海外某深水井表层导管 下沉原因分析及井口稳定性研究

林志强，汪文星，刘海涵，张星星，张天玮

(1.中国海洋石油国际有限公司，北京 100028；2.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

0 引言

近些年随着对海洋油气资源的加大勘探开发，目前油气勘探作业已经从浅水转向深水，而深水表层钻进一般采用喷射技术。深水表层导管喷射作业无需进行固井作业，因此可以减少一趟起下钻，节约了费用和工期，这种方法解决了深水表层钻眼后下表层导管不容易找到井口的难题[1-3]。而某海外的一口深水井S井发生了井口下沉的事故，因此本文分析该井井口下沉原因，以及对入泥深度进行了相应分析，为该区域的第二口深水井的顺利作业提供技术支持。

1 井口下沉原因分析

1.1 第一口井井口下沉过程

27日17:30开钻，喷射钻进36”井眼从1091.8 m至1158.4 m，共用时9.5 h，喷射过程：以20 s/min泵冲开始，逐渐增大排量，喷射钻进30 m后增大排量至1030 g/min，控制钻压不超过入泥导管和钻具总入泥浮重的80%，期间根据喷射钻进情况上下活动导管。最终36”导管入泥80.7 m，低压井口头高出泥面3.7 m，喷射期间ROV观察井口头返出孔返出正常，井口泥线处无窜漏。提住全部导管悬重，浸泡36”导管4.5 h，逐步释放导管悬重，井口稳定无下沉，解脱CADA工具。

28日09:00开始钻进26”井眼，至29日21:30钻26”井眼从1172.5 m至中完井深1755.5 m。钻进参数：钻压：907.2～3628.7 kg，排量：4100～4200 L/min，泵压：13.1～15.2 MPa，转速：80 r/min，钻进期间井况正常，无漏无涌。

起钻至1172 m，期间在1558 m、1567～1560 m、1471～1473 m、1460～1452 m、1437 m、1430 m及1327 m处，遇阻13607.8～18143.7 kg，上下活动通过；起钻至1516～1519 m遇阻，上下活动无法通过，接顶驱开泵倒划通过。过提54431.1 kg，剪切销钉，解脱CADA工具。

由于没有坐高压井口头的支撑盘，下20”套管内管柱困难，尝试预接高压井口头与MRLD立柱，为下20”套管内管柱坐准备工作；立高压井口头与MRLD立柱于井架，发现下钻杆单根弯曲严重，风险较大；拆高压井口头与MRLD立柱，立MRLD立柱于井架；重新接高压井口头提升工具，并在提升工具下接一钻杆单根(为下内管柱准备)，甩高压井口头至甲板，下20”套管。

31日23:15 ROV水下关闭MRLD工具排气球阀，坐高压井口头，坐高压井口头前大钩总悬重208652.5 kg，下压40823.3 kg锁紧井口，ROV观察井口稳定，过提22679.6 kg，验证锁紧井口，逐渐释放套管重量至井口(套管总悬重115212.4 kg)，当释放到60327.7 kg时，井口突然下沉。开补偿器，多次尝试逐渐过提58967.0 kg至大钩悬重267619.5 kg，未能提动井。井口下沉情况如图1所示。

1.2 井口下沉原因分析

可能原因1：表层套管固井前管柱上提力不足。

表层套管固井前，表层套管固井管柱上提力不小882.0 kN(90.0 t)的前提下，表层导管安全入泥深度设计值81.5 m。8月31日，坐高压井口头，下压40823.3 kg锁紧井口，ROV观察井口稳定。过提 22679.6 kg，验证锁紧井口；逐渐释放套管重量至井口(套管总悬重115212.5 kg)，当释放到60327.8 kg时，井口突然下沉约3.0 m，所以上提力不足是一个可能的原因。

可能原因2：表层导管喷射过程海底土扰动程度较大。

根据S井喷射排量记录分析：S井上部地层排量偏小，下部地层排量与邻井相比稍偏大。上部地层排量偏小，导致喷射下入速度偏小，地层受喷射扰动影响时间偏长；下部地层排量偏大，加剧对海底土的扰动，导致表层导管承载力降低。S井喷射作业时间偏长(上部地层排量偏小导致)，导致地层受喷射扰动影响时间偏长，导致表层导管承载力降低。

通过分析现场作业，该S井在表层导管喷射作业时候，现场采用的是小排量，所以喷射速度较慢，时间较长，上部地层长时间的收到扰动，导致了地层给导管提供的承载力明显降低，并且在接近设计深度之前，现场采用的大排量喷射，底部土壤被冲开，给端部提供的承载力也受到了一定的影响。两种情况都导致表层导管的承载力降低，最终造成了井口的下沉。

2 表层导管入泥深度设计及井口稳定性校核研究

2.1 喷射法钻井导管下入方式使用范围研究

目前大多数的深水表层作业大都采用36”或30”导管喷射钻进，这种喷射法的管串没有浮鞋，底部地层对管串提供承载时候截面积小，所以尽量要求在接近设计入泥深度之前，人为控制排量以减少对井底的冲洗，避免造成较大的井眼导致井底失稳。

喷射法进行表层作业主要是根据喷射水力和表层导管本身的重量，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。一般在喷射到设计的入泥深度之后，需要根据计算的时间保持整个管串静置不动，此时需要大勾一直提着，等到海底土和表层导管之间的摩檫力恢复到一定程度后，才可以解开送入工具，完成表层作业。

一般将地层大致的分为砂土和黏土，杨进等[4]的研究发现，砂性土可以给导管提供较大的侧向摩擦力，所以在同样下入深度条件下导管承载力比粘性土要大一些。在现场作业时候，二开钻进需要在一开的管鞋处开泵正常钻进，而砂性土的抗冲刷能力较弱，容易受冲刷产生承载力减小的情况，导致表层失稳。因此条件允许的情况下，建议将表层导管的管鞋坐在粘性土位置。

黏土一般提供的侧向摩擦力较小，如果表层黏土较厚，无法避开粘性土，现场作业的时候，建议将表层导管下入深一些，提供足够的侧向承载力和端部承载力[5]。

喷射法适应在海底坡度较小，并且没有垮塌、凹坑和沟槽等情况下使用，一般情况下，现场进行一开作业之前，推荐采用ROV水下机器人下潜到海底，对井位标记出周围进行可视化观察，确认没有相关的复杂地形后方可进行作业，否则需要重新选定井位。如果观察到海底地形坡度大，一般需要精细化操作，控制排量和钻压等，避免发生事故。

2.2 表层导管安全入泥深度设计研究

在表层导管喷射安装技术中，考虑导管初始承载能力不受土壤条件限制，而是受获得的钻压的控制，在导管安装过程中释放的最终钻压即为导管的初始承载能力。因此，通过计算表层导管下入过程中的最终钻压即可得到其初始承载力[6]。

上述方法可用数学公式表达如下：

式中：Q0为导管初始承载力；WOBlast为安装过程中所记录的最终钻压；R为钻压使用率，推荐为0.8～1.0；Wcondutor为表层导管的湿重；W1-wellhead为低压井口头的湿重；WCADA为送入工具CADA的湿重；Wj-string为喷射管柱的湿重。

一般情况下，表层导管和表层套管的直径、线重，防沉板和井口头重量等工程参数都是确定的。因此，当海底浅层土对导管的实时承载力在可以求得的情况下，决定导管入泥深度的主要因素是表层套管固井最危险工况下的井口载荷和导管静置时间[7]。

固井最危险工况下表层导管承受的载荷Wlanded组成如下：

式中：Wload为固井最危险工况下表层导管承受的载荷；Wconductor为表层导管湿重；Wwellhead为井口头湿重；Wmud-mat为防沉板湿重；Wcasing为表层套管湿重；Wc-string为固井管柱湿重；Wcement为固井水泥浆湿重；WMRLD为表层套管送入工具湿重。

因为S井发生了井口下沉事故，本文需要考虑水下井口和表层导管的相关参数，重点分析最危险工况下的载荷，通过载荷分析和计算，得出该区域36”表层导管的实时承载力。

图2 36”表层导管入泥深度设计图版

一般情况下，在喷射到位后，在解脱CADA工具之前需要静置一段时间，这个时间需要根据载荷而确定，如果时间不够进行解脱，则井口容易发生下沉，为确定这个时间，需要满足杨进提出的公式(3)[8]：

即表层导管最大侧向摩擦力要大于CADA解脱时导管所承受的竖向载荷。表层导管的最大侧向摩擦力依据海底浅层土对导管的实时承载力求取，根据公式(4)确定CADA工具解脱时导管的最小静置时间。

根据计算得到的表层导管入泥深度为81.5 m，结合表1得出的数据，需要在喷射到位后静置2.5 h再解脱送入工具，否则容易造成井口下沉。

表1 某井36”表层导管安全入泥深度设计值

2.3 钻头在套管中的伸出量与井眼尺寸关系研究

在确定采用喷射法进行表层导管作业后，需要确定排量、钻压和钻头伸出量。喷射的排量和钻压可以在喷射作业时候随时进行调整，钻具在组合时候，就需要确定钻头伸出量，这个伸出量后续不可改变，所以，在设计的时候就需要确定钻头底部伸出套管鞋的长度。

表层导管的喷射下入速度受到钻头伸出量的制约。如果钻头伸出量过短，喷嘴喷射的海水聚合物作用在套管内壁上，无法起到清洁井眼和破碎岩石的作用，这种情况下，喷射下入的速度慢，效率低；但是这个伸出量也不可较长，如果伸出距离较大，喷射区域的远离表层导管的底部，这中间的距离越大，越是容易造成导管急速下沉，这对现场容易造成控制不稳的情况，不利于套管下入。如果伸出量选择在合适的情况下，通过水力射流破岩和清洁井眼，喷射区域与导管的底部相近，刚好在喷射后导管能同步下入到位，这种方式可以显著的提高喷射下入的效率。因此，优化和确定最佳的钻头伸出量，可以大大提高喷射下入的效率，从而节约钻井的工期和费用[9]。

3 现场应用情况与效果

通过对S井的下沉分析，以及对该区域表层土壤参数研究，考虑了表层导管喷射时候的实时承载力，以及对表层套管固井最危险工况下的载荷进行了分析，对36”表层导管喷射入泥深度进行了计算，确定了CADA工具解脱时候的最小静置时间，现场应用效果良好，未发生后期井口下沉的情况。

4 结语

(1)结合表层导管喷射作业载荷，对36”表层导管喷射到位后至解脱工具不同浸泡时间下所需最小入泥深度进行了分析，对坐防喷器工况下表层导管竖向承载力进行了校核。

(2)钻头伸出量影响了井眼尺寸，钻头伸出量在允许的情况下应该尽量小一些。

(3)在进行表层喷射作业时候，尽量的控制小排量，降低导管活动频率和幅度，尤其是接近设计入泥深度时候，一定要精细化操作。

(4)深水表层套管固井作业期间，在水泥浆到达管鞋且未进入环空时，井口受到的向下载荷达到最大，为避免出现危险性的情况，应该根据设计提前做好准备和调整上提载荷。