北部湾盆地勘探井小尺寸隔水导管技术

林四元 郑浩鹏 刘贤玉 徐一龙 代锐 徐超

中海石油（中国）有限公司湛江分公司

北部湾盆地是中海油湛江分公司在南海勘探主战场之一。所在勘探海域水深集中在15～45 m，主探的古近系储层埋深集中为1400～3800 m。受成藏地质环境影响，盆地断块复杂、构造分布零散、控制储量有限［1］。因此，区域勘探井具有“井深不深、作业周期相对较短（平均建井周期为10～25 d）、钻井数量多”的特点。作业海域每年 7 ～10 月为台风季节［2-3］，每年11 月到次年6 月为非台风季节；在8 个月的非台风季节期间，作业海域自然环境相对温和。考虑到海域季节环境及勘探井特点，提出了一种基于非台风季节的小尺寸隔水导管设计技术，以提高作业效率、降低勘探成本。

1 传统隔水导管设计的局限性

在海洋钻井作业过程，隔水导管系统受到风、浪、流等环境载荷的影响，当井口载荷大于临界值时，隔水导管在水平风浪流载荷作用下发生弯曲失效而不能满足施工作业。如果设计的隔水导管尺寸过大，安全系数高，又会增加施工周期及钻井费用，造成资源浪费。

北部湾盆地早期通常采用Ø762 mm隔水导管设计［4］，这种设计模式的安全性很强，但成本费用高。随着对区域认识的加深，技术人员发现隔水导管设计方面有改进的空间，于是推出了Ø508 mm隔水导管设计方案；随后，又进一步优化出Ø508 mm×Ø339.73 mm变径组合隔水导管［5-6］，赋予了隔水导管设计的双重功用（隔水导管井口支撑及表层套管封固承压）。

1.1 Ø508 mm隔水导管技术的局限性

Ø508 mm隔水导管，虽然在Ø762 mm隔水导管设计的基础上一定程度地缩减了材料费用，且能满足海域50年重现期极端天气要求，但工艺方案与Ø762 mm隔水导管模式区别不大，作业周期不能有效节省。由于Ø508 mm隔水导管需要Ø660.4 mm井段作业，因此还存在进一步优化的空间。

图1 常规Ø508 mm隔水导管设计Fig. 1 Design of conventional Ø508 mm riser

1.2 Ø508 mm×Ø339.73 mm变径组合隔水导管技术的局限性

为解决Ø508 mm隔水导管技术的局限性，同时进一步提高钻井效率，技术人员又在常规Ø508 mm隔水导管设计技术的基础上创新性的提出了“二合一”隔水导管设计技术：Ø508 mm×Ø339.73 mm变径组合隔水导管（图2上部Ø508 mm套管作为隔水导管，下部泥线30～35 m以下使用Ø339.73 mm套管，中间采用变径管连接），这种组合设计方案与Ø508 mm隔水导管相比，能显著降低作业工期及钻井成本。

图2 Ø508 mm×Ø339.73 mm变径隔水导管设计Fig. 2 Design of Ø508 mm×Ø339.73 mm riser assembly

但这种设计模式仍存在一定的局限性，表现为：（1）固井方式受限，盲替固井混浆多，降低了水泥石强度，并且管内水泥塞高、钻塞时间长；（2）变径管加工工艺原因，抗内压不如套管本体，导致了导管组合应用上存在薄弱环节。因此，该设计的局限性制约了该设计技术的进一步推广应用。

2 小尺寸隔水导管强度及井口稳定性分析

上述几种隔水导管设计技术，可根据作业需要适时选择，均满足重现期极端天气要求。但随着勘探钻井及工艺技术提升，技术人员发现北部湾盆地的隔水导管设计还能进一步优化，并提出了小尺寸隔水导管设计的理念。

2.1 小尺寸隔水导管设计环境及要求

北部湾常规勘探井单井作业周期短，并且施工时间大都是在非台风季节。勘探井资料录取后，就永久弃井注回填水泥塞、切割回收隔水导管，而不再受海域环境的影响。常规的Ø508 mm 隔水导管设计能满足北部湾海域50 年一遇的极端天气，但在非台风季节隔水导管设计偏于保守；同时，Ø508 mm×Ø339.73 mm 变径组合隔水导管存在固井方式的缺陷。

如果在北部湾海域台风和非台风不同的环境条件下，对隔水导管设计进行区分对待及精确化设计，寻求一种可以弥补常规隔水导管设计存在的局限及不足，并且来源方便、操作简单的小尺寸隔水导管，将对北部湾勘探井可持续发展的降本增效起到推进作用。

2.2 隔水导管受力分析

隔水导管长度远大于隔水导管直径，且在井口位置存在井口载荷。因此假设隔水导管为压杆，隔水导管泥面以下为固定端，泥面以上在井口小平台处有一个简支约束，井口施加载荷。同时隔水导管为一条直线垂直于泥面，将隔水导管的受力模型简化为图3所示。隔水导管主载荷主要有两部分：一是轴向载荷（井口载荷、自重）［7］，二是横向载荷（风、浪、流等环境载荷）［8-9］。在作业过程中，风浪流载荷并非同时以一个方向作用在隔水导管上，但在进行强度和稳定性校核计算时选取最恶劣的工况，即风浪流同时以一个方向作用在隔水导管上［10-15］。

图3 自升式钻井平台隔水导管系统受力示意图Fig. 3 Schematic force on the riser system of Jack-up rig

当圆管型构件的受力为轴向受拉或受压，并在2个平面内受弯，其轴向应力强度校核公式为

式中，σ为轴向应力，MPa；N为计算截面的轴向力，N；Mx、My分别为计算截面分别绕x及y轴的弯矩，N·m；A为圆管的截面面积，m2；W为圆管截面的剖面模数，m3；[σ]为强度许用应力，MPa。

圆管形构件在轴向力和φ弯矩联合作用时，稳定性校核的公式为

式中，σ为弯曲应力，MPa；[σc]为稳定性许用应力，取值为φσs；φ为整体稳定系数，对于圆管构件，则由下式决定

2.3 隔水导管理论计算及选型分析

考虑常规钻井设计所选套管器材及实际使用、分别选取常规Ø339.73 mm套管、Ø335.6 mm套管（Ø339.73 mm套管外加厚）、Ø406.4 mm套管作为隔水导管，并配套使用井口提升装置承担井口载荷，理论分析计算不同尺寸套管是否适合北部湾海域非季风季节下井口稳定性要求。

根据海域作业环境（表1）及隔水导管参数性能（表2）要求，计算数据见表3。

表1 北部湾主要勘探区块的水深Table 1 Water depth in the main exploration blocks in the Beibuwan Basin

表2 套管钢材许用应力Table 2 Permissible stress of casing steel

表3 北部湾海域不同重现期环境条件Table 3 Environmental conditions of Beibuwan sea area in different recurrence intervals

2.3.1 台风季节极限海况隔水导管理论分析 以15～45 m水深、台风季节时极限海况环境条件（以50 年一遇海况进行计算）为例，对不同尺寸、壁厚的隔水导管进行强度及井口稳定性分析，计算结果见图4。

图4 北部湾海域不同尺寸隔水导管50 年重现期（安全系数1.25）校核结果Fig. 4 Check result on the risers of different sizes in the Beibuwan Basin in 50-year recurrence interval(safety factor 1.25)

根据图4中的结果数据：

（1）Ø508 mm厚壁隔水导管才能满足北部湾深水涠洲区50 年一遇极端海况下隔水导管设计要求；Ø406.4 mm厚壁隔水导管能满足北部湾海域浅水乌石区50 年一遇极端海况下隔水导管设计要求。

（2）近几年北部湾海域勘探井使用的厚壁Ø508 mm隔水导管，在所遇的台风极端天气下未发生隔水导管失稳及破坏问题，进一步证实Ø508 mm的厚壁隔水导管设计满足北部湾海域极端天气下隔水导管的设计要求。

2.3.2 非台风季节极限海况隔水导管理论分析 结合区域特征，针对非台风季节情况，进行了分析（图5）。

图5 北部湾海域不同尺寸隔水导管在非台风季节下（1 年重现期，安全系数1.60）校核结果Fig. 5 Check result on risers of different sizes in the Beibuwan Basin in non-typhoon seasons(1-year recurrence interval and safety factor 1.60)

3 小尺寸隔水导管设计

经理论分析，技术人员结合海域特征，总结了北部湾盆地小尺寸隔水导管设计的方案，见图6。

（1）非台风季节环境下，Ø339.73 mm厚壁隔水导管在北部湾乌石海域30 m水深内，能满足设计要求，但允许井口载荷量很小。

（2）非台风季节环境下，Ø355.6 mm隔水导管能满足北部湾海域作业要求。

图6 Ø339.73 mm小尺寸隔水导管与Ø355.6 mm×Ø339.73 mm组合隔水导管示意图Fig. 6 Schematic Ø339.73 mm small-size riser and Ø355.6 mm×Ø339.73 mm riser assembly

4 现场应用

4.1 应用案例

案例一：北部湾盆地W井，井位水深21 m，补心高度35 m，井深1857 m。选用理论计算满足设计要求但井口载荷小的Ø339.73 mm（钢级N80/壁厚12.19 mm）套管作为隔水导管来进行现场应用实践。该井表层Ø339.73 mm套管入泥1116 m，二开311.15 mm井眼钻进到1857 m完钻。

案例二：北部湾盆地4口勘探井（B1、B2、B3、B4），所在井位水深 24～39 m，使用 Ø355.60/N80/壁厚18.64 mm套管作为隔水导管（Ø339.73 mm套管外加厚）在现场进行实践应用。4口井井深在2355～3826 m，采用2开次井身结构设计：一开表层Ø355.6 mm×Ø339.73 mm复合管柱，下深在1230～1420 m；二开Ø250.83 mm井眼完钻。

应用案例进一步证实小尺寸隔水导管应用方案可行，能替代常规Ø508 mm隔水导管及Ø508 mm×Ø339.73 mm变径隔水导管组合设计方案。

4.2 应用效果

实际应用证实，小尺寸隔水导管应用设计方案在非台风季节应用没有作业安全问题，替代了常规Ø508 mm×Ø339.73 mm变径隔水导管方案，弥补了常规Ø508 mm×Ø339.73 mm变径隔水导管组合应用时固井方式受限及抗内压不足的难题。同时，通过不同隔水导管应用方案进行比较，发现小尺寸隔水导管应用设计可以节省一定的工期费用。为便于对比，统计北部湾盆地Ø339.73 mm套管封固下深（下深在1200～1400 m）时，不同隔水导管施工方案下的工期及费用情况。

从统计结果知，在相似的封固方案下：“方案一”采用常规2 开次套管设计方案。“方案二”采用Ø508 mm×Ø339.73 mm变径隔水导管设计方案，较“方案一”节省钻井工期1.0～1.2 d，节省钻井费用140～150 万元。“方案三”采用 Ø355.6 mm×Ø339.73 mm复合隔水导管方案，较“方案一”节省钻井工期1.2～1.5 d，节省钻井费用180～200 万元。由此可知，在表层相似的封固方案下，小尺寸隔水导管设计方案作业周期最短、成本最低，经济效率最好。

5 结论及建议

（1）基于边界约束条件及井口载荷，建立非台风季节小尺寸隔水导管强度及稳定性分析并进行实际应用。实践证实，小尺寸隔水导管在北部湾海域非台风季节使用方案可行。

（2）通过计算分析及实际应用，认为Ø355.6 mm隔水导管（Ø339.73 mm外加厚套管）设计在北部湾海域非台风季节使用适用性更强。建议采用配套井口提升装置承担井口载荷，提高北部湾深水区冬季季风环境下隔水导管稳定的安全性。

（3）小尺寸隔水导管设计弥补了常规Ø508 mm隔水导管及Ø508 mm×Ø339.73 mm变径隔水导管设计中的缺陷及不足，为北部湾海域非台风季节隔水导管的选择提供了参考，完善了北部湾勘探井井身结构设计。

（4）小尺寸隔水导管在北部湾海域的大规模应用，有力地推动北部湾勘探井的可持续发展，在完善钻井施工设计、提高钻井效率的同时，每年可为北部湾勘探项目节省一笔可观的费用，建议技术人员在隔水导管稳定性方面继续攻关，以便提高恶劣海况及较大水深环境下的适用性。