深水鉆井水下井口穩(wěn)定性研究進展*

楊 進 李文龍 胡志強 殷啟帥 李舒展

（1.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室 北京 102249； 2.中國石化石油工程技術(shù)研究院 北京 100101）

自1947年美國首次提出水下井口概念以來，水下生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展并逐步應(yīng)用于深水油氣開發(fā)領(lǐng)域［1］。水下井口裝置是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要包括套管、套管頭、井口套、套管懸掛器和密封總成等［2］。安裝井口后可以實現(xiàn)對套管的懸掛和密封，通過回接隔水管連接水下防噴器和浮式鉆井平臺，在平臺上就可以實現(xiàn)井底的壓力控制。隔水管的安裝在二開固井后、三開鉆進開始前，必須通過鉆具來實現(xiàn)遠程安裝，使其坐封于表層導管和表層套管上。深水淺層水下井口的安裝是鉆井成敗的關(guān)鍵，在井口安裝前后，均必須保證表層導管及表層套管的橫向、豎向穩(wěn)定，才能實現(xiàn)后續(xù)鉆進作業(yè)的安全。如何保證井口快速準確地安裝，又能保證其穩(wěn)定性滿足要求，對于降低鉆井成本，保障深水淺層建井安全具有非常重要的意義。

本文對水下井口安裝過程中出現(xiàn)的主要問題進行了分析，并對近年來國內(nèi)外井口穩(wěn)定性研究進展進行了總結(jié)，對提高井口穩(wěn)定性的特殊井口裝置系統(tǒng)進行了分析，以期為我國深水鉆井井口穩(wěn)定性研究提供參考。

1 水下井口安裝可能出現(xiàn)的問題

1）井口下沉。深水淺層地層成巖性差，地層強度低［3］。如果地層承載力不足，或者井口承受的載荷大于設(shè)計載荷，那么可能會導致井口下沉，或表層導管出泥高度不夠，給后續(xù)井口設(shè)備的安裝帶來困難，甚至導致井眼報廢。2014年，西非某深水井采用噴射法安裝表層導管過程，發(fā)生表層導管下沉事故，給后續(xù)鉆井作業(yè)帶來困難，造成巨大經(jīng)濟損失［4］。

2）井口傾斜。隔水管安裝后，由于浮動鉆井平臺的漂移或環(huán)境載荷的影響，隔水管傳遞給井口較大的橫向、豎向載荷，在復雜載荷的共同作用下，導管可能會發(fā)生較大橫向彎曲變形，導致井口的垂直度不足，甚至可能導致嚴重的井口傾斜或者傾覆。

3）井口下入不到位。在表層導管噴射下入過程中，如果由于噴射參數(shù)設(shè)計不當，或者對地層參數(shù)的預(yù)測有偏差，可能會導致表層導管下入阻力過大，無法下至設(shè)計深度。一方面，無法保證其足夠的豎向承載力；另一方面，導致表層導管出泥高度過高，橫向穩(wěn)定性差，給井口的穩(wěn)定性埋下長期的隱患。

2 井口穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

2.1 豎向穩(wěn)定性

井口的豎向穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在，是否會出現(xiàn)由于豎向承載力不足引起的井口下沉問題，當表層導管的豎向摩擦力小于井口的載荷時，就會引起豎向下沉［5］。井口下沉可能出現(xiàn)在噴射作業(yè)結(jié)束后送入工具解脫時，和下入套管后固井作業(yè)時。表層導管受力如圖1所示，在進行豎向穩(wěn)定性分析時，一般不考慮水平受力的影響。噴射完成后，為了繼續(xù)鉆進需要解脫送入工具，此時，噴射完成后承載力較小，井口載荷全部由表層導管承擔，載荷包括導管濕重、井口頭濕重、防塵板濕重和送入工具濕重。另一方面，在二開固井時一般被認為是井口最危險工況，此時井口載荷最大，固井還未完成，僅由表層導管提供承載力，且承載力還沒有恢復到足夠大。其中，豎向最大載荷包括：井口豎向載荷、表層導管濕重、井口頭濕重、防沉板濕重、表層套管濕重、固井管柱濕重、固井水泥漿濕重、表層套管送入工具濕重等。而表層導管極限承載力與時間、地層抗剪強度、導管尺寸有關(guān)，可表示為［4］

式（1）中：F為表層導管極限承載力，k N；D為導管外徑，m；Su為地層原始不排水抗剪強度，kPa；A為表層導管橫截面積，m2；q為導管底部單位面積的樁端阻力，kPa，由于表層導管橫截面積相對于側(cè)面面積來說較小，一般樁端阻力可以忽略；αt為土體排水抗剪強度的恢復力系數(shù)，無量綱；L為表層導管長度，m。

圖1 導管豎向受力圖Fig.1 Vertical force of conductor

Jeanjean［6］根據(jù)分析已有的噴射下導管的承載力數(shù)據(jù)，第1次給出了恢復力系數(shù)的經(jīng)驗公式為

式（2）中：t為等待時間，d。后來的學者多沿用此公式進行表層導管噴射承載力的計算。

周波等［7］考慮排量、鉆頭伸出量等因素，對表層導管的實時承載力模型進行了如下改進：

式（3）中：V0為最小噴射破土及攜巖排量，m3／min；V為表層導管下入過程平均排量，m3／min；di為表層導管內(nèi)徑，m；do為表層導管外徑，m；l為噴射安裝表層導管過程鉆頭伸出量，m；θ為水射流擴散角，（°）；t為表層導管靜置時間，h。

影響豎向穩(wěn)定性的主要參數(shù)主要有：

1）抗剪強度。抗剪強度是表層導管設(shè)計時的關(guān)鍵參數(shù)之一，可以根據(jù)隨鉆測量資料和淺層土質(zhì)調(diào)查資料獲得［8-9］?？辜魪姸葏?shù)將會直接影響表層導管的豎向承載力，也是后續(xù)橫向承載力計算的基礎(chǔ)?？梢酝ㄟ^土質(zhì)調(diào)查資料擬合獲得抗剪強度上限、下限、設(shè)計抗剪強度，一般可以獲得抗剪強度隨深度變化的線性擬合方程，再根據(jù)設(shè)計抗剪強度計算表層導管極限承載力。

2）表層導管入泥深度。一般來說，入泥深度過小，可能會引起承載力不足，因此，最小入泥深度是深水淺層鉆井最重要的參數(shù)之一，在噴射作業(yè)前都會根據(jù)臨井數(shù)據(jù)進行導管最小入泥深度的設(shè)計。另一方面，入泥深度越大，豎向承載力越大，但是如果入泥深度過深，可能會導致噴射不到位。我國南海大部分深水井井口入泥深度在60～90 m。許云錦等［10］計算了表層導管的最小和最大入泥深度，提出設(shè)計表層導管的入泥深度應(yīng)該在這一范圍內(nèi)。陸續(xù)有學者分析了不同工況下的表層導管入泥深度［11-18］。

3）靜置時間。靜置時間包括2個，一是導管送入工具解脫時的靜置時間，二是固井前的靜置時間。根據(jù)上述分析，淺層土質(zhì)在噴射后，抗剪強度會隨著時間的變化而緩慢恢復。如果靜置時間過短，承載力不足，可能引起導管下沉；如果靜置時間過長，則降低作業(yè)時效，增加經(jīng)濟成本［19］。Zhou Bo等［20］通過實例分析，計算不同時間導管承載力與工況載荷，得出表層導管噴射到位后至送入工具解脫前的靜置時間應(yīng)不少于3 h，噴射到位后至二開套管固井前的靜置時間應(yīng)不少于120 h。

4）導管參數(shù)。深水常用表層導管包括φ914.4 mm×25.4 mm，φ762 mm×38.1 mm，φ762 mm×25.4 mm，φ762 mm×38.1 mm，一般在淺部安裝2～3根壁厚38.1 mm的導管，由于其抗彎剛度大，可以抵抗較大彎矩，深部安裝壁厚25.4 mm的導管。根據(jù)公式，φ914.4 mm表層導管要比φ762 mm表層導管的承載力更大，但是其自重的區(qū)別不大，所以外徑大的表層導管，承載力會明顯提高；壁厚大的表層導管，承載力比同外徑壁厚小的表層導管要略小。在Campus盆地超過2 000 m水深鉆探時，噴射鉆φ762 mm導管時出現(xiàn)導管旋轉(zhuǎn)問題，導致井口不穩(wěn)定，通過使用φ914.4 mm導管才解決這個問題［21］，導管旋轉(zhuǎn)問題雖然不是豎向穩(wěn)定性的范疇，但也是由于環(huán)向側(cè)摩阻力小于井口載荷而引起的，可以通過增大導管外壁面積來避免。

5）其他。除了以上參數(shù)，鉆頭伸出量［7，22］、水力參數(shù)［23-24］、鉆壓鉆速［25］等均可對井口承載力產(chǎn)生影響，都需要進行優(yōu)化設(shè)計。

2.2 橫向穩(wěn)定性

橫向穩(wěn)定性問題主要是指井口在巨大的彎矩、軸向力、橫向力載荷下，有可能出現(xiàn)較大橫向偏移，甚至引起井口傾覆。橫向失穩(wěn)主要發(fā)生在防噴器和隔水管安裝以后，表層導管、表層套管、固井水泥共同作為承載對象。相比于豎向穩(wěn)定性，套管柱的橫向受力更為復雜，如圖2所示。

圖2 深水鉆井導管和表層套管受力示意圖Fig.2 Deep water conductor and surface casing force diagram

蘇堪華［26］對水下井口的穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)的研究，考慮了隔水管頂張力、鉆井船漂移、鉆井液密度、導管尺寸等眾多參數(shù)的影響。管志川等［27］根據(jù)受力平衡關(guān)系給出了表層導管經(jīng)典橫向撓曲方程為

式（4）中：EI為套管柱的抗彎剛度，k N·m2；N為套管柱所受軸向力，k N；p為橫向單位面積地基反力，k N·m2；D為套管柱的外徑，m。需要注意的是，分析井口的橫向穩(wěn)定性時必須考慮豎向軸力的變化，軸力變化可以根據(jù)上節(jié)中豎向承載力來計算。對于橫向地基承載力，不同的樁土接觸力類型對應(yīng)不同的計算方法，常用的是彈塑性地基反力法，又稱p-y曲線法。由于它可以描述管柱和淺層土之間的非線性特征，比其他方法更準確分析管柱的橫向承載力。在沒有試驗資料的情況下，可以參考該規(guī)范提供的理論公式計算黏土、砂土的p-y曲線。通過計算發(fā)現(xiàn)，表層導管所受彎矩、橫向剪力隨著深度迅速下降，表層導管的彎矩、橫向偏移主要集中在泥線以下30 m以內(nèi)［27］。

影響橫向穩(wěn)定性的主要參數(shù)主要有：

1）導管參數(shù)的影響。由于大直徑大壁厚導管的抗彎剛度大，在受彎發(fā)生橫向偏移時，顯然其受到的橫向承載力也越大，在承受外載時，橫向偏移和轉(zhuǎn)角越小，管志川等［27］的計算結(jié)果也證實了這一點。

2）井口出泥高度的影響。管志川等［27］的研究結(jié)果表明，井口距泥線距離越高，管柱的橫向位移及彎矩越大，所以海底泥線處的沖刷對套管的橫向承載力有很大影響。張偉國等［28］提出了導管允許高度與井口傾斜角相互關(guān)系的計算方法和模型，以表層導管或表層套管屈服為極限條件，通過數(shù)值模擬得出了隨著井口傾斜角的增加，井口出泥高度隨之下降，且二者之間近似二次曲線關(guān)系。即井口高度越大，井口穩(wěn)定性越差，越容易引起表層導管的橫向失效。

3）樁土接觸模型的影響。Wang Yanbin等［29-30］通過ABAQUES軟件，在計算軸向力時考慮庫倫摩擦模型和古德曼單元接觸模型，計算橫向穩(wěn)定性時考慮接觸力學法和接觸面單元法，得出不同接觸模型會對計算結(jié)果產(chǎn)生影響，建議使用不同的接觸模型來計算井口承載力性，以獲得相對保守和安全的設(shè)計。

Yan Wei等［31］根據(jù)應(yīng)用樁基礎(chǔ)理論，計算了樁土作用非線性彈簧單元的D-F參數(shù)。利用APDL語言連續(xù)分配不同深度土體的非線性彈簧參數(shù)，可以很好地模擬土體變形后的力學性質(zhì)。

4）隔水管頂張力的影響。在防噴器安裝到位后，平臺偏移量一定的情況下，只能通過控制頂張力來控制軸向載荷，影響井口穩(wěn)定。周榮鑫等［32］通過分析隔水管頂張力對水下井口受力和橫向位移的影響，得出提高隔水管頂部張緊力可以進一步改善隔水管和水下井口的變形和受力狀況，在深水現(xiàn)場鉆井作業(yè)中，設(shè)置1.0～1.5倍張力比有利于提高水下井口系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但未考慮鉆井船偏移的影響。通過ANSYS軟件模擬，得出鉆井船偏移增大后，高的張力比會急劇增大井口的橫向位移、轉(zhuǎn)角和管身最大彎矩，易造成井口側(cè)翻。因此，當鉆井船偏移量增大時，建議適當降低隔水管頂部的張力，以降低井口側(cè)翻的風險。

5）環(huán)境載荷的影響。Lin Xiujuan等［33］根據(jù)海洋環(huán)境力和材料力學理論，建立了海底井口綜合力學穩(wěn)定性分析方法，研究了安裝采油樹后井口力學行為，結(jié)果表明水下井口穩(wěn)定性受海水阻力系數(shù)、海流流速的影響較大，隨著海水阻力系數(shù)、海流速度的增加，套管柱的位移和剪力明顯增大。因此，為了提高井口穩(wěn)定性，需要獲得目標區(qū)域的準確的環(huán)境參數(shù)。

6）其他參數(shù)。同時，井口橫向穩(wěn)定性還受到固井水泥返高、土質(zhì)類型、導管材質(zhì)、工作水深、靜置時間等因素的影響，在此不做一一分析。

3 特殊井口裝置系統(tǒng)

3.1 水上防噴器系統(tǒng)

水上防噴器技術(shù)將防噴器放置在水面以上，甲板位置以下，水下井口通過隔水管回接至鉆井平臺。使用水上防噴器時，有利于維修保養(yǎng)防噴器及配套設(shè)施，降低了對鉆井平臺性能的要求。同時，與傳統(tǒng)的水下防噴器使用的φ533.4 mm隔水管相比，水上防噴器使用φ339.7 mm或φ298.5 mm等尺寸更小的隔水管系統(tǒng)，其配置和操作更輕、更簡單，受到的浪、流載荷也更?。?4］。國外已經(jīng)在墨西哥灣、巴西、埃及等海域有過成熟的應(yīng)用經(jīng)驗。

蘇堪華等［35］分析了使用水上防噴器時水下井口的穩(wěn)定性，結(jié)果表明：采用水上防噴器系統(tǒng)，導管下入深度可以比常規(guī)隔水管系統(tǒng)淺，橫向偏移和彎矩也會比常規(guī)隔水管系統(tǒng)要小。但是目前還沒有見文獻報道在國內(nèi)深水鉆井中使用過，隔水管尺寸與常規(guī)隔水管也不一致。

3.2 吸力樁井口基礎(chǔ)裝置

圖3 NEODrill公司生產(chǎn)的吸力樁井口基礎(chǔ)Fig.3 Suction pile wellhead foundation produced by NEODrill

吸力樁基礎(chǔ)具有承載力大、安裝便捷等優(yōu)點，在海洋油氣田開發(fā)過程中，常使用吸力樁基礎(chǔ)作為系泊系統(tǒng)、水下生產(chǎn)系統(tǒng)及自安裝式平臺的樁基［36-37］，吸力樁井口基礎(chǔ)是一種特殊的錨式結(jié)構(gòu)，由一個開口向下的圓柱形外殼和一個同心導向管組成，如圖3通過泵出筒內(nèi)海水，造成負壓實現(xiàn)安裝。導向管在安裝過程中對導管起導向作用，安裝完成后對導管起機械支撐作用，使導管具有較高的橫向承載能力和抗彎剛度［38］。吸力樁井口基礎(chǔ)相比常規(guī)井口基礎(chǔ)，節(jié)省了噴射下導管的時間，井口更加穩(wěn)定，且可以回收，實現(xiàn)循環(huán)利用。同時在樁體內(nèi)部可以預(yù)斜一定角度，適用于深水淺層，特別是深水淺部地層的水平井鉆進［39-40］。

目前，吸力樁井口基礎(chǔ)已經(jīng)在挪威等海域?qū)崿F(xiàn)了成功安裝使用，未來這種井口基礎(chǔ)有望在國內(nèi)深水海域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

3.3 組合導管基礎(chǔ)裝置

Kan Changbin等［41］設(shè)計了一種導管組合結(jié)構(gòu)，該組合導管結(jié)構(gòu)由導管和桶型基礎(chǔ)構(gòu)成，桶型基礎(chǔ)的直徑和高度均約為6 m，如圖4所示。該裝置通過噴射法一起下入，通過桶型基礎(chǔ)頂部的閥門排出裝置內(nèi)部的海水，噴射作業(yè)完成后可以直接進行后續(xù)鉆進作業(yè)，從而節(jié)省了導管靜置時間。井口橫向載荷主要由桶型基礎(chǔ)承擔，豎向載荷由導管承擔。由于增大了土體與結(jié)構(gòu)的接觸力面積，同時在下入過程中會產(chǎn)生一定的土堵效應(yīng)，豎向承載力也將得到提高；另一方面，由于土體與桶型基礎(chǔ)的接觸面積較大，上部土體的水平阻力也會增大，橫向承載力也會改善。通過模擬和實驗研究了該組合導管基礎(chǔ)的承載能力，結(jié)果表明：豎向力和彎矩均影響導管頂部的橫向位移，但彎矩對橫向位移的影響比豎向力的影響更為顯著。但是在安裝前，需要對桶型基礎(chǔ)的安裝位置進行優(yōu)化設(shè)計，避免導管無法下入到預(yù)定位置的情況。

圖4 組合導管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of composite conductor foundation

3.4 導管承載力加強裝置

Su Kanhua等［42-43］研制了一種表層導管承載力加強裝置，如圖5所示，該裝置的裝配與下入過程與組合導管基礎(chǔ)原理相似，但是外徑與阻隔導管的桶型基礎(chǔ)小很多，變化范圍在1.2～1.5倍的導管外徑，長度為3～6 m。因此，通過計算分析了該裝置的承載力特性，結(jié)果表明：安裝該裝置后套管柱的抗彎剛度大大提升，比單純增加導管壁厚更有利于提升橫向承載力，且安裝了該裝置的導管的頂部側(cè)向位移比未安裝該裝置時大大降低。該裝置直徑較小，在隨導管噴射下入過程中，由于深水淺層土質(zhì)松軟，有可能會引起井眼的坍塌，應(yīng)通過實驗研究在噴射貫入過程中，該裝置是否會引起井眼的不穩(wěn)定。

圖5 承載力加強裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of strengthening device for bearing capacity

4 結(jié)論與建議

1）井口穩(wěn)定性仍然是影響深水鉆井安全高效的一大難題，井口橫向承載力和豎向承載力模型受等待時間、導管尺寸、導管下深、井口出泥高度、地層參數(shù)等因素影響較大，特殊工況下非常規(guī)井口裝置系統(tǒng)對提升井口穩(wěn)定性具有較好的應(yīng)用價值，是未來發(fā)展的趨勢。

2）建議加強深水油氣鉆探淺層地質(zhì)災(zāi)害（淺層氣、淺層流、水合物）對井口穩(wěn)定性影響研究，以及特殊工程地質(zhì)條件下的井口穩(wěn)定性問題研究，以期為深水鉆井井口穩(wěn)定性提供安全保障。