深水钻井表层导管施工关键技术研究与应用

中国石油大学（北京）石油工程学院

深水钻井表层导管施工关键技术研究与应用

中国石油大学（北京）石油工程学院

随着世界各国对能源需求的增加及陆地和海上浅水区油气发现难度的增大，深水油气勘探开发在不断升温。我国海洋石油行业面对的更是一个充满挑战的世界市场，尤其深水油气勘探开发的形势迫切，无论从经济层面、政治层面还是国家主权层面来讲都具有重大战略意义与重大需求。不过，就全球范围而言，深水开发是个尚未成熟的前沿领域，仍然具有很多的困难和挑战。表层导管（亦称表层套管、隔水导管）钻井施工技术是深水钻井施工的关键环节，是挑战深水作业的一大技术难题。深水钻井表层导管作业面临的主要挑战是：常规的浅水区锤入法和钻入法下入表层导管的方式不适用于具有水深大、温度低、浅层海底土质疏松和破裂压力低等恶劣环境特点的深水海域；深水表层导管入泥深度预测不准确，施工时靠经验判断，导管下入困难甚至导致下入失败；喷射水力学参数和钻井施工参数选取不合理，会造成喷射下入速度慢、工期过长；喷射导管尺寸和强度选择不合理，在钻完井作业和后期生产过程中造成井口下陷、倾斜等复杂事故。为解决上述难题，满足我国对石油石化能源的巨大需求，开发南海深水油气资源，打破国外技术垄断，形成我国自主的深水钻井表层导管施工关键技术，本项目历经十年的科技攻关，形成了一套拥有自主知识产权的深水钻井表层导管施工关键技术。

为攻克深水浅层钻井作业难题，项目组到美国与巴西深水实验室进行了充分的调研，先后进行了理论分析、数值模拟计算、现场模拟试验和室内深水高压模拟实验，并在南海深水作业现场进行了全程跟踪和技术服务，主要进行了以下十项关键技术内容的研究：深水钻井表层导管下入过程模拟试验；深水喷射钻井表层导管下入方式与海底土性质匹配关系；喷射导管下入后的静止时间与海底土性质关系；喷射导管下入深度预测模型；喷射钻头与表层导管的尺寸配合优化；深水表层导管喷射钻进的水力学参数优化；深水喷射法表层导管钻井工艺参数优化；深水钻完井条件下喷射导管强度校核和稳定性分析技术；深水浅层灾害预测技术及应对措施；深水表层导管优化设计与施工控制计算软件。

该项目主要技术创新包括：一是深水钻井表层导管入泥深度预测及控制技术。（1）建立深水钻井表层导管入泥深度预测模型。该入泥深度预测模型充分考虑了深水海底浅层土中粘性土和砂性土不同的土力学性质，按照实际海底土质调查资料分别计算各层粘性土和砂性土的不排水抗剪强度和单位表面摩擦力来确定表层导管入泥深度。与目前国外学者提出的计算模型相比，该数学模型全面考虑了海底分层土的侧向摩擦力，国外学者提出的模型仅考虑了土壤的整体平均抗剪强度，不能准确计算表层导管的入泥深度。本项目提出的预测模型在我国南海荔湾和流花等深水油气田进行了现场应用，应用结果表明了该预测模型的正确性和高精度性。（2）确定喷射导管下入后静止时间与不同性质海底土关系模型。喷射导管下入后是靠周围海底土的摩擦力保持稳定而不下沉的，海底土的回填和密实要经过一定的时间，不同性质的海底土需要静止的时间不同。目前国内外学者都没有对导管静止（候凝）时间进行深入的实验研究，深水现场作业一般根据工程经验确定。本项目通过现场模拟实验和室内深水模拟实验确定了不同土层中下导管喷射下入后的静止时间关系模型，由该模型计算出的导管喷射后土壤的候凝时间比工程经验上要少，节省了钻井作业时间，进而节约了大量的海上施工费用。

二是深水钻井表层导管钻井参数优化及工艺控制技术。（1）喷射导管下入过程中合理钻压参数优化方法。表层导管喷射作业中最主要的参数是钻压。保持合适的钻压，一方面可以保证导管在下入过程中处于垂直状态，另一方面使钻具和导管的环空保持通畅，确保钻井液从环空顺利返回。本项目通过喷射钻井管柱力学研究，建立了喷射导管下入过程中钻压参数的选择和优化模型，该模型能够保证在作业过程中管柱中和点在泥线以下且泥线以上管柱处于垂直拉伸状态，确保表层导管能够顺利喷射到位，此外，该钻压参数选择和优化模型中考虑了钻压与机械钻速的关系，能有效提高喷射管柱的下入速度，提高钻井时效。（2）建立钻头伸出量与钻进速度、喷射井眼尺寸关系模型。合理的钻头伸出量可以极大程度地提高喷射法钻进速度、节约钻井时间，并且钻头伸出量对喷射形成的井眼尺寸也有很大的影响。如果钻头伸出量过短，射流区域会局限在套管内部，钻井液射到套管内壁上，不能很好地起到破岩和清洁井底的作用，导致钻进效率很低，且形成的井眼尺寸过小，不利于表层套管的下入；如果钻头伸出量过长，喷射区域处在套管底端较远土层，与套管底部有一段距离，当此区域被水射流冲刷开后，上部土层无法承受套管重量，导致套管急速下落一段距离，造成套管下入不稳，且形成的井眼直径过大，导管喷射下入完成后周围土回填密实困难，导管难以获得足够的支撑力，因而对钻头伸出量进行优选是十分重要的。本项目通过开展钻头喷射数值模拟和深水喷射模拟实验，从理论上建立了最佳钻头伸出量与钻进速度、喷射井眼尺寸之间的关系模型，为喷射管柱的安装和施工提供了理论依据。（3）钻头水射流速度与井眼尺寸关系模型。钻头水射流速度是影响井眼尺寸大小的直接因素，在进行本项目科研之前，国内外学者对其进行过一定研究，但并不是在模拟实验及数据反演的基础上，本项目中的研究结果更具有科学性。在模拟试验过程中发现：在同样尺寸导管条件下，随着钻头喷射速度的增大，套管下入速度明显加快，导管侧向摩擦力明显降低；随着钻头喷射速度的减小，导管的下入速度有明显下降，套管侧向摩擦力增加。本项目通过现场实际钻井数据反演和水力学研究，分析了喷射水射流和地层的相互作用机理，提出了钻头水射流和井眼关系理论模型，形成了钻井喷射水力学排量优化综合控制技术。（4）喷射钻头与表层导管的尺寸配合优化方法。对于喷射法下表层导管技术，目前国内外学者主要研究了深水钻井表层导管的受力、尺寸的选择和钻井管柱的组合，没有考虑喷射钻头与表层导管尺寸配合对该技术的影响，更没有深入研究其相互作用机理并建立数学模型来定量描述其关系。本项目通过现场模拟试验分析和理论研究，建立了不同海底土质条件下喷射钻头与导管尺寸的合理配合的优化方案，提高了喷射导管下入作业时效。此项技术填补了国内外学者在此领域的研究空白，能够有效指导深水钻井现场施工作业，减少盲目性。

三是深水表层导管优化设计与施工控制系统软件。目前，在进行深水表层导管入泥深度计算和施工控制设计时，需要反复计算海底浅层土破裂压力、海底土侧向承载力以及井口荷载等数据，计算过程繁琐复杂且易出错。国内当前没有相关成型的软件，要确定表层导管入泥深度只能通过手算。本项目在建立深水喷射导管入泥深度和钻井参数优化等理论模型的基础上，利用Microsoft Visual Basic 6.0中文版系统环境，将所建立的数学模型程序化，研制出深水海底浅层破裂压力、导管合理下入深度、钻井参数优化等计算软件，形成了一套深水表层导管优化设计与施工控制软件系统，该软件能够实现深水喷射导管入泥深度计算分析及钻井参数优化设计。通过该软件的使用，可以降低现场施工的盲目性，提高海上钻井施工的安全性，节约钻井施工的成本。软件的最终目的是快速确定表层导管入泥深度并优化钻井施工参数。在当前的技术条件下，海上钻井日费达数十万，通过使用本软件系统快速准确确定入泥深度、减少钢材用量、减少钻井施工时间，能为海上石油开发节省大量成本。

自2005年以来，本课题研究成果已在我国南海荔湾、流花、崖城、番禺以及西非和赤道几内亚等深水海域76口井进行了现场试验和应用，取得了良好的应用效果和巨大的经济效益，在这些井的应用中直接节约钻井成本超过4.4亿元人民币，为深水油气钻完井施工提供了很好的技术支持和安全保障。

本课题研究历经十年，在项目利、2项软件著作权、2本专著、在国际国内期刊和会议上发表论文30余篇，并培养博士后1名、博士生6名、硕士研究生30余名，为我国深水油气勘探开发培养了一支强有力的创新型技术团队。

中国石油大学(北京)石油工程学院海洋工程实验室，主要从事海洋工程设计、石油工程、岩土工程、结构工程等方面的科学研究，参加并完成了多项国家重点攻关项目和海洋总公司及CNPC重点攻关项目，有较好的理论基础和较多的现场实践经验。实验室与中国海洋石油总公司有长期的业务关系，已圆满地完成了中海油的相关科研服务项目100余项，用户评价良好。“十一五”期间承担完成了三项国家科技重大专项，一项“863”科技计划课题；并建成了可模拟3000水深的石油钻采深水模拟实验室和室内常压水深模拟实验室，具有雄厚的海洋石油钻完井技术科学研究实力。目前正在承担三项“十二五”国家科技重大专项深水项目。

通过本深水钻井表层导管施工关键技术与应用项目的研究，探索出高效的表层导管下入施工技术及工艺控制理论，建立一套适合深水钻井喷射表层导管下入深度的计算理论和方法，优化深水表层导管作业过程中的钻井参数和水力学参数，形成了我国深水钻井喷射表层导管下入工艺及控制技术的独立知识产权，研究成果的应用能够提高深水钻井表层导管下入施工安全性和作业时效，进一步降低作业费用，为解决我国深水钻井喷射表层导管下入深度确定和施工工艺控制提供了理论基础和科学依据

展望未来，我国将加大对南海深水油气资源的勘探开发力度。本课题研究成果顺应了我国油气资源从浅海到深水的发展趋势，符合建设“深水海上大庆”的宏伟目标，能够为维护我国海洋权益、提高我国深远海油气田勘探开发技术提供技术支撑和科研保障，应用情况非常广阔，潜在价值不可估量，具有巨大的经济效益和社会效益。