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深水鉆井表層導管噴射安全等候時間窗口設計

文檔作者：羅俊豐楊進嚴德田瑞瑞文檔來源： 1．中海石油(中國)有限公司深圳分公司 2．中國石油大學(北京) 3．中海油能源發展監督監理深圳分公司)		點擊數：	更新時間： 2025年02月21日
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2014年第42卷第4期
石 油機械
CHINA PETR0LEUM MACHINERY
海洋石油裝備
深水鉆井表層導管噴射安全等候時間窗口設計
羅俊豐 楊 進 嚴 德 田瑞瑞
(1．中海石油(中國)有限公司深圳分公司 2．中國石油大學(北京) 3．中海油能源發展監督監理深圳分公司)
摘要：針對目前深水鉆井表層導管噴射隨鉆下入工藝中，設計安全等候時間窗口時無理論計
算模型依據，存在作業盲目性和風險性的現狀，通過對表層導管噴射受力和側向摩擦力進行分析，
建立了安全等候時間窗口設計模型。該設計模型表明，在噴射管串重力已知的情況下，海底土質
不排水抗剪強度和承載力時間效應模型為準確設計導管安全等候時間窗口的重要影響因素，在不
同海域和土質條件下需分別考慮。深水鉆井表層導管噴射安全等候時間窗口設計方法已在我國南
海荔灣、流花、白云以及海外剛果、赤道幾內亞等多個深水區塊得到了成功應用，不僅保證了表
層導管噴射施工的安全性，而且確保了較高的作業時效性。
關鍵詞：深水鉆井；表層導管；噴射；靜置；抗剪強度；等候時間窗口
中圖分類號：TE52 文獻標識碼：A doi：10．3969／j．issn．1001—4578．2014．04．013
Design of the Safety W aiting Time W indow for Surface
Conductor Jet in Subsea Drilling
Luo Junfeng Yang Jin Yan De Tian Ruirui
(1．CNOOC Shenzhen Branch 2．China University of Petroleum，Beifing 3．Shenzhen Branch，CNOOC Energy Technology&amp;amp;
Services—Supervision&amp;amp; Technology Co．，Ltd．)
Abstract：Currently there is no theoretical calculation model basis for the design of safety waiting time window
in running—while-drilling technology for surface conductor jet in subsea drilling．Moreover，there exist blindness and
risk in operation．Therefore，through an analysis of jet force and lateral frictional force of surface conductor，the de．
sign model of safety waiting time window was established．The model shows that when the weight of jet pipe string is
given，the seabed soil undrained shear strength and loading force time effect model is an important factor in the pre—
cise design of conductor safety waiting time window．They should be considered respectively in different sea areas
and soil conditions．The method to design the waiting time window was successfully used in several deepwater blocks
in Liwan，Liuhua and Baiyun of the South China Sea and other countries such as Congo and Equatorial Guinea．It
ensures the safety of surface conductor jet operation as well as the high operating eficiency．
Key words：snbsea drilling；surface conductor；jet；standing；shear strength；waiting time window
0 引 言
表層導管噴射隨鉆下人技術是深水淺層鉆井的
技術之一，該技術有效解決了導管找不到井口和低
溫環境下固井的難題¨ 。噴射安全等候時間窗口
是指表層導管人泥到位后至解脫管串繼續二開鉆進
的時問，又稱為導管浸泡時間。合理的等候時間窗
口能在保證導管作業安全的基礎上提高鉆井時效。
等候時間過短導管無法獲得足夠的承載能力，存在
下沉失去井口的風險；等候時間過長則會降低作業
時效。
$ 基金項目：國家科技重大專項“深水鉆完井及其救援井應用技術研究” (2011ZX05026—001—04—20120523)；國家自然科學基金項
目“深水鉆井表層導管噴射鉆進機理研究”(51274215)。
石 油機械 2O14年 第42卷 第4期
目前，針對深水鉆井噴射隨鉆下人技術的研究
主要集中在表層導管水力噴射機理分析、入泥深度
設計和鉆頭伸出量計算等方面，未見關于噴射安全
等候時間窗口設計和優化的研究報道 ，而在
現場實際作業時根據以往的作業經驗，有的作業者
為節省時間，等候時間設計過短(<1．0 h)，導致
井口失穩等事故，有的則將等候時間設計過長
(>5．0 h)，影響了作業時效。筆者通過理論研究
和現場作業數據分析，對表層導管噴射安全等候時
間窗口進行設計和優化研究，建立理論計算模型，
以期為深水鉆井作業提供參考。
l 受力模型分析
圖1為表層導管噴射到位時受力工況示意圖。
1一鉆桿；2一送人工具；3- 防沉板；4一噴射管柱；5-表層導管。
圖1 表層導管噴射到位時受力工況示意圖
Fig．1 Diagram of force condition after
Sllrface conductor jet in place
表層導管噴射到位時，由鉆桿上提力、導管側
向摩擦力和端部承載力來提供表層導管所需要的豎
向承載力。表層導管噴射到位時的受力平衡方程表
示為：
P+Q側+Q端=G導管+G送人工具+G防沉板+G管柱
(1)
式中P— —鉆桿上提力，kN；
Q側——側向摩擦力，kN；
Q端—— 端部承載力，kN；
G導管—— 表層導管重力，kN；
G送人工具—— 送人工具重力，kN；
G防沉板—— 防沉板重力，kN；
G管柱——噴射管柱重力，kN。
當表層導管在地層中靜置一定時間后，噴射管
柱與送人工具解脫，進行二開井眼鉆進。圖2為表
層導管噴射解脫后受力工況示意圖。此時，表層導
管、防沉板及送入工具的重力完全由導管側向摩擦
力和端部承載力來承擔。由于底部表層導管壁厚比
較薄，通常為25．4 mm，且二開鉆進時會把表層導
管串底部地層沖刷掉，所以導管端部承載力可忽略
不計。表層導管噴射解脫后的受力平衡方程為：
Q側=G導管+G送入工具+G防沉板 (2)
由式(2)可知，表層導管、送人工具及防沉
板重力全部由導管側向摩擦力來承擔，表層噴射到
位后靜置時間越長，其側向摩擦力越大，但會降低
作業時效。因此，側向摩擦力是表層導管安全時間
窗口設計的關鍵參數。
1一鉆桿；2一送人工具；3一防沉板；4一噴射管柱；5一表層導管。
圖2 表層導管噴射解脫后受力工況示意圖
Fig．2 Diagram of force condition after
surface conductor jet release
2 表層導管側向摩擦力分析
將表層導管當作一個開口的圓柱形樁基，根據
樁基設計規范，忽略其端部承載力，可得到表層導
管的側向摩擦力計算公式：
Q側=7rDLf (3)
式中D—— 表層導管直徑，m；
— — 泥面以下表層導管長度，m；
一表層導管單位面積摩擦力，kPa。
表層導管噴射法鉆進時鉆頭未直接切削地層，
而是由水射流沖刷海底土層，土層受到大排量水射
流沖擊作用，在土體內部產生剪應力并發生剪切破
壞。深水表層導管噴射的實質為，高壓噴射水射流
水動力作用下的飽和水土體破壞和運移形成鉆孔，
使得表層導管順利人泥。表層導管噴射人泥到位
2Ol4年 第42卷第4期 羅俊豐等：深水鉆井表層導管噴射安全等候時間窗口設計
后，周嗣土體逐漸回填密實包裹住管體，隨著時間
的延長，土體與表層導管之間的單位表面摩擦力增
大。深水海底淺層土質多為飽和軟粘土，因此表層
導管側向摩擦力計算問題即為飽和軟粘土樁基承載
力時間效應問題“ 。參考同內外研究成果，考
慮時間效應的飽和軟粘土樁基承載力可表示為：
Q刪=丌D，J(alnt+b)5 (4)
式f}1 s，——土體不排水抗剪強度，kPa；
— — 表層導管靜置時間，h；
n、6— — 承載力時間效應經驗系數，與土質
情況相關，可通過現場試驗求得。
根據雪佛龍和哈斯基等同外石油公司在南中國
海的表層導管噴射作業經驗，反演噴射施T過程中
表層導管往復運動上提力與時間的關系，得到承載
力時間效應經驗系數0=0．040、b=0．023。由此
|_f得南巾同海深水鉆井表層導管側向單位面積摩擦
力時問效應經驗模型，如同3所示。
圖3 南中國海深水鉆井表層導管側向
單位面積摩擦力時間效應經驗模型
Fig．3 Empirical model of lateral unit area friction time effect
of S|lhse~drilling surface conduelor in South China Sea
3 安全等候時間窗口設計模型
聯立表層導管噴射解脫l丁況下的表層導管受力
平衡方程(2)和考慮時間效應的飽和軟粘土樁基
承載力汁算公式(4)，得到表層導管噴射安全等
候時問窗u設計模型，即：
T：e p一f 塑 L 一 l6l1 (5)
,rraDLS Ⅱ ／
式rf1 卜等候時間窗t-J，h。
從式(5)可以看出，表層導管安全等候時間
窗u設計與導管重力、送入工具重力、防沉板重
力、土質不排水抗剪強度和承載力時間效應模型等
參數密切相關，其中導管重力、送入T具重力、防
沉板重力等參數可根據鉆井設計準確求得。因此，
土質不排水抗剪強度和承載力時間效應模型為準確
設計導管安全等候時問窗LJ的重要影響因素。
4 設計實例
LH—A井位于南中國海東部，水深l 000 m，
采用 14．4 ITlrn表層導管噴射法施T，設計入泥
深度72．0 m。T程勘察單位提供的海底淺層土質
參數如表1所示。
表l 海底淺層土質參數
Table 1 PHramet rs 0f s Bbed sha11ow soil
根據鉆井設計‘中提供的表層導管、防沉板和送
入丁具等參數和土質參數，采用南中同海深水鉆井
表層導管側向單位表面摩擦力時間效應經驗模型，
求得噴射管柱與送人T具解脫后載荷和靜置不同時
間條件下導管的承載力關系，如圖4所示。由圖可
知，在保證人泥深度值不小于72．0 111的情況下，
表層導管解脫送入T具的安全等候時間為噴射到位
后的3 h，即安全等候時問窗口應大于3 h。
量
＼
一
《
媸
85
90
95
00
承載力／kN
0 500 l 000 1 500 2 000 2 500
1、 ＼
，
l
| }{j ＼
。刪 ＼、 解 脫／ 時 載荷
Il t 1． ＼ ／ ，
|． 4 l ＼ ＼<
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t I． ＼
I h。●卜2 h‘●‘j h—．-4 h 5 h。■‘6 h ，I1一一 h
圖4 表層導管噴射安全等候時間窗口設計圖版
Fig．4 Design chan of safety waiting time
window for surface conductor jet
LH—A井表層導管實際噴射入泥深度為72．2
m，噴射到位后解脫送入工具的等候時間為3 h，
鉆井過程中表層導管未出現下沉和傾斜等復雜情
況，確保了作業安全。
深水鉆井表層導管噴射安全等候時間窗口設計
方法已在我國南海荔灣、流花、白云以及海外剛
果、赤道幾內亞等多個深水區塊得到了成功應用。
石 油機械 2014年 第42卷 第4期
通過跟蹤數十口井的作業數據可知，表層導管現場
作業噴射到位后解脫送入工具的等候時問與設計時
間窗口很接近，同時也避免了等候時間窗口設計過
于保守的情況，保證了較高的作業時效。
5 結束語
安全等候時間窗口設計是深水鉆井表層導管噴
射施工的一個關鍵參數，合理的等候時間窗口設計
能在保證表層導管獲得充分地層承載能力和作業安
全性的前提下有效提高鉆井時效。在噴射管串重力
已知的情況下，海底土質不排水抗剪強度和承載力
時間效應模型是準確設計導管安全等候時間窗口的
重要影響因素。筆者基于理論分析建立了安全等候
時間窗口設計模型，并將該模型在我國南海荔灣、
流花、白云以及海外剛果、赤道幾內亞等多個深水
區塊進行應用。應用結果表明，這些深水井的表層
導管噴射作業時效高，且在后續鉆井作業過程中均
未出現導管下沉失穩等情況。
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參考文獻
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第一作者簡介：羅俊豐，高級工程師，1989年畢業于
西南石油學院鉆井l丁程專業，現從事鉆完井技術研究及管
理工作。地址：(518000)廣東省深圳市。電話：(0755)
26022281。E—mail：luojf@cnooc．corn．cn。
收稿日期：2013—11—27
(本文編輯劉鋒)
西部鉆探首創工具面穩定器
截至2014年3月18日，西部鉆探定向井技術服務公司自主研發的工具面穩定器在吉171、吉175等5口井應用，成功
率100％ ，定向段提速36．9％以上。該裝置為國內首創，并已申請國家專利。
定向井鉆進時沿程摩擦力較大，所加鉆壓在途中被吸收，傳輸到鉆頭的]二作鉆壓不穩定，不僅影響機械鉆速，還會導
致鉆頭早期磨損。為此，西部鉆探定向井技術服務公司研制了工具面穩定器。工具樣品先后在3 121井進行了現場試驗，研
發人員根據試驗結果，對該丁具進行了二次改進，進一步完善了各項性能，并成功通過了項目驗收。
該工具結構設計符合現場實際，操作簡單方便；工具內有油腔，當有較大振動時，油腔通過泄油孑L泄壓，從而可以起
到減振作用，有效地保證了鉆壓恒定。在鉆具遇卡時，該工具可以對鉆具進行上擊，達到快速解除復雜事故的目的。
西部鉆探定向井技術服務公司結合工具面穩定器的特點，形成了配套的工藝技術，通過鉆鋌或加重鉆桿，減少了鉆進
過程中的托壓現象，極大地穩定了鉆頭所需的鉆壓，提高了定向井機械鉆速，可縮短鉆井工期和節約生產成本。
(內容來自中石油鉆井院網站，本刊有改動)

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