劉正，劉和興，同武軍，鄭金龍，趙維青，趙新

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司深水鉆采技術(shù)公司（廣東湛江 524057）

2.中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司（廣東湛江 524057）

3.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京 102249）

0 引言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)深水井表層建井為表層導(dǎo)管噴射建井，技術(shù)手段單一，對(duì)于深水崎嶇海底建井、淺埋深目的層建井、水合物開發(fā)建井等情況表現(xiàn)為不適應(yīng)，深水井建井將面臨技術(shù)瓶頸，工程原因?qū)?dǎo)致部分井不具備作業(yè)條件[1]。噴射建井面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)如下：

1）井場(chǎng)調(diào)查要求高。噴射導(dǎo)管入泥深度70 m左右，需獲取海底以下70 m深度范圍內(nèi)的井場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)。對(duì)于超深水井或海底傾角大的深水井，井場(chǎng)調(diào)查物探船的作業(yè)能力及CPT（靜力觸探試驗(yàn)）設(shè)備的作業(yè)條件受到挑戰(zhàn)，無(wú)法獲取準(zhǔn)確的井場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，深水淺部地層差異性大，鄰井的淺層地層強(qiáng)度數(shù)據(jù)并不能完全代表作業(yè)井，作業(yè)未知因素增加，表層建井風(fēng)險(xiǎn)較高。

2）噴射作業(yè)擾動(dòng)大。受作業(yè)摩阻影響，噴射過程需來(lái)回活動(dòng)管柱，防止管柱粘卡，對(duì)淺層土壤擾動(dòng)較大，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)增加。我國(guó)南海當(dāng)前已作業(yè)的部分井井點(diǎn)處于邊坡或過渡帶附近，淺層土質(zhì)情況復(fù)雜，結(jié)合軟件模擬分析，大的擾動(dòng)可能會(huì)觸發(fā)海底滑坡，井口穩(wěn)定性控制難度大、壓力高，噴射建井存在不適應(yīng)性。

3）噴射導(dǎo)管地層承載力小，井身結(jié)構(gòu)要求高。噴射建井Φ914.4 mm 導(dǎo)管不能夠完全提供足夠的承載力，需Φ508 mm 表層套管提供額外的承載力，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化受限。為確保有足夠的承載力，保障作業(yè)安全，噴射作業(yè)需固化2 層次套管結(jié)構(gòu)。對(duì)于埋深較淺的地層井身結(jié)構(gòu)無(wú)優(yōu)化空間，導(dǎo)致建井周期及投資費(fèi)用增加[3]。表層套管固井質(zhì)量的要求高，增加作業(yè)控制（表層套管固井水泥返高及固井質(zhì)量）的難度。

4）導(dǎo)管入泥深度要求高。結(jié)合不同井淺層土質(zhì)特點(diǎn)及井口穩(wěn)定性對(duì)承載力的要求，各井噴射入泥深度不同。噴射入泥深度過淺，噴射導(dǎo)管地層承載力不足的風(fēng)險(xiǎn)高；噴射入泥深度過深，導(dǎo)管串粘卡及噴射不到位的風(fēng)險(xiǎn)高，且處理手段有限[4]。為確保作業(yè)安全，每一口深水井均需要開展井口穩(wěn)定性專題分析，確定導(dǎo)管噴射入泥深度。不合適的導(dǎo)管入泥深度，將會(huì)導(dǎo)致井口下沉或井口頭海底突出過長(zhǎng)。

國(guó)內(nèi)自營(yíng)深水井表層建井工藝單一，吸力樁表層建井技術(shù)適應(yīng)性好，可較好地解決當(dāng)前噴射建井面臨的技術(shù)難題，具有較大的使用價(jià)值和推廣價(jià)值。

為適應(yīng)南海自營(yíng)深水井大開發(fā)的需求，拓展深水井作業(yè)范圍，以盡早解決國(guó)內(nèi)海洋深水油氣資源勘探開發(fā)過程中的技術(shù)瓶頸問題。

1 深水吸力樁建井技術(shù)介紹

1.1 吸力樁建井技術(shù)

吸力樁表層建井技術(shù)最早由挪威提出并成功應(yīng)用，形成相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。吸力樁是一個(gè)底部鏤空的大圓筒，圓筒中間是一個(gè)中心孔，將整個(gè)設(shè)備下至海底泥線附近，通過作業(yè)參數(shù)控制吸力樁貫入到設(shè)計(jì)深度。

吸力樁建井技術(shù)2006年開始使用，主要由國(guó)外公司提供相關(guān)技術(shù)服務(wù)，累計(jì)完成近20口井的吸力樁表層建井，作業(yè)過程較順利，井口穩(wěn)定性良好。

1.2 吸力樁建井作業(yè)流程

鉆井船到達(dá)井位前，吸力樁通過動(dòng)力定位工作船或拖輪等進(jìn)行安裝，不占用鉆機(jī)時(shí)間。

吸力樁貫入及回收過程如圖1 所示，吸力樁建井流程：吸力樁加工及建造→吸力樁運(yùn)輸→吸力樁裝船及固定→吸力樁下入→吸力樁貫入及調(diào)整→回收吸力樁相關(guān)工具→復(fù)原。

圖1 吸力樁貫入及回收示意圖

吸力樁吸入過程：吸力樁接觸海床，松軟土質(zhì)條件下吸力樁會(huì)深入海床5～6 m后停止。水下機(jī)器人（ROV）動(dòng)泵吸出吸力樁內(nèi)部扣住的海水，吸力樁表面上下產(chǎn)生壓差，通過調(diào)節(jié)吸力泵壓力，使吸力樁貫入到海床以下設(shè)計(jì)深度。

吸力樁可重復(fù)性較好，通過給吸力樁注水充壓，實(shí)現(xiàn)吸力樁的重復(fù)利用。

吸力樁回收過程：通過水下機(jī)器人給吸力樁充壓，啟動(dòng)泵向吸力樁內(nèi)部灌注海水，吸力樁往上部運(yùn)動(dòng)推動(dòng)吸力樁至入泥深度60%左右，依靠工作船吊機(jī)上提取出吸力樁。

1.3 吸力樁的種類

結(jié)合不同吸力樁的適用性，吸力樁根據(jù)建井方式不同分為四種：吸力樁中心管、吸力樁中心管及導(dǎo)管、吸力樁中心管及預(yù)斜導(dǎo)管、吸力樁中心管及套管，詳見表1。

1.4 吸力樁建井資源

吸力樁建井需要用到的工具有：導(dǎo)管或套管、井口頭、防噴器導(dǎo)桿插座、水平儀、聲學(xué)測(cè)量裝置、水下吸力泵、吊鎖、卸扣、吊耳、水下機(jī)器人可操作的升降鎖套等，使用設(shè)備較少，作業(yè)可靠性高，可通過工程船或鉆井平臺(tái)下入，如圖2所示。

表1 吸力樁種類

吸力樁作業(yè)基本要求：吸力樁直徑6 m，長(zhǎng)度12～20 m，質(zhì)量70～115 t，吸力樁垂直度小于1°。

圖2 吸力樁相關(guān)設(shè)備工具

工作船需動(dòng)力定位，帶升沉補(bǔ)償?shù)鯔C(jī)及工作型水下機(jī)器人，吊機(jī)需帶主動(dòng)補(bǔ)償?shù)牡鯔C(jī)能力150 t以上，吊裝提升高度（吸力樁高度+吊索具高度）＞25.19 m，可舷外或月池安裝。

水下機(jī)器人要求：1臺(tái)或者2臺(tái)適應(yīng)作業(yè)水深的水下機(jī)器人，可操作抽吸泵，帶水下機(jī)器人割刀、挖泥機(jī)及刷子。

2 深水吸力樁建井技術(shù)應(yīng)用情況

2.1 吸力樁建井技術(shù)應(yīng)用情況

截至目前，吸力樁建井技術(shù)在全球范圍內(nèi)共計(jì)使用超18井次，作業(yè)水深超過1 000 m井7口，截至2018年2月，最大作業(yè)水深1 495 m，詳見表2。

2.2 吸力樁國(guó)內(nèi)使用情況

國(guó)內(nèi)深水吸力樁表層建井技術(shù)僅有天然氣水合物試采井的使用記錄，中海油自營(yíng)深水探井項(xiàng)目有使用意向，國(guó)內(nèi)對(duì)吸力樁表層建井技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足。中海油國(guó)際公司在英國(guó)首次應(yīng)用于英國(guó)北海淺水項(xiàng)目—東Rochelle項(xiàng)目15/27 M重鉆井，作業(yè)過程無(wú)井口穩(wěn)定性問題，作業(yè)較成功。

表2 吸力樁使用情況統(tǒng)計(jì)

續(xù)表2

3 深水吸力樁建井技術(shù)適應(yīng)性分析

3.1 淺層地質(zhì)災(zāi)害方面

對(duì)于含淺層氣或水合物風(fēng)險(xiǎn)的井，噴射作業(yè)擾動(dòng)或固井水泥漿放熱將導(dǎo)致淺層氣或水合物從地層或沿導(dǎo)管壁溢出，當(dāng)淺層氣在井口或防噴器附近聚集時(shí)，海底的低溫環(huán)境將觸發(fā)次生水合物生成，井口及導(dǎo)管附近水合物的生成將對(duì)作業(yè)產(chǎn)生不利影響；吸力樁建井使用大直徑圓筒貫入，對(duì)地層擾動(dòng)較小，最大程度地保持原狀地層特征，可最大程度的避免淺層氣沿導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)或在井口附近生成[5]，如圖3所示。

圖3 南海某深水井崎嶇海底

吸力樁對(duì)表層套管能提供的承載力無(wú)要求，可優(yōu)化表層固井方案及水泥返高方案，減少固井放熱對(duì)水合物的擾動(dòng)，避免或減少巖屑或水泥在井口附近堆積，過高的巖屑或水泥的堆積物可能誘發(fā)次生滑坡[6]。

吸力樁建井基本無(wú)管柱的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，作業(yè)過程沉貫進(jìn)入地層，作業(yè)過程對(duì)地層擾動(dòng)?。ú胺秶。?，吸力樁外筒既提供機(jī)械支撐又隔離作業(yè)過程對(duì)吸力樁外部土體的擾動(dòng)，閉環(huán)作業(yè)，降低發(fā)生次生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)[7]。

3.2 井位方面

吸力樁對(duì)地層擾動(dòng)較小，井口及圓筒附近基本為原狀地層，當(dāng)需要選取備用井位時(shí)，備用井位可選范圍大，移動(dòng)最小的距離（移動(dòng)6 m 左右）即可實(shí)現(xiàn)與主井位相同的目的，對(duì)軌跡基本無(wú)影響，確保主井位與備用井位均處于地質(zhì)油藏圈閉的最有利位置，最大限度降低鉆井工程方案對(duì)勘探開發(fā)的影響，有利于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)油氣藏，提高勘探成功率[8]。

3.3 井身結(jié)構(gòu)及軌跡控制方面

噴射建井需表層套管提供額外的支撐力，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間較小。對(duì)于目的層埋深較淺的深水井，噴射建井將提高作業(yè)費(fèi)用，承載力的不足導(dǎo)致井身結(jié)構(gòu)無(wú)優(yōu)化空間。南海一些自營(yíng)深水井已呈現(xiàn)類似情況，目的層淺埋深井仍采用常規(guī)3～4 層次井身結(jié)構(gòu)，造成極大浪費(fèi)，迫切需要表層建井新工藝進(jìn)行優(yōu)化。

吸力樁建井可提供足夠大的承載力以支撐全部管串及水泥環(huán)重量，無(wú)需表層套管提供額外的支撐力，這為井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供最優(yōu)的技術(shù)方案，可減少井段或套管層次，減少建井周期，提高建井效率，實(shí)現(xiàn)早投產(chǎn)早建產(chǎn)[9]。

吸力樁可預(yù)斜到一定角度，可減少下部井段的造斜壓力，適于淺層大位移井或水合物開采井的勘探開發(fā)，大幅降低作業(yè)難度及費(fèi)用。

3.4 工程方面

吸力樁建井可減少占用鉆井平臺(tái)作業(yè)時(shí)間，平臺(tái)到達(dá)井位前利用工程船提前下入吸力樁設(shè)備，作業(yè)過程無(wú)沉浸時(shí)間，提高表層建井效率。吸力樁建井作業(yè)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可縮短大項(xiàng)目開發(fā)周期，提前建產(chǎn)。

吸力樁使用貫入式下入，且吸力樁圓筒較短，作業(yè)過程無(wú)管柱串的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，無(wú)管串粘卡風(fēng)險(xiǎn)，減少作業(yè)過程的風(fēng)險(xiǎn)控制，提高作業(yè)的可靠性[10]。

吸力樁表層建井技術(shù)吸力樁可實(shí)現(xiàn)快速的回收，可重復(fù)利用，可降低作業(yè)成本，提高作業(yè)效益。

3.5 吸力樁載荷分析

吸力樁載荷分析主要分析承載力及彎矩分析。

表層噴射建井，導(dǎo)管入泥70 m 左右，地層承載力僅250 t 左右，若無(wú)表層套管提供的額外的承載力，噴射建井井口穩(wěn)定性將無(wú)法保證。吸力樁表層建井方式通過加大樁管與土體的接觸面積，顯著地增大了地層承載力（吸力樁入泥12 m即可提供高達(dá)近800 t的承載力），作業(yè)安全性更高，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)更少，可顯著地提高深水井的建井安全性。

泥線以上彎矩，吸力樁建井與噴射建井不同偏移量下彎矩的大小與發(fā)展程度一致。

常規(guī)噴射建井，泥線以下彎矩繼續(xù)增大，最大彎矩出現(xiàn)在泥線以下5～10 m 位置；吸力樁建井，泥線位置彎矩迅速降低，最大彎矩在接近泥線位置。最大彎矩位置上移且變小，大小與噴射時(shí)井口泥線附近彎矩基本一致，吸力樁建井作業(yè)安全性更高，詳見表3。

表3 噴射建井與吸力樁建井水下井口附近彎矩對(duì)比

以南海一口深水井為例，水深1 000 m，淺層土壤強(qiáng)度10～35 kPa，噴射入泥深度70 m 地層能提供的地層承載力為230 t，吸力樁入泥12 m 能提供的地層承載力為800 t 左右，吸力樁入泥17 m 能提供的地層承載力1 200 t，在入泥深度為導(dǎo)管深度20%左右的條件下，地層能提供的承載力是噴射的300%～600%。如圖4所示。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

1）目前國(guó)內(nèi)深水表層建井方式單一，迫切需要新技術(shù)新工藝拓展表層建井作業(yè)方式，提升各種淺層地質(zhì)條件下的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)能力，確保作業(yè)安全。

2）與常規(guī)噴射作業(yè)方式相比，吸力樁表層建井方式在松軟地層、含淺層氣或水合物淺層地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)、主井位與備用井位選擇、定向井軌跡優(yōu)化、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工程風(fēng)險(xiǎn)控制等方面優(yōu)勢(shì)明顯，可解決當(dāng)前深水井面臨的挑戰(zhàn)，拓展并豐富深水井表層建井作業(yè)方式。

圖4 噴射建井承載力對(duì)比

3）深水吸力樁表層建井技術(shù)適應(yīng)性好，適應(yīng)當(dāng)前深水井面臨的建井技術(shù)挑戰(zhàn)。

4.2 建議

1）為確保作業(yè)安全，需加強(qiáng)吸力樁建井技術(shù)機(jī)理分析及作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)控制分析，落實(shí)技術(shù)方案，推進(jìn)吸力樁建井技術(shù)在國(guó)內(nèi)的使用。

2）為適應(yīng)深水開發(fā)的需求，建議盡快開展深水吸力樁表層建井技術(shù)引進(jìn)，擴(kuò)展當(dāng)前深水井表層建井方式，以適應(yīng)不同淺層地質(zhì)條件下的安全作業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)深水井勘探開發(fā)持續(xù)安全、優(yōu)質(zhì)、高效。