中國石油大學（北京）石油工程學院

深水鉆井表層導管施工關鍵技術研究與應用

中國石油大學（北京）石油工程學院

隨著世界各國對能源需求的增加及陸地和海上淺水區(qū)油氣發(fā)現(xiàn)難度的增大，深水油氣勘探開發(fā)在不斷升溫。我國海洋石油行業(yè)面對的更是一個充滿挑戰(zhàn)的世界市場，尤其深水油氣勘探開發(fā)的形勢迫切，無論從經(jīng)濟層面、政治層面還是國家主權層面來講都具有重大戰(zhàn)略意義與重大需求。不過，就全球范圍而言，深水開發(fā)是個尚未成熟的前沿領域，仍然具有很多的困難和挑戰(zhàn)。表層導管（亦稱表層套管、隔水導管）鉆井施工技術是深水鉆井施工的關鍵環(huán)節(jié)，是挑戰(zhàn)深水作業(yè)的一大技術難題。深水鉆井表層導管作業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是：常規(guī)的淺水區(qū)錘入法和鉆入法下入表層導管的方式不適用于具有水深大、溫度低、淺層海底土質疏松和破裂壓力低等惡劣環(huán)境特點的深水海域；深水表層導管入泥深度預測不準確，施工時靠經(jīng)驗判斷，導管下入困難甚至導致下入失??；噴射水力學參數(shù)和鉆井施工參數(shù)選取不合理，會造成噴射下入速度慢、工期過長；噴射導管尺寸和強度選擇不合理，在鉆完井作業(yè)和后期生產過程中造成井口下陷、傾斜等復雜事故。為解決上述難題，滿足我國對石油石化能源的巨大需求，開發(fā)南海深水油氣資源，打破國外技術壟斷，形成我國自主的深水鉆井表層導管施工關鍵技術，本項目歷經(jīng)十年的科技攻關，形成了一套擁有自主知識產權的深水鉆井表層導管施工關鍵技術。

為攻克深水淺層鉆井作業(yè)難題，項目組到美國與巴西深水實驗室進行了充分的調研，先后進行了理論分析、數(shù)值模擬計算、現(xiàn)場模擬試驗和室內深水高壓模擬實驗，并在南海深水作業(yè)現(xiàn)場進行了全程跟蹤和技術服務，主要進行了以下十項關鍵技術內容的研究：深水鉆井表層導管下入過程模擬試驗；深水噴射鉆井表層導管下入方式與海底土性質匹配關系；噴射導管下入后的靜止時間與海底土性質關系；噴射導管下入深度預測模型；噴射鉆頭與表層導管的尺寸配合優(yōu)化；深水表層導管噴射鉆進的水力學參數(shù)優(yōu)化；深水噴射法表層導管鉆井工藝參數(shù)優(yōu)化；深水鉆完井條件下噴射導管強度校核和穩(wěn)定性分析技術；深水淺層災害預測技術及應對措施；深水表層導管優(yōu)化設計與施工控制計算軟件。

該項目主要技術創(chuàng)新包括：一是深水鉆井表層導管入泥深度預測及控制技術。（1）建立深水鉆井表層導管入泥深度預測模型。該入泥深度預測模型充分考慮了深水海底淺層土中粘性土和砂性土不同的土力學性質，按照實際海底土質調查資料分別計算各層粘性土和砂性土的不排水抗剪強度和單位表面摩擦力來確定表層導管入泥深度。與目前國外學者提出的計算模型相比，該數(shù)學模型全面考慮了海底分層土的側向摩擦力，國外學者提出的模型僅考慮了土壤的整體平均抗剪強度，不能準確計算表層導管的入泥深度。本項目提出的預測模型在我國南海荔灣和流花等深水油氣田進行了現(xiàn)場應用，應用結果表明了該預測模型的正確性和高精度性。（2）確定噴射導管下入后靜止時間與不同性質海底土關系模型。噴射導管下入后是靠周圍海底土的摩擦力保持穩(wěn)定而不下沉的，海底土的回填和密實要經(jīng)過一定的時間，不同性質的海底土需要靜止的時間不同。目前國內外學者都沒有對導管靜止（候凝）時間進行深入的實驗研究，深水現(xiàn)場作業(yè)一般根據(jù)工程經(jīng)驗確定。本項目通過現(xiàn)場模擬實驗和室內深水模擬實驗確定了不同土層中下導管噴射下入后的靜止時間關系模型，由該模型計算出的導管噴射后土壤的候凝時間比工程經(jīng)驗上要少，節(jié)省了鉆井作業(yè)時間，進而節(jié)約了大量的海上施工費用。

二是深水鉆井表層導管鉆井參數(shù)優(yōu)化及工藝控制技術。（1）噴射導管下入過程中合理鉆壓參數(shù)優(yōu)化方法。表層導管噴射作業(yè)中最主要的參數(shù)是鉆壓。保持合適的鉆壓，一方面可以保證導管在下入過程中處于垂直狀態(tài)，另一方面使鉆具和導管的環(huán)空保持通暢，確保鉆井液從環(huán)空順利返回。本項目通過噴射鉆井管柱力學研究，建立了噴射導管下入過程中鉆壓參數(shù)的選擇和優(yōu)化模型，該模型能夠保證在作業(yè)過程中管柱中和點在泥線以下且泥線以上管柱處于垂直拉伸狀態(tài)，確保表層導管能夠順利噴射到位，此外，該鉆壓參數(shù)選擇和優(yōu)化模型中考慮了鉆壓與機械鉆速的關系，能有效提高噴射管柱的下入速度，提高鉆井時效。（2）建立鉆頭伸出量與鉆進速度、噴射井眼尺寸關系模型。合理的鉆頭伸出量可以極大程度地提高噴射法鉆進速度、節(jié)約鉆井時間，并且鉆頭伸出量對噴射形成的井眼尺寸也有很大的影響。如果鉆頭伸出量過短，射流區(qū)域會局限在套管內部，鉆井液射到套管內壁上，不能很好地起到破巖和清潔井底的作用，導致鉆進效率很低，且形成的井眼尺寸過小，不利于表層套管的下入；如果鉆頭伸出量過長，噴射區(qū)域處在套管底端較遠土層，與套管底部有一段距離，當此區(qū)域被水射流沖刷開后，上部土層無法承受套管重量，導致套管急速下落一段距離，造成套管下入不穩(wěn)，且形成的井眼直徑過大，導管噴射下入完成后周圍土回填密實困難，導管難以獲得足夠的支撐力，因而對鉆頭伸出量進行優(yōu)選是十分重要的。本項目通過開展鉆頭噴射數(shù)值模擬和深水噴射模擬實驗，從理論上建立了最佳鉆頭伸出量與鉆進速度、噴射井眼尺寸之間的關系模型，為噴射管柱的安裝和施工提供了理論依據(jù)。（3）鉆頭水射流速度與井眼尺寸關系模型。鉆頭水射流速度是影響井眼尺寸大小的直接因素，在進行本項目科研之前，國內外學者對其進行過一定研究，但并不是在模擬實驗及數(shù)據(jù)反演的基礎上，本項目中的研究結果更具有科學性。在模擬試驗過程中發(fā)現(xiàn)：在同樣尺寸導管條件下，隨著鉆頭噴射速度的增大，套管下入速度明顯加快，導管側向摩擦力明顯降低；隨著鉆頭噴射速度的減小，導管的下入速度有明顯下降，套管側向摩擦力增加。本項目通過現(xiàn)場實際鉆井數(shù)據(jù)反演和水力學研究，分析了噴射水射流和地層的相互作用機理，提出了鉆頭水射流和井眼關系理論模型，形成了鉆井噴射水力學排量優(yōu)化綜合控制技術。（4）噴射鉆頭與表層導管的尺寸配合優(yōu)化方法。對于噴射法下表層導管技術，目前國內外學者主要研究了深水鉆井表層導管的受力、尺寸的選擇和鉆井管柱的組合，沒有考慮噴射鉆頭與表層導管尺寸配合對該技術的影響，更沒有深入研究其相互作用機理并建立數(shù)學模型來定量描述其關系。本項目通過現(xiàn)場模擬試驗分析和理論研究，建立了不同海底土質條件下噴射鉆頭與導管尺寸的合理配合的優(yōu)化方案，提高了噴射導管下入作業(yè)時效。此項技術填補了國內外學者在此領域的研究空白，能夠有效指導深水鉆井現(xiàn)場施工作業(yè)，減少盲目性。

三是深水表層導管優(yōu)化設計與施工控制系統(tǒng)軟件。目前，在進行深水表層導管入泥深度計算和施工控制設計時，需要反復計算海底淺層土破裂壓力、海底土側向承載力以及井口荷載等數(shù)據(jù)，計算過程繁瑣復雜且易出錯。國內當前沒有相關成型的軟件，要確定表層導管入泥深度只能通過手算。本項目在建立深水噴射導管入泥深度和鉆井參數(shù)優(yōu)化等理論模型的基礎上，利用Microsoft Visual Basic 6.0中文版系統(tǒng)環(huán)境，將所建立的數(shù)學模型程序化，研制出深水海底淺層破裂壓力、導管合理下入深度、鉆井參數(shù)優(yōu)化等計算軟件，形成了一套深水表層導管優(yōu)化設計與施工控制軟件系統(tǒng)，該軟件能夠實現(xiàn)深水噴射導管入泥深度計算分析及鉆井參數(shù)優(yōu)化設計。通過該軟件的使用，可以降低現(xiàn)場施工的盲目性，提高海上鉆井施工的安全性，節(jié)約鉆井施工的成本。軟件的最終目的是快速確定表層導管入泥深度并優(yōu)化鉆井施工參數(shù)。在當前的技術條件下，海上鉆井日費達數(shù)十萬，通過使用本軟件系統(tǒng)快速準確確定入泥深度、減少鋼材用量、減少鉆井施工時間，能為海上石油開發(fā)節(jié)省大量成本。

自2005年以來，本課題研究成果已在我國南海荔灣、流花、崖城、番禺以及西非和赤道幾內亞等深水海域76口井進行了現(xiàn)場試驗和應用，取得了良好的應用效果和巨大的經(jīng)濟效益，在這些井的應用中直接節(jié)約鉆井成本超過4.4億元人民幣，為深水油氣鉆完井施工提供了很好的技術支持和安全保障。

本課題研究歷經(jīng)十年，在項目利、2項軟件著作權、2本專著、在國際國內期刊和會議上發(fā)表論文30余篇，并培養(yǎng)博士后1名、博士生6名、碩士研究生30余名，為我國深水油氣勘探開發(fā)培養(yǎng)了一支強有力的創(chuàng)新型技術團隊。

中國石油大學(北京)石油工程學院海洋工程實驗室，主要從事海洋工程設計、石油工程、巖土工程、結構工程等方面的科學研究，參加并完成了多項國家重點攻關項目和海洋總公司及CNPC重點攻關項目，有較好的理論基礎和較多的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗。實驗室與中國海洋石油總公司有長期的業(yè)務關系，已圓滿地完成了中海油的相關科研服務項目100余項，用戶評價良好?！笆晃濉逼陂g承擔完成了三項國家科技重大專項，一項“863”科技計劃課題；并建成了可模擬3000水深的石油鉆采深水模擬實驗室和室內常壓水深模擬實驗室，具有雄厚的海洋石油鉆完井技術科學研究實力。目前正在承擔三項“十二五”國家科技重大專項深水項目。

通過本深水鉆井表層導管施工關鍵技術與應用項目的研究，探索出高效的表層導管下入施工技術及工藝控制理論，建立一套適合深水鉆井噴射表層導管下入深度的計算理論和方法，優(yōu)化深水表層導管作業(yè)過程中的鉆井參數(shù)和水力學參數(shù)，形成了我國深水鉆井噴射表層導管下入工藝及控制技術的獨立知識產權，研究成果的應用能夠提高深水鉆井表層導管下入施工安全性和作業(yè)時效，進一步降低作業(yè)費用，為解決我國深水鉆井噴射表層導管下入深度確定和施工工藝控制提供了理論基礎和科學依據(jù)

展望未來，我國將加大對南海深水油氣資源的勘探開發(fā)力度。本課題研究成果順應了我國油氣資源從淺海到深水的發(fā)展趨勢，符合建設“深水海上大慶”的宏偉目標，能夠為維護我國海洋權益、提高我國深遠海油氣田勘探開發(fā)技術提供技術支撐和科研保障，應用情況非常廣闊，潛在價值不可估量，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。