深水攜表層鉆井工藝技術

嚴 德，陳 彬，田瑞瑞，宋玲安，王 彪,劉保波

1中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 2中海石油深海開發有限公司

0 引言

表層導管是深水井的第一層套管，其作用是連接下入低壓井口頭，并為水下井口系統提供結構支撐[1]。由于水深增加和海底淺層土質強度低，深水井導管常采用噴射法下入，該方法無需導管固井作業，且噴射到位后可繼續二開鉆進，優勢明顯[2]。目前，表層導管噴射法施工在南海深水勘探作業中得到了成熟應用[3]，但存在噴射速度慢、時效低的問題，單井導管平均噴射時間6.3 h，高于同海域外方作業的噴射時間3.5 h，不僅增加了深水高昂的作業費用，而且增大了導管噴射作業風險。因此，通過分析已噴射作業井，找出制約表層導管噴射速度慢的原因，并提出有針對性的解決方案，形成深水表層導管噴射鉆井提速方法，以提高深水導管噴射時效，節省深水作業費用。

1 深水已鉆井表層導管噴射作業數據

南海深水鉆井表層導管常采用外徑914.4 mm導管+?660.4 mm牙輪鉆頭、外徑762 mm導管+?660.4 mm牙輪鉆頭、外徑762 mm導管+?444.5 mm牙輪鉆頭的組合形式，二開采用?508 mm套管或?508 mm+?339.7 mm復合套管形式[4]。表層導管噴射入泥深度范圍為65～100 m,表層導管噴射平均耗時6.3 h，平均噴射速度僅為14.08 m/h。表層導管噴射時間與入泥深度無明確對應關系，導管入泥深度最淺和最深的井噴射時間分布為6.7 h(入泥深度67.4 m)和6.5 h(入泥深度99.5 m)。南海部分井深水表層導管噴射作業數據見表1。

表1 深水表層導管噴射作業數據統計表

2 表層導管噴射時效的影響因素分析

深水鉆井表層導管噴射法施工基本程序是在鉆臺將表層導管和底部鉆具組合通過專用工具在低壓井口頭處連接在一起，低壓井口頭與導管預先進行了焊接。表層導管與底部鉆具組合連接后由送入管柱下送至海底泥面處[5]。水下機器人(ROV)確認水深以及導管垂直度符合要求后，先利用管串自重入泥，再開泥漿泵，排量由小到大，通過水力沖刷和鉆頭切削成孔使導管入泥,如圖1所示。導管噴射到位后靜置吸附3～5 h，待地層承載力恢復后，脫手專用工具繼續二開井眼鉆進作業。分析導管噴射施工基本流程可知，影響作業時效的因素有：海底地層強度、鉆頭伸出量、噴射排量、噴射鉆壓、導管外徑、鉆頭尺寸、導管上下活動次數及幅度。

圖1 深水鉆井表層導管噴射作業示意圖

2.1 海底地層強度

深水海底地層強度是影響導管噴射可行性和作業時效的重要因素。地層強度高或有硬夾層和礫石夾層時，將導致表層導管噴射下入困難或失敗，同時，地層強度很低時，需要增加導管入泥深度以保證井口穩定性[6]。雖然，深水海底地層強度是影響導管噴射時效的重要因素之一，但深水井位早在鉆井工程介入前已確定，由于前期投入較大，不便隨意調整或改變井位處地層強度參數，在科研上或設計階段做導管噴射工藝優化更利于解決問題。

2.2 鉆頭伸出量

在噴射鉆進過程中，鉆頭底端伸出導管鞋的長度稱為鉆頭伸出量[7]。鉆頭伸出量可以在地面組合導管和底部鉆具的時候進行設計和調整，在作業過程中鉆頭伸出量始終保持不變，即鉆頭與導管在豎直方向上成為一體,如圖2所示，同步下入地層。鉆頭伸出量長度主要影響破巖成孔效率，包括鉆頭機械切削和水力噴射沖刷破巖，從而直接影響導管下入速度[8]。因此鉆頭伸出量是影響導管噴射時效的關鍵因素之一。

圖2 水下機器人在海底觀察確認鉆頭伸出量

2.3 噴射排量

噴射排量除了要滿足鉆井液攜巖上返要求外，還要有較好的水力沖刷成孔效果，是影響導管噴射時效的關鍵因素之一[9-10]。剛開始噴射時，保持較小的排量并逐漸增大，入泥20～30 m時達到最大值，當導管入泥至最后3～5 m時，降低排量以減少鉆井液對管鞋附近地層的沖刷，使導管獲得足夠的初始承載力。

2.4 噴射鉆壓

導管噴射時要求中和點保持在泥線以下。如果鉆壓施加過大將使導管中和點位于泥線以上將使導管被壓彎將導致井口傾斜角過大[11-12]，且噴射鉆壓施加過大時，動力馬達的反扭矩作用會導致連接導管和鉆具的專用工具轉動并卡死，這樣在解脫工具繼續鉆進時會出現問題。噴射作業時，由于鉆壓的施加受到了中和點位置的制約，鉆壓一般控制在泥線下導管和鉆具組合浮重的80 %左右，可調節范圍小。因此，該噴射鉆壓不是提高導管噴射時效的關鍵因素。

2.5 導管外徑

深水鉆井導管常用外徑為914.4 mm或726 mm。統計已噴射井作業數據，?914.4 mm導管噴射平均時長6.45 h，?726 mm導管噴射平均時長6.20 h。兩種外徑的導管噴射效率無明顯差異，導管外徑不是影響噴射時效的關鍵因素。

2.6 鉆頭尺寸

噴射鉆頭尺寸依據二開井眼尺寸確定，常用?660.4 mm或?444.5 mm兩種尺寸。?660.4 mm鉆頭適用于二開下?508 mm套管的井身結構；?444.5 mm鉆頭適用于二開下?339.7 mm套管的井身結構。?444.5 mm鉆頭常配合?726 mm導管進行噴射作業，已噴射作業3口深水井平均噴射時間為6.10 h，噴射效率與?660.4 mm鉆頭沒有明顯差異。因此，鉆頭尺寸不是影響噴射效率的關鍵因素。

2.7 導管上下活動次數及幅度

噴射作業時，為防止導管粘卡，降低井壁對導管的吸附力，需要頻繁活動管串，尤其是在導管入泥困難的時候。已噴射井導管一般在每進尺3～5 m，或進尺慢時活動，活動幅度范圍5～8 m，導管大幅度活動可以有效破壞井壁對導管的吸附力，使更多的鉆壓能施加到鉆頭上從而協助破巖成孔。

綜上所述，深水鉆井表層導管噴射法下入中，對噴射作業效率有關鍵影響的非客觀因素為：鉆頭伸出量、噴射排量、導管上下活動次數及幅度。

3 表層導管噴射鉆井提速方法

根據上述影響表層導管噴射時效的3個關鍵參數及國外作業經驗、鉆具配長要求、平臺泥漿泵排量和鉆井能力，制定了深水表層噴射鉆井提速方法，如表2所示。

表2 深水表層導管噴射鉆井提速方法

4 深水現場應用及效果分析

深水表層噴射鉆井提速方法先后在南海多口深水井進行了現場應用，表層導管噴射作業參數及結果如表3所示。

表3 表層導管噴射作業參數優化及效果

噴射作業參數優化后的5口井平均作業水深1 336.17 m，平均入泥深度82.34 m，平均噴射時間2.35 h，平均噴射速度35.04 m/h。對比之前作業井，導管噴射提速效果見表4。

表4 表層導管噴射作業提速效果對比

通過對比可知，表層導管噴射作業參數優化后，在導管入泥深度增加9.0 %的條件下，噴射時效提高了62.7 %，噴射速度提高了148.86%，取得了顯著的提速效果。此外，這5口井噴射作業過程順利，沒有出現導管下沉和井口失穩現象，保證了井口穩定性。

5 結論及建議

(1)通過合理提高鉆頭伸出量、噴射排量和導管上下活動次數及幅度，大幅度提高了深水鉆井表層導管噴射作業時效，節省了作業時間和費用，在南海多口超深水井和深水井得到了成功應用。此外，該提速方法還能提升和保證導管的入泥深度，提高導管噴射成功率，入泥深度的增加也保障了井口穩定性，可在其余海域深水作業中推廣應用。

(2)在關注表層導管噴射鉆井提速的同時，井口穩定性也需要給予足夠的重視，要充分評估海底地層強度，如果在噴射過程中出現導管外竄流現象，應及時降低噴射排量，減少導管上下活動頻率及幅度，并在同區域后續井作業中降低鉆頭伸出量，以保證導管噴射入泥到位后能夠獲得了足夠的地層承載力。