林四元 鄭浩鵬 劉賢玉 徐一龍 代銳 徐超

中海石油（中國）有限公司湛江分公司

北部灣盆地是中海油湛江分公司在南?？碧街鲬?zhàn)場之一。所在勘探海域水深集中在15～45 m，主探的古近系儲層埋深集中為1400～3800 m。受成藏地質(zhì)環(huán)境影響，盆地?cái)鄩K復(fù)雜、構(gòu)造分布零散、控制儲量有限［1］。因此，區(qū)域勘探井具有“井深不深、作業(yè)周期相對較短（平均建井周期為10～25 d）、鉆井?dāng)?shù)量多”的特點(diǎn)。作業(yè)海域每年 7 ～10 月為臺風(fēng)季節(jié)［2-3］，每年11 月到次年6 月為非臺風(fēng)季節(jié)；在8 個月的非臺風(fēng)季節(jié)期間，作業(yè)海域自然環(huán)境相對溫和?？紤]到海域季節(jié)環(huán)境及勘探井特點(diǎn)，提出了一種基于非臺風(fēng)季節(jié)的小尺寸隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)技術(shù)，以提高作業(yè)效率、降低勘探成本。

1 傳統(tǒng)隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)的局限性

在海洋鉆井作業(yè)過程，隔水導(dǎo)管系統(tǒng)受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的影響，當(dāng)井口載荷大于臨界值時，隔水導(dǎo)管在水平風(fēng)浪流載荷作用下發(fā)生彎曲失效而不能滿足施工作業(yè)。如果設(shè)計(jì)的隔水導(dǎo)管尺寸過大，安全系數(shù)高，又會增加施工周期及鉆井費(fèi)用，造成資源浪費(fèi)。

北部灣盆地早期通常采用?762 mm隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)［4］，這種設(shè)計(jì)模式的安全性很強(qiáng)，但成本費(fèi)用高。隨著對區(qū)域認(rèn)識的加深，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)方面有改進(jìn)的空間，于是推出了?508 mm隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)方案；隨后，又進(jìn)一步優(yōu)化出?508 mm×?339.73 mm變徑組合隔水導(dǎo)管［5-6］，賦予了隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)的雙重功用（隔水導(dǎo)管井口支撐及表層套管封固承壓）。

1.1 ?508 mm隔水導(dǎo)管技術(shù)的局限性

?508 mm隔水導(dǎo)管，雖然在?762 mm隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上一定程度地縮減了材料費(fèi)用，且能滿足海域50年重現(xiàn)期極端天氣要求，但工藝方案與?762 mm隔水導(dǎo)管模式區(qū)別不大，作業(yè)周期不能有效節(jié)省。由于?508 mm隔水導(dǎo)管需要?660.4 mm井段作業(yè)，因此還存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

圖1 常規(guī)?508 mm隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)Fig. 1 Design of conventional ?508 mm riser

1.2 ?508 mm×?339.73 mm變徑組合隔水導(dǎo)管技術(shù)的局限性

為解決?508 mm隔水導(dǎo)管技術(shù)的局限性，同時進(jìn)一步提高鉆井效率，技術(shù)人員又在常規(guī)?508 mm隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性的提出了“二合一”隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)技術(shù)：?508 mm×?339.73 mm變徑組合隔水導(dǎo)管（圖2上部?508 mm套管作為隔水導(dǎo)管，下部泥線30～35 m以下使用?339.73 mm套管，中間采用變徑管連接），這種組合設(shè)計(jì)方案與?508 mm隔水導(dǎo)管相比，能顯著降低作業(yè)工期及鉆井成本。

圖2 ?508 mm×?339.73 mm變徑隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)Fig. 2 Design of ?508 mm×?339.73 mm riser assembly

但這種設(shè)計(jì)模式仍存在一定的局限性，表現(xiàn)為：（1）固井方式受限，盲替固井混漿多，降低了水泥石強(qiáng)度，并且管內(nèi)水泥塞高、鉆塞時間長；（2）變徑管加工工藝原因，抗內(nèi)壓不如套管本體，導(dǎo)致了導(dǎo)管組合應(yīng)用上存在薄弱環(huán)節(jié)。因此，該設(shè)計(jì)的局限性制約了該設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

2 小尺寸隔水導(dǎo)管強(qiáng)度及井口穩(wěn)定性分析

上述幾種隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)技術(shù)，可根據(jù)作業(yè)需要適時選擇，均滿足重現(xiàn)期極端天氣要求。但隨著勘探鉆井及工藝技術(shù)提升，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)北部灣盆地的隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)還能進(jìn)一步優(yōu)化，并提出了小尺寸隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)的理念。

2.1 小尺寸隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)環(huán)境及要求

北部灣常規(guī)勘探井單井作業(yè)周期短，并且施工時間大都是在非臺風(fēng)季節(jié)?？碧骄Y料錄取后，就永久棄井注回填水泥塞、切割回收隔水導(dǎo)管，而不再受海域環(huán)境的影響。常規(guī)的?508 mm 隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)能滿足北部灣海域50 年一遇的極端天氣，但在非臺風(fēng)季節(jié)隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)偏于保守；同時，?508 mm×?339.73 mm 變徑組合隔水導(dǎo)管存在固井方式的缺陷。

如果在北部灣海域臺風(fēng)和非臺風(fēng)不同的環(huán)境條件下，對隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)進(jìn)行區(qū)分對待及精確化設(shè)計(jì)，尋求一種可以彌補(bǔ)常規(guī)隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)存在的局限及不足，并且來源方便、操作簡單的小尺寸隔水導(dǎo)管，將對北部灣勘探井可持續(xù)發(fā)展的降本增效起到推進(jìn)作用。

2.2 隔水導(dǎo)管受力分析

隔水導(dǎo)管長度遠(yuǎn)大于隔水導(dǎo)管直徑，且在井口位置存在井口載荷。因此假設(shè)隔水導(dǎo)管為壓桿，隔水導(dǎo)管泥面以下為固定端，泥面以上在井口小平臺處有一個簡支約束，井口施加載荷。同時隔水導(dǎo)管為一條直線垂直于泥面，將隔水導(dǎo)管的受力模型簡化為圖3所示。隔水導(dǎo)管主載荷主要有兩部分：一是軸向載荷（井口載荷、自重）［7］，二是橫向載荷（風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷）［8-9］。在作業(yè)過程中，風(fēng)浪流載荷并非同時以一個方向作用在隔水導(dǎo)管上，但在進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核計(jì)算時選取最惡劣的工況，即風(fēng)浪流同時以一個方向作用在隔水導(dǎo)管上［10-15］。

圖3 自升式鉆井平臺隔水導(dǎo)管系統(tǒng)受力示意圖Fig. 3 Schematic force on the riser system of Jack-up rig

當(dāng)圓管型構(gòu)件的受力為軸向受拉或受壓，并在2個平面內(nèi)受彎，其軸向應(yīng)力強(qiáng)度校核公式為

式中，σ為軸向應(yīng)力，MPa；N為計(jì)算截面的軸向力，N；Mx、My分別為計(jì)算截面分別繞x及y軸的彎矩，N·m；A為圓管的截面面積，m2；W為圓管截面的剖面模數(shù)，m3；[σ]為強(qiáng)度許用應(yīng)力，MPa。

圓管形構(gòu)件在軸向力和φ彎矩聯(lián)合作用時，穩(wěn)定性校核的公式為

式中，σ為彎曲應(yīng)力，MPa；[σc]為穩(wěn)定性許用應(yīng)力，取值為φσs；φ為整體穩(wěn)定系數(shù)，對于圓管構(gòu)件，則由下式?jīng)Q定

2.3 隔水導(dǎo)管理論計(jì)算及選型分析

考慮常規(guī)鉆井設(shè)計(jì)所選套管器材及實(shí)際使用、分別選取常規(guī)?339.73 mm套管、?335.6 mm套管（?339.73 mm套管外加厚）、?406.4 mm套管作為隔水導(dǎo)管，并配套使用井口提升裝置承擔(dān)井口載荷，理論分析計(jì)算不同尺寸套管是否適合北部灣海域非季風(fēng)季節(jié)下井口穩(wěn)定性要求。

根據(jù)海域作業(yè)環(huán)境（表1）及隔水導(dǎo)管參數(shù)性能（表2）要求，計(jì)算數(shù)據(jù)見表3。

表1 北部灣主要勘探區(qū)塊的水深Table 1 Water depth in the main exploration blocks in the Beibuwan Basin

表2 套管鋼材許用應(yīng)力Table 2 Permissible stress of casing steel

表3 北部灣海域不同重現(xiàn)期環(huán)境條件Table 3 Environmental conditions of Beibuwan sea area in different recurrence intervals

2.3.1 臺風(fēng)季節(jié)極限海況隔水導(dǎo)管理論分析 以15～45 m水深、臺風(fēng)季節(jié)時極限海況環(huán)境條件（以50 年一遇海況進(jìn)行計(jì)算）為例，對不同尺寸、壁厚的隔水導(dǎo)管進(jìn)行強(qiáng)度及井口穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 北部灣海域不同尺寸隔水導(dǎo)管50 年重現(xiàn)期（安全系數(shù)1.25）校核結(jié)果Fig. 4 Check result on the risers of different sizes in the Beibuwan Basin in 50-year recurrence interval(safety factor 1.25)

根據(jù)圖4中的結(jié)果數(shù)據(jù)：

（1）?508 mm厚壁隔水導(dǎo)管才能滿足北部灣深水潿洲區(qū)50 年一遇極端海況下隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)要求；?406.4 mm厚壁隔水導(dǎo)管能滿足北部灣海域淺水烏石區(qū)50 年一遇極端海況下隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)要求。

（2）近幾年北部灣海域勘探井使用的厚壁?508 mm隔水導(dǎo)管，在所遇的臺風(fēng)極端天氣下未發(fā)生隔水導(dǎo)管失穩(wěn)及破壞問題，進(jìn)一步證實(shí)?508 mm的厚壁隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)滿足北部灣海域極端天氣下隔水導(dǎo)管的設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 非臺風(fēng)季節(jié)極限海況隔水導(dǎo)管理論分析 結(jié)合區(qū)域特征，針對非臺風(fēng)季節(jié)情況，進(jìn)行了分析（圖5）。

圖5 北部灣海域不同尺寸隔水導(dǎo)管在非臺風(fēng)季節(jié)下（1 年重現(xiàn)期，安全系數(shù)1.60）校核結(jié)果Fig. 5 Check result on risers of different sizes in the Beibuwan Basin in non-typhoon seasons(1-year recurrence interval and safety factor 1.60)

3 小尺寸隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)

經(jīng)理論分析，技術(shù)人員結(jié)合海域特征，總結(jié)了北部灣盆地小尺寸隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)的方案，見圖6。

（1）非臺風(fēng)季節(jié)環(huán)境下，?339.73 mm厚壁隔水導(dǎo)管在北部灣烏石海域30 m水深內(nèi)，能滿足設(shè)計(jì)要求，但允許井口載荷量很小。

（2）非臺風(fēng)季節(jié)環(huán)境下，?355.6 mm隔水導(dǎo)管能滿足北部灣海域作業(yè)要求。

圖6 ?339.73 mm小尺寸隔水導(dǎo)管與?355.6 mm×?339.73 mm組合隔水導(dǎo)管示意圖Fig. 6 Schematic ?339.73 mm small-size riser and ?355.6 mm×?339.73 mm riser assembly

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 應(yīng)用案例

案例一：北部灣盆地W井，井位水深21 m，補(bǔ)心高度35 m，井深1857 m。選用理論計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求但井口載荷小的?339.73 mm（鋼級N80/壁厚12.19 mm）套管作為隔水導(dǎo)管來進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐。該井表層?339.73 mm套管入泥1116 m，二開311.15 mm井眼鉆進(jìn)到1857 m完鉆。

案例二：北部灣盆地4口勘探井（B1、B2、B3、B4），所在井位水深 24～39 m，使用 ?355.60/N80/壁厚18.64 mm套管作為隔水導(dǎo)管（?339.73 mm套管外加厚）在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。4口井井深在2355～3826 m，采用2開次井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：一開表層?355.6 mm×?339.73 mm復(fù)合管柱，下深在1230～1420 m；二開?250.83 mm井眼完鉆。

應(yīng)用案例進(jìn)一步證實(shí)小尺寸隔水導(dǎo)管應(yīng)用方案可行，能替代常規(guī)?508 mm隔水導(dǎo)管及?508 mm×?339.73 mm變徑隔水導(dǎo)管組合設(shè)計(jì)方案。

4.2 應(yīng)用效果

實(shí)際應(yīng)用證實(shí)，小尺寸隔水導(dǎo)管應(yīng)用設(shè)計(jì)方案在非臺風(fēng)季節(jié)應(yīng)用沒有作業(yè)安全問題，替代了常規(guī)?508 mm×?339.73 mm變徑隔水導(dǎo)管方案，彌補(bǔ)了常規(guī)?508 mm×?339.73 mm變徑隔水導(dǎo)管組合應(yīng)用時固井方式受限及抗內(nèi)壓不足的難題。同時，通過不同隔水導(dǎo)管應(yīng)用方案進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)小尺寸隔水導(dǎo)管應(yīng)用設(shè)計(jì)可以節(jié)省一定的工期費(fèi)用。為便于對比，統(tǒng)計(jì)北部灣盆地?339.73 mm套管封固下深（下深在1200～1400 m）時，不同隔水導(dǎo)管施工方案下的工期及費(fèi)用情況。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果知，在相似的封固方案下：“方案一”采用常規(guī)2 開次套管設(shè)計(jì)方案。“方案二”采用?508 mm×?339.73 mm變徑隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)方案，較“方案一”節(jié)省鉆井工期1.0～1.2 d，節(jié)省鉆井費(fèi)用140～150 萬元?！胺桨溉辈捎??355.6 mm×?339.73 mm復(fù)合隔水導(dǎo)管方案，較“方案一”節(jié)省鉆井工期1.2～1.5 d，節(jié)省鉆井費(fèi)用180～200 萬元。由此可知，在表層相似的封固方案下，小尺寸隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)方案作業(yè)周期最短、成本最低，經(jīng)濟(jì)效率最好。

5 結(jié)論及建議

（1）基于邊界約束條件及井口載荷，建立非臺風(fēng)季節(jié)小尺寸隔水導(dǎo)管強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。實(shí)踐證實(shí)，小尺寸隔水導(dǎo)管在北部灣海域非臺風(fēng)季節(jié)使用方案可行。

（2）通過計(jì)算分析及實(shí)際應(yīng)用，認(rèn)為?355.6 mm隔水導(dǎo)管（?339.73 mm外加厚套管）設(shè)計(jì)在北部灣海域非臺風(fēng)季節(jié)使用適用性更強(qiáng)。建議采用配套井口提升裝置承擔(dān)井口載荷，提高北部灣深水區(qū)冬季季風(fēng)環(huán)境下隔水導(dǎo)管穩(wěn)定的安全性。

（3）小尺寸隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了常規(guī)?508 mm隔水導(dǎo)管及?508 mm×?339.73 mm變徑隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)中的缺陷及不足，為北部灣海域非臺風(fēng)季節(jié)隔水導(dǎo)管的選擇提供了參考，完善了北部灣勘探井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（4）小尺寸隔水導(dǎo)管在北部灣海域的大規(guī)模應(yīng)用，有力地推動北部灣勘探井的可持續(xù)發(fā)展，在完善鉆井施工設(shè)計(jì)、提高鉆井效率的同時，每年可為北部灣勘探項(xiàng)目節(jié)省一筆可觀的費(fèi)用，建議技術(shù)人員在隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性方面繼續(xù)攻關(guān)，以便提高惡劣海況及較大水深環(huán)境下的適用性。