袁光宇

(中國海洋石油總公司，北京 100010)

我國海上鉆井隔水導管使用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

袁光宇

(中國海洋石油總公司，北京 100010)

隨著我國海洋石油快速發(fā)展，油氣勘探開發(fā)的海域不斷擴大，水深不斷加深，海況條件越來越復雜，對鉆井隔水導管性能和設計要求越來越高。系統(tǒng)研究分析了隔水導管的失效形式、導管接頭類型與性能、設計原則。在目前現(xiàn)有隔水導管設計和使用技術(shù)現(xiàn)狀的基礎上，提出了提高鉆井隔水導管設計和選型技術(shù)水平的研究思路，為保證海上鉆井隔水導管使用安全和鉆完井工作提供技術(shù)參考。 ------------------------------

鉆井；隔水導管；導管接頭；設計

1 鉆井隔水導管主要施工方式

海上鉆井隔水導管是從海上鉆井平臺下到海底淺層的套管，主要功能是隔離海水、形成鉆井液循環(huán)通道，同時作為海上鉆井井口的持力結(jié)構(gòu)。在海上石油的勘探開發(fā)中，鉆井隔水導管對于整個石油的勘探、開采起著重要的作用。

1)錘入法 對于海上淺水海域的開發(fā)井來說，通常采用錘入法進行鉆井隔水導管施工。在進行ODP方案(Oilfield development project(program)，油田開發(fā)計劃或方案)設計時一般需要提供鉆井隔水導管入泥深度數(shù)據(jù)，而在鉆井施工過程中需要提供錘擊數(shù)和貫入度的數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場鉆井隔水導管錘入施工過程中，一般根據(jù)海底土資料和打樁設備情況進行貫入度計算。

2)鉆入法 對于海上淺水海域的探井來說，一般采用鉆入法下鉆井隔水導管。即用鉆頭鉆出井眼，下入導管并固井的方法，該方法適合大多數(shù)海底土地層。

3)噴射法 對于深水海域的鉆井來說，一般采用噴射法下隔水導管。噴射方式下隔水導管，就是利用水射流和管串的重力，邊噴射開孔邊下導管，同時在噴射管柱中下入動力鉆具組合以提高安全性和作業(yè)效率。噴射鉆至預定深度后，靜止管串，利用海底淺層土的粘附力和摩擦力穩(wěn)固住導管，然后脫手送入工具并起出管內(nèi)鉆具，從而完成隔水導管的安裝。噴射法下導管技術(shù)可在鉆進的同時下導管，解決了深水表層鉆孔后下導管不易找到井口的難題；同時，這種方法也無需固井，可避免因水泥漿密度過大而壓破地層；采用噴射法下導管技術(shù)可以有效地節(jié)約鉆井時間，從而很大程度上節(jié)約了鉆井成本。

2 鉆井隔水導管主要失效形式

隔水導管不僅受到比較大的軸向載荷的作用，還要受到橫向周期性的風、浪、流載荷的作用，這些載荷對隔水導管強度和安全性都會產(chǎn)生比較大的影響［1-4］。隔水導管失效形式及原因分析見表1。

表1 隔水導管失效形式及原因分析

3 鉆井隔水導管接頭類型和特性

目前隔水導管接頭的類型主要有3種：焊接方式、螺紋接頭和卡簧接頭。

1)焊接方式 焊接方式在隔水導管的連接中已不常用，主要有以下幾點原因：①焊接方式相比各種接頭的連接需要更多的作業(yè)時間；②海上現(xiàn)場焊接受環(huán)境影響較大，并不能全天候作業(yè)；③焊接會由于各種原因易造成焊接缺陷，良好的檢查可以一定程度的避免，但若需返工則造成大量工時的浪費；且如果檢查不到位，焊接缺陷會帶來焊縫強度等力學性能的下降，從而可能發(fā)生焊縫開裂等重大安全事故［5-6］。

2)螺紋接頭 螺紋接頭在隔水導管的連接中使用較為頻繁。螺紋接頭可以分為2類：一類是API接頭(包括圓螺紋和偏梯形螺紋)，即按照API標準生產(chǎn)和檢驗的接頭；另一類是非API接頭，也稱為特殊螺紋接頭。目前API接頭已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的工程技術(shù)要求，國內(nèi)外先進的套管生產(chǎn)廠開發(fā)并推廣了一批特殊螺紋接頭。目前特殊螺紋接頭的專利大約有100多種，應用較多的國外螺紋接頭廠商有DST、V&M和NKK等；國內(nèi)也有了螺紋接頭技術(shù)的顯著進步，攀鋼、寶雞和天津鋼管等都研發(fā)和生產(chǎn)了多種特殊螺紋接頭［7-8］。螺紋接頭的優(yōu)點在于：①采用螺紋接頭可以減小隔水導管的最大外徑，更有利于打樁作業(yè)；②螺紋接頭采用吊卡起吊，可以提高作業(yè)時效；③特殊螺紋接頭具有較好的機械性能，有效地保障作業(yè)安全。由于其具有較好的抗疲勞性能，在南海水深較深、海況條件較差的地方應用較多。

3)卡簧接頭 卡簧接頭在渤海海域是隔水導管常用的連接方式?？ɑ山宇^主要可以分為2類：一類是內(nèi)收式卡簧結(jié)構(gòu)，這類將卡簧安裝在外接頭的卡簧槽內(nèi)，依靠卡簧的外張彈力，約束內(nèi)接頭，使其懸掛在外接頭內(nèi)；另一類是外卡簧式結(jié)構(gòu)，這類工作原理與內(nèi)收式卡簧結(jié)構(gòu)相反。由于內(nèi)收式卡簧結(jié)構(gòu)在安裝、拆卸方面更具優(yōu)勢，現(xiàn)在較多的卡簧接頭采用內(nèi)收式卡簧結(jié)構(gòu)［9-10］?？ɑ山宇^的主要優(yōu)點在于能夠有效的減少接管的作業(yè)時間。卡簧接頭的抗疲勞性能相比螺紋接頭稍差，但其具有良好的抗剪切能力，可以在冬季冰區(qū)作業(yè)時保證更好的性能，故更多的應用于渤海海域。

4 鉆井隔水導管設計原則

對于鉆井隔水導管的設計主要包括導管結(jié)構(gòu)設計、入泥深度設計以及施工方式設計。隔水導管設計總的原則要滿足鉆完井作業(yè)和后期生產(chǎn)對結(jié)構(gòu)尺寸的要求，滿足海況重現(xiàn)期內(nèi)的環(huán)境條件，滿足安全、經(jīng)濟、方便施工的基本原則［11-12］。

表2 環(huán)境載荷海況重現(xiàn)期

1)導管結(jié)構(gòu)設計原則 對于結(jié)構(gòu)設計，需根據(jù)表2環(huán)境載荷海況重現(xiàn)期取值要求，以及《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》考慮一定的腐蝕裕量，按工況對導管強度、穩(wěn)定性進行校核，確定隔水導管本體直徑、壁厚、鋼級、材質(zhì)和接頭類型。結(jié)構(gòu)受力分析包括靜力分析和動力分析，應以靜力分析結(jié)果為設計依據(jù)。滿足下列情況之一時，應進行動力分析，并對疲勞應力進行校核：①隔水導管的固有頻率接近于設計海域內(nèi)波浪頻率；②沖擊載荷頻率接近于隔水導管的固有頻率；③受到冰載作用。

2)入泥深度設計原則 根據(jù)土壤力學參數(shù)、結(jié)構(gòu)設計結(jié)果及淺部地層破裂壓力，確定隔水導管最小入泥深度。對錘入法應進行單樁錘入過程模擬及群樁可錘入性分析。當井口中心距大于或等于3倍隔水導管直徑且端部進入良好持力土層時，錘入法下隔水導管應按單樁設計；小于3倍應按群樁設計。隔水導管端部持力層，應選擇中等密實或密實砂層、硬粘土層、碎石類土層或風化巖層等土層。

3)施工方式設計原則 若采用錘入法則應同時滿足下列要求：①土體不排水抗剪強度小于120kPa；②隔水導管不發(fā)生彎曲失穩(wěn)時能夠承受的最大軸向載荷大于錘擊過程中產(chǎn)生的動載。對于地質(zhì)條件復雜、巖面起伏較大或地下障礙物較多時宜采用鉆入法。

5 鉆井隔水導管使用情況

目前隔水導管常用的外徑規(guī)格一般為914、762、610及508mm，壁厚一般為38.1、25.4及15.9mm。在渤海灣由于冬季存在冰區(qū)，一般導管尺寸和壁厚都相對較大，基本上都是762×25.4mm以上規(guī)格；在南海等海域，一般導管規(guī)格為610×25.4mm的居多，具體的根據(jù)環(huán)境條件的不同會有變化。

6 結(jié)論與建議

1)開發(fā)新型的隔水導管組合方式。例如采用鉆井隔水導管與表層套管通過變截面組合方式，在泥線以下一定深度以下部分采用鉆井設計的表層套管，上部分采用滿足結(jié)構(gòu)要求的隔水導管，通過變截面接頭連接。該方式可以有效提高作業(yè)效率，減少作業(yè)成本。

2)對于特殊作業(yè)海域，采用更適合該地區(qū)的隔水導管。例如渤海灣冰區(qū)較嚴重地區(qū)，可采用海油總公司研發(fā)的新型抗冰隔水導管組合結(jié)構(gòu)。

3)通過對隔水導管分析過程的優(yōu)化，在保證安全的前提下采用更合理的隔水導管尺寸、壁厚以及鋼級，進一步降低作業(yè)成本。

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10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.034

2012-04-24

袁光宇(1959-)，男，1982年大學畢業(yè)，碩士，高級工程師，現(xiàn)主要從事鉆完井工程方面的研究工作。

TE52

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1673-1409(2012)07-N102-02

［編輯］ 洪云飛