海洋无隔水管钻井模式下钻井载荷分析

夏开朗, 王志伟,2，陈国明,2

(1中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心·华东 2江苏省海洋油气钻井装备重点实验室)

随着钻探水深和井深的增加，新型钻井平台要求具有更大的钻井载荷和储存能力，这给深水钻探发展带来了巨大挑战。为了解决深水钻探[1-2]过程中的各种难题，挪威AGR公司[3]研发了深水无隔水管钻井技术[4-5]，目前已经成功应用于石油钻采领域。钻井载荷主要包括大钩载荷与钻井可变载荷，大钩载荷与钻井可变载荷是深水钻井平台的关键性能指标，不同的钻井技术、钻井平台对大钩载荷与钻井可变载荷需求不同。国内学者针对钻井平台配备隔水管钻井大钩载荷以及钻井可变载荷进行了研究，提出了计算方法，新型钻探船的建造以及旧平台改造需要无隔水管钻井技术支持，通过隔水管钻井技术与无隔水管钻井技术的区别与联系，对无隔水管钻井技术大钩载荷与钻井可变载荷进行分析研究。

一、无隔水管钻井技术

无隔水管钻井技术在钻井过程中不使用常规隔水管，钻杆直接暴露在海水中，利用吸入模块实现井眼和海水之间的密封，岩屑和钻井液经一条小直径回流管线返回钻井平台。从实现功能上讲，无隔水管钻井技术属于双梯度钻井技术范畴，可以解决目前深水钻井遇到的诸多问题,无隔水管钻井作业模式如图1所示，设备系统组成见表1。

图1 无隔水管钻井液闭式循环作业模式图

表1 无隔水管钻井液闭式循环系统设备清单

二、无隔水管钻井载荷分析与计算

无隔水管钻井技术与隔水管钻井技术在工艺及关键设备上有明显区别，对大钩载荷与钻井可变载荷的需求也不同，结合具体工艺及设备要求，进行无隔水管钻井技术钻井载荷计算方法研究。

1. 大钩载荷计算方法

最大钩载即在下套管或者进行其它钻井作业时，大钩上不允许超过的最大载荷。为满足深水钻井作业需求，无隔水管钻井大钩载荷需考虑3种作业工况，即下吸入模块、下套管和起下钻作业。在深水钻井过程中，钻井平台的升沉运动会产生很大的动载效应，因此不同工况下的大钩载荷为静态载荷与动态载荷之和[6]。

1.1 下吸入模块时静态载荷计算

无隔水管钻井液闭式循环技术利用钻杆下放海底吸入模块，因此在下吸入模块时考虑钻杆重量与吸入模块重量。

下吸入模块时大钩静态载荷W1为：

W1=Wdp+Wsmo

(1)

式中：Wdp—下吸入模块过程中钻杆最大湿重，kN；Wsmo—吸入模块湿重，kN。

1.2 下套管时静态载荷计算

下套管时大钩载荷的计算方法与隔水管钻井技术相同，下套管时大钩静态载荷W2为：

(2)

Wcs可以参照浅水平台钻机最大管柱湿重计算方法。

Wcs=L×G×(1-ρw/ρs×2/3)+400

(3)

式中：L—套管长度，m；G—套管单位长度干重，kN/m；ρw—海水密度，通常取1.05 g/cm3；ρs—钢铁密度，取7.85 g/cm3。

1.3 起下钻杆时静态载荷计算

起下钻杆作业时大钩载荷的计算可以参照下套管作业时的计算公式。

1.4 动态载荷计算

钻井过程中动态载荷主要来源于钻探船的升沉运动在轴向产生加速度，对起下吸入模块及下套管作业产生轴向力。动态载荷F为:

F=mequa

(4)

式中：mequ—作业时管柱的重量,kg；a—深水钻井装置升沉运动产生的轴向加速度,m/s2。

(5)

式中：τsθ0—深水钻井装置的运动周期,s；X0—钻探船运动的初始幅值,m。

对于三种作业工况，将动态载荷与静态载荷相加完成后，进行数值比较，选取最大的大钩载荷值Wmax，则所需的大钩载荷数值Qmax≥1.2×Wmax。

2. 钻井可变载荷计算方法

可变载荷是钻井平台关键性能指标之一，通常是指在钻井操作期间容易移动的载荷，主要包括钻井人员、材料备品、钻井设备载荷、钻具以及钻井材料等[7]。确定合理的可变载荷大小有利于减少物资运输次数，降低作业成本，保证连续钻井作业。无隔水管钻井可变载荷V的计算可以参考深水半潜式平台甲板可变载荷的计算公式：

V≥C(Vm+Vr+Vdp+Vcs+V0)

(6)

式中:Vm—钻井液载荷，kN；Vr—关键设备载荷，kN；Vdp—钻杆载荷，kN；Vcs—套管载荷，kN；V0—其他载荷，kN；C—载荷系数，根据实际情况取1～1.5。

2.1 钻井液载荷

在无隔水管钻井液闭式循环钻探技术中，钻井液的体积主要包括地面管汇内容积、钻杆内容积、井眼环空容积和钻井液返回管线内容积等。根据所用钻井液的密度，并考虑钻井液备用量，计算钻井液载荷。

2.2 无隔水管关键设备载荷

与传统的隔水管钻探不同，无隔水管钻井液闭式循环钻探技术中不使用隔水管与防喷器，而是利用无隔水管钻井特殊的钻井设备，这些关键设备对钻井可变载荷有一定的影响，因此在钻井可变载荷的计算时，应考虑这些关键设备的重量。

2.3 钻杆载荷

根据水深及钻杆的线重，计算出钻杆载荷。

2.4 套管载荷

根据套管组合及套管线重，计算出每段套管重量，相加得套管载荷。无隔水管钻井技术在井深结构设计过程中与常规隔水管钻井不同，因此对套管的需求也就不同。

2.5 其他载荷

其他载荷包括水泥载荷、重晶石载荷、土粉载荷等，对于无隔水管钻井技术，由于下套管的数量要少于常规隔水管钻井技术，因此固井钻井液的需求也不同。作业水深与钻井深度影响这些材料的使用量，具体载荷情况视实际钻井需要而定。

三、计算实例

1. 深水钻探船

1.1 技术参数

深水钻探船作业水深2 000 m+泥线下钻孔深度4 000 m。钻杆参数为：外径145 mm，内径125 mm，单位长度质量34 kg/m，钻井液密度为1.56 g/cm3，钢制钻井液返回管线的内径为120 mm,线重32.1 kg/m。钻探船的升沉运动初始幅值为3.16 m，周期为15 s。

1.2 无隔水管钻井井身结构及套管配置

无隔水管钻井技术井身结构与常规隔水管钻井有所不同，因此对套管的需求也就不同。利用无隔水管钻井技术可以延伸表层套管的深度，使其跨过危险区域，提高作业安全系数，节约套管。井身结构如图2所示。

图2 无隔水管钻井与常规钻井井身结构对比图

根据井身结构的制定原则，设计无隔水管钻井套管配置见表2。

表2 套管组合配置表

1.3 大钩载荷计算

根据深水科学钻探船基础数据，结合无隔水管钻井大钩载荷计算方法，计算各工况大钩载荷数值见表3。

通过表3数据可知，进行下技术套管2时出现最大钩载为3 572 kN，所以大钩载荷Qmax≥1.2×3572=4 286.4 kN。

1.4 钻井可变载荷计算

根据深水科学钻探船基础数据，结合无隔水管钻井可变载荷需求，科学钻探船钻井可变载荷计算数值见表4。

表4 科学钻探船钻井可变载荷数值

通过上述计算可得，在水深2 000 m，钻孔深度6 000 m情况下，使用无隔水管钻井技术，大钩载荷为4 286.4 kN，钻井可变载荷为3 3881.2 kN。

1.5 隔水管系统与无隔水管系统钻井可变载荷对比

将常规隔水管系统与无隔水管系统可变载荷对比，见表5。

表5 两种系统钻井可变载荷对比表

由表5可知，随着作业水深的不断增加，隔水管系统钻井可变载荷明显增大，而无隔水管系统钻井可变载荷逐渐减小，两者之间钻井可变载荷减少量变大。通过表中数据分析，作业水深越深，无隔水管钻井系统的优势越明显。

2. 旧平台改造

利用无隔水管钻井技术可以使第三、第四代钻井平台达到新型第六代钻井平台的钻深，降低了对高性能深水钻井平台的依赖，使旧平台在深水中重新得到应用，节约成本，提高钻井效率，降低钻井事故的风险。

以某半潜式钻井平台为例，对配备隔水管钻井系统与无隔水管钻井系统时作业水深与钻井深度进行比较。当钻井平台配备隔水管系统时，隔水管、防喷器和钻杆的载荷为V1，配备无隔水管系统时，关键设备和钻杆的载荷为V2。

V1=L1(P1+P2)+Vbop+L2P2

(7)

式中：L1—隔水管钻井最大作业水深，m;P1—隔水管线重,kN/m;Vbop—防喷器载荷,kN;L2—最大钻井深度，m;P2—钻杆的线重,kN/m。

V2=S1(P3+P2)+Vk+S2P2

(8)

式中：S1—无隔水管钻井最大作业水深，m;P3—钢制钻井液返回管线线重，kN/m;S2—最大钻井深度，m;Vk—吸入模块和海底泵模块载荷，kN。

根据可变载荷计算中的相关数据，令V1=V2。式(8)中的所有数据均已知，进行S1与S2的求解，对比结果见表6。

表6 钻井可变载荷相同时两种系统作业水深与钻井深度对比表

通过计算对比可知，某半潜式钻井平台配备无隔水管钻井系统后，最大作业水深与最大钻井深度得到明显提高，即使第三代或第四代半潜式钻井平台也能在超过3 000 m的深水区钻井。因此无隔水管钻井技术能够支持小型钻井平台进行深水作业。

四、结论

(1)无隔水管钻井大钩载荷计算过程中要考虑下吸入模块工况，钻井可变载荷计算时考虑海底吸入模块、海底泵模块以及钻井液返回管线等，这是与常规隔水管钻探技术不同之处。与隔水管钻井相同，无隔水管钻井的最大钩载出现在下技术套管过程中，实际钻井作业时，应针对下技术套管工况进行详细安全评估。

(2)通过对比分析可知，利用无隔水管钻井技术可以有效控制船体规模，降低钻探成本。并且在进行旧平台改造时，建议为平台配备无隔水管钻井技术，以期实现旧平台的充分利用。

(3)最新钻井平台并没有足够的能力应对目前深水钻井出现的各种困难，因此无隔水管钻井技术是一个机会。将无隔水管钻井系统投向市场后，钻井公司可以依靠规模较小的钻探船以及较低性能的钻井平台进行作业，提高钻井平台的钻井载荷与存储能力，同时还可以降低钻井事故的风险，为旧平台带来新的春天。