朱榮東　周建良　張玉亭　王　彪（.中海油研究總院，北京　0008；.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58067）

深水表層無(wú)隔水管固井用玻璃纖維管優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱榮東1周建良1張玉亭1王彪2
（1.中海油研究總院，北京100028；2.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067）

深水表層套管的穩(wěn)定性直接決定著后續(xù)鉆井及采油作業(yè)的安全高效實(shí)施，固井作業(yè)是保障深水表層套管安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)。針對(duì)深水表層套管固井過(guò)程中常見(jiàn)的插旗桿、固井后試壓不成功等復(fù)雜情況進(jìn)行了分析，提出固井內(nèi)管柱（玻璃纖維管）是否能高效頂替是造成這些復(fù)雜情況的關(guān)鍵因素，并通過(guò)大型有限元軟件進(jìn)行頂替模擬分析證實(shí)了這一觀點(diǎn)。提出了一種新型側(cè)壁開(kāi)孔型玻璃纖維管結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了三維有限元頂替模擬分析，分析結(jié)果表明新型結(jié)構(gòu)可以有效地避免現(xiàn)行結(jié)構(gòu)的缺陷，避免插旗桿、混漿等復(fù)雜情況，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

南海深水；固井；內(nèi)管柱；玻璃纖維管

深水固井作業(yè)是深水鉆井作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，關(guān)系到整個(gè)深水鉆井作業(yè)的成?。?-4］。2010年墨西哥灣發(fā)生了震驚世界的Macondo深水井井噴事故，其首要原因是固井水泥屏障失效，可見(jiàn)深水固井的重要性。深水表層套管是第1層有效封隔淺部地層，為后續(xù)技術(shù)套管、生產(chǎn)套管以及BOP、水下采油樹(shù)等水下設(shè)備提供支撐，因此其安全穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)深水作業(yè)至關(guān)重要，其中固井水泥漿的有效封隔支撐是影響其穩(wěn)定性的核心因素［5］。針對(duì)深水表層內(nèi)管柱固井現(xiàn)場(chǎng)易發(fā)生的問(wèn)題，提出了一種內(nèi)管柱玻璃纖維管的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并利用實(shí)際作業(yè)參數(shù)，采用數(shù)值模擬手段進(jìn)行了對(duì)比分析，分析結(jié)果表明新型結(jié)構(gòu)玻璃纖維管不僅可實(shí)現(xiàn)高效頂替，防止“插旗桿”事故，還可避免因頂替完成后套管內(nèi)水泥漿分布不均勻造成的后期試壓不成功。從而提高深水表層套管固井成功率，保障后續(xù)作業(yè)順利安全進(jìn)行。

1　深水表層套管內(nèi)管柱固井技術(shù)分析

深水鉆井表層套管尺寸較大，通常采用?508 mm套管，若采用頂替膠塞法固井，容易出現(xiàn)膠塞變形失效、頂替效率低等復(fù)雜情況，所以通常采用的是內(nèi)管柱固井法，內(nèi)管柱最下端采用了2根?88.9 mm或?127 mm的玻璃纖維管，可有效防止“插旗桿”事故，由于套管內(nèi)部事先已經(jīng)灌滿海水，其頂部多功能送入工具（MRLD）上的溢出閥是關(guān)閉的，那么水泥漿只能通過(guò)內(nèi)管柱、浮箍和浮鞋沿套管和井眼環(huán)空流動(dòng)，然后從?914.4 mm低壓井口頭返出口返至泥線。

目前現(xiàn)場(chǎng)固井存在的問(wèn)題有2個(gè)方面：（1）固井頂替結(jié)尾階段目標(biāo)區(qū)域容易被鉆井液部分替空，加上浮箍或浮鞋的單流閥失效，很容易造成后續(xù)試壓不成功，給現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)復(fù)雜情況的誤判（如套管泄漏等）；（2）由于目標(biāo)區(qū)域之上容易存在水泥漿，導(dǎo)致插旗桿事故，雖然采用玻璃纖維管本身就是為處理插旗桿事故方便，但是應(yīng)該盡量避免插旗桿事故，一旦發(fā)生插旗桿事故不僅意味著玻璃纖維管損壞，還意味著套管內(nèi)水泥塞高度較高，為避免磨損套管，下部井段鉆進(jìn)必須采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)，降低了作業(yè)效率。

2　現(xiàn)行玻璃纖維管結(jié)構(gòu)固井模擬分析

2.1物理模型

按計(jì)算條件，為?914.4 mm導(dǎo)管下接?660.4 mm井眼，內(nèi)下?508 mm套管。模擬計(jì)算采用?127 mm玻璃纖維管，玻璃纖維管結(jié)構(gòu)為直通型。浮箍和套管鞋同樣為?508 mm。套管鞋距離井底有6 m口袋，玻璃纖維管距離浮箍50 m。由于直通玻纖管結(jié)構(gòu)和邊界條件都對(duì)稱(chēng)，計(jì)算簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱(chēng)模型，可以大大降低計(jì)算強(qiáng)度。

2.2計(jì)算條件

采用組分輸運(yùn)模型計(jì)算。水泥漿設(shè)置為非牛頓流體模型，采用Herschel-Bulkley模型計(jì)算對(duì)應(yīng)黏度。計(jì)算開(kāi)始時(shí)候，所有空間灌滿海水。水泥漿由玻璃纖維管流出，流出速度0.95 m3/min，合流速為1.55 m/s。?508 mm套管頂部為開(kāi)放空間；環(huán)空為壓力出口，對(duì)應(yīng)壓力為1 219.2 m海水靜壓。計(jì)算考慮重力加速度。采用動(dòng)態(tài)計(jì)算方法，對(duì)應(yīng)時(shí)間為226 min。（實(shí)際40min左右，計(jì)算區(qū)域的水泥漿濃度已經(jīng)超過(guò)99.9%，可以認(rèn)為是全部替代完畢）。226 min后，以1.27 m3/ min壓入海水，待海水把水泥漿頂出玻纖管后，以0.32 m3/min流速繼續(xù)壓入海水0.4 m3。固井完畢。

2.3結(jié)果分析

頂替570 s左右時(shí)，水泥漿到達(dá)井底。并在800 s左右，全部充滿井底空間，如圖1所示。至此，井底水泥漿可以很好的固化。隨著水泥漿繼續(xù)充填，進(jìn)入套管與井筒的環(huán)形空間，在玻璃纖維管出口處，由于分子擴(kuò)散的作用，水泥漿將繼續(xù)上升，圖2給出了繼續(xù)頂替2 h后的情況。由圖2可以看出，玻纖管一部分會(huì)埋沒(méi)于水泥漿中，可能會(huì)造成“插旗桿”事故。

圖1　直通管模型頂替570 s時(shí)候水泥漿濃度分布情況

圖2　頂替7 200 s時(shí)，直通型玻纖管附件水泥漿濃度分布情況

水泥漿注入完畢后，在鉆柱內(nèi)壓入海水，將鉆柱內(nèi)水泥漿頂出鉆柱，此時(shí)海水流量為1.27 m3/min。按照現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)做法，通常為避免內(nèi)管柱殘留水泥，通過(guò)將理論計(jì)算量頂替完之后，還需要繼續(xù)小排量頂替0.4 m3海水，頂替速度為0.32 m3/min。圖3和圖4分別給出了理論計(jì)算量和附加量頂替完成之后直通型玻纖管附近水泥漿濃度分布情況。圖5給出了頂替結(jié)束后沿套管中心的水泥漿濃度分布情況，從海水注入完畢后的模擬情況看，直通玻纖管固井有2個(gè)缺點(diǎn)：

（1）上部的水泥漿無(wú)法排出，玻纖管一部分會(huì)埋沒(méi)于水泥漿中，可能會(huì)造成“插旗桿”事故。

（2）海水在已經(jīng)充填完畢套管內(nèi)，對(duì)水泥漿有較大影響，如稍微超量，可能導(dǎo)致固井后打壓測(cè)試失敗。

圖3　理論計(jì)算全部頂出水泥漿時(shí)，直通型玻纖管附近水泥漿濃度分布情況

3　新型玻璃纖維管固井模擬分析

3.1物理模型

為?914.4 mm導(dǎo)管下接?660.4 mm井眼，內(nèi)下?508 mm。套管計(jì)算采用?127 mm玻璃纖維管，側(cè)壁開(kāi)孔類(lèi)型，玻纖管頭部為錐形，頂部開(kāi)孔；從頭部開(kāi)始，每隔508 mm開(kāi)對(duì)稱(chēng)孔2個(gè)，共3排；中間排位置以玻纖管中心位置，旋轉(zhuǎn)90°。所有開(kāi)孔12.7 mm。浮箍和套管鞋同樣為?508 mm。套管鞋距離井底6 m，玻璃纖維管距離浮箍50 m。由于側(cè)壁開(kāi)孔不具有軸對(duì)稱(chēng)特性，無(wú)法簡(jiǎn)化為二維模型，但具有面對(duì)稱(chēng)特性，因此，建立模型為1/4模型，見(jiàn)圖6。模擬計(jì)算條件和直通型玻璃纖維管計(jì)算條件相同。

圖4　繼續(xù)頂替0.4 m3海水注入完畢后，直通型玻纖管出口附近水泥漿濃度分布情況

圖5　沿套管中心的水泥漿濃度分布

圖6　側(cè)壁開(kāi)孔管有限元分析模型（1/4）

3.2計(jì)算結(jié)果分析

主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8，從圖7可以看出，理論計(jì)算量頂替完成后，玻纖管一部分會(huì)埋沒(méi)于水泥漿中。按照現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)做法，通常為避免內(nèi)管柱殘留水泥，通過(guò)將理論計(jì)算量頂替完之后，還需要繼續(xù)小排量頂替0.4 m3海水，頂替速度為0.32 m3/min。圖8分別給出了理論計(jì)算量和附加量頂替完成之后側(cè)壁開(kāi)孔型玻纖管附近水泥漿濃度分布情況。從海水注入完畢后的模擬情況看，側(cè)壁開(kāi)孔管相比直通玻纖管固井，明顯克服了前面的有2個(gè)缺點(diǎn)：（1）上部的水泥漿基本可以排出或者盡可能稀釋?zhuān)梢杂行П苊?“插旗桿”事故；（2）海水在已經(jīng)充填完畢套管內(nèi)，對(duì)水泥漿有較小影響。固井完畢后，從整個(gè)套管中心水泥漿濃度發(fā)布情況，可以看出附加海水后來(lái)注入，對(duì)整個(gè)水泥漿固井影響有限，可以有效避免固井后打壓測(cè)試失敗。

圖7　理論計(jì)算全部頂出水泥漿時(shí)，側(cè)壁開(kāi)孔型玻纖管附近水泥漿濃度分布情況

圖8　海水注入完畢后，側(cè)壁開(kāi)孔型玻纖管出口附近水泥漿濃度分布情況

4　結(jié)論及建議

（1）通過(guò)有限元模擬手段重現(xiàn)了現(xiàn)行直通型玻璃纖維管結(jié)構(gòu)在固井頂替過(guò)程中的真實(shí)缺陷，從而為下一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

（2）提出了一種新型側(cè)壁開(kāi)孔型玻璃纖維管，并進(jìn)行了三維有限元模擬分析，計(jì)算結(jié)果表明其可以實(shí)現(xiàn)高效固井頂替，有效避免插旗桿，套管內(nèi)水泥漿污染等復(fù)雜情況發(fā)生。

（3）建議進(jìn)一步分析側(cè)壁開(kāi)孔型玻璃纖維管在作業(yè)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，若不能滿足工程要求，可以考慮用相應(yīng)的鋼質(zhì)管替代玻璃纖維材料。

［1］姜偉，周俊昌，唐海雄. 深水鉆井規(guī)程與指南［M］.中國(guó)海洋石油總公司內(nèi)部出版，2011-08.

［2］楊進(jìn)，曹式敬.深水石油鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油鉆采工藝，2008，30 （4）：16-19.

［3 ］張曉東，王海娟.深水鉆井技術(shù)進(jìn)展與展望［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（9）：46-48.

［4］ARMSTRONG L J, JEAN P, PUZ G. URS corporation deepwater development environmental issues and challenges［R］. SPE 73873, 2001.

［5］付英軍，姜偉，朱榮東. 深水表層導(dǎo)管安裝方法及風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)研究［J］. 石油天然氣學(xué)報(bào)，2011，33（6）：153-157.

（修改稿收到日期2014-12-30）

〔編輯薛改珍〕

Optimized design of fiber-glass pipe used in riserless deepwater surface cementing

ZHU Rongdong1, ZHOU Jianliang1, ZHANG Yuting1, WANG Biao2
（1. Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China; 2. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China）

The stability of deepwater surface casing directly determines the safe and effective implementation of follow-up drilling and oil producing operations. Cementing is the foundation to guarantee the safety and stability of deepwater surface casing. The paper analyzes frequent complex cases such as flagpole injection and failed pressure test after cementing and concludes that the effective replacement of inner string (fiberglass pipe) is the key factor that contributes to these complexities. The conclusion is proven in the replacement analysis enabled by large finite element software. A new side-hole fiberglass piping structure is developed and the three-dimensional finite element simulation analysis shows that the new structure can effectively avoid the defects of the existing structure to prevent complex conditions like flagpole injection or cement mixing, supporting the further promotion and application of the new structure.

South China Sea deepwater; cementing; inner string; fiber-glass pipe

TE256文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)別：A

1000 – 7393（2015） 01 – 0050 – 03

10.13639/j.odpt.2015.01.012

國(guó)家自然科學(xué)基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究”（編號(hào)：51434009）；中海油青年科技與管理創(chuàng)新研究基金項(xiàng)目“南海深水固井設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號(hào)：JZTW2012KJ09）。

朱榮東，1980年生。2008年獲西南石油大學(xué)油氣井工程專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事深水鉆完井技術(shù)研究，深水鉆完井工程師。電話：13426337118，028-83032734, 010-84523754。E-mail：zhurongdong1118@126.com。

引用格式：朱榮東，周建良，張玉亭，等. 深水表層無(wú)隔水管固井用玻璃纖維管優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：50-52.