深水喷射下表层导管合理钻头伸出量计算

杨进，严德，田瑞瑞，周波，刘书杰，周建良，唐海雄

（1.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室；2.中海石油（中国）有限公司北京研究中心；3.中海石油深海开发有限公司）

0 引言

喷射法下表层导管是为适应深水海床土质疏松的特点和避免浅层地质灾害而发展起来的深水钻井技术[1-8]。该技术的基本工艺为：作业时将导管和钻具组合为一体，通常由牙轮钻头水眼喷射出的水流冲刷土体形成钻孔，导管和钻具的组合体利用自重下入至设计深度，然后解脱导管和钻具，完成二开井眼钻进后上提钻具并将钻具送至钻井船[9-10]。在喷射钻进过程中，钻头底部伸出导管鞋的长度称为钻头伸出量，它始终保持不变，即钻头与导管在竖直方向上成为一体，同步下入地层[11]。合理的钻头伸出量能使钻头底部土体被充分冲刷，破碎的泥屑能及时从导管内部环空返出，提高导管下入速度。不合理的钻头伸出量则会导致土体无法受到有效冲刷或泥屑在导管鞋处堵塞，从而降低作业时效甚至造成导管下入失败。目前，针对深水喷射法下表层导管技术的研究主要集中在导管入泥深度设计、水下井口稳定性分析和工程应用实例等方面，未见对钻头伸出量设计和优化的研究报道[12-15]。工程实际作业中主要凭经验确定钻头伸出量，无理论依据且不确定性大。本文通过理论推导和现场试验，对喷射法下表层导管技术中的钻头伸出量进行研究，建立其计算模型，为合理钻头伸出量的设计提供理论依据。

1 理论假设与模型建立

在喷射钻井中，钻井液通过钻头喷嘴喷射而产生水射流，以实现井下的破岩和清岩。钻井液经钻头喷嘴流出后，不仅被井筒中的液体淹没，而且还受到井壁和井底的限制以及反喷射流的干扰，所以从钻头喷嘴流出的射流是淹没非自由射流[16-17]。此外，由于钻头上的喷嘴均为圆形，所以这种射流又属于圆形射流，具有轴对称性[18-19]。

为建立合理钻头伸出量计算模型，首先分析不同钻头伸出量产生的喷射钻进效果。当钻头伸出量过小时（钻头喷嘴处于导管鞋上部且轴向距离大），射流束将部分或全部作用在导管内壁，不能充分破碎土体和清洁井底，导致成孔和钻进效率低下；当钻头伸出量过大时（钻头喷嘴与导管鞋轴向距离小甚至处于导管鞋下部），射流束将会过度冲刷破坏钻头底部土体，使破碎的泥屑从导管外侧返出，从而导致导管喷射到位后周围土体回填困难，使导管无法及时获得足够的地层承载力，影响水下井口稳定性。基于上述分析，假设当射流束上边缘与导管下边缘内侧相切时钻头伸出量最优，即射流束上边缘QG与导管内壁AG相切于G点（见图1），此时既能保证导管喷射下入速度，又能满足安全作业要求。根据这一理论假设建立了合理钻头伸出量的计算模型（见图1）。

根据如图 1所示的计算模型，通过几何关系推导出合理钻头伸出量的计算公式为：

2 现场试验

为验证建立的合理钻头伸出量计算模型，在渤海湾淤泥质土海域实施了喷射法下表层导管现场试验。

2.1 试验方案

图1 合理钻头伸出量计算模型

图2 喷射法下表层导管现场试验图

图3 导管到位静置后上拔现场试验图

采用30根导管进行喷射法下表层导管试验（见图2、图3）。其中15根导管的外径为244.48 mm，壁厚为 6.50 mm，采用的钻头尺寸为 215.90 mm（H为133.33 mm、L为 60.00 mm、R0为 15.00 mm、θ为 60°）；另外15根导管的外径为339.73 mm，壁厚为8.50 mm，采用的钻头尺寸为269.88 mm（H为140.00 mm、L为60.00 mm、R0为 17.00 mm、θ为 60°）。

在喷射泵压和导管入泥深度为定值的情况下，钻头伸出量在−127.0～228.6 mm区间内每隔25.4 mm取一个值。记录不同钻头伸出量时导管的下入速度，分析钻头伸出量对导管下入时效的影响；测定不同钻头伸出量时导管下入到位静置2 h后的上拔力，分析钻头伸出量对导管周围土体摩擦力恢复情况的影响。在既保证导管下入时效又保障作业安全的条件下，确定合理的钻头伸出量。

2.2 试验结果及分析

由钻头伸出量与导管下入速度的关系图（见图4）可知：导管下入速度随钻头伸出量的增加呈逐渐增大的趋势，钻头伸出量小于100 mm时，导管下入速度增长较快；钻头伸出量在100～150 mm时，导管下入速度基本达到最大值；钻头伸出量大于150 mm时，导管下入速度基本不再随钻头伸出量的增加而增大。这可能是由于钻头底部距离导管底部较远时，被钻头水射流冲刷的泥屑不能及时从导管内部环空返出，从而影响导管下入时效。

图4 钻头伸出量与导管下入速度关系图

由钻头伸出量与导管静置 2 h后上拔力的关系图（见图5）可知：随着钻头伸出量的增加，导管在喷射下入到位静置2 h后的上拔力逐渐减小。这是由于钻头伸出量越大，对土体造成的冲刷破坏越大，从而使导管周围土体摩擦力恢复减缓。

基于上述分析，综合考虑钻头伸出量与导管下入时效和导管周围土体摩擦力恢复情况的关系，现场试验条件下的合理钻头伸出量为100～150 mm。

将现场试验中导管和钻头的相关参数代入（1）式，并分别取射流扩散角α为25°和30°，可计算出现场试验条件下的合理钻头伸出量，然后将其与现场试验确定的合理钻头伸出量进行对比（见表1）。

图5 钻头伸出量与导管静置2 h后上拔力关系图

表1 合理钻头伸出量理论计算值与试验值对比

由表 1可知，现场试验条件下，用计算模型计算出的合理钻头伸出量处于试验得到的合理钻头伸出量区间中，验证了理论假设的合理性和计算模型的正确性。

3 实际应用

本文建立的深水喷射下表层导管合理钻头伸出量计算模型已成功应用于南中国海荔湾、流花和白云等海域多口深水井。实际作业时，首先运用计算模型求出各井的合理钻头伸出量（见表 2），然后采用求得的钻头伸出量进行喷射钻井作业。在12口深水井的喷射钻井作业中，平均每口井节约作业时间14.96 h。

表2 各井应用计算模型求得的钻头伸出量和节约的作业时间

4 结论

深水喷射下表层导管技术中钻头伸出量是一个关键参数，对钻井作业时效和水下井口稳定性都有重要影响。本文基于理论分析，假设当钻头水眼喷射出的射流束上边缘与表层导管下边缘内侧相切时钻头伸出量最优，在此基础上建立了合理钻头伸出量计算模型。

通过现场试验验证了理论假设的合理性和计算模型的正确性。模型计算出的合理钻头伸出量均处于试验得到的合理钻头伸出量区间中。

计算模型在南中国海荔湾、流花和白云海域多口深水井的钻井作业中取得了显著的应用效果，单井平均节约作业时间14.96 h，提高了作业时效，并达到了作业安全要求。

符号注释：

Δh——合理钻头伸出量，mm；H——钻头喷嘴口中心所在平面与钻头顶部所在平面间距离，mm；D——导管外径，mm；r——导管壁厚，mm；L——钻头喷嘴口中心与钻头中轴线间垂直距离，mm；θ——钻头喷嘴中轴线与钻头中轴线间夹角，（°）；R0——喷嘴口半径，mm；α——射流扩散角，（°），一般取 25°～30°。

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