。

內(nèi)層套管投放到預定位置后，可換徑進行下一開次鉆進。預定位置指懸掛短節(jié)所在的位置，下放到預定位置即內(nèi)層套管的投放接頭已經(jīng)接觸外層套管的懸掛短節(jié)，下放到位后套管懸重指示下降。當繼續(xù)鉆進遇到復雜地層，仍需下放套管封隔地層時，重復以上步驟下放第三層內(nèi)套管。鉆井結(jié)束后，需打撈出下放的內(nèi)層套管時，使用可退式撈矛進行打撈，外層套管打撈時，可在下放孔處用套管投放器進行打撈。

各級套管尺寸有已經(jīng)成型的序列，按直徑從大到小依次排列，比如178 mm－140 mm－108 mm等，一般依次選小一級的套管，特殊情況下會選擇跨一級的套管。

2.3 新工藝優(yōu)勢

新工藝相對于現(xiàn)有技術(shù)取得了以下技術(shù)效果：

（1）該工藝方法解決了沒有套管層甲板的鉆井船在海洋鉆探取心時需要下入套管的難題，且適用于各種排量鉆井船，只需按直徑配套伸縮套管和各級套管即可，擴大了鉆井船的應用范圍。

（2）該工藝方法設(shè)計了伸縮套管用于海洋鉆探中套管的下入。伸縮套管可拉伸和壓縮，可傳遞扭矩，可密封鉆井液。

（3）該工藝方法設(shè)計了多層套管的下入方法，可滿足復雜地層的使用要求。

（4）該工藝方法設(shè)計了配套的套管投放器、套管投放接頭等。

（5）制造成本低，遠低于搭建臨時套管層平臺，可推廣。

3 工藝配套設(shè)備

3.1 可伸縮套管

3.1.1可伸縮套管原理及使用

無套管層甲板的海洋鉆探工藝最重要、最關(guān)鍵的設(shè)備是可伸縮套管。配套可伸縮套管的目的是解決現(xiàn)有前海鉆探技術(shù)存在的升沉補償問題，使套管實現(xiàn)伸縮，避免套管因軸向載荷產(chǎn)生形變。

可伸縮套管（見圖3）包括內(nèi)套筒和外套筒，內(nèi)套筒套設(shè)于外套筒內(nèi)，內(nèi)套筒的上端與上接頭螺紋連接，上接頭用于連接套管懸掛器，外套筒的下端與下接頭螺紋連接，下接頭用于連接相鄰的套管，內(nèi)套筒和外套筒的上端為插接，下端為限位滑動連接。

圖3 可伸縮套管簡圖Fig.3 Schematic diagram of telescopic casing

內(nèi)套筒包括螺紋連接的滑動套和插接套，滑動套設(shè)置于外套筒下端的滑動槽內(nèi)，插接套插接于外套筒上端的插接段內(nèi)?；瑒犹?、插接套、上接頭和下接頭的內(nèi)徑均相等，滑動套的外徑大于插接套的外徑，滑動套的下端面與下接頭的上端面留有一定的間隙。

外套筒包括螺紋連接的外筒和插接筒，外筒的下端與下接頭螺紋連接，外筒與滑動套相匹配，插接筒與插接套相匹配。滑動套與外筒之間設(shè)置有密封圈，滑動套上設(shè)置有3 個Y 形密封圈和一個導向環(huán)，保障套管的密封性可靠，且更換方便；插接筒與插接套為六邊形插接，便于安裝和拆卸套管時，實現(xiàn)扭矩的傳遞，保證套管間連接的嚴密性，鉆井過程中避免套管任意扭轉(zhuǎn)，確保鉆探安全進行。外筒、插接筒、上接頭和下接頭的外徑均相等，外筒的內(nèi)徑大于插接筒的內(nèi)徑，滑動套的外徑大于插接筒的內(nèi)徑，滑動套的長度小于外筒的長度，使外筒兩端的插接筒和下接頭之間就形成了滑動套可以滑動的滑動槽。插接筒與上接頭下端面相抵觸時，插接筒的下端面與滑動套的上端面之間的最大距離為可伸縮套管的最大伸縮量。

可伸縮套管在使用時，首先將內(nèi)套筒和外套筒進行組裝，完畢后將下接頭與井內(nèi)套管連接，上接頭與套管懸掛器連接即可。

3.1.2可伸縮套管的作用

可伸縮套管解決了海洋鉆探中，無套管層甲板鉆井船鉆進時在海水影響下套管受到軸向載荷產(chǎn)生形變的問題，使得套管可以自由進行升沉伸縮又密封良好，亦能傳遞扭矩，確保海洋鉆井施工的安全進行。在不改變設(shè)計鉆具組合前提下，可以有效應對海平面波動及洋流影響，保證海洋鉆井工程中除伸縮套管外的其他鉆具的相對穩(wěn)定，有效緩解鉆井船補償壓力。

使用伸縮套管于淺水地質(zhì)鉆探中循環(huán)泥漿和鉆具導向，可有效避免傳統(tǒng)隔水套管短節(jié)的頻繁加接和拆卸，優(yōu)化套管間的密封結(jié)構(gòu)，提高密封結(jié)構(gòu)壽命，避免泥漿泄露造成海洋環(huán)境污染。因此在淺水鉆井領(lǐng)域，伸縮套管可替代傳統(tǒng)的多層套管，應用于簡易鉆井船鉆井作業(yè)。

3.2 套管投放接頭和套管投放器

套管投放接頭（圖4）和套管投放器（圖5）主要用于套管的投放，投放器的定位凸起（或螺栓）可卡接于投放接頭的凹槽內(nèi)，下放到底后可以回轉(zhuǎn)并提出投放器。

圖4 套管投放接頭Fig.4 Casing insertion joint

圖5 套管投放器Fig.5 Casing dispenser

具體應用為：在將外層套管管串用夾持器固定于孔口，并卸掉轉(zhuǎn)換接頭、連接外層套管投放接頭后，將套管投放器連接到鉆機上，使用套管投放器提起套管投放接頭及套管串，然后下放至月池蓋套管補心內(nèi)，再進行下一步作業(yè)工序。

進行內(nèi)層套管下入工序時，將內(nèi)層套管則下入到外層套管內(nèi)，并用內(nèi)層套管投放接頭懸掛在內(nèi)層套管懸掛短節(jié)上，再進行下一步作業(yè)工序。

4 結(jié)語

利用可伸縮套管及相關(guān)設(shè)備來實現(xiàn)泥漿循環(huán)和升沉補償?shù)暮Ｑ筱@探工藝，解決了無套管層甲板的鉆井船在海洋鉆探取心時需要下入套管的難題。在海底井口與小型鉆井船之間建立泥漿上返通道，實現(xiàn)泥漿回收循環(huán)，并解決無法實現(xiàn)升沉補償?shù)碾y題。減輕施工人員的工作負擔，同時在鉆井過程中可以起到導向定位的作用，防止潮差水流流速變化影響鉆具下入，為淺海鉆井節(jié)省時間和成本。