林志強(qiáng)，汪文星，劉海涵，張星星，張?zhí)飕|

(1.中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司，北京 100028；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引言

近些年隨著對(duì)海洋油氣資源的加大勘探開發(fā)，目前油氣勘探作業(yè)已經(jīng)從淺水轉(zhuǎn)向深水，而深水表層鉆進(jìn)一般采用噴射技術(shù)。深水表層導(dǎo)管噴射作業(yè)無(wú)需進(jìn)行固井作業(yè)，因此可以減少一趟起下鉆，節(jié)約了費(fèi)用和工期，這種方法解決了深水表層鉆眼后下表層導(dǎo)管不容易找到井口的難題[1-3]。而某海外的一口深水井S井發(fā)生了井口下沉的事故，因此本文分析該井井口下沉原因，以及對(duì)入泥深度進(jìn)行了相應(yīng)分析，為該區(qū)域的第二口深水井的順利作業(yè)提供技術(shù)支持。

1 井口下沉原因分析

1.1 第一口井井口下沉過(guò)程

27日17:30開鉆，噴射鉆進(jìn)36”井眼從1091.8 m至1158.4 m，共用時(shí)9.5 h，噴射過(guò)程：以20 s/min泵沖開始，逐漸增大排量，噴射鉆進(jìn)30 m后增大排量至1030 g/min，控制鉆壓不超過(guò)入泥導(dǎo)管和鉆具總?cè)肽喔≈氐?0%，期間根據(jù)噴射鉆進(jìn)情況上下活動(dòng)導(dǎo)管。最終36”導(dǎo)管入泥80.7 m，低壓井口頭高出泥面3.7 m，噴射期間ROV觀察井口頭返出孔返出正常，井口泥線處無(wú)竄漏。提住全部導(dǎo)管懸重，浸泡36”導(dǎo)管4.5 h，逐步釋放導(dǎo)管懸重，井口穩(wěn)定無(wú)下沉，解脫CADA工具。

28日09:00開始鉆進(jìn)26”井眼，至29日21:30鉆26”井眼從1172.5 m至中完井深1755.5 m。鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓：907.2～3628.7 kg，排量：4100～4200 L/min，泵壓：13.1～15.2 MPa，轉(zhuǎn)速：80 r/min，鉆進(jìn)期間井況正常，無(wú)漏無(wú)涌。

起鉆至1172 m，期間在1558 m、1567～1560 m、1471～1473 m、1460～1452 m、1437 m、1430 m及1327 m處，遇阻13607.8～18143.7 kg，上下活動(dòng)通過(guò)；起鉆至1516～1519 m遇阻，上下活動(dòng)無(wú)法通過(guò)，接頂驅(qū)開泵倒劃通過(guò)。過(guò)提54431.1 kg，剪切銷釘，解脫CADA工具。

由于沒有坐高壓井口頭的支撐盤，下20”套管內(nèi)管柱困難，嘗試預(yù)接高壓井口頭與MRLD立柱，為下20”套管內(nèi)管柱坐準(zhǔn)備工作；立高壓井口頭與MRLD立柱于井架，發(fā)現(xiàn)下鉆桿單根彎曲嚴(yán)重，風(fēng)險(xiǎn)較大；拆高壓井口頭與MRLD立柱，立MRLD立柱于井架；重新接高壓井口頭提升工具，并在提升工具下接一鉆桿單根(為下內(nèi)管柱準(zhǔn)備)，甩高壓井口頭至甲板，下20”套管。

31日23:15 ROV水下關(guān)閉MRLD工具排氣球閥，坐高壓井口頭，坐高壓井口頭前大鉤總懸重208652.5 kg，下壓40823.3 kg鎖緊井口，ROV觀察井口穩(wěn)定，過(guò)提22679.6 kg，驗(yàn)證鎖緊井口，逐漸釋放套管重量至井口(套管總懸重115212.4 kg)，當(dāng)釋放到60327.7 kg時(shí)，井口突然下沉。開補(bǔ)償器，多次嘗試逐漸過(guò)提58967.0 kg至大鉤懸重267619.5 kg，未能提動(dòng)井。井口下沉情況如圖1所示。

1.2 井口下沉原因分析

可能原因1：表層套管固井前管柱上提力不足。

表層套管固井前，表層套管固井管柱上提力不小882.0 kN(90.0 t)的前提下，表層導(dǎo)管安全入泥深度設(shè)計(jì)值81.5 m。8月31日，坐高壓井口頭，下壓40823.3 kg鎖緊井口，ROV觀察井口穩(wěn)定。過(guò)提 22679.6 kg，驗(yàn)證鎖緊井口；逐漸釋放套管重量至井口(套管總懸重115212.5 kg)，當(dāng)釋放到60327.8 kg時(shí)，井口突然下沉約3.0 m，所以上提力不足是一個(gè)可能的原因。

可能原因2：表層導(dǎo)管噴射過(guò)程海底土擾動(dòng)程度較大。

根據(jù)S井噴射排量記錄分析：S井上部地層排量偏小，下部地層排量與鄰井相比稍偏大。上部地層排量偏小，導(dǎo)致噴射下入速度偏小，地層受噴射擾動(dòng)影響時(shí)間偏長(zhǎng)；下部地層排量偏大，加劇對(duì)海底土的擾動(dòng)，導(dǎo)致表層導(dǎo)管承載力降低。S井噴射作業(yè)時(shí)間偏長(zhǎng)(上部地層排量偏小導(dǎo)致)，導(dǎo)致地層受噴射擾動(dòng)影響時(shí)間偏長(zhǎng)，導(dǎo)致表層導(dǎo)管承載力降低。

通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，該S井在表層導(dǎo)管噴射作業(yè)時(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)采用的是小排量，所以噴射速度較慢，時(shí)間較長(zhǎng)，上部地層長(zhǎng)時(shí)間的收到擾動(dòng)，導(dǎo)致了地層給導(dǎo)管提供的承載力明顯降低，并且在接近設(shè)計(jì)深度之前，現(xiàn)場(chǎng)采用的大排量噴射，底部土壤被沖開，給端部提供的承載力也受到了一定的影響。兩種情況都導(dǎo)致表層導(dǎo)管的承載力降低，最終造成了井口的下沉。

2 表層導(dǎo)管入泥深度設(shè)計(jì)及井口穩(wěn)定性校核研究

2.1 噴射法鉆井導(dǎo)管下入方式使用范圍研究

目前大多數(shù)的深水表層作業(yè)大都采用36”或30”導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)，這種噴射法的管串沒有浮鞋，底部地層對(duì)管串提供承載時(shí)候截面積小，所以盡量要求在接近設(shè)計(jì)入泥深度之前，人為控制排量以減少對(duì)井底的沖洗，避免造成較大的井眼導(dǎo)致井底失穩(wěn)。

噴射法進(jìn)行表層作業(yè)主要是根據(jù)噴射水力和表層導(dǎo)管本身的重量，邊噴射開孔邊下導(dǎo)管，同時(shí)在噴射管柱中下入動(dòng)力鉆具組合以提高安全性和作業(yè)效率。一般在噴射到設(shè)計(jì)的入泥深度之后，需要根據(jù)計(jì)算的時(shí)間保持整個(gè)管串靜置不動(dòng)，此時(shí)需要大勾一直提著，等到海底土和表層導(dǎo)管之間的摩檫力恢復(fù)到一定程度后，才可以解開送入工具，完成表層作業(yè)。

一般將地層大致的分為砂土和黏土，楊進(jìn)等[4]的研究發(fā)現(xiàn)，砂性土可以給導(dǎo)管提供較大的側(cè)向摩擦力，所以在同樣下入深度條件下導(dǎo)管承載力比粘性土要大一些。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)候，二開鉆進(jìn)需要在一開的管鞋處開泵正常鉆進(jìn)，而砂性土的抗沖刷能力較弱，容易受沖刷產(chǎn)生承載力減小的情況，導(dǎo)致表層失穩(wěn)。因此條件允許的情況下，建議將表層導(dǎo)管的管鞋坐在粘性土位置。

黏土一般提供的側(cè)向摩擦力較小，如果表層黏土較厚，無(wú)法避開粘性土，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的時(shí)候，建議將表層導(dǎo)管下入深一些，提供足夠的側(cè)向承載力和端部承載力[5]。

噴射法適應(yīng)在海底坡度較小，并且沒有垮塌、凹坑和溝槽等情況下使用，一般情況下，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一開作業(yè)之前，推薦采用ROV水下機(jī)器人下潛到海底，對(duì)井位標(biāo)記出周圍進(jìn)行可視化觀察，確認(rèn)沒有相關(guān)的復(fù)雜地形后方可進(jìn)行作業(yè)，否則需要重新選定井位。如果觀察到海底地形坡度大，一般需要精細(xì)化操作，控制排量和鉆壓等，避免發(fā)生事故。

2.2 表層導(dǎo)管安全入泥深度設(shè)計(jì)研究

在表層導(dǎo)管噴射安裝技術(shù)中，考慮導(dǎo)管初始承載能力不受土壤條件限制，而是受獲得的鉆壓的控制，在導(dǎo)管安裝過(guò)程中釋放的最終鉆壓即為導(dǎo)管的初始承載能力。因此，通過(guò)計(jì)算表層導(dǎo)管下入過(guò)程中的最終鉆壓即可得到其初始承載力[6]。

上述方法可用數(shù)學(xué)公式表達(dá)如下：

式中：Q0為導(dǎo)管初始承載力；WOBlast為安裝過(guò)程中所記錄的最終鉆壓；R為鉆壓使用率，推薦為0.8～1.0；Wcondutor為表層導(dǎo)管的濕重；W1-wellhead為低壓井口頭的濕重；WCADA為送入工具CADA的濕重；Wj-string為噴射管柱的濕重。

一般情況下，表層導(dǎo)管和表層套管的直徑、線重，防沉板和井口頭重量等工程參數(shù)都是確定的。因此，當(dāng)海底淺層土對(duì)導(dǎo)管的實(shí)時(shí)承載力在可以求得的情況下，決定導(dǎo)管入泥深度的主要因素是表層套管固井最危險(xiǎn)工況下的井口載荷和導(dǎo)管靜置時(shí)間[7]。

固井最危險(xiǎn)工況下表層導(dǎo)管承受的載荷Wlanded組成如下：

式中：Wload為固井最危險(xiǎn)工況下表層導(dǎo)管承受的載荷；Wconductor為表層導(dǎo)管濕重；Wwellhead為井口頭濕重；Wmud-mat為防沉板濕重；Wcasing為表層套管濕重；Wc-string為固井管柱濕重；Wcement為固井水泥漿濕重；WMRLD為表層套管送入工具濕重。

因?yàn)镾井發(fā)生了井口下沉事故，本文需要考慮水下井口和表層導(dǎo)管的相關(guān)參數(shù)，重點(diǎn)分析最危險(xiǎn)工況下的載荷，通過(guò)載荷分析和計(jì)算，得出該區(qū)域36”表層導(dǎo)管的實(shí)時(shí)承載力。

圖2 36”表層導(dǎo)管入泥深度設(shè)計(jì)圖版

一般情況下，在噴射到位后，在解脫CADA工具之前需要靜置一段時(shí)間，這個(gè)時(shí)間需要根據(jù)載荷而確定，如果時(shí)間不夠進(jìn)行解脫，則井口容易發(fā)生下沉，為確定這個(gè)時(shí)間，需要滿足楊進(jìn)提出的公式(3)[8]：

即表層導(dǎo)管最大側(cè)向摩擦力要大于CADA解脫時(shí)導(dǎo)管所承受的豎向載荷。表層導(dǎo)管的最大側(cè)向摩擦力依據(jù)海底淺層土對(duì)導(dǎo)管的實(shí)時(shí)承載力求取，根據(jù)公式(4)確定CADA工具解脫時(shí)導(dǎo)管的最小靜置時(shí)間。

根據(jù)計(jì)算得到的表層導(dǎo)管入泥深度為81.5 m，結(jié)合表1得出的數(shù)據(jù)，需要在噴射到位后靜置2.5 h再解脫送入工具，否則容易造成井口下沉。

表1 某井36”表層導(dǎo)管安全入泥深度設(shè)計(jì)值

2.3 鉆頭在套管中的伸出量與井眼尺寸關(guān)系研究

在確定采用噴射法進(jìn)行表層導(dǎo)管作業(yè)后，需要確定排量、鉆壓和鉆頭伸出量。噴射的排量和鉆壓可以在噴射作業(yè)時(shí)候隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，鉆具在組合時(shí)候，就需要確定鉆頭伸出量，這個(gè)伸出量后續(xù)不可改變，所以，在設(shè)計(jì)的時(shí)候就需要確定鉆頭底部伸出套管鞋的長(zhǎng)度。

表層導(dǎo)管的噴射下入速度受到鉆頭伸出量的制約。如果鉆頭伸出量過(guò)短，噴嘴噴射的海水聚合物作用在套管內(nèi)壁上，無(wú)法起到清潔井眼和破碎巖石的作用，這種情況下，噴射下入的速度慢，效率低；但是這個(gè)伸出量也不可較長(zhǎng)，如果伸出距離較大，噴射區(qū)域的遠(yuǎn)離表層導(dǎo)管的底部，這中間的距離越大，越是容易造成導(dǎo)管急速下沉，這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)容易造成控制不穩(wěn)的情況，不利于套管下入。如果伸出量選擇在合適的情況下，通過(guò)水力射流破巖和清潔井眼，噴射區(qū)域與導(dǎo)管的底部相近，剛好在噴射后導(dǎo)管能同步下入到位，這種方式可以顯著的提高噴射下入的效率。因此，優(yōu)化和確定最佳的鉆頭伸出量，可以大大提高噴射下入的效率，從而節(jié)約鉆井的工期和費(fèi)用[9]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況與效果

通過(guò)對(duì)S井的下沉分析，以及對(duì)該區(qū)域表層土壤參數(shù)研究，考慮了表層導(dǎo)管噴射時(shí)候的實(shí)時(shí)承載力，以及對(duì)表層套管固井最危險(xiǎn)工況下的載荷進(jìn)行了分析，對(duì)36”表層導(dǎo)管噴射入泥深度進(jìn)行了計(jì)算，確定了CADA工具解脫時(shí)候的最小靜置時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，未發(fā)生后期井口下沉的情況。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)結(jié)合表層導(dǎo)管噴射作業(yè)載荷，對(duì)36”表層導(dǎo)管噴射到位后至解脫工具不同浸泡時(shí)間下所需最小入泥深度進(jìn)行了分析，對(duì)坐防噴器工況下表層導(dǎo)管豎向承載力進(jìn)行了校核。

(2)鉆頭伸出量影響了井眼尺寸，鉆頭伸出量在允許的情況下應(yīng)該盡量小一些。

(3)在進(jìn)行表層噴射作業(yè)時(shí)候，盡量的控制小排量，降低導(dǎo)管活動(dòng)頻率和幅度，尤其是接近設(shè)計(jì)入泥深度時(shí)候，一定要精細(xì)化操作。

(4)深水表層套管固井作業(yè)期間，在水泥漿到達(dá)管鞋且未進(jìn)入環(huán)空時(shí)，井口受到的向下載荷達(dá)到最大，為避免出現(xiàn)危險(xiǎn)性的情況，應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)提前做好準(zhǔn)備和調(diào)整上提載荷。