張志剛， 張華衛(wèi)， 崔廣亮

（1. 中國石化集團國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029；2. 中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3. 中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第一鉆井工程分公司，天津 300280 ）

套管懸掛器及其連接短節(jié)（為雙公短節(jié)）位于套管串的最上部，用于連接套管懸掛器和套管串，是保證油氣井完整性的重要組成部分[1-2]。施工過程中，海上浮式鉆井平臺（如半潛式鉆井平臺、鉆井船等）通過隔水管與位于海底的水下井口連接在一起[3]。浮式鉆井平臺的位置由定位系統(tǒng)控制，在洋流等因素影響下，轉(zhuǎn)盤的中心與水下井口的中心會發(fā)生輕微的偏移，安裝在隔水管系統(tǒng)中的撓性接頭將允許鉆井平臺在施工中發(fā)生一定量的偏移[4-5]。API RP 16Q推薦鉆井狀態(tài)下?lián)闲越宇^的平均彎曲角度不大于2.0°，最大彎曲角度不大于4.0°。通常情況下，控制隔水管撓性接頭彎曲角度位于API推薦范圍內(nèi)，并安裝套管懸掛器耐磨補心預(yù)防因鉆井平臺偏移造成的套管懸掛器偏磨[6]。目前，對于套管防磨技術(shù)的研究較為系統(tǒng)[7-10]，而有關(guān)水下井口套管懸掛器防磨技術(shù)的研究相對較少，如果套管懸掛器發(fā)生嚴重偏磨，只能側(cè)鉆或者增加套管層次，以滿足油井完整性的要求。

海上高溫高壓探井M井的套管懸掛器偏磨后不能滿足油井完整性要求，只能通過側(cè)鉆的方式完成鉆探目標。為了防止再次發(fā)生類似的偏磨事故，分析了該井偏磨事故的發(fā)生過程，找出了造成偏磨事故的主因，制定了預(yù)防偏磨的技術(shù)措施，精確監(jiān)測鉆井平臺偏移井口的程度。偏磨預(yù)防技術(shù)在M井側(cè)鉆井眼及后續(xù)的半潛式鉆井平臺鉆井、修井和棄井中進行了應(yīng)用，驗證了偏磨預(yù)防技術(shù)的可行性。

1 M井基本情況及偏磨發(fā)生過程

M井作業(yè)水深95.00 m，使用8錨鏈半潛式鉆井平臺實施鉆探，采用五級井身結(jié)構(gòu)，井口采用?762.0 mm低壓導(dǎo)管頭和?476.2 mm高壓（105 MPa）水下井口頭的組合，目的層用?215.9 mm鉆頭鉆進，并懸掛?177.8 mm 尾管（見圖1）。

圖1 M井實鉆井身結(jié)構(gòu)Fig. 1 Casing program of the actually drilled well M

該井下入?273.1 mm+?250.8 mm復(fù)合生產(chǎn)套管，固井后，下入?215.9 mm旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合鉆穿水泥塞及套管附件，將鉆井液替換為密度2.10 kg/L的油基鉆井液，然后開始下一開次的鉆進施工。鉆至設(shè)計完鉆井深4 800.00 m，起出全部鉆具和隔水管撓性接頭內(nèi)的耐磨補心，發(fā)現(xiàn)耐磨補心一側(cè)（船艏向）已經(jīng)磨穿。完成防噴器組試壓，起出?273.1 mm套管懸掛器的耐磨補心（內(nèi)徑252.4 mm），發(fā)現(xiàn)耐磨補心的艏向左側(cè)也有輕微偏磨。鑒于2個耐磨補心均發(fā)生偏磨，裸眼段電纜測井作業(yè)結(jié)束后下入60臂井徑儀測量套管內(nèi)壁磨損情況，解釋結(jié)果表明，?273.1 mm套管懸掛器及其連接短節(jié)同樣存在一側(cè)嚴重偏磨現(xiàn)象，其偏磨程度達到了41.2%。更換耐磨補心后，通井，再次下入60臂井徑儀測量套管內(nèi)壁偏磨情況，測井解釋結(jié)果表明，經(jīng)過電測及通井作業(yè)后，套管懸掛器及連接短節(jié)在相同位置的偏磨程度達到了47.5%，套管懸掛器及連接短節(jié)極有可能已經(jīng)磨損到中間連接的絲扣接觸面。在MDT測得油層壓力當量密度為2.06 kg/L的情況下，結(jié)合套管懸掛器的磨損程度，使用專業(yè)軟件重新校核套管強度，發(fā)現(xiàn)偏磨后套管懸掛器及連接短節(jié)已無法滿足測試安全要求。注水泥封固裸眼段后，切割?250.8 mm套管、側(cè)鉆，重新下入復(fù)合生產(chǎn)套管固井，保證了井筒的完整性。側(cè)鉆施工共用時79 d，花費5 400萬美元。

2 偏磨事故原因分析

為防止側(cè)鉆及后續(xù)半潛式鉆井平臺施工過程中再次發(fā)生類似的偏磨事故，參考造成隔水管、水下井口及套管偏磨的可能原因[11-12]，從以下方面分析發(fā)生偏磨事故的原因。

2.1 鉆井平臺偏離井口的程度

2.1.1 鉆進期間防噴器及隔水管偏離井口程度

井口基盤、水下防噴器、下部隔水管總成（LMRP）和隔水管底部均安裝了牛眼水平儀，以便作業(yè)期間使用人工機器人（remote operated vehicle，ROV）判斷井口、防噴器和隔水管的偏移程度。?215.9 mm井段鉆進過程中每隔2～3 d下入ROV觀察一次牛眼水平儀的水平度，觀測結(jié)果顯示傾斜程度均不超過1.75°（見表1）。

表1 ?215.9 mm井段鉆進期間各牛眼水平儀的傾斜角度及傾向Table 1 Dip angle and trend of bull’s eye level-meter at different positions during ?215.9 mm borehole drilling

2.1.2 隔水管段傾斜程度

如果鉆井平臺大幅度偏移井口中心，隔水管會大幅度傾斜，可能導(dǎo)致鉆具對套管懸掛器造成嚴重偏磨?？紤]?215.9 mm井段開鉆、裸眼電纜測井和棄井注水泥塞過程中均未對鉆井平臺位置進行任何調(diào)整，注完裸眼水泥塞后下入陀螺測斜儀，檢測隔水管傾斜程度。測斜結(jié)果顯示，井口附近的井斜角小于0.7°，方位角約為200.0°；整個隔水管段平均斜度在1.0°以內(nèi)，最大斜度不超過1.5°，表明隔水管不存在嚴重傾斜。

2.1.3 錨鏈張力

該半潛式鉆井平臺定位艏向為317°。海事報表表明，?215.9 mm井段鉆進期間至第一次電測發(fā)現(xiàn)套管懸掛器及連接短節(jié)偏磨時未調(diào)整錨鏈長度，鉆井平臺的錨鏈對稱分布（見圖2），其錨鏈張力曲線如圖3所示。從圖3可以看出，2#、1#、8#和7#錨鏈的張力要明顯大于與其配對錨鏈的張力。

圖2 鉆機錨鏈的布局Fig. 2 Layout of drilling rig anchor chain

從牛眼水平儀測量數(shù)據(jù)及隔水管段陀螺測斜數(shù)據(jù)推測，?215.9 mm井段鉆進過程中鉆井平臺偏離井口后撓性接頭偏轉(zhuǎn)角度應(yīng)不大于2.0°，鉆井平臺的位置控制在其操作手冊及API推薦范圍內(nèi)。錨鏈張力曲線表明，鉆井平臺左舷側(cè)錨鏈的張力均大于右舷側(cè)錨鏈的張力，表明鉆井平臺在施工期間其位置可能稍偏向井口左側(cè)。耐磨補心和套管懸掛器偏磨的方向為平臺船艏左側(cè)方向，印證了?215.9 mm井段鉆進過程中鉆井平臺相對于井口發(fā)生了偏移。通常情況下，這種小角度的偏移因符合鉆井平臺常規(guī)作業(yè)規(guī)程要求，在沒有特殊要求的情況下，不需要根據(jù)偏移調(diào)整鉆井平臺位置。但該井在施工過程中鉆井平臺一直向同一個方位偏移，導(dǎo)致鉆具對于井口的磨損也固定在此方位，隨著時間增長可能會造成耐磨補心及套管懸掛器的嚴重偏磨。

2.2 撓性接頭是否扭卡

如果下部隔水管總成及隔水管安裝時操作不當及后續(xù)作業(yè)過程中隔水管張力器的張力不夠，可能會導(dǎo)致?lián)闲越宇^扭卡或過度彎曲，鉆具轉(zhuǎn)動時撓性接頭成為一個支點磨損套管懸掛器及連接短節(jié)。通過分析安裝隔水管時的大鉤高度、大鉤載荷、坐放下部隔水管總成于防噴器上的懸重釋放量及連接器鎖緊后超拉上提驗證等數(shù)據(jù)曲線[13]，作業(yè)時嚴格按照操作規(guī)程安裝隔水管，坐放下部隔水管總成時懸重釋放245 kN，鎖緊連接器后超拉上提225 kN確認隔水管和下部隔水管總成安裝就位，后續(xù)作業(yè)一直保持隔水管張力器的張力在作業(yè)規(guī)范要求范圍內(nèi)，說明隔水管撓性接頭不存在扭卡現(xiàn)象。

圖3 鉆井平臺錨鏈張力曲線Fig.3 Tension curve of rig anchor chain

2.3 套管懸掛器耐磨補心尺寸的選擇

檢查發(fā)生偏磨的?273.1 mm套管懸掛器耐磨補心發(fā)現(xiàn)，偏磨僅發(fā)生在上部約四分之三的位置，且磨損深度從上至下逐漸變淺。耐磨補心的內(nèi)徑為252.4 mm，?273.1 mm套管內(nèi)徑為232.6 mm，磨損現(xiàn)象表明，由于耐磨補心和套管懸掛器內(nèi)徑發(fā)生突變，使套管懸掛器內(nèi)壁成為鉆具轉(zhuǎn)動及短程起下鉆的支點，在鉆機小幅偏離井口的情況下，導(dǎo)致鉆具轉(zhuǎn)動對套管懸掛器及連接短節(jié)造成嚴重偏磨。

使用FEA有限元分析軟件分析耐磨補心及套管懸掛器的偏磨情況，結(jié)果表明偏磨主要是由于鉆具的旋轉(zhuǎn)造成的。如果應(yīng)用內(nèi)徑與套管內(nèi)徑相同或者內(nèi)徑更小的耐磨補心，可降低鉆井平臺偏離井口時套管懸掛器及連接短節(jié)的偏磨程度。

2.4 作業(yè)海況

一般情況下，半潛式鉆井平臺作業(yè)時對海況條件比較敏感，海流流速及流向的變化使得半潛式鉆井平臺容易偏離海底井口位置。M井所處海域海況比較惡劣，冬季浪高可達30.00 m。因為M井為高溫高壓探井，從安全角度考慮，鉆井窗口期選在一年中海況最好的夏季，?215.9 mm井段鉆進過程中海況較好，平均風(fēng)速小于4.0 m/s，平均浪高小于1.00 m，風(fēng)向和海流方向主要為330°～90°方位。結(jié)合以往作業(yè)經(jīng)驗，該作業(yè)海況有利于半潛式鉆井平臺的施工，不是導(dǎo)致套管懸掛器偏磨的主要誘因。

2.5 事故原因分析

由上述分析可知，M井?215.9 mm井段鉆進過程中，由于鉆井平臺長期朝船艏左舷方向偏離井口，且不合規(guī)格的耐磨補心在鉆具旋轉(zhuǎn)和起下鉆過程中無法有效保護套管，造成了套管懸掛器及連接短節(jié)在一個方向上的持續(xù)偏磨。該井在鉆進過程中為了便于及時發(fā)現(xiàn)油氣侵入井筒造成的井涌，未使用吊機作業(yè)以保持鉆機穩(wěn)定，這也可能是在海況較好的情況下進一步導(dǎo)致鉆井平臺長時間朝一個方向偏移的原因。由于鉆井平臺偏移井口的幅度在常規(guī)作業(yè)許可范圍內(nèi)，未引起足夠重視，沒有及時校正并縮小偏移量，從而導(dǎo)致套管懸掛器及連接短節(jié)在一個方向上嚴重偏磨。

3 偏磨預(yù)防技術(shù)措施

基于造成套管懸掛器和連接短節(jié)嚴重偏磨的原因分析，為了避免類似事故的再次發(fā)生，制定了精確監(jiān)測鉆井平臺偏離井口的程度、預(yù)防套管懸掛器偏磨的技術(shù)措施：

1）結(jié)合施工區(qū)域歷史海況資料優(yōu)選鉆井施工季節(jié)，盡量避免在冬季惡劣海況下使用半潛式鉆井平臺施工；施工過程中密切監(jiān)測風(fēng)浪等情況，若風(fēng)浪級別可能超出作業(yè)許可范圍，立刻暫停作業(yè)施工。

2）拋錨作業(yè)時，進行錨抓力試驗，以防止作業(yè)過程中出現(xiàn)走錨現(xiàn)象。如果錨抓力試驗結(jié)果達不到規(guī)定要求，要重新拋錨，或增拋串聯(lián)錨等。

3）使用內(nèi)徑與套管內(nèi)徑相同或更小的套管懸掛器耐磨補心，降低套管懸掛器成為磨損支點的概率。

4）增加檢查隔水管撓性接頭和套管懸掛器的耐磨補心的頻率，以便及時發(fā)現(xiàn)偏磨問題，并及時糾正。

5）鉆井平臺上安裝差分全球定位系統(tǒng)，并利用Nautronix 定位系統(tǒng)持續(xù)精確監(jiān)測鉆井平臺的位置。對鉆井平臺許可偏移程度提出比API更嚴格的要求，如果發(fā)現(xiàn)鉆井平臺偏移程度超出許可范圍，及時調(diào)整錨鏈出鏈長度和張力，以降低偏離井口的程度，防止鉆機持續(xù)朝向某一方位偏移，從而減小鉆具轉(zhuǎn)動和起下鉆對套管的磨損。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

M井填井側(cè)鉆和項目后續(xù)11口開發(fā)井的鉆井、完井、修井、棄井作業(yè)等施工中，共使用4臺不同的半潛式鉆井平臺進行施工，均嚴格執(zhí)行制定的防偏磨技術(shù)措施，持續(xù)監(jiān)測鉆井平臺偏離水下井口的程度，發(fā)現(xiàn)偏離井口可能超過作業(yè)要求或持續(xù)朝向一個方位偏移的情況時，及時調(diào)整錨鏈出鏈長度和張力，盡量縮小偏移量；定期起出隔水管撓性接頭和套管懸掛器的耐磨補心，檢查磨損情況，以便根據(jù)耐磨補心的磨損情況判斷鉆井平臺是否發(fā)生了偏移，并檢查相應(yīng)的糾偏效果。

在側(cè)鉆和后續(xù)的不同作業(yè)施工中，由于采取了精細化措施監(jiān)測鉆井平臺偏離水下井口的程度，檢查隔水管撓性接頭和套管懸掛器的耐磨補心磨損情況時均未發(fā)現(xiàn)異常偏磨，保證了各井的施工安全。多井次的成功應(yīng)用表明，水下井口套管懸掛器防偏磨技術(shù)具有較好的現(xiàn)場實用性和可靠性。

5 結(jié)論與建議

1）在分析M井水下井口套管懸掛器發(fā)生偏磨問題原因的基礎(chǔ)上，通過研究形成了以精確監(jiān)測鉆井平臺偏離井口程度并及時糾偏、選用與套管內(nèi)徑一致的套管懸掛器耐磨補心為主的偏磨預(yù)防技術(shù)。

2）施工過程中需加強對鉆井平臺偏離井口程度的精確監(jiān)測，盡可能保證鉆井平臺相對于水下井口居中，及時調(diào)整規(guī)避鉆井平臺持續(xù)朝某一個方位偏離，以防止套掛懸掛器偏磨。

3）內(nèi)徑發(fā)生變化處的磨損風(fēng)險要高于其他部分，因此，套管懸掛器耐磨補心的內(nèi)徑要與套管懸掛器及套管的內(nèi)徑相匹配，以防止形成磨損支點，降低套管懸掛器發(fā)生偏磨的概率。