管 申，劉賢玉，趙寶祥,郭 浩，楊仲涵，艾常明，王 騰

1中海石油(中國)有限公司海南分公司 2中海石油(中國)有限公司湛江分公司 3中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)湛江分公司 4中國石油大學(xué)(華東)

0 引言

南海北部灣地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，前期部分隔水導(dǎo)管因工程打樁出現(xiàn)問題，樁管鞋發(fā)生變形，導(dǎo)致部分井槽在常規(guī)鉆井工藝下無法利用。如潿西南地區(qū)就有多個(gè)平臺(tái)出現(xiàn)隔水導(dǎo)管嚴(yán)重變形問題，長期處于閑置報(bào)廢狀態(tài)，井槽資源嚴(yán)重浪費(fèi)，影響開發(fā)成本。而針對(duì)嚴(yán)重變形的隔水導(dǎo)管，若能進(jìn)行半路開窗，繞開隔水導(dǎo)管損傷處，進(jìn)行隔水導(dǎo)管開窗側(cè)鉆，則能大幅度提高井槽的利用率[1-2]。

對(duì)大尺寸隔水導(dǎo)管開窗作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較高，一方面，隔水導(dǎo)管開窗后可能因?yàn)闇\部地層未能提供足夠的承載力而發(fā)生井口下沉等風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，北部灣盆地海況惡劣，隔水導(dǎo)管開窗后將造成隔水導(dǎo)管軸向抗壓、抗彎強(qiáng)度顯著下降，可能會(huì)導(dǎo)致隔水導(dǎo)管無法滿足抗風(fēng)浪能力。本文針對(duì)W油田X井槽報(bào)廢問題，從樁土承載力、隔水導(dǎo)管橫向穩(wěn)定性、窗口強(qiáng)度等方面論證了隔水導(dǎo)管開窗可行性，為海上大尺寸隔水導(dǎo)管開窗側(cè)鉆工藝實(shí)施提供技術(shù)保障[3-6]。

1 隔水導(dǎo)管縱向力學(xué)分析

由于隔水導(dǎo)管橫截面積過小，故而海底土對(duì)其底部的支持力可以忽略不計(jì)，因此鉆井隔水導(dǎo)管的縱向受力主要由隔水導(dǎo)管上部井口載荷、自重、側(cè)壁摩擦力等三部分組成。另一方面，插入至海底土中的隔水導(dǎo)管，由于其底部端面未與海水直接接觸，故而并不受到海水的浮力作用，因此隔水導(dǎo)管自重按照在空氣中的重量進(jìn)行考慮[7-10]。

對(duì)于鉆井隔水導(dǎo)管來說，可以作為一個(gè)不帶樁靴的鉆井船樁腿對(duì)待。在API規(guī)范中可用單樁軸向極限承載力經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行極限承載力計(jì)算。隔水導(dǎo)管軸向極限承載力計(jì)算公式：

Q=Qf+Qp=f·As+qu·Ap

(1)

式中：Qf—隔水導(dǎo)管側(cè)壁摩阻力，kN；Qp—隔水導(dǎo)管端阻力，kN；As—隔水導(dǎo)管側(cè)壁表面積，m2；Ap—隔水導(dǎo)管底部截面積，m2；f—隔水導(dǎo)管側(cè)壁單位摩擦力，kN/m2；qu—隔水導(dǎo)管底部單位極限阻力，kN/m2。

W油田X井?609.6 mm隔水導(dǎo)管所用材料為X52鋼材，楊氏模量取210 GPa，泊松比取0.3，最小屈服強(qiáng)度358 MPa，密度7.85 g/cm3；隔水導(dǎo)管入泥深度55 m。隔水導(dǎo)管開窗前，樁土整體承載力為2 020 kN，允許最大井口載荷為1 680 kN;在泥線以下30 m處開窗后，樁土對(duì)隔水導(dǎo)管承載力為1 710 kN，最大允許井口載荷為1 370 kN。隔水導(dǎo)管開窗后，導(dǎo)管與土的有效接觸面積減少，從而造成開窗后導(dǎo)管承載力降低。

圖1為不同開窗點(diǎn)深度下臨界井口載荷，可以看出隨著開窗點(diǎn)深度的增加，隔水導(dǎo)管樁土承載力降低，允許井口載荷變小。如在泥線10 m處開窗，井口允許載荷為1 610 kN；泥線15 m處開窗，井口允許載荷為1 550 kN；泥線20 m處開窗，井口允許載荷為1 500 kN。

圖1 基于樁土承載力分析不同開窗點(diǎn)深度下允許井口載荷

2 隔水導(dǎo)管開窗口強(qiáng)度分析

2.1 隔水導(dǎo)管開窗口強(qiáng)度分析模型

由于開窗口結(jié)構(gòu)本身復(fù)雜，為了便于理論分析，需對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)作必要的簡化。根據(jù)求解問題的對(duì)稱性，為減少計(jì)算單元，取缺陷管柱模型的二分之一建立三維有限元模型。為消除邊界效應(yīng)，取計(jì)算模型長度為開窗口長度的3倍。單元采用三維20節(jié)點(diǎn)六面體等參單元，該單元計(jì)算精度較高。為避免過大的應(yīng)力集中，在窗口及附近區(qū)域劃分較細(xì)密網(wǎng)格，同時(shí)為提高模型運(yùn)行速度，在遠(yuǎn)離窗口處劃分較稀疏網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格后的窗口整體分析模型見圖2。

圖2 隔水導(dǎo)管窗口有限元分析模型

2.2 隔水導(dǎo)管開窗口處載荷分析

結(jié)合W油田井槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)隔水導(dǎo)管進(jìn)行受力分析。隔水導(dǎo)管橫向上主要受到海風(fēng)、海浪及海流三者的作用；縱向上主要受井口載荷作用，如現(xiàn)場(chǎng)防噴器組以及各層套管懸掛重量。在海平面以上6.5 m、水面以下11 m處有導(dǎo)向孔對(duì)隔水導(dǎo)管提供橫向扶正約束。考慮W油田開發(fā)周期20年，通過有限元力學(xué)分析，得到百年一遇海況下?609.6 mm×25.4 mm隔水導(dǎo)管彎矩分布如圖3所示，可以看出，泥線以下最大彎矩92 kN·m，出現(xiàn)在泥線以下4 m附近；超過泥線15 m后，導(dǎo)管彎矩較小；超過泥線下30 m后，導(dǎo)管幾乎不存在彎矩，可以忽略。

圖3 百年一遇海況下?609.6 mm隔水導(dǎo)管彎矩圖

另外,由于隔水導(dǎo)管的偏斜，會(huì)導(dǎo)致在導(dǎo)管開窗口產(chǎn)生附加彎矩?？紴V泥線以下導(dǎo)管偏斜1°情況下，當(dāng)井口載荷1 500 kN時(shí)，偏斜引起的附加彎矩為134 kN·m，井口載荷500 kN時(shí)，偏斜引起的附加彎矩為44 kN·m。

2.3 基于窗口強(qiáng)度下的隔水導(dǎo)管承載力分析

圖4為?609.6 mm×25.4 mm隔水導(dǎo)管開窗處應(yīng)力圖，可以看出導(dǎo)管開窗后，在開窗口處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，離窗口較遠(yuǎn)區(qū)域應(yīng)力較小，說明導(dǎo)管開窗后主要影響開窗口附近的應(yīng)力分布。導(dǎo)管僅承受彎矩載荷時(shí)，抗彎強(qiáng)度為1 460 kN·m，開窗后其抗彎強(qiáng)度降低至290 kN·m；導(dǎo)管僅承受軸向壓力載荷時(shí)，軸向抗壓強(qiáng)度為10 400 kN，開窗后其軸向抗壓強(qiáng)度降低至1 587 kN?？梢姼羲荛_窗后造成了其抗彎與軸向抗壓強(qiáng)度的大幅度降低。

圖4 隔水導(dǎo)管開窗口處應(yīng)力圖

進(jìn)一步分析了彎矩、軸向壓力組合載荷下的強(qiáng)度，隨著開窗口處彎矩的增大，允許的軸向力近似呈線性關(guān)系降低，擬合其關(guān)系式為：

F=-5.46M+1500.9

(2)

式中：F—隔水導(dǎo)管開窗后允許的軸向力，kN；M—隔水導(dǎo)管窗口處彎矩，kN·m。

百年一遇海況下，基于隔水導(dǎo)管窗口強(qiáng)度，對(duì)隔水導(dǎo)管不同開窗深度下最大允許井口載荷進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖5所示，可以看出隔水導(dǎo)管開窗后將大幅度降低井口允許載荷，開窗點(diǎn)深度對(duì)井口允許載荷影響較大。不考慮樁管的偏斜效應(yīng)時(shí)，?609.6 mm隔水導(dǎo)管泥線下4 m附近開窗，允許井口載荷最小為720 kN；泥線15 m處開窗，允許井口載荷為1 080 kN；泥線30 m處開窗，允許井口載荷為1 220 kN。

圖5 基于窗口強(qiáng)度分析不同開窗點(diǎn)深度下臨界井口載荷

開窗點(diǎn)越靠近泥線，井口允許載荷越小，開窗深度超過泥線20 m后，井口允許載荷變化不大。這是因?yàn)槌^泥線20 m后，隔水導(dǎo)管彎矩較小。相比樁土承載力，隔水導(dǎo)管開窗處強(qiáng)度是決定井口允許載荷的主要因素。

樁管的下部偏斜，將增加窗口處的彎矩，從而降低井口允許載荷，如考慮樁管偏斜1°情況下，在泥線處附近開窗時(shí)，樁管偏斜可使井口允許載荷降低220 kN，開窗點(diǎn)深度超過20 m后，樁管偏斜對(duì)井口允許載荷的影響較小。

3 隔水導(dǎo)管開窗側(cè)鉆工藝

3.1 開窗工具

隔水導(dǎo)管開窗工具主要包括：錨定器與斜向器；雙銑椎；平底磨鞋。

3.2 工藝應(yīng)用

W油田X井因隔水導(dǎo)管發(fā)生嚴(yán)重變形，?444.5 mm鉆頭在隔水導(dǎo)管鞋以上20 m附近遇阻無法通過，在南海西部首次采用?609.6 mm隔水導(dǎo)管開窗側(cè)鉆作業(yè)方案。作業(yè)流程為：①下入錨定器與斜向器，在泥線附近坐掛；②組合下入銑錐工具，對(duì)隔水導(dǎo)管進(jìn)行磨銑開窗作業(yè)；③組合下入修窗鉆具進(jìn)行修窗。

開窗前對(duì)X井隔水導(dǎo)管隔水管鞋吊測(cè)陀螺，泥線處隔水導(dǎo)管偏斜1.04°，在泥線以下22 m附近對(duì)隔水導(dǎo)管進(jìn)行開窗側(cè)鉆作業(yè)?？紤]隔水導(dǎo)管偏斜情況下，X井隔水導(dǎo)管開窗后允許的井口載荷為1 210 kN，而鉆完井作業(yè)中最大井口載荷約為1 500 kN，為保證作業(yè)安全，下入?444.5 mm×12.7 mm無接箍X56鋼級(jí)套管，固井水泥返至泥線，以提高井口允許載荷，井口允許載荷從1 210 kN提高至1 680 kN，滿足作業(yè)要求。鉆完作業(yè)安全順利實(shí)施，報(bào)廢井槽得以成功利用，相比新增外掛井槽方案，節(jié)約工程建設(shè)投資約2 000萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)論

(1)導(dǎo)管開窗造成了其抗彎、軸向抗壓強(qiáng)度的大幅度降低，導(dǎo)管開窗處強(qiáng)度是決定井口允許載荷的主要因素；組合載荷下開窗口處允許的軸向力隨彎矩的增大呈線性關(guān)系降低。

(2)開窗點(diǎn)深度對(duì)井口允許載荷影響較大，開窗點(diǎn)越靠近泥線，井口允許載荷越小，越不利于井口穩(wěn)定；樁管下部偏斜會(huì)增加開窗口處的彎矩，從而降低井口允許載荷；當(dāng)開窗點(diǎn)深度超過泥線以20 m后，開窗點(diǎn)深度與樁管偏斜對(duì)井口允許載荷的影響較小。

(3)結(jié)合井場(chǎng)水深、海底土特征及風(fēng)浪流條件可知，W油田?609.6 mm×25.4 mm隔水導(dǎo)管在泥線以下22 m處開窗，允許的井口載荷為1 210 kN，通過下入?444.5 mm無接箍套管提高井口允許載荷至1 780 kN，保障了后續(xù)鉆完井作業(yè)安全順利實(shí)施，有效利用報(bào)廢井槽，經(jīng)濟(jì)效益顯著。