深水吸力樁新型表層建井技術適應性分析

劉正，劉和興，同武軍，鄭金龍，趙維青，趙新

1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司深水鉆采技術公司（廣東湛江 524057）

2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司（廣東湛江 524057）

3.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室（北京 102249）

0 引言

當前國內深水井表層建井為表層導管噴射建井，技術手段單一，對于深水崎嶇海底建井、淺埋深目的層建井、水合物開發建井等情況表現為不適應，深水井建井將面臨技術瓶頸，工程原因將導致部分井不具備作業條件[1]。噴射建井面臨的技術挑戰如下：

1）井場調查要求高。噴射導管入泥深度70 m左右，需獲取海底以下70 m深度范圍內的井場調查數據。對于超深水井或海底傾角大的深水井，井場調查物探船的作業能力及CPT（靜力觸探試驗）設備的作業條件受到挑戰，無法獲取準確的井場調查數據，深水淺部地層差異性大，鄰井的淺層地層強度數據并不能完全代表作業井，作業未知因素增加，表層建井風險較高。

2）噴射作業擾動大。受作業摩阻影響，噴射過程需來回活動管柱，防止管柱粘卡，對淺層土壤擾動較大，作業風險增加。我國南海當前已作業的部分井井點處于邊坡或過渡帶附近，淺層土質情況復雜，結合軟件模擬分析，大的擾動可能會觸發海底滑坡，井口穩定性控制難度大、壓力高，噴射建井存在不適應性。

3）噴射導管地層承載力小，井身結構要求高。噴射建井Φ914.4 mm 導管不能夠完全提供足夠的承載力，需Φ508 mm 表層套管提供額外的承載力，井身結構優化受限。為確保有足夠的承載力，保障作業安全，噴射作業需固化2 層次套管結構。對于埋深較淺的地層井身結構無優化空間，導致建井周期及投資費用增加[3]。表層套管固井質量的要求高，增加作業控制（表層套管固井水泥返高及固井質量）的難度。

4）導管入泥深度要求高。結合不同井淺層土質特點及井口穩定性對承載力的要求，各井噴射入泥深度不同。噴射入泥深度過淺，噴射導管地層承載力不足的風險高；噴射入泥深度過深，導管串粘卡及噴射不到位的風險高，且處理手段有限[4]。為確保作業安全，每一口深水井均需要開展井口穩定性專題分析，確定導管噴射入泥深度。不合適的導管入泥深度，將會導致井口下沉或井口頭海底突出過長。

國內自營深水井表層建井工藝單一，吸力樁表層建井技術適應性好，可較好地解決當前噴射建井面臨的技術難題，具有較大的使用價值和推廣價值。

為適應南海自營深水井大開發的需求，拓展深水井作業范圍，以盡早解決國內海洋深水油氣資源勘探開發過程中的技術瓶頸問題。

1 深水吸力樁建井技術介紹

1.1 吸力樁建井技術

吸力樁表層建井技術最早由挪威提出并成功應用，形成相關技術標準。吸力樁是一個底部鏤空的大圓筒，圓筒中間是一個中心孔，將整個設備下至海底泥線附近，通過作業參數控制吸力樁貫入到設計深度。

吸力樁建井技術2006年開始使用，主要由國外公司提供相關技術服務，累計完成近20口井的吸力樁表層建井，作業過程較順利，井口穩定性良好。

1.2 吸力樁建井作業流程

鉆井船到達井位前，吸力樁通過動力定位工作船或拖輪等進行安裝，不占用鉆機時間。

吸力樁貫入及回收過程如圖1 所示，吸力樁建井流程：吸力樁加工及建造→吸力樁運輸→吸力樁裝船及固定→吸力樁下入→吸力樁貫入及調整→回收吸力樁相關工具→復原。

圖1 吸力樁貫入及回收示意圖

吸力樁吸入過程：吸力樁接觸海床，松軟土質條件下吸力樁會深入海床5～6 m后停止。水下機器人（ROV）動泵吸出吸力樁內部扣住的海水，吸力樁表面上下產生壓差，通過調節吸力泵壓力，使吸力樁貫入到海床以下設計深度。

吸力樁可重復性較好，通過給吸力樁注水充壓，實現吸力樁的重復利用。

吸力樁回收過程：通過水下機器人給吸力樁充壓，啟動泵向吸力樁內部灌注海水，吸力樁往上部運動推動吸力樁至入泥深度60%左右，依靠工作船吊機上提取出吸力樁。

1.3 吸力樁的種類

結合不同吸力樁的適用性，吸力樁根據建井方式不同分為四種：吸力樁中心管、吸力樁中心管及導管、吸力樁中心管及預斜導管、吸力樁中心管及套管，詳見表1。

1.4 吸力樁建井資源

吸力樁建井需要用到的工具有：導管或套管、井口頭、防噴器導桿插座、水平儀、聲學測量裝置、水下吸力泵、吊鎖、卸扣、吊耳、水下機器人可操作的升降鎖套等，使用設備較少，作業可靠性高，可通過工程船或鉆井平臺下入，如圖2所示。

表1 吸力樁種類

吸力樁作業基本要求：吸力樁直徑6 m，長度12～20 m，質量70～115 t，吸力樁垂直度小于1°。

圖2 吸力樁相關設備工具

工作船需動力定位，帶升沉補償吊機及工作型水下機器人，吊機需帶主動補償的吊機能力150 t以上，吊裝提升高度（吸力樁高度+吊索具高度）＞25.19 m，可舷外或月池安裝。

水下機器人要求：1臺或者2臺適應作業水深的水下機器人，可操作抽吸泵，帶水下機器人割刀、挖泥機及刷子。

2 深水吸力樁建井技術應用情況

2.1 吸力樁建井技術應用情況

截至目前，吸力樁建井技術在全球范圍內共計使用超18井次，作業水深超過1 000 m井7口，截至2018年2月，最大作業水深1 495 m，詳見表2。

2.2 吸力樁國內使用情況

國內深水吸力樁表層建井技術僅有天然氣水合物試采井的使用記錄，中海油自營深水探井項目有使用意向，國內對吸力樁表層建井技術的應用經驗不足。中海油國際公司在英國首次應用于英國北海淺水項目—東Rochelle項目15/27 M重鉆井，作業過程無井口穩定性問題，作業較成功。

表2 吸力樁使用情況統計

續表2

3 深水吸力樁建井技術適應性分析

3.1 淺層地質災害方面

對于含淺層氣或水合物風險的井，噴射作業擾動或固井水泥漿放熱將導致淺層氣或水合物從地層或沿導管壁溢出，當淺層氣在井口或防噴器附近聚集時，海底的低溫環境將觸發次生水合物生成，井口及導管附近水合物的生成將對作業產生不利影響；吸力樁建井使用大直徑圓筒貫入，對地層擾動較小，最大程度地保持原狀地層特征，可最大程度的避免淺層氣沿導管運動或在井口附近生成[5]，如圖3所示。

圖3 南海某深水井崎嶇海底

吸力樁對表層套管能提供的承載力無要求，可優化表層固井方案及水泥返高方案，減少固井放熱對水合物的擾動，避免或減少巖屑或水泥在井口附近堆積，過高的巖屑或水泥的堆積物可能誘發次生滑坡[6]。

吸力樁建井基本無管柱的往復運動，作業過程沉貫進入地層，作業過程對地層擾動小（波及范圍小），吸力樁外筒既提供機械支撐又隔離作業過程對吸力樁外部土體的擾動，閉環作業，降低發生次生滑坡的風險[7]。

3.2 井位方面

吸力樁對地層擾動較小，井口及圓筒附近基本為原狀地層，當需要選取備用井位時，備用井位可選范圍大，移動最小的距離（移動6 m 左右）即可實現與主井位相同的目的，對軌跡基本無影響，確保主井位與備用井位均處于地質油藏圈閉的最有利位置，最大限度降低鉆井工程方案對勘探開發的影響，有利于發現目標油氣藏，提高勘探成功率[8]。

3.3 井身結構及軌跡控制方面

噴射建井需表層套管提供額外的支撐力，井身結構優化的空間較小。對于目的層埋深較淺的深水井，噴射建井將提高作業費用，承載力的不足導致井身結構無優化空間。南海一些自營深水井已呈現類似情況，目的層淺埋深井仍采用常規3～4 層次井身結構，造成極大浪費，迫切需要表層建井新工藝進行優化。

吸力樁建井可提供足夠大的承載力以支撐全部管串及水泥環重量，無需表層套管提供額外的支撐力，這為井身結構優化提供最優的技術方案，可減少井段或套管層次，減少建井周期，提高建井效率，實現早投產早建產[9]。

吸力樁可預斜到一定角度，可減少下部井段的造斜壓力，適于淺層大位移井或水合物開采井的勘探開發，大幅降低作業難度及費用。

3.4 工程方面

吸力樁建井可減少占用鉆井平臺作業時間，平臺到達井位前利用工程船提前下入吸力樁設備，作業過程無沉浸時間，提高表層建井效率。吸力樁建井作業機動性強，可縮短大項目開發周期，提前建產。

吸力樁使用貫入式下入，且吸力樁圓筒較短，作業過程無管柱串的往復運動，無管串粘卡風險，減少作業過程的風險控制，提高作業的可靠性[10]。

吸力樁表層建井技術吸力樁可實現快速的回收，可重復利用，可降低作業成本，提高作業效益。

3.5 吸力樁載荷分析

吸力樁載荷分析主要分析承載力及彎矩分析。

表層噴射建井，導管入泥70 m 左右，地層承載力僅250 t 左右，若無表層套管提供的額外的承載力，噴射建井井口穩定性將無法保證。吸力樁表層建井方式通過加大樁管與土體的接觸面積，顯著地增大了地層承載力（吸力樁入泥12 m即可提供高達近800 t的承載力），作業安全性更高，作業風險控制點更少，可顯著地提高深水井的建井安全性。

泥線以上彎矩，吸力樁建井與噴射建井不同偏移量下彎矩的大小與發展程度一致。

常規噴射建井，泥線以下彎矩繼續增大，最大彎矩出現在泥線以下5～10 m 位置；吸力樁建井，泥線位置彎矩迅速降低，最大彎矩在接近泥線位置。最大彎矩位置上移且變小，大小與噴射時井口泥線附近彎矩基本一致，吸力樁建井作業安全性更高，詳見表3。

表3 噴射建井與吸力樁建井水下井口附近彎矩對比

以南海一口深水井為例，水深1 000 m，淺層土壤強度10～35 kPa，噴射入泥深度70 m 地層能提供的地層承載力為230 t，吸力樁入泥12 m 能提供的地層承載力為800 t 左右，吸力樁入泥17 m 能提供的地層承載力1 200 t，在入泥深度為導管深度20%左右的條件下，地層能提供的承載力是噴射的300%～600%。如圖4所示。

4 結論及建議

4.1 結論

1）目前國內深水表層建井方式單一，迫切需要新技術新工藝拓展表層建井作業方式，提升各種淺層地質條件下的風險應對能力，確保作業安全。

2）與常規噴射作業方式相比，吸力樁表層建井方式在松軟地層、含淺層氣或水合物淺層地質風險應對、主井位與備用井位選擇、定向井軌跡優化、井身結構優化、工程風險控制等方面優勢明顯，可解決當前深水井面臨的挑戰，拓展并豐富深水井表層建井作業方式。

圖4 噴射建井承載力對比

3）深水吸力樁表層建井技術適應性好，適應當前深水井面臨的建井技術挑戰。

4.2 建議

1）為確保作業安全，需加強吸力樁建井技術機理分析及作業安全風險控制分析，落實技術方案，推進吸力樁建井技術在國內的使用。

2）為適應深水開發的需求，建議盡快開展深水吸力樁表層建井技術引進，擴展當前深水井表層建井方式，以適應不同淺層地質條件下的安全作業要求，實現深水井勘探開發持續安全、優質、高效。