深水结构导管喷射钻井技术
深水喷射法下表层导管技术
研究成果
试验方案、场地及试验器材
适用不同套管尺寸对比图
试验套管接箍
试验套管
试验套管护丝
钻机压力表
试验钻机
大吨位拔桩机
研究成果
试验方案、场地及试验器材
试验方案—实施方案图： 试验脚手架的搭建：
此次试验搭建的脚手架尺寸约为：40m（长）×15m（宽）×10m（高）
试验方案、场地及试验器材
试验方案—实施方案图：
第三阶段
国外工具/国内技术/ 国内技术人员
第二阶段
国外工具/国外技术/ 国外技术人员
第一阶段
本课题攻关 主要内容
一、国内外技术现状
1.3 目标
通过本课题研究： 探索出高效的表层套管下入技术及工艺，建立一套适合深水钻井喷 射表层套管下入深度计算理论和方法； 形成我国深水钻井喷射表层套管下入工艺技术的独立知识产权； 研究成果的应用能够提高南海深水荔湾3-1气田钻井表层套管下入
N f dx f d L f S
0
L
f 为平均粘结强度，d为套管直径，L为套管长度
所以摩擦力为：
N S
砂性及粘性海底土性质与深水喷射钻井表层套管下入方式适应性研究 对于砂性土来说：侧向摩擦力比较大，同样下入深度条件下，表
层套管承载力比粘性土要大一些。
流花4—1油田喷射导管探析
流花4—1油田喷射导管探析喷射导管钻井技术采用喷射方式将表层导管下入到位，利用水射流和管串的重力，边喷射开孔边下导管，同时在喷射管柱中下入动力钻具组合以提高安全性和作业效率。
钻至预定井深后，静止管串，利用海底浅层土的粘附力和摩擦力稳固住导管，然后脱手送入工具并起出管内钻具，從而完成表层导管的安装。
流花4-1油田水深达到了300m左右，在这种水深海域采用常规打桩法已不合适，如果采用钻入法下入导管，有可能会发生难以找到井口等问题。
喷射法下入导管则可较好解决这两个问题，喷射导管入泥深度是导管施工作业的一个关键参数，如果入泥深度过浅，导管会因不能获得足够的地层承载力而发生下沉；如果入泥深度过大，导管可能喷射下入不到位，造成井眼报废。
1. 喷射导管极限承载力分析对于钻井导管来说，可以作为一个不带桩靴的钻井船桩腿对待。
在API规范中可用单桩轴向极限承载力经验公式，来进行极限承载力计算。
2. 喷射导管实时承载力分析对于钻井导管与周围海底土之间的摩擦力来说，与喷射后的静止时间有很大关系。
2.1.粘性土2.2.砂性土3. 流花4-1油田喷射导管入泥深度确定根据流花4-1油田井场调查报告，流花4-1油田海域海底土质参数如表1所示。
根据喷射导管实时承载力计算模型和流花4-1油田海底土质参数，求得30和36英寸外径喷射导管实时承载力如图1和图2所示。
利用钻井导管入泥深度计算模型，结合流花4-1油田海底土质实时承载力，求得喷射导管入泥深度如表所示。
4. 结论喷射导管入泥深度是海上表层钻井作业一个关键影响因素，根据海底浅层土质参数情况，建立了流花4-1油田海底土质实时承载力曲线，并根据钻完井作业载荷，确定了喷射导管最小入泥深度。
南海深水钻井表层导管喷射作业实践-论文
石 油 天 然 气 工 程
２ ｏ ｌ ４年 ９月
式所 需特 殊导 管鞋 、钻 井及 扩 眼 、 固井及 候 凝 、钻 水 泥 塞 等 大 型作 业 风 险 ，同 时也 回避 了海 底 表层 低
温 、软 地层对 下 导管作 业 的影 响 ，极 大地 节省 了作 业时效 引。 在不 占用 钻机 的情 况下对 喷 射钻井 作业 进行 充分 的准 备 ，４口井从 组 合 钻具 作 业 开始 到进 行 下 部井
和预 处理 。
配长 接头 ：准 备用 于钻 具配 长 的各种 长度 的接 头 、钻铤 等工 具共 计 ４ ０多件 。 泥浆 类 型 、泥 浆材 料 ：准备 足够 的稠 浆 泥浆 以清洗 井 眼和应 急压 井 ，准备 大量 加重 泥浆 材料 以应 对 意外 钻遇 浅层 气 、浅层 水流 时采 取动 态压 井钻 进 。
钻 进 ；准备 足够 的稠 浆 ，定 期采 用稠 浆清 扫井 眼 ，防止沉 砂 卡钻 ；接立 柱前 先用 稠浆 清洗 导管 与钻 具环 空 ，充 分活 动井 下管 串后 ，再快 速接 立柱 ，减 少接 立柱 时 间 。 ２ ． ３ 导 管外 窜流 风 险分 析 ：井 口报 废 ；导管 倾角 大 ；导管下 沉 。
Ｅ ２ ］ 徐 荣 强 ，陈 建兵 ，刘 正礼 ，等 喷 射 导 管 技 术 在 深水 钻 井作 业 中 的应 用 ［ Ｊ ］ ．石 油 钻 探 技 术 ，２ ０ ０ ７ ，３ ５（ ３ ） ：１ ９ ～２ ２ ．
［ 编辑 ］ 帅群
（ 上接第 １ Ｏ ８页 ）
・
２ ）韧 性 水泥 浆体 系具有 良好 的稠 化 、失水 、强 度 、稳 定性 ，能够 满足 小井 眼 固井 需 要 。 ３ ）韧性 水泥浆 具 有更好 的抗 冲击 强度 和抗 拉伸 、剪 切 强度 ，水 泥 石 经 过 ２次 射 孔评 价 依 然 保持 着 完整 性 ，充分 说 明该水 泥浆 体系 具有优 异 的柔韧 性 。 ４ ）韧 性水 泥浆 体 系具有 良好 的稠 化性 能和 柔韧 性能 ，能 够保证 泵送 安全 以及 增产 措施 的顺 利 进行 ， 有效 延长 油气 井 的寿命 ，具 有很 好 的发 展前 景 。
深水表层导管喷射下入工艺
DOI：10.16660/ki.1674-098X.2018.21.104深水表层导管喷射下入工艺陈亚亚(中国石油大学(华东)石油工程学院 山东青岛 266000)摘 要：深水钻井导管喷射作业对导管稳定性、导管下入、导管垂直度都有较高的要求,如果喷射作业不成功只能废弃原井位,海洋钻井尤其是深水钻井综合钻井日费动辄上百万美元,将造成经济上的巨大损失。
针对深水喷射下表层导管的作业难度大、施工时间不易控制特点,本文针对浮式钻井装置阐述了深水钻井导管喷射施工作业的前期准备、风险控制和参数优化,对深水钻井表层导管的喷射作业具有一定的指导作用。
关键词：深水钻井 喷射下入 表层导管 作业程序 参数优化中图分类号：TE248 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)07(c)-0104-02表层导管（又称隔水导管、结构套管），是安装在泥线位置的第一层套管，表层导管承受海上钻井设备、隔水管系统以及将来完井、生产和修井作业时强加其上的多重作业载荷及复杂多变的海洋环境载荷。
表层导管安装，倾斜度一般不大于2.0°，以避免钻井作业过程中钻柱、套管柱与水下井口发生磨损。
深水表层导管施工具有作业风险高、控制难度大等特点，如果安装方式选择不正确、控制措施采取不当，容易导致导管下入不到位、井口偏角过大、井口下沉甚至井报废等严重后果，造成重大经济损失。
工程实践表明，表层导管喷射下入表层套管技术能有效提高深水浅层钻井得作业时效，节省钻井时间，因而在很大程度上节约了钻井作业成本，该技术已经在国内外深水钻井中广泛使用。
1 深水表层钻井技术挑战深水钻井表层导管安装作业与常规井相比，主要面临如下：（1）浅层土质疏松，地层承载能力低，增大了导管下沉及井口失稳风险。
（2）地层破裂压力梯度低。
随着水深增加，地层的破裂压力梯度降低，容易发生井漏和井塌等复杂情况。
2 导管喷射安装质量要求及风险应对措施2.1 导管安装质量要求导管喷射下入至设计入泥深度，深度误差应小于1.0m。
深水喷射钻井导管力学分析与强度校核
南 海深水 喷射 钻井 导管强 度校 核提供 有用 参考 。
１ 导 管 受 力 分析 与强 度 校 核 方 法
导 管横 向受力最 大 的情况 出现 在防 喷器 与井 口相连之 后 。深水 钻井 系统受 力示 意 图如 图 １ 所示 。 此 时隔水 管底端 与 防喷器 组相连 ，顶 端与钻 井船 相连 ，风 、浪 、流等 环境 载荷 及其 他外 部 因素 作用 引起 的钻 井船偏 移会 使 隔水管 对底部 防 喷器组产 生水 平分 力 ，并 最终 通过 井 口传递 到导 管之 上 。图 １中 泥线 以下 管 串最表层 的管 柱为 导管 ，里 面的管柱 为表 层套 管 ，导管 与表层 套管 的环 空为 固井水 泥环 。忽 略 土层对 导管底 端 的反力 。导 管承受 的作 用力 主要来 自隔 水管底 部挠 性接 头处 的竖 向和横 向反力 、防 喷 器组 与井 口重 量 、作 用 于 防 喷 器 组 及 井 口 的横 向波 流 力 、海 底 土 层 对 导 管 的 侧 向摩 擦 力 和 横 向土 反 力等 。 在建立 有 限元 模 型时 ，将 图 １中的钻井 系统 在底部 挠性 接头 处分 开 ，提取 隔水管 底部挠 性 接头横 向
管 和 导 管 系 统 的 力 学 分 析 模 型 ，尤 其针 对 下 入 有 倾 斜 及 固井 有 缺 陷 的 导 管 进 行 了 强度 校 核 ， 求 得 钻 井 船 最 大 许 用 偏 移 。 算例 表 明 ，钻 井 船 偏 移 对 导 管 强 度 的 影 响 主 要 集 中在 泥 线 下 较 短 一 段 管 柱 ， 导 管 ２ 内倾 。
［ 要 ］ 深 水 喷射 钻 井 作 业 中导 管 强 度 是 确 保 井 口稳 定 以及 后 续 钻 井 作 业 顺 利 进 行 的有 力保 障 。 对 最 危 险 摘 工 况 下 的导 管 柱 横 向受 力 进 行 了分 析 ， 并 基 于 有 限元 技 术 提 出一 种 导 管 强 度 校 核 的 方 法 。 分 别 建 立 隔 水
深水结构导管喷射钻井技术研究
Ｑ： ！
Ｓｃ ｉ ｅｎｃ ｅ ｅｎ ｄ Ｔｅｃ ｈｎｒ ａｌ ｄ
工 业 技 术
深 水结 构 导 管 喷射 钻 井技 术研 究
（ １ ． 中海油能源发展股份有 限公 司监督监理深圳分公司
摘 黄小龙’ 陈建兵’ 刘正礼 广东深圳 ５ １ ８ ０ ６ ７ ；２ ． 中海石油 （ 中国）有 限公司深圳分公司
素 ，该 文 对 喷 射 钻 入 法 的 关 键 影 响 因 素进 导 管头 连接 工具 ，喷 射 到 位 后 与导 管 脱 开 出 现 下沉 的井 ，可 以 考 虑 安 装 泥 垫 ，增 加 行 了研 究 ，并 结 合 深 水 现 场 作 业 实 践 经验 继 续 钻 进 。 钻具 组 合 中一 般 都 安 装随 钻 测 支 持 力 ，也 可 以 增 加设 计 浸 泡 时 间 。 进 行 了分 析 ，对 深 水 导 管 喷 射 钻 入 作 业具 量 工 具 ，一 边随 时 监 测 井 斜 变 化 ，根 据 工 ２ ． ２ 喷 射结 束 后 发 生 导管 下 沉 的 技 术 措 施 有一 定 的 指 导 作 用 。
在 深 水 油 气 田勘 探 开 发 过 程 中 ，结 构 导管主要作用是为水下井 Ｉ ＝ ｌ 和 水 下 防喷 器
１ ． ２ 钻 具 及 钻 头设 计 与 选 择
喷 射 钻具 组 合 主 要 考 虑 喷射 钻 井 作 业
下 沉 区块 ，增 加 导 管 尺 寸 比 增加 喷射 深 度
要 更好 。如 果 已钻 井 导 管 尺 寸 较 大 ，可 以
等 设 备 提 供 支 撑 作 用 。 导 管 的 人 泥深 度和 结 束后 继 续 钻 进 的 需 求 ，与 下一 开 钻 具 组 适 当增 加 导 管 人 泥 深 度 ，每 增 加 一根 导 管 钻 具 组 合 的 设 计 是 深 水 喷 射 成 功 的 关键 因 合 设计 一样 ，只 是 在 钻 具 组 合 上端 安 装 与 则 增加 １ ５ ％的 支撑 力 ， 另外 对 于 导 管 容 易
深水表层导管喷射钻进机理研究
层导管 。该 方法 通 过钻头 水 眼喷射 冲刷 土体 形成 钻孔 ，在 喷射 钻进 的同 时下入 导管 ，导 管下入 到位 后利 用管体 与 土体 之 间的吸 附力稳 固表 层导 管 ，为后 续安 装水 下井 口防 喷器 等作业 提供 支撑 力Ｌ 。 ３ ］ 为使 导管 和水 下井 口获得 足够 的地 层承 载力 ，保 证深水 钻井 作业 安全 ，需 要对 喷射钻 进 时导管 与土
作 业 时效 。通 过 理 论 分 析 和 数 值 模 拟 计 算 ，研 究 了水 力 喷 射 成 孔 和 喷 射 钻 进 机 理 ，对 海 底 软 黏 土 层 受 喷 射） 刷 作 用 下 的应 力 和 位 移 场 进 行 了 分 析 。计 算 结 果 表 明 ，处 于钻 头 附 近 的 土 体 出现 应 力 和 位 移 集 中现 中 象 ，土 体 受到 的剪 切 力 远 大 于 土 体 抗 剪 强度 ，土 体 被 冲 刷 破 坏 发 生 大 变 形 。 通 过 在 原 状 土 海 域 的 现 场 模 拟试 验 ，对 比分 析 了喷射 排 量对 导 管 下入 钻 速 和土 体 承 载 力 恢 复 的影 响 ； 研 究 结 果 表 明 随 着 排 量 的 增 大 ，
导管 和水下 井 口的安 装作 业 ，提高 作业 时效 。
１ 水 Байду номын сангаас喷 射 钻 进 机 理
深 水浅 层喷 射钻 进下 入导 管时 钻头 未直 接切 削地 层 ，而是 由水射 流 冲刷海 底软 土 ，软土层受 到 大排 量 水射 流 冲击作 用 ，在土 体 内部产 生剪 应力 并发 生剪 切破坏 ，破 坏后 松散 破碎 的岩 屑通过 导管 内部运 移 至 海底 泥面 。为 掌握 喷射 钻进过 程 中导 管周 围土体 的应 力场 和位 移场 变化情 况 ，采用 有 限元 软件 进行 了 数值 模 拟计算 。 由于 土体在 喷射 钻 进过程 中 ，不仅 产 生 弹性 变形 ，而且 还 会 产生 不 可恢 复 的塑 性 变形 。 ‘ 因此将 土体 视为 弹塑 性体 ，采 用 Ｄ ｕ ｋ Ｐ ａ ｅ 屈 服准则 ： ｒ ｃ — ｒｇ ｒ
南海超深水喷射钻井导管入泥深度设计方法
省 对 深 层 土壤 进 行 实 际 钻 孔 取 心 的作 业 成 本 。 研 究 表 明 ， 导 管 入 泥 深 度 主 要 由土 壤 性 质 、 固 井 井 口载 荷 以及 导 管 静 置 时 间 决 定 。 算 例 验 证 了方 法 的准 确 性 。所 研 究 的 方 法 与结 论 可 为 南 海 深 水 喷 射 钻 井 导 管 入
一
了桩 设 计 的 相 关 指 导 规 范 ，对 喷 射 安 装 的 导 管 人 泥 深 度 设 计 具 有 一 定 指 导 意 义 。 Ａｋ ｒ＿ 借 鉴 ＡＰ ｅｓ４ Ｉ中桩 的设 计 理 论 ，对 导 管 承 载 力 进 行 了计 算 并 给 出 导 管 设 计 方 法 ，但 假 定 扰 动 后 的 土 壤 抗 剪 强 度 随 时 间 的 没 有 增 量 。 苏 勘 华 等 ＿ 基 于 土 力 学 与 桩 基 理 论 ，利 用 迭 代 法 提 出一 种 导 管 下 深 设 计 方 法 ， 能 否 应 用 于 工程 Ｅ 实 践 有 待 进 一 步 验 证 。 Ｐ ｉｐ ｅ 出 的 方 法 考 虑 了 承 载 力 的 时 间 效 应 ，是 目前 最 通 用 的 导 管 人 泥 深 度 ｈｌ ｐ ｌ 提 ｉ ６
［ 收稿 日 期 ］ ２ １ —１ Ｏ ０ ２—２ ２
［ 金 项 目］ 国 家 科 技 重大 专项 （ Ｏ ８ Ｘ ５ ２ ０ ） 基 ２ Ｏ Ｚ ０ ０ ６０ １ 。 ［ 者 简 介 ］ 唐 海雄 （ ９ ２一 ，男 ，１８ 年 大 学 毕 业 高 级 工 程 师 ，现 主要 从 事 海 洋 石 油 钻 完 井 技 术 方 面 的研 究 工作 。 作 １６ ） ９３
泥深度设计提供有用参考。 ［ 键 词 ］ 超 深 水 ；喷 射钻 井 ；导 管 ； 泥 深度 关 入 ［ 中图 分 类 号 ］ Ｔ ２ ８ Ｅ ４ ［ 献标识码］Ａ 文 ［ 章 编 号 ］ １０ ９ ５ （Ｏ １ ３ ０ ４ —０ 文 ０ ０ ７ ２ ２ １ ）０ — １ ７ ５
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深水结构导管喷射钻井技术研究摘要：结构导管喷射下入技术是深水表层钻井的常用方法，针对导管喷射下入技术要求和深水海床地质环境特点，对结构导管入泥深度理论计算方法和新区探井经验确定方法进行了分析，对喷射钻具组合和钻头伸出导管鞋长度进行了分析。
针对深水表层喷射可能会出现的导管下沉事故的情况，分别在前期设计阶段和作业阶段进行了预防措施和现场技术处理方法研究。
关键字：深水喷射导管入泥深度钻具组合
中图分类号：te52 文献标识码：a 文章编号：1674-098x （2013）01（a）-00-01
在深水油气田勘探开发过程中，结构导管主要作用是为水下井口和水下防喷器等设备提供支撑作用。
导管的入泥深度和钻具组合的设计是深水喷射成功的关键因素，该文对喷射钻入法的关键影响因素进行了研究，并结合深水现场作业实践经验进行了分析，对深水导管喷射钻入作业具有一定的指导作用。
1 喷射作业关键技术
1.1 入泥深度确定
一般要准确确定结构导管具体下深，需要对目标井位进行井场调查，经过土工试验分析确定海底浅层土体的抗剪强度，然后根据导管作业载荷，通过下式计算确定导管具体下深：
式中q：导管承载的重量；qf：导管表面摩阻力；td：导管设计下深；x：导管单位长度；ml：泥面；f：单位面积摩阻力；as：导
管侧面积；c：土壤剪切强度；fox：安全系数；a：喷射钻井后，受扰动土壤剪切强度的安全系数，一般取值10%～40%。
公式中单位采用国际单位制。
经过井场调查地质取芯计算得出的土壤剪切强度往往是地层非扰动抗剪切强度，而实际作业过程中，由于喷射钻井导致结构导管周围土壤遭到破坏，受扰动土壤抗剪切能力往往比原土壤低很多，虽然抗剪切强度恢复很快，但实际计算时，往往取一个安全系数a，一般为原地层抗剪切系数的10%～40%。
1.2 钻具及钻头设计与选择
喷射钻具组合主要考虑喷射钻井作业结束后继续钻进的需求，与下一开钻具组合设计一样，只是在钻具组合上端安装与导管头连接工具，喷射到位后与导管脱开继续钻进。
钻具组合中一般都安装随钻测量工具，一边随时监测井斜变化，根据工作需要有时也安装随钻测压工具，以便及时了解环空泥浆当量循环密度变化等。
喷射钻井钻头相对位置及尺寸的选择对喷射钻井的成功与否至关重要。
目前深水作业，部分作业者习惯将钻头控制在导管鞋以内30.48～45.72 cm，也有很多作业者习惯将钻头伸出导管鞋15.24～25.40 cm。
钻头在导管鞋以内还是伸出导管鞋，主要取决于地层的软硬，一般如果地层较松软，往往选择将钻头控制在导管鞋以内，如果地层相对较硬，则将钻头伸出导管鞋15.24～25.40 cm，目前世界上大多数作业者选择将钻头伸出导管鞋，但同时保持钻头水眼在管鞋以内。
2 导管下沉预防及处理办法
导管下沉是深水钻井的重要事故之一，主要原因是对该地区地层承载能力认知不足或由于操作不当引起，尤其在探井和评价井阶段更容易发生，主要是没有准确的井位土壤资料分析。
2.1 设计阶段导管下沉的预防措施
对于新区块第一口导管尺寸及喷射深度的设计要非常慎重，新区块一般要做重力取样，并要充分借鉴临近区块土壤数据或者喷射钻井实际情况，对于易出现导管下沉区块，增加导管尺寸比增加喷射深度要更好。
如果已钻井导管尺寸较大，可以适当增加导管入泥深度，每增加一根导管则增加15%的支撑力，另外对于导管容易出现下沉的井，可以考虑安装泥垫，增加支持力，也可以增加设计浸泡时间。
2.2 喷射结束后发生导管下沉的技术措施
如果作业结束后，发生导管下沉至无法满足作业要求时，可通过上提导管或者重新接回连接工具并上提导管至设计预留高度，增加浸泡时间6～8 h，如果继续出现下沉可以考虑再尝试上提一次并进一步浸泡时间。
该方法仍无法满足要求时，一般只能起出导管按照设计阶段预防措施执行或采用钻入+固井的方式下入导管。
3 结语
（1）导管入泥深度确定和钻具组合选择是影响深水表层喷射钻井成功与否的关键因素。
对于新区探井，需要在考虑表层重力取样结果基础上，充分参考邻井资料来确定导管入泥深度。
（2）为防止
深水表层作业发生结构导管下沉事故，可采取的措施包括增加导管外径，在保证导管能顺利下入的前提下增加入泥深度，并可在井口头位置安装防沉板，增加导管喷射到位后的浸泡时间。
参考文献
[1] 杨进，刘书杰，王平双.海上钻井隔水导管下入深度理论与控制技术[m].北京：石油工业出版社，2009.
[2] 徐荣强，陈建兵，刘正礼.喷射导管技术在深水钻井作业中的应用[j].石油钻探技术，2007，35（3）：19-22.。