周波，楊進，劉正禮，羅俊峰，葉吉華，陳彬，劉書杰，周建良

（1.中國石油大學（北京）石油工程學院；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司；3.中海油研究總院）

0 引言

1 深水鉆井表層導管承載力計算模型

表層導管承載力主要取決于表層導管與周圍海底土間的摩擦力，摩擦力在噴射下入過程方向向上，上拔過程方向向下，下入與上拔過程摩擦力大小相等。因此，通過現(xiàn)場試驗測量表層導管上拔過程的上拔力，可以分析表層導管承載力。

現(xiàn)場試驗中，在同一地層預先噴射下入6組表層導管，在表層導管到達靜置時間（6組導管的靜置時間分別為2 h、4 h、6 h、12 h、24 h和48 h）時拔出，記錄表層導管上拔過程中最大上拔力。利用最小二乘法擬合現(xiàn)場試驗數(shù)據（見表1），得到表層導管與周圍海底土間摩擦力隨導管噴射到位后靜置時間的變化關系（見圖1）。圖1中平均上拔力為表1中各組表層導管的平均上拔力。

表1 現(xiàn)場試驗數(shù)據

圖1 表層導管與周圍土體間摩擦力隨靜置時間變化關系

基于表層導管與周圍土體間摩擦力隨靜置時間變化關系，得到表層導管承載力隨靜置時間恢復模型：

綜合考慮水深和土質因素，將（1）式應用到工程實際中，可得不同水深處表層導管承載力隨靜置時間恢復曲線（見圖2）。

圖2 不同水深處表層導管承載力恢復系數(shù)與靜置時間關系

深水鉆井表層導管噴射施工實時承載力計算模型為：

2 噴射法安裝表層導管力學分析

表層導管是深水鉆井安裝的第1層管柱，用于懸掛水下井口及下部各層管柱，支撐防噴器，是關鍵持力結構[3-6]。深水鉆井噴射法安裝表層導管過程中，表層導管受力狀態(tài)極其復雜，其受力狀態(tài)可分為4個關鍵階段[7-11]（見圖3）：噴射下入階段、噴射到位至解脫送入工具階段、二開套管坐掛井口固井階段和安裝坐放水下防噴器系統(tǒng)階段。其中，表層導管噴射到位至解脫送入工具階段和二開套管坐掛井口固井階段是相對危險階段，因此針對這兩個階段對表層導管進行力學分析。

圖3 深水鉆井表層導管噴射下入關鍵受力階段

2.1 表層導管噴射到位至解脫送入工具階段力學分析

深水鉆井表層導管噴射到位后需與送入工具及管柱解脫以進行二開井眼的鉆進，解脫送入工具后僅由地層來承擔表層導管、低壓井口頭及其送入工具的重量，此時表層導管靜置時間短、承載力恢復小，為表層導管垂向受力風險點之一。

在垂直向上方向，表層導管側壁和端部受地層阻力作用，由于導管端部截面積小，通常忽略導管端部地層阻力的影響；在垂直向下方向，導管受自重以及防沉板、低壓井口頭、送入工具下接頭重量作用。送入工具解脫時表層導管承受的垂向載荷為：

三系雜交種皖芝10號參加2013年安徽省芝麻新品種區(qū)試，產量為1 498.50 kg/hm2，比對照品種豫芝4號增產2.04%，2014年通過安徽省鑒定。2015—2016年全國(江淮片)芝麻品種區(qū)域試驗，兩年平均產量1 261.65 kg/hm2，比豫芝4號(CK)增產2.54%；含油量為58.18%，蛋白質含量20.97%；莖點枯和枯萎病病情指數(shù)分別為5.07和0.85。該品種具有優(yōu)質、高油、高產、多抗、綜合性狀優(yōu)于全國對照品種豫芝4號等特點，適合制油、食品保健。

其中

為保證送入工具解脫時表層導管不下沉，需滿足：

2.2 二開套管坐掛井口固井階段力學分析

表層導管承受垂向載荷最大的工況很可能出現(xiàn)在表層套管固井過程。深水鉆井二開套管固井時，水下井口垂向承載力僅由表層導管提供，固井水泥漿達到井眼底部而尚未進入表層導管和表層套管間環(huán)形空間的時刻井口所受垂向載荷最大，在此工況下最容易出現(xiàn)表層導管下沉及井口失穩(wěn)事故[12-17]。該工況下表層導管承受的垂向載荷為：

為保證在該工況下表層導管不下沉，需滿足：

3 深水鉆井表層導管靜置時間窗口設計

由（1）式—（4）式可知，噴射到位至解脫送入工具階段表層導管靜置時間需滿足：

由（1）式—（2）式、（5）式—（6）式可知，為保證二開套管固井時周圍土體對表層導管有足夠的承載力，二開套管坐掛井口固井階段表層導管靜置時間需滿足：

由（7）式—（8）式可以看出，深水鉆井表層導管靜置時間窗口設計與低壓井口頭重量、防沉板重量、送入工具重量、導管自重、導管周圍土體不排水抗剪切強度和承載力恢復系數(shù)等密切相關。

4 現(xiàn)場應用

根據外徑914.4 mm（36 in）表層導管極限承載力數(shù)值，基于表層導管承載力隨靜置時間恢復模型，求得南中國海某深水井外徑914.4 mm表層導管實時承載力（見圖4）。

圖4 南中國海某深水井外徑914.4 mm表層導管實時承載力

根據（3）式和工程實際參數(shù)可以求出表層導管在送入工具解脫時承受的垂向載荷與表層導管入泥深度的關系曲線（見圖5），再結合如圖4所示的表層導管實時承載力曲線，可以得到噴射到位至解脫送入工具階段表層導管靜置時間設計圖版（見圖5）。同理可得二開套管坐掛井口固井階段表層導管靜置時間設計圖版（見圖6）。

圖5 南中國海某深水井外徑914.4 mm表層導管噴射到位至解脫送入工具階段靜置時間設計圖版

圖6 南中國海某深水井外徑914.4 mm表層導管噴射到位至二開套管固井階段靜置時間設計圖版

由圖 5、圖 6可知，假設南中國海某深水井外徑914.4 mm表層導管設計入泥深度為65 m，則表層導管噴射到位后至送入工具解脫前的靜置時間應不少于3 h，噴射到位后至二開套管固井前的靜置時間應不少于120 h。

本文提出的深水鉆井表層導管靜置時間窗口設計方法在南中國海、西非等海域多口深水井的鉆井作業(yè)中取得了顯著的應用效果（見表 2），成功指導了深水鉆井表層導管噴射作業(yè)：表層導管噴射到位至解脫送入工具階段平均每口井節(jié)約作業(yè)時間超過12 h，二開套管坐掛井口固井階段平均每口井節(jié)約作業(yè)時間超過24 h，且井口無傾斜無下沉。

表2 深水鉆井表層導管靜置時間窗口設計方法現(xiàn)場應用情況

5 結論

基于現(xiàn)場試驗建立了深水鉆井表層導管承載力隨靜置時間恢復模型及表層導管實時承載力計算模型。針對表層導管噴射到位至解脫送入工具階段和二開套管坐掛井口固井階段對表層導管進行了力學分析，并對兩個階段的表層導管靜置時間窗口進行設計。

通過現(xiàn)場應用實例闡述了表層導管噴射到位后至送入工具解脫前的靜置時間以及噴射到位后至二開套管固井前的靜置時間的確定方法。

將本文提出的深水鉆井表層導管靜置時間窗口設計方法應用于南中國海、西非等海域多口深水井，表層導管噴射到位至解脫送入工具階段平均每口井節(jié)約作業(yè)時間超過12 h，二開套管坐掛井口固井階段平均每口井節(jié)約作業(yè)時間超過24 h，既保證了作業(yè)安全，又提高了作業(yè)時效。

符號注釋：

Kr——表層導管承載力恢復系數(shù)；α——修正系數(shù)，南中國海深水海域取0.04；t——表層導管靜置時間，h；β——經驗系數(shù)，與土質相關，南中國海深水海域取0.02～0.03；Qut——表層導管實時承載力，N；Qu0——表層導管初始承載力，N；D——表層導管外徑，m；L——表層導管入泥深度，m；Su——海底土與水泥環(huán)間的單位面積摩擦力，MPa；Gr——送入工具解脫時表層導管承受的垂向載荷，N；Wc——表層導管濕重，N；WLPWH——低壓井口頭重量，N；Wm——防沉板濕重，N；WCADA——送入工具重量，N；λ——表層導管單位長度重量，N/m；kb——表層導管浮力系數(shù)；Fr——送入工具解脫時表層導管側向摩擦力，N；Fc——固井時表層導管側向摩擦力，N；Gc——固井最危險工況下表層導管承受的垂向載荷，N；k——安全系數(shù)；Ww——井口頭濕重，N；Wca——表層套管濕重，N；Wcs——固井管柱濕重，N；Wce——固井水泥漿濕重，N；Wmr——表層套管送入工具濕重，N；tr——噴射到位至解脫送入工具階段表層導管靜置時間，h；tc——二開套管坐掛井口固井階段表層導管靜置時間，h。

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