我國海上鉆井隔水導管使用現狀及發展趨勢

袁光宇

(中國海洋石油總公司，北京 100010)

我國海上鉆井隔水導管使用現狀及發展趨勢

袁光宇

(中國海洋石油總公司，北京 100010)

隨著我國海洋石油快速發展，油氣勘探開發的海域不斷擴大，水深不斷加深，海況條件越來越復雜，對鉆井隔水導管性能和設計要求越來越高。系統研究分析了隔水導管的失效形式、導管接頭類型與性能、設計原則。在目前現有隔水導管設計和使用技術現狀的基礎上，提出了提高鉆井隔水導管設計和選型技術水平的研究思路，為保證海上鉆井隔水導管使用安全和鉆完井工作提供技術參考。 ------------------------------

鉆井；隔水導管；導管接頭；設計

1 鉆井隔水導管主要施工方式

海上鉆井隔水導管是從海上鉆井平臺下到海底淺層的套管，主要功能是隔離海水、形成鉆井液循環通道，同時作為海上鉆井井口的持力結構。在海上石油的勘探開發中，鉆井隔水導管對于整個石油的勘探、開采起著重要的作用。

1)錘入法 對于海上淺水海域的開發井來說，通常采用錘入法進行鉆井隔水導管施工。在進行ODP方案(Oilfield development project(program)，油田開發計劃或方案)設計時一般需要提供鉆井隔水導管入泥深度數據，而在鉆井施工過程中需要提供錘擊數和貫入度的數據。在現場鉆井隔水導管錘入施工過程中，一般根據海底土資料和打樁設備情況進行貫入度計算。

2)鉆入法 對于海上淺水海域的探井來說，一般采用鉆入法下鉆井隔水導管。即用鉆頭鉆出井眼，下入導管并固井的方法，該方法適合大多數海底土地層。

3)噴射法 對于深水海域的鉆井來說，一般采用噴射法下隔水導管。噴射方式下隔水導管，就是利用水射流和管串的重力，邊噴射開孔邊下導管，同時在噴射管柱中下入動力鉆具組合以提高安全性和作業效率。噴射鉆至預定深度后，靜止管串，利用海底淺層土的粘附力和摩擦力穩固住導管，然后脫手送入工具并起出管內鉆具，從而完成隔水導管的安裝。噴射法下導管技術可在鉆進的同時下導管，解決了深水表層鉆孔后下導管不易找到井口的難題；同時，這種方法也無需固井，可避免因水泥漿密度過大而壓破地層；采用噴射法下導管技術可以有效地節約鉆井時間，從而很大程度上節約了鉆井成本。

2 鉆井隔水導管主要失效形式

隔水導管不僅受到比較大的軸向載荷的作用，還要受到橫向周期性的風、浪、流載荷的作用，這些載荷對隔水導管強度和安全性都會產生比較大的影響［1-4］。隔水導管失效形式及原因分析見表1。

表1 隔水導管失效形式及原因分析

3 鉆井隔水導管接頭類型和特性

目前隔水導管接頭的類型主要有3種：焊接方式、螺紋接頭和卡簧接頭。

1)焊接方式 焊接方式在隔水導管的連接中已不常用，主要有以下幾點原因：①焊接方式相比各種接頭的連接需要更多的作業時間；②海上現場焊接受環境影響較大，并不能全天候作業；③焊接會由于各種原因易造成焊接缺陷，良好的檢查可以一定程度的避免，但若需返工則造成大量工時的浪費；且如果檢查不到位，焊接缺陷會帶來焊縫強度等力學性能的下降，從而可能發生焊縫開裂等重大安全事故［5-6］。

2)螺紋接頭 螺紋接頭在隔水導管的連接中使用較為頻繁。螺紋接頭可以分為2類：一類是API接頭(包括圓螺紋和偏梯形螺紋)，即按照API標準生產和檢驗的接頭；另一類是非API接頭，也稱為特殊螺紋接頭。目前API接頭已經不能滿足現有的工程技術要求，國內外先進的套管生產廠開發并推廣了一批特殊螺紋接頭。目前特殊螺紋接頭的專利大約有100多種，應用較多的國外螺紋接頭廠商有DST、V&M和NKK等；國內也有了螺紋接頭技術的顯著進步，攀鋼、寶雞和天津鋼管等都研發和生產了多種特殊螺紋接頭［7-8］。螺紋接頭的優點在于：①采用螺紋接頭可以減小隔水導管的最大外徑，更有利于打樁作業；②螺紋接頭采用吊卡起吊，可以提高作業時效；③特殊螺紋接頭具有較好的機械性能，有效地保障作業安全。由于其具有較好的抗疲勞性能，在南海水深較深、海況條件較差的地方應用較多。

3)卡簧接頭 卡簧接頭在渤海海域是隔水導管常用的連接方式。卡簧接頭主要可以分為2類：一類是內收式卡簧結構，這類將卡簧安裝在外接頭的卡簧槽內，依靠卡簧的外張彈力，約束內接頭，使其懸掛在外接頭內；另一類是外卡簧式結構，這類工作原理與內收式卡簧結構相反。由于內收式卡簧結構在安裝、拆卸方面更具優勢，現在較多的卡簧接頭采用內收式卡簧結構［9-10］。卡簧接頭的主要優點在于能夠有效的減少接管的作業時間。卡簧接頭的抗疲勞性能相比螺紋接頭稍差，但其具有良好的抗剪切能力，可以在冬季冰區作業時保證更好的性能，故更多的應用于渤海海域。

4 鉆井隔水導管設計原則

對于鉆井隔水導管的設計主要包括導管結構設計、入泥深度設計以及施工方式設計。隔水導管設計總的原則要滿足鉆完井作業和后期生產對結構尺寸的要求，滿足海況重現期內的環境條件，滿足安全、經濟、方便施工的基本原則［11-12］。

表2 環境載荷海況重現期

1)導管結構設計原則 對于結構設計，需根據表2環境載荷海況重現期取值要求，以及《海上固定平臺入級與建造規范》考慮一定的腐蝕裕量，按工況對導管強度、穩定性進行校核，確定隔水導管本體直徑、壁厚、鋼級、材質和接頭類型。結構受力分析包括靜力分析和動力分析，應以靜力分析結果為設計依據。滿足下列情況之一時，應進行動力分析，并對疲勞應力進行校核：①隔水導管的固有頻率接近于設計海域內波浪頻率；②沖擊載荷頻率接近于隔水導管的固有頻率；③受到冰載作用。

2)入泥深度設計原則 根據土壤力學參數、結構設計結果及淺部地層破裂壓力，確定隔水導管最小入泥深度。對錘入法應進行單樁錘入過程模擬及群樁可錘入性分析。當井口中心距大于或等于3倍隔水導管直徑且端部進入良好持力土層時，錘入法下隔水導管應按單樁設計；小于3倍應按群樁設計。隔水導管端部持力層，應選擇中等密實或密實砂層、硬粘土層、碎石類土層或風化巖層等土層。

3)施工方式設計原則 若采用錘入法則應同時滿足下列要求：①土體不排水抗剪強度小于120kPa；②隔水導管不發生彎曲失穩時能夠承受的最大軸向載荷大于錘擊過程中產生的動載。對于地質條件復雜、巖面起伏較大或地下障礙物較多時宜采用鉆入法。

5 鉆井隔水導管使用情況

目前隔水導管常用的外徑規格一般為914、762、610及508mm，壁厚一般為38.1、25.4及15.9mm。在渤海灣由于冬季存在冰區，一般導管尺寸和壁厚都相對較大，基本上都是762×25.4mm以上規格；在南海等海域，一般導管規格為610×25.4mm的居多，具體的根據環境條件的不同會有變化。

6 結論與建議

1)開發新型的隔水導管組合方式。例如采用鉆井隔水導管與表層套管通過變截面組合方式，在泥線以下一定深度以下部分采用鉆井設計的表層套管，上部分采用滿足結構要求的隔水導管，通過變截面接頭連接。該方式可以有效提高作業效率，減少作業成本。

2)對于特殊作業海域，采用更適合該地區的隔水導管。例如渤海灣冰區較嚴重地區，可采用海油總公司研發的新型抗冰隔水導管組合結構。

3)通過對隔水導管分析過程的優化，在保證安全的前提下采用更合理的隔水導管尺寸、壁厚以及鋼級，進一步降低作業成本。

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10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.034

2012-04-24

袁光宇(1959-)，男，1982年大學畢業，碩士，高級工程師，現主要從事鉆完井工程方面的研究工作。

TE52

A

1673-1409(2012)07-N102-02

［編輯］ 洪云飛