深水表層導管下入方式適應性分析

周建良

（中海油研究總院，北京100027）

楊 進，嚴 德，田瑞瑞

（石油工程教育部重點實驗室 （中國石油大學），北京102249）

自20世紀90年代以來，深水 （≥500 m）油氣資源鉆探工作在世界范圍內得到了大規模開展［1］。深水鉆井表層導管下入技術是深水鉆井工程施工的關鍵環節，是挑戰深水作業難度的核心技術之一［2－5］。表層導管是鉆完井作業中下入的第1層結構套管，其為水下井口、防噴器組及采油樹等設備提供支撐，需要滿足海上鉆井設備、隔水管以及將來生產、修井作業時的多種作業載荷要求，且須垂直安裝 （傾斜度小于1.5°），以避免鉆井過程中鉆柱、套管柱與水下井口發生磨損［3－4］。深水鉆井表層導管的下入由于深水環境和作業工況復雜，具有操作風險高、作業難度大等特點，如果下入方式選擇不正確，控制措施采取不當，容易導致導管下入不到位、井口偏角過大、井口下沉甚至井報廢等嚴重后果［5］，造成大的經濟損失。下面，筆者擬通過對目前海上深水表層導管主要下入方式 （鉆入法［6］、噴射法［7－8］和魚雷錨固法［9－10］）進行分析，選擇合適的深水鉆井表層導管下入方式，以降低深水淺層鉆井作業風險，提高表層導管施工經濟性和安全性，為深水區油氣資源鉆井作業提供技術指導。

1 深水淺層鉆井作業難點

深水淺層鉆井作業面臨諸多挑戰，給表層導管安裝作業帶來了不少難題：

1）海床疏松不穩定 大陸坡區域，海床的坡度非常大。海床的不穩定和大的坡度都促使海底極易形成滑坡和泥石流，滑坡快速沉積形成較厚、松軟、高含水且未膠結的地層，并且隨著水深的增加，淺層土體不排水抗剪強度呈下降趨勢［11］，這對表層導管安裝深度的確定造成了一定的難度，如果入泥深度過淺則難以獲得足夠的豎向承載力。

2）海水低溫影響 隨著水深的增加，溫度隨之降低，深水海底溫度通常約為4℃左右，在該溫度下很容易形成水合物，而且這樣低溫度的會導致鉆井液流變性能變差，延緩水泥漿的水化反應［12］。

3）淺層地質災害風險 淺層氣、淺層流和淺層水合物的存在對鉆井井控帶來很大的難度，如果控制不當，則可能引起井口偏斜過大，甚至失穩垮塌［13］。

4）破裂壓力梯度低 隨著水深增加，地層的破裂壓力梯度降低，致使破裂壓力梯度和地層孔隙壓力梯度之間的窗口較窄，容易發生井漏和井塌等復雜情況。

2 表層導管鉆入下入方式

鉆入法下入導管方式與常規鉆孔／下套管／固井方式沒有區別，由于深水區海底表層土質塑性指數Ip增大，土體次固結系數Cα增大 （Sekiguchi建立了一個用塑性指數來表達的關系式［14］Cα＝0.00168＋0.00033Ip），導致蠕變性能增強［15］，土質非常松軟，鉆孔后井眼容易被回填掩埋，深水區表層導管采用鉆入法下入時存在無法找到井眼的風險。

鉆入法下入表層導管需要進行注水泥漿固井作業，由于深水海底淺層低溫的影響，會延長水泥漿由液態轉變為固態的過渡時間［16］，導致水泥漿膠凝強度和水泥石抗壓強度發展緩慢［17］，這對導管獲得足夠的承載能力是不利的。此外，由于深水海底淺層破裂壓裂梯度低，注水泥漿固井時容易發生漏失。因此，鉆入法對深水鉆井表層導管下入的適應性不強。

但是，由于鉆入法對海底淺層土質強度沒有特殊要求。因此，對于淺層土質較硬 （抗剪強度＞200k Pa）的深水區來說，鉆入法對表層導管的下入具有較好的適應性。

圖1 表層導管噴射下入方式示意圖

3 表層導管噴射下入方式

表層導管噴射技術是針對深水作業特點發展起來的一種導管下入方式［18］，其歷史可以追溯到20世紀60年代，首先應用在墨西哥灣，并且隨著工具的發展 （如井下馬達和送入工具），使得噴射技術得到了很好的推廣，到20世紀90年代中后期，澳大利亞、南非和加拿大都將表層導管噴射作為首選安裝方法［3］，目前在西非、馬來西亞等深水海域得到了成功應用。其基本安裝過程如圖1所示。表層導管噴射作業流程為：平臺組裝鉆具和導管→下入管串、探泥面確認井眼位置→開泵噴射、導管下入至目的深度→脫手送入工具→繼續二開井眼鉆進→鉆進完成→上提鉆具和送入工具，實現了一趟管柱完成一開井眼鉆孔、導管下入和二開井眼鉆進3個過程，節約了作業時間和成本，解決了深水表層鉆孔后下套管不易找到井口的難題，且這種方法無需固井，可避免海底低溫對水泥漿水化作用的影響和因水泥漿密度過大而壓破地層。

深水鉆井表層導管噴射下入方式中導管最小入泥深度的計算是非常關鍵的一項內容，這對導管獲得足夠地層承載能力，滿足作業載荷要求是至關重要的。Beck［19］、Philippe Jean［11］、Akers［6］、蘇堪華［12］、楊進［2］等對該問題都進行了研究分析。對于表層導管的最小入泥深度需根據表層套管固井最危險工況下來確定，即固井水泥漿達到井眼底部并尚未進入表層導管和表層套管環形空間那一刻，如圖2所示。導管的最小入泥深度通用計算公式為：

式中，Hmin為導管最小入泥深度，m；W 為作業載荷（導管、水泥漿、固井管柱等），k N；D為導管外徑，m；f（t）為導管與海底土之間的摩擦力，取決于土體性質和恢復時間，k N／m2。

4 表層導管魚雷錨固下入方式

2001年開始，巴西石油公司借鑒海上浮式平臺、隔水管的魚雷樁基錨固方法［20］，開始在坎普斯盆地深水海域采用魚雷錨固工藝來安裝表層導管，且在數百口井中得到了成功應用［13］。

采用魚雷錨固工藝安裝表層導管 （見圖3）時，其組合主要由導管、錨桿和鰭3部分組成，錨桿內部填充水泥、聚合物等物質來配重，并保持重心處于較低位置，可以使導管組合能夠順利到達目標入泥深度以獲得足夠的地層承載能力，導管安裝完成后，錨桿由錨鏈上提至拖船重復使用，鰭則用來提高表層導管側向摩擦力和抗彎剛度，以滿足超深水隔水管作業需求。

魚雷錨固工藝安裝表層導管由工作船、駁船和拖船共同來完成作業 （見圖4），其最大的優點在于導管安裝過程土體不受鉆孔或水力噴射擾動影響，使得表層導管能獲得更好的承載能力，滿足安全作業要求。但對于此工藝中關鍵的錨桿配重、導管自由下落高度參數設計未見文獻報道，需做進一步的研究，同時由于整個導管組合部分由錨鏈下放，給組合裝置的控制作業帶來了較大的難度。

圖2 表層導管固井最危險工況示意圖（插入式內管柱固井）

圖3 表層導管魚雷錨

圖4 隔水導管魚雷錨固作業過程示意圖

5 深水表層導管下入方式適應性分析

根據對上述3種表層導管下入方式的分析，它們的作業特點和適應性的對比分析如表1所示。從表1中可以看出，鉆入法對深水鉆井表層導管下入適應性不強，噴射法和魚雷錨固法對深水區表層導管安裝作業有好的適應性，且噴射法比魚雷錨固法有較好的經濟性。

表1 海上鉆井表層導管下入方式適應性對比分析表

6 結論及建議

1）鉆入法不適宜深水鉆井表層導管安裝作業，但對淺層土質不排水抗剪強度大于200k Pa的深水區來說，鉆入法是一種可行的選擇。噴射法和魚雷錨固法對深水鉆井表層導管安裝作業具有較好的適應性，且在深水作業現場取得了良好的應用效果，噴射法比魚雷錨固法應用范圍更廣。

2）噴射法具有作業時效高、操作方便和作業工具少等特點，對深水鉆井表層導管安裝作業具有很好的適用性，可應用于我國南海深水鉆井作業；魚雷錨固法對海底淺層非常松軟的地層具有很好的適應性，可獲得足夠的地層承載能力，但由于其下入方式復雜，需要的輔助船舶和工具多，因此經濟性和操作性較差。

3）深水鉆井表層導管的安裝關系到水下井口穩定性和鉆井作業的安全性，無論選擇何種下入方式，都要求導管在安裝最終到位及鉆井作業過程中能夠有足夠的支撐力，這就要求對深水海底淺層土體承載能力和導管的入泥深度有深入的分析，目前關于這方面的研究主要集中在墨西哥灣和巴西深水海域，我國要開發南中國海深遠海區塊的油氣資源，有必要對海底淺層土力學參數進行充分的調查和試驗研究，以保證深水淺層鉆井作業安全高效的進行。

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