中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院

深水鉆井表層導(dǎo)管施工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院

隨著世界各國對(duì)能源需求的增加及陸地和海上淺水區(qū)油氣發(fā)現(xiàn)難度的增大，深水油氣勘探開發(fā)在不斷升溫。我國海洋石油行業(yè)面對(duì)的更是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的世界市場(chǎng)，尤其深水油氣勘探開發(fā)的形勢(shì)迫切，無論從經(jīng)濟(jì)層面、政治層面還是國家主權(quán)層面來講都具有重大戰(zhàn)略意義與重大需求。不過，就全球范圍而言，深水開發(fā)是個(gè)尚未成熟的前沿領(lǐng)域，仍然具有很多的困難和挑戰(zhàn)。表層導(dǎo)管（亦稱表層套管、隔水導(dǎo)管）鉆井施工技術(shù)是深水鉆井施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是挑戰(zhàn)深水作業(yè)的一大技術(shù)難題。深水鉆井表層導(dǎo)管作業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是：常規(guī)的淺水區(qū)錘入法和鉆入法下入表層導(dǎo)管的方式不適用于具有水深大、溫度低、淺層海底土質(zhì)疏松和破裂壓力低等惡劣環(huán)境特點(diǎn)的深水海域；深水表層導(dǎo)管入泥深度預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，施工時(shí)靠經(jīng)驗(yàn)判斷，導(dǎo)管下入困難甚至導(dǎo)致下入失?。粐娚渌W(xué)參數(shù)和鉆井施工參數(shù)選取不合理，會(huì)造成噴射下入速度慢、工期過長；噴射導(dǎo)管尺寸和強(qiáng)度選擇不合理，在鉆完井作業(yè)和后期生產(chǎn)過程中造成井口下陷、傾斜等復(fù)雜事故。為解決上述難題，滿足我國對(duì)石油石化能源的巨大需求，開發(fā)南海深水油氣資源，打破國外技術(shù)壟斷，形成我國自主的深水鉆井表層導(dǎo)管施工關(guān)鍵技術(shù)，本項(xiàng)目歷經(jīng)十年的科技攻關(guān)，形成了一套擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深水鉆井表層導(dǎo)管施工關(guān)鍵技術(shù)。

為攻克深水淺層鉆井作業(yè)難題，項(xiàng)目組到美國與巴西深水實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了充分的調(diào)研，先后進(jìn)行了理論分析、數(shù)值模擬計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)和室內(nèi)深水高壓模擬實(shí)驗(yàn)，并在南海深水作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了全程跟蹤和技術(shù)服務(wù)，主要進(jìn)行了以下十項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容的研究：深水鉆井表層導(dǎo)管下入過程模擬試驗(yàn)；深水噴射鉆井表層導(dǎo)管下入方式與海底土性質(zhì)匹配關(guān)系；噴射導(dǎo)管下入后的靜止時(shí)間與海底土性質(zhì)關(guān)系；噴射導(dǎo)管下入深度預(yù)測(cè)模型；噴射鉆頭與表層導(dǎo)管的尺寸配合優(yōu)化；深水表層導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)的水力學(xué)參數(shù)優(yōu)化；深水噴射法表層導(dǎo)管鉆井工藝參數(shù)優(yōu)化；深水鉆完井條件下噴射導(dǎo)管強(qiáng)度校核和穩(wěn)定性分析技術(shù)；深水淺層災(zāi)害預(yù)測(cè)技術(shù)及應(yīng)對(duì)措施；深水表層導(dǎo)管優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工控制計(jì)算軟件。

該項(xiàng)目主要技術(shù)創(chuàng)新包括：一是深水鉆井表層導(dǎo)管入泥深度預(yù)測(cè)及控制技術(shù)。（1）建立深水鉆井表層導(dǎo)管入泥深度預(yù)測(cè)模型。該入泥深度預(yù)測(cè)模型充分考慮了深水海底淺層土中粘性土和砂性土不同的土力學(xué)性質(zhì)，按照實(shí)際海底土質(zhì)調(diào)查資料分別計(jì)算各層粘性土和砂性土的不排水抗剪強(qiáng)度和單位表面摩擦力來確定表層導(dǎo)管入泥深度。與目前國外學(xué)者提出的計(jì)算模型相比，該數(shù)學(xué)模型全面考慮了海底分層土的側(cè)向摩擦力，國外學(xué)者提出的模型僅考慮了土壤的整體平均抗剪強(qiáng)度，不能準(zhǔn)確計(jì)算表層導(dǎo)管的入泥深度。本項(xiàng)目提出的預(yù)測(cè)模型在我國南海荔灣和流花等深水油氣田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明了該預(yù)測(cè)模型的正確性和高精度性。（2）確定噴射導(dǎo)管下入后靜止時(shí)間與不同性質(zhì)海底土關(guān)系模型。噴射導(dǎo)管下入后是靠周圍海底土的摩擦力保持穩(wěn)定而不下沉的，海底土的回填和密實(shí)要經(jīng)過一定的時(shí)間，不同性質(zhì)的海底土需要靜止的時(shí)間不同。目前國內(nèi)外學(xué)者都沒有對(duì)導(dǎo)管靜止（候凝）時(shí)間進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)研究，深水現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)一般根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定。本項(xiàng)目通過現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)深水模擬實(shí)驗(yàn)確定了不同土層中下導(dǎo)管噴射下入后的靜止時(shí)間關(guān)系模型，由該模型計(jì)算出的導(dǎo)管噴射后土壤的候凝時(shí)間比工程經(jīng)驗(yàn)上要少，節(jié)省了鉆井作業(yè)時(shí)間，進(jìn)而節(jié)約了大量的海上施工費(fèi)用。

二是深水鉆井表層導(dǎo)管鉆井參數(shù)優(yōu)化及工藝控制技術(shù)。（1）噴射導(dǎo)管下入過程中合理鉆壓參數(shù)優(yōu)化方法。表層導(dǎo)管噴射作業(yè)中最主要的參數(shù)是鉆壓。保持合適的鉆壓，一方面可以保證導(dǎo)管在下入過程中處于垂直狀態(tài)，另一方面使鉆具和導(dǎo)管的環(huán)空保持通暢，確保鉆井液從環(huán)空順利返回。本項(xiàng)目通過噴射鉆井管柱力學(xué)研究，建立了噴射導(dǎo)管下入過程中鉆壓參數(shù)的選擇和優(yōu)化模型，該模型能夠保證在作業(yè)過程中管柱中和點(diǎn)在泥線以下且泥線以上管柱處于垂直拉伸狀態(tài)，確保表層導(dǎo)管能夠順利噴射到位，此外，該鉆壓參數(shù)選擇和優(yōu)化模型中考慮了鉆壓與機(jī)械鉆速的關(guān)系，能有效提高噴射管柱的下入速度，提高鉆井時(shí)效。（2）建立鉆頭伸出量與鉆進(jìn)速度、噴射井眼尺寸關(guān)系模型。合理的鉆頭伸出量可以極大程度地提高噴射法鉆進(jìn)速度、節(jié)約鉆井時(shí)間，并且鉆頭伸出量對(duì)噴射形成的井眼尺寸也有很大的影響。如果鉆頭伸出量過短，射流區(qū)域會(huì)局限在套管內(nèi)部，鉆井液射到套管內(nèi)壁上，不能很好地起到破巖和清潔井底的作用，導(dǎo)致鉆進(jìn)效率很低，且形成的井眼尺寸過小，不利于表層套管的下入；如果鉆頭伸出量過長，噴射區(qū)域處在套管底端較遠(yuǎn)土層，與套管底部有一段距離，當(dāng)此區(qū)域被水射流沖刷開后，上部土層無法承受套管重量，導(dǎo)致套管急速下落一段距離，造成套管下入不穩(wěn)，且形成的井眼直徑過大，導(dǎo)管噴射下入完成后周圍土回填密實(shí)困難，導(dǎo)管難以獲得足夠的支撐力，因而對(duì)鉆頭伸出量進(jìn)行優(yōu)選是十分重要的。本項(xiàng)目通過開展鉆頭噴射數(shù)值模擬和深水噴射模擬實(shí)驗(yàn)，從理論上建立了最佳鉆頭伸出量與鉆進(jìn)速度、噴射井眼尺寸之間的關(guān)系模型，為噴射管柱的安裝和施工提供了理論依據(jù)。（3）鉆頭水射流速度與井眼尺寸關(guān)系模型。鉆頭水射流速度是影響井眼尺寸大小的直接因素，在進(jìn)行本項(xiàng)目科研之前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行過一定研究，但并不是在模擬實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)反演的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目中的研究結(jié)果更具有科學(xué)性。在模擬試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：在同樣尺寸導(dǎo)管條件下，隨著鉆頭噴射速度的增大，套管下入速度明顯加快，導(dǎo)管側(cè)向摩擦力明顯降低；隨著鉆頭噴射速度的減小，導(dǎo)管的下入速度有明顯下降，套管側(cè)向摩擦力增加。本項(xiàng)目通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆井?dāng)?shù)據(jù)反演和水力學(xué)研究，分析了噴射水射流和地層的相互作用機(jī)理，提出了鉆頭水射流和井眼關(guān)系理論模型，形成了鉆井噴射水力學(xué)排量優(yōu)化綜合控制技術(shù)。（4）噴射鉆頭與表層導(dǎo)管的尺寸配合優(yōu)化方法。對(duì)于噴射法下表層導(dǎo)管技術(shù)，目前國內(nèi)外學(xué)者主要研究了深水鉆井表層導(dǎo)管的受力、尺寸的選擇和鉆井管柱的組合，沒有考慮噴射鉆頭與表層導(dǎo)管尺寸配合對(duì)該技術(shù)的影響，更沒有深入研究其相互作用機(jī)理并建立數(shù)學(xué)模型來定量描述其關(guān)系。本項(xiàng)目通過現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)分析和理論研究，建立了不同海底土質(zhì)條件下噴射鉆頭與導(dǎo)管尺寸的合理配合的優(yōu)化方案，提高了噴射導(dǎo)管下入作業(yè)時(shí)效。此項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了國內(nèi)外學(xué)者在此領(lǐng)域的研究空白，能夠有效指導(dǎo)深水鉆井現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)，減少盲目性。

三是深水表層導(dǎo)管優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工控制系統(tǒng)軟件。目前，在進(jìn)行深水表層導(dǎo)管入泥深度計(jì)算和施工控制設(shè)計(jì)時(shí)，需要反復(fù)計(jì)算海底淺層土破裂壓力、海底土側(cè)向承載力以及井口荷載等數(shù)據(jù)，計(jì)算過程繁瑣復(fù)雜且易出錯(cuò)。國內(nèi)當(dāng)前沒有相關(guān)成型的軟件，要確定表層導(dǎo)管入泥深度只能通過手算。本項(xiàng)目在建立深水噴射導(dǎo)管入泥深度和鉆井參數(shù)優(yōu)化等理論模型的基礎(chǔ)上，利用Microsoft Visual Basic 6.0中文版系統(tǒng)環(huán)境，將所建立的數(shù)學(xué)模型程序化，研制出深水海底淺層破裂壓力、導(dǎo)管合理下入深度、鉆井參數(shù)優(yōu)化等計(jì)算軟件，形成了一套深水表層導(dǎo)管優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工控制軟件系統(tǒng)，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)深水噴射導(dǎo)管入泥深度計(jì)算分析及鉆井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過該軟件的使用，可以降低現(xiàn)場(chǎng)施工的盲目性，提高海上鉆井施工的安全性，節(jié)約鉆井施工的成本。軟件的最終目的是快速確定表層導(dǎo)管入泥深度并優(yōu)化鉆井施工參數(shù)。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，海上鉆井日費(fèi)達(dá)數(shù)十萬，通過使用本軟件系統(tǒng)快速準(zhǔn)確確定入泥深度、減少鋼材用量、減少鉆井施工時(shí)間，能為海上石油開發(fā)節(jié)省大量成本。

自2005年以來，本課題研究成果已在我國南海荔灣、流花、崖城、番禺以及西非和赤道幾內(nèi)亞等深水海域76口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，在這些井的應(yīng)用中直接節(jié)約鉆井成本超過4.4億元人民幣，為深水油氣鉆完井施工提供了很好的技術(shù)支持和安全保障。

本課題研究歷經(jīng)十年，在項(xiàng)目利、2項(xiàng)軟件著作權(quán)、2本專著、在國際國內(nèi)期刊和會(huì)議上發(fā)表論文30余篇，并培養(yǎng)博士后1名、博士生6名、碩士研究生30余名，為我國深水油氣勘探開發(fā)培養(yǎng)了一支強(qiáng)有力的創(chuàng)新型技術(shù)團(tuán)隊(duì)。

中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院海洋工程實(shí)驗(yàn)室，主要從事海洋工程設(shè)計(jì)、石油工程、巖土工程、結(jié)構(gòu)工程等方面的科學(xué)研究，參加并完成了多項(xiàng)國家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目和海洋總公司及CNPC重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，有較好的理論基礎(chǔ)和較多的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室與中國海洋石油總公司有長期的業(yè)務(wù)關(guān)系，已圓滿地完成了中海油的相關(guān)科研服務(wù)項(xiàng)目100余項(xiàng)，用戶評(píng)價(jià)良好?！笆晃濉逼陂g承擔(dān)完成了三項(xiàng)國家科技重大專項(xiàng)，一項(xiàng)“863”科技計(jì)劃課題；并建成了可模擬3000水深的石油鉆采深水模擬實(shí)驗(yàn)室和室內(nèi)常壓水深模擬實(shí)驗(yàn)室，具有雄厚的海洋石油鉆完井技術(shù)科學(xué)研究實(shí)力。目前正在承擔(dān)三項(xiàng)“十二五”國家科技重大專項(xiàng)深水項(xiàng)目。

通過本深水鉆井表層導(dǎo)管施工關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用項(xiàng)目的研究，探索出高效的表層導(dǎo)管下入施工技術(shù)及工藝控制理論，建立一套適合深水鉆井噴射表層導(dǎo)管下入深度的計(jì)算理論和方法，優(yōu)化深水表層導(dǎo)管作業(yè)過程中的鉆井參數(shù)和水力學(xué)參數(shù)，形成了我國深水鉆井噴射表層導(dǎo)管下入工藝及控制技術(shù)的獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)，研究成果的應(yīng)用能夠提高深水鉆井表層導(dǎo)管下入施工安全性和作業(yè)時(shí)效，進(jìn)一步降低作業(yè)費(fèi)用，為解決我國深水鉆井噴射表層導(dǎo)管下入深度確定和施工工藝控制提供了理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)

展望未來，我國將加大對(duì)南海深水油氣資源的勘探開發(fā)力度。本課題研究成果順應(yīng)了我國油氣資源從淺海到深水的發(fā)展趨勢(shì)，符合建設(shè)“深水海上大慶”的宏偉目標(biāo)，能夠?yàn)榫S護(hù)我國海洋權(quán)益、提高我國深遠(yuǎn)海油氣田勘探開發(fā)技術(shù)提供技術(shù)支撐和科研保障，應(yīng)用情況非常廣闊，潛在價(jià)值不可估量，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。