深水鉆井表層套管固井井口穩定性及防下沉實踐

張春杰　羅俊豐　葉吉華　嚴　德　田　崢（.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58067；.中海油能源發展股份有限公司工程技術深圳分公司　58067）

深水鉆井表層套管固井井口穩定性及防下沉實踐

張春杰1羅俊豐1葉吉華1嚴德2田崢1
（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術深圳分公司518067）

深水表層土壤松軟，導管通常采取噴射的方式下入，井口徑向穩定性能薄弱，尤其在深水新區塊探井海底地質情況不明確、淺層土質強度參數不準確的情況下，水下井口徑向穩定性問題尤為重要。為提高水下井口徑向載荷的穩定性，針對現場作業中表層套管在固井前循環及注水泥固井期間出現的井口下沉現象，進行導管在表層套管固井期間的徑向受力情況分析，結合現場作業實踐，提出了防止井口下沉的方法，并且在作業實踐中得到了成功應用，提高了水下井口徑向載荷的穩定性，有效促進了深水表層作業的順利、安全進行，保證了深水鉆井的安全性。

深水鉆井；固井；表層套管；井口下沉；井口徑向載荷穩定性

由于深水表層土質疏松，且井口載荷大，水下井口穩定性是深水鉆井作業安全的薄弱環節，尤其采用噴射法下入的導管-水下井口系統，導管外壁沒有水泥環，承載能力更弱［1］。國內外深水鉆井作業實踐中，曾多次出現在表層套管固井前循環及注水泥漿過程中水下井口下沉的案例［2-3］。井口下沉給后期的鉆完井作業帶來很多危害，嚴重的可能導致井眼報廢，帶來上億元的經濟損失。目前，針對深水鉆井水下井口徑向載荷穩定性的研究主要集中在入泥深度設計［4-6］、作業參數選擇和橫向抗彎能力校核等方面［7-8］。以噴射法下入導管為例，通過理論研究和現場作業分析，對表層套管固井前循環及注水泥漿過程中水下井口力學模型和井口下沉原因進行了分析，提出了解決措施。

1　力學模型分析

1.1導管解脫送入工具后受力分析

導管噴射下入到位解脫送入工具后，在垂直向上方向，導管受地層側壁和端部阻力作用，由于導管端部截面積小，為安全考慮，在計算時忽略端部阻力的影響；在垂直方向，導管受防沉板、低壓井口頭、送入工具下接頭及其本身自重作用，如圖1所示。為保證在該工況下表層導管不發生下沉，需滿足公式

圖1　導管解脫送入工具后受力分析

式中，Qx為表層導管解脫送入工具時刻獲得的向上作用力，kN；Gx為表層導管解脫送入工具時刻受到的向下作用力，kN。

1.2表層套管固井期間受力分析

根據井身結構的不同，表層套管固井工藝有內管柱法和水下釋放膠塞法。表層套管外徑為508mm時，采用內管柱法固井工藝，如圖2（a）所示。表層套管外徑為339.72 mm時，采用水下釋放膠塞法固井工藝，如圖2（b）所示。

圖2　表層套管內管柱法、水下釋放膠塞法固井

在垂直向上方向，導管受到地層側壁阻力、端部阻力和固井管柱徑向上提載荷作用，由于導管端部截面積小，為安全考慮，在計算時常忽略端部阻力的影響；在垂向向下方向，導管受到水下井口、防沉板，固井管串、表層套管和固井水泥漿和自重作用，為保證在該工況下表層導管不發生下沉，需滿足公式

式中，Qc、Gc分別為表層導管在二開固井最危險時刻獲得的向上作用力和受到的向下作用力，kN。

表層套管及固井水泥漿的重量計算需考慮井斜和浮力的影響。具體計算公式為

式中，Wc、Ws分別為套管、固井水泥漿重量，kN；L0、Ln分別為表層套管垂直段、第n個井斜段長度，m；L為表層套管總長度，m；α為表層套管井斜段井斜角，°；λc為表層套管線重度，kN/m；ρs為水泥漿密度，kg/m3；D為表層套管段井徑，m；d為表層套管外徑，m；β為水泥漿體積系數，根據鉆井設計，常取為1.5~2.0；kb1、kb2分別為表層套管、水泥漿浮力系數。

對比圖2，以表層套管下入深度為500 m為例，采用?339.72 mm套管水下釋放膠塞法時套管柱內水泥漿重量是?508 mm套管內管柱法時的6倍。因此，采用水下釋放膠塞法固井時容易發生井口下沉危險。此外，表層套管固井前循環時，由于井眼環空中的鉆井液被替換成海水，套管柱浮力系數減小，施加在井口的套管柱浮重增加，增加了井口下沉的風險。如：套管柱密度 7.85 g/cm3，鉆井液密度1.25 g/cm3，海水密度1.03 g/cm3。固井循環前，套管柱浮力系數為0.85，固井循環后，套管柱浮力系數為0.87，套管柱施加在井口的浮重增加1.04倍。

2　作業案例分析

南海流花深水區塊LH28-2-X井水深700 m，?762 mm導管采用噴射法下入，入泥深度81.7 m，二開?339.72 mm表層套管鞋深1 500 m，采用水下釋放膠塞法固井。固井循環前鉆井液密度1.22 g/cm3，海水密度1.03 g/cm3，首、尾水泥漿密度1.5 g/cm3，水泥漿體積附加量100%，固井前置液和混合水密度與海水相同。套管坐掛到位后大鉤懸重1 333.56 kN。套管坐掛到位循環一個遲到時間45 min，泵注水泥漿速度0.79 m3/min，頂替水泥漿45 min。計算得到固井過程中施加在水下井口的載荷變化量見表1。

如表1所述，在表層套管固井前循環到固井泵注水泥漿作業過程中，井口載荷逐步增大，在水泥漿首漿出套管鞋時，井口載荷達到最大。為確保在表層套管固井期間有足夠的徑向載荷，提高井口的穩定性，LH28-2-X井采取了以下措施。

表1　固井過程中水下井口的載荷變化量和大鉤懸重調整值

（1）套管坐掛到位后進行循環，此過程中表層套管與井眼間環空內鉆井液被循環替換為海水，表層套管柱受到的浮力減小。現場逐漸增加大鉤懸重，每15 min增加22.22 kN，循環一個遲到時間時后保持懸重為1 472.07 kN。

（2）固井泵泵注前置液及混合水剪切膠塞過程中，由于前置液及混合水與海水密度相同，套管柱所受浮力不變，保持大鉤懸重不變。

（3）泵注水泥過程中，表層套管內環空海水被替換為高密度水泥漿，重量增加。增加大鉤懸重，每泵入4.77 m3水泥漿，大鉤懸重增加22.22 kN，直至水泥漿出套管鞋時，懸重達最危險值1 802.31 kN。

（4）水泥漿進入表層套管外環空，因表層套管與井眼間環空內海水被頂替為高密度水泥漿，套管柱所受浮力增加。逐漸釋放大鉤懸重，每泵入4.77 m3水泥漿，減小24.45 kN，直到水泥漿返出到泥線，懸重達1 459.63 kN，繼續泵完水泥漿，保持懸重不變。

（5）海水頂替水泥漿期間，表層套管內環空水泥漿被頂替為海水，重量減小，逐步釋放大鉤懸重至頂替結束，每5 min減小35.56 kN，最終為1 129.39 kN。

該井在表層套管固井期間按照理論計算實時調整大鉤懸重，作業安全平穩，未發生水下井口徑向下沉失穩現象。

3　防止井口下沉的應對措施

根據深水鉆井導管在表層套管固井期間力學模型分析，為防止井口下沉，在設計階段，應充分考慮深水海底淺層土質強度參數的不精確性，提高導管設計入泥深度。在作業階段，應根據表層套管固井前循環和固井泵注水泥漿作業流程，分析施加在井口的徑向載荷變化情況，實時調整大鉤懸重，避免增加的載荷作用到井口上，提高井口的徑向穩定性。

（1）固井前循環時，逐漸增加大鉤懸重，增加值為套管外環空鉆井液被循環替換為海水密度減少所造成的套管串的浮力減少值。

（2）固井泵注前置液及混合水剪切套管下膠塞過程中，一般情況下前置液及混合水與海水密度相近，可以保持懸重不變。

（3）泵注水泥漿過程中，套管內低密度海水被替換為高密度的水泥漿，因此需要增加大鉤懸重，增加值為套管柱內水泥漿與被替換的海水間浮重的差值，直至水泥漿被頂替出套管鞋。

（4）水泥漿進入裸眼環空后，套管外環空低密度海水被替換為高密度的水泥漿，套管柱所受到的浮力逐漸增加、浮重減少，因此可以逐步釋放大鉤懸重至套管柱浮重。

此外，在坐水下防噴器組到井口時，由于防噴器組重量高達2 000~4 000 kN，會給水下井口施加極大的載荷。因此，需要對表層套管固井水泥環承載力進行校核分析，保證水下井口獲得了足夠的徑向承載力，并且需要通過隔水管張力系統承擔隔水管串及部分防噴器組的重量，減少水下井口的載荷。

4　結論

水下井口徑向穩定性是深水鉆井作業安全的薄弱環節。為防止在表層套管固井期間發生井口徑向下沉失穩，尤其是表層套管采用水下釋放膠塞法固井工藝時，可根據海底淺層土質強度情況增加導管的入泥深度設計，并根據表層套管固井前循環和固井泵注水泥漿作業流程，分析施加在井口的徑向載荷變化情況，實時調整固井大鉤懸重，避免增加的徑向載荷作用到井口上，提高水下井口的徑向穩定性。

［1］YANG JIN, YAN DE, TIAN Ruirui. Bit stick-out calculation for the deepwater conductor jetting technique［J］. Petroleum Exploration and Development, 2013, 40（3）: 394-397.

［2］BECK R D, JACKSON C W, HAMILTON T K. Reliable deepwater structural casing installation using controlled jetting［R］. SPE 22542, 1991.

［3］楊進，曹式敬.深水石油鉆井技術現狀及發展趨勢［J］.石油鉆采工藝，2008，30（2）：10-13.

［4］劉正禮，唐海雄，王躍曾，等.深水噴射導管實用設計方法［J］.長江大學學報：自然科學版，2010，7（1），189-191.

［5］劉書杰，楊進，周建良，等.深水海底淺層噴射鉆進過程中鉆壓與鉆速關系［J］.石油鉆采工藝，2011，33（1）：12-15.

［6］唐海雄，羅俊豐，葉吉華.南海超深水噴射鉆井導管入泥深度設計方法［J］.石油天然氣學報，2011，33（3）：147-151.

［7］管志川，蘇堪華，蘇義腦.深水鉆井導管和表層套管橫向承載能力分析［J］.石油學報，2009，30（2）：285-290.

［8］張輝，高德利，唐海雄.深水導管噴射安裝過程中管柱力學分析［J］.石油學報，2010，31（3）：516-520.

（修改稿收到日期2014-12-31）

〔編輯宋宇〕

Wellhead radial stability and anti-sinking practices of surface casing cementation of deepwater drilling

ZHANG Chunjie1, LUO Junfeng1, YE Jihua1, YAN De2, TIAN Zheng1
（1. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China; 2. Engineering Technology Shenzhen Branch, CNOOC Energy Technology & Services Limited, Shenzhen 518067, China）

The deepwater surface soil is loose and soft, the pipe is lowered by ejection generally, and the wellhead radial stability performance is weak. In particular, when the subsea geology of well exploration in the deepwater new block is not clear and the intensity parameters of superficial layer soil are inaccurate, the radial stability of underwater wellhead is especially important. In order to improve the stability of radial load of underwater wellhead, based on the wellhead sinking of surface casing during the circulation before cementation and during the cementing period in the site operation, the radial stress of pipe during the surface casing cementation period is analyzed; furthermore, according to the site operation practices, the method for wellhead sinking prevention has been raised and successfully applied in the operation practices. It improved the stability of radial load of underwater wellhead, effectively promoted the smooth and safe deepwater surface layer operation, and guaranteed the safety of deepwater drilling.

deepwater drilling; cementing; surface casing; wellhead sinking; wellhead radial load stability

TE925

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0053 – 03

10.13639/j.odpt.2015.01.013

國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究”（編號：51434009）；“深水鉆井表層導管噴射鉆進機理研究”（編號：51274223）。

張春杰，1972年生。1994年畢業于重慶石油高等專科學院鉆井工程專業，碩士研究生，主要從事深水鉆完井研究工作，中級工程師。電話：13528704073。E-mail：zhangchj9@cnooc.com.cn。

引用格式：張春杰，羅俊豐，葉吉華，等. 深水鉆井表層套管固井井口穩定性及防下沉實踐［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：53-55，63.