深水?dāng)y表層鉆井工藝技術(shù)

嚴(yán) 德，陳 彬，田瑞瑞，宋玲安，王 彪,劉保波

1中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 2中海石油深海開發(fā)有限公司

0 引言

表層導(dǎo)管是深水井的第一層套管，其作用是連接下入低壓井口頭，并為水下井口系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)支撐[1]。由于水深增加和海底淺層土質(zhì)強(qiáng)度低，深水井導(dǎo)管常采用噴射法下入，該方法無需導(dǎo)管固井作業(yè)，且噴射到位后可繼續(xù)二開鉆進(jìn)，優(yōu)勢明顯[2]。目前，表層導(dǎo)管噴射法施工在南海深水勘探作業(yè)中得到了成熟應(yīng)用[3]，但存在噴射速度慢、時效低的問題，單井導(dǎo)管平均噴射時間6.3 h，高于同海域外方作業(yè)的噴射時間3.5 h，不僅增加了深水高昂的作業(yè)費(fèi)用，而且增大了導(dǎo)管噴射作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。因此，通過分析已噴射作業(yè)井，找出制約表層導(dǎo)管噴射速度慢的原因，并提出有針對性的解決方案，形成深水表層導(dǎo)管噴射鉆井提速方法，以提高深水導(dǎo)管噴射時效，節(jié)省深水作業(yè)費(fèi)用。

1 深水已鉆井表層導(dǎo)管噴射作業(yè)數(shù)據(jù)

南海深水鉆井表層導(dǎo)管常采用外徑914.4 mm導(dǎo)管+?660.4 mm牙輪鉆頭、外徑762 mm導(dǎo)管+?660.4 mm牙輪鉆頭、外徑762 mm導(dǎo)管+?444.5 mm牙輪鉆頭的組合形式，二開采用?508 mm套管或?508 mm+?339.7 mm復(fù)合套管形式[4]。表層導(dǎo)管噴射入泥深度范圍為65～100 m,表層導(dǎo)管噴射平均耗時6.3 h，平均噴射速度僅為14.08 m/h。表層導(dǎo)管噴射時間與入泥深度無明確對應(yīng)關(guān)系，導(dǎo)管入泥深度最淺和最深的井噴射時間分布為6.7 h(入泥深度67.4 m)和6.5 h(入泥深度99.5 m)。南海部分井深水表層導(dǎo)管噴射作業(yè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 深水表層導(dǎo)管噴射作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2 表層導(dǎo)管噴射時效的影響因素分析

深水鉆井表層導(dǎo)管噴射法施工基本程序是在鉆臺將表層導(dǎo)管和底部鉆具組合通過專用工具在低壓井口頭處連接在一起，低壓井口頭與導(dǎo)管預(yù)先進(jìn)行了焊接。表層導(dǎo)管與底部鉆具組合連接后由送入管柱下送至海底泥面處[5]。水下機(jī)器人(ROV)確認(rèn)水深以及導(dǎo)管垂直度符合要求后，先利用管串自重入泥，再開泥漿泵，排量由小到大，通過水力沖刷和鉆頭切削成孔使導(dǎo)管入泥,如圖1所示。導(dǎo)管噴射到位后靜置吸附3～5 h，待地層承載力恢復(fù)后，脫手專用工具繼續(xù)二開井眼鉆進(jìn)作業(yè)。分析導(dǎo)管噴射施工基本流程可知，影響作業(yè)時效的因素有：海底地層強(qiáng)度、鉆頭伸出量、噴射排量、噴射鉆壓、導(dǎo)管外徑、鉆頭尺寸、導(dǎo)管上下活動次數(shù)及幅度。

圖1 深水鉆井表層導(dǎo)管噴射作業(yè)示意圖

2.1 海底地層強(qiáng)度

深水海底地層強(qiáng)度是影響導(dǎo)管噴射可行性和作業(yè)時效的重要因素。地層強(qiáng)度高或有硬夾層和礫石夾層時，將導(dǎo)致表層導(dǎo)管噴射下入困難或失敗，同時，地層強(qiáng)度很低時，需要增加導(dǎo)管入泥深度以保證井口穩(wěn)定性[6]。雖然，深水海底地層強(qiáng)度是影響導(dǎo)管噴射時效的重要因素之一，但深水井位早在鉆井工程介入前已確定，由于前期投入較大，不便隨意調(diào)整或改變井位處地層強(qiáng)度參數(shù)，在科研上或設(shè)計(jì)階段做導(dǎo)管噴射工藝優(yōu)化更利于解決問題。

2.2 鉆頭伸出量

在噴射鉆進(jìn)過程中，鉆頭底端伸出導(dǎo)管鞋的長度稱為鉆頭伸出量[7]。鉆頭伸出量可以在地面組合導(dǎo)管和底部鉆具的時候進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整，在作業(yè)過程中鉆頭伸出量始終保持不變，即鉆頭與導(dǎo)管在豎直方向上成為一體,如圖2所示，同步下入地層。鉆頭伸出量長度主要影響破巖成孔效率，包括鉆頭機(jī)械切削和水力噴射沖刷破巖，從而直接影響導(dǎo)管下入速度[8]。因此鉆頭伸出量是影響導(dǎo)管噴射時效的關(guān)鍵因素之一。

圖2 水下機(jī)器人在海底觀察確認(rèn)鉆頭伸出量

2.3 噴射排量

噴射排量除了要滿足鉆井液攜巖上返要求外，還要有較好的水力沖刷成孔效果，是影響導(dǎo)管噴射時效的關(guān)鍵因素之一[9-10]。剛開始噴射時，保持較小的排量并逐漸增大，入泥20～30 m時達(dá)到最大值，當(dāng)導(dǎo)管入泥至最后3～5 m時，降低排量以減少鉆井液對管鞋附近地層的沖刷，使導(dǎo)管獲得足夠的初始承載力。

2.4 噴射鉆壓

導(dǎo)管噴射時要求中和點(diǎn)保持在泥線以下。如果鉆壓施加過大將使導(dǎo)管中和點(diǎn)位于泥線以上將使導(dǎo)管被壓彎將導(dǎo)致井口傾斜角過大[11-12]，且噴射鉆壓施加過大時，動力馬達(dá)的反扭矩作用會導(dǎo)致連接導(dǎo)管和鉆具的專用工具轉(zhuǎn)動并卡死，這樣在解脫工具繼續(xù)鉆進(jìn)時會出現(xiàn)問題。噴射作業(yè)時，由于鉆壓的施加受到了中和點(diǎn)位置的制約，鉆壓一般控制在泥線下導(dǎo)管和鉆具組合浮重的80 %左右，可調(diào)節(jié)范圍小。因此，該噴射鉆壓不是提高導(dǎo)管噴射時效的關(guān)鍵因素。

2.5 導(dǎo)管外徑

深水鉆井導(dǎo)管常用外徑為914.4 mm或726 mm。統(tǒng)計(jì)已噴射井作業(yè)數(shù)據(jù)，?914.4 mm導(dǎo)管噴射平均時長6.45 h，?726 mm導(dǎo)管噴射平均時長6.20 h。兩種外徑的導(dǎo)管噴射效率無明顯差異，導(dǎo)管外徑不是影響噴射時效的關(guān)鍵因素。

2.6 鉆頭尺寸

噴射鉆頭尺寸依據(jù)二開井眼尺寸確定，常用?660.4 mm或?444.5 mm兩種尺寸。?660.4 mm鉆頭適用于二開下?508 mm套管的井身結(jié)構(gòu)；?444.5 mm鉆頭適用于二開下?339.7 mm套管的井身結(jié)構(gòu)。?444.5 mm鉆頭常配合?726 mm導(dǎo)管進(jìn)行噴射作業(yè)，已噴射作業(yè)3口深水井平均噴射時間為6.10 h，噴射效率與?660.4 mm鉆頭沒有明顯差異。因此，鉆頭尺寸不是影響噴射效率的關(guān)鍵因素。

2.7 導(dǎo)管上下活動次數(shù)及幅度

噴射作業(yè)時，為防止導(dǎo)管粘卡，降低井壁對導(dǎo)管的吸附力，需要頻繁活動管串，尤其是在導(dǎo)管入泥困難的時候。已噴射井導(dǎo)管一般在每進(jìn)尺3～5 m，或進(jìn)尺慢時活動，活動幅度范圍5～8 m，導(dǎo)管大幅度活動可以有效破壞井壁對導(dǎo)管的吸附力，使更多的鉆壓能施加到鉆頭上從而協(xié)助破巖成孔。

綜上所述，深水鉆井表層導(dǎo)管噴射法下入中，對噴射作業(yè)效率有關(guān)鍵影響的非客觀因素為：鉆頭伸出量、噴射排量、導(dǎo)管上下活動次數(shù)及幅度。

3 表層導(dǎo)管噴射鉆井提速方法

根據(jù)上述影響表層導(dǎo)管噴射時效的3個關(guān)鍵參數(shù)及國外作業(yè)經(jīng)驗(yàn)、鉆具配長要求、平臺泥漿泵排量和鉆井能力，制定了深水表層噴射鉆井提速方法，如表2所示。

表2 深水表層導(dǎo)管噴射鉆井提速方法

4 深水現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

深水表層噴射鉆井提速方法先后在南海多口深水井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，表層導(dǎo)管噴射作業(yè)參數(shù)及結(jié)果如表3所示。

表3 表層導(dǎo)管噴射作業(yè)參數(shù)優(yōu)化及效果

噴射作業(yè)參數(shù)優(yōu)化后的5口井平均作業(yè)水深1 336.17 m，平均入泥深度82.34 m，平均噴射時間2.35 h，平均噴射速度35.04 m/h。對比之前作業(yè)井，導(dǎo)管噴射提速效果見表4。

表4 表層導(dǎo)管噴射作業(yè)提速效果對比

通過對比可知，表層導(dǎo)管噴射作業(yè)參數(shù)優(yōu)化后，在導(dǎo)管入泥深度增加9.0 %的條件下，噴射時效提高了62.7 %，噴射速度提高了148.86%，取得了顯著的提速效果。此外，這5口井噴射作業(yè)過程順利，沒有出現(xiàn)導(dǎo)管下沉和井口失穩(wěn)現(xiàn)象，保證了井口穩(wěn)定性。

5 結(jié)論及建議

(1)通過合理提高鉆頭伸出量、噴射排量和導(dǎo)管上下活動次數(shù)及幅度，大幅度提高了深水鉆井表層導(dǎo)管噴射作業(yè)時效，節(jié)省了作業(yè)時間和費(fèi)用，在南海多口超深水井和深水井得到了成功應(yīng)用。此外，該提速方法還能提升和保證導(dǎo)管的入泥深度，提高導(dǎo)管噴射成功率，入泥深度的增加也保障了井口穩(wěn)定性，可在其余海域深水作業(yè)中推廣應(yīng)用。

(2)在關(guān)注表層導(dǎo)管噴射鉆井提速的同時，井口穩(wěn)定性也需要給予足夠的重視，要充分評估海底地層強(qiáng)度，如果在噴射過程中出現(xiàn)導(dǎo)管外竄流現(xiàn)象，應(yīng)及時降低噴射排量，減少導(dǎo)管上下活動頻率及幅度，并在同區(qū)域后續(xù)井作業(yè)中降低鉆頭伸出量，以保證導(dǎo)管噴射入泥到位后能夠獲得了足夠的地層承載力。