周波，杨进，刘正礼，罗俊峰，叶吉华，陈彬，刘书杰，周建良

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院；2.中海石油（中国）有限公司深圳分公司；3.中海油研究总院）

0 引言

1 深水钻井表层导管承载力计算模型

表层导管承载力主要取决于表层导管与周围海底土间的摩擦力，摩擦力在喷射下入过程方向向上，上拔过程方向向下，下入与上拔过程摩擦力大小相等。因此，通过现场试验测量表层导管上拔过程的上拔力，可以分析表层导管承载力。

现场试验中，在同一地层预先喷射下入6组表层导管，在表层导管到达静置时间（6组导管的静置时间分别为2 h、4 h、6 h、12 h、24 h和48 h）时拔出，记录表层导管上拔过程中最大上拔力。利用最小二乘法拟合现场试验数据（见表1），得到表层导管与周围海底土间摩擦力随导管喷射到位后静置时间的变化关系（见图1）。图1中平均上拔力为表1中各组表层导管的平均上拔力。

表1 现场试验数据

图1 表层导管与周围土体间摩擦力随静置时间变化关系

基于表层导管与周围土体间摩擦力随静置时间变化关系，得到表层导管承载力随静置时间恢复模型：

综合考虑水深和土质因素，将（1）式应用到工程实际中，可得不同水深处表层导管承载力随静置时间恢复曲线（见图2）。

图2 不同水深处表层导管承载力恢复系数与静置时间关系

深水钻井表层导管喷射施工实时承载力计算模型为：

2 喷射法安装表层导管力学分析

表层导管是深水钻井安装的第1层管柱，用于悬挂水下井口及下部各层管柱，支撑防喷器，是关键持力结构[3-6]。深水钻井喷射法安装表层导管过程中，表层导管受力状态极其复杂，其受力状态可分为4个关键阶段[7-11]（见图3）：喷射下入阶段、喷射到位至解脱送入工具阶段、二开套管坐挂井口固井阶段和安装坐放水下防喷器系统阶段。其中，表层导管喷射到位至解脱送入工具阶段和二开套管坐挂井口固井阶段是相对危险阶段，因此针对这两个阶段对表层导管进行力学分析。

图3 深水钻井表层导管喷射下入关键受力阶段

2.1 表层导管喷射到位至解脱送入工具阶段力学分析

深水钻井表层导管喷射到位后需与送入工具及管柱解脱以进行二开井眼的钻进，解脱送入工具后仅由地层来承担表层导管、低压井口头及其送入工具的重量，此时表层导管静置时间短、承载力恢复小，为表层导管垂向受力风险点之一。

在垂直向上方向，表层导管侧壁和端部受地层阻力作用，由于导管端部截面积小，通常忽略导管端部地层阻力的影响；在垂直向下方向，导管受自重以及防沉板、低压井口头、送入工具下接头重量作用。送入工具解脱时表层导管承受的垂向载荷为：

三系杂交种皖芝10号参加2013年安徽省芝麻新品种区试，产量为1 498.50 kg/hm2，比对照品种豫芝4号增产2.04%，2014年通过安徽省鉴定。2015—2016年全国(江淮片)芝麻品种区域试验，两年平均产量1 261.65 kg/hm2，比豫芝4号(CK)增产2.54%；含油量为58.18%，蛋白质含量20.97%；茎点枯和枯萎病病情指数分别为5.07和0.85。该品种具有优质、高油、高产、多抗、综合性状优于全国对照品种豫芝4号等特点，适合制油、食品保健。

其中

为保证送入工具解脱时表层导管不下沉，需满足：

2.2 二开套管坐挂井口固井阶段力学分析

表层导管承受垂向载荷最大的工况很可能出现在表层套管固井过程。深水钻井二开套管固井时，水下井口垂向承载力仅由表层导管提供，固井水泥浆达到井眼底部而尚未进入表层导管和表层套管间环形空间的时刻井口所受垂向载荷最大，在此工况下最容易出现表层导管下沉及井口失稳事故[12-17]。该工况下表层导管承受的垂向载荷为：

为保证在该工况下表层导管不下沉，需满足：

3 深水钻井表层导管静置时间窗口设计

由（1）式—（4）式可知，喷射到位至解脱送入工具阶段表层导管静置时间需满足：

由（1）式—（2）式、（5）式—（6）式可知，为保证二开套管固井时周围土体对表层导管有足够的承载力，二开套管坐挂井口固井阶段表层导管静置时间需满足：

由（7）式—（8）式可以看出，深水钻井表层导管静置时间窗口设计与低压井口头重量、防沉板重量、送入工具重量、导管自重、导管周围土体不排水抗剪切强度和承载力恢复系数等密切相关。

4 现场应用

根据外径914.4 mm（36 in）表层导管极限承载力数值，基于表层导管承载力随静置时间恢复模型，求得南中国海某深水井外径914.4 mm表层导管实时承载力（见图4）。

图4 南中国海某深水井外径914.4 mm表层导管实时承载力

根据（3）式和工程实际参数可以求出表层导管在送入工具解脱时承受的垂向载荷与表层导管入泥深度的关系曲线（见图5），再结合如图4所示的表层导管实时承载力曲线，可以得到喷射到位至解脱送入工具阶段表层导管静置时间设计图版（见图5）。同理可得二开套管坐挂井口固井阶段表层导管静置时间设计图版（见图6）。

图5 南中国海某深水井外径914.4 mm表层导管喷射到位至解脱送入工具阶段静置时间设计图版

图6 南中国海某深水井外径914.4 mm表层导管喷射到位至二开套管固井阶段静置时间设计图版

由图 5、图 6可知，假设南中国海某深水井外径914.4 mm表层导管设计入泥深度为65 m，则表层导管喷射到位后至送入工具解脱前的静置时间应不少于3 h，喷射到位后至二开套管固井前的静置时间应不少于120 h。

本文提出的深水钻井表层导管静置时间窗口设计方法在南中国海、西非等海域多口深水井的钻井作业中取得了显著的应用效果（见表 2），成功指导了深水钻井表层导管喷射作业：表层导管喷射到位至解脱送入工具阶段平均每口井节约作业时间超过12 h，二开套管坐挂井口固井阶段平均每口井节约作业时间超过24 h，且井口无倾斜无下沉。

表2 深水钻井表层导管静置时间窗口设计方法现场应用情况

5 结论

基于现场试验建立了深水钻井表层导管承载力随静置时间恢复模型及表层导管实时承载力计算模型。针对表层导管喷射到位至解脱送入工具阶段和二开套管坐挂井口固井阶段对表层导管进行了力学分析，并对两个阶段的表层导管静置时间窗口进行设计。

通过现场应用实例阐述了表层导管喷射到位后至送入工具解脱前的静置时间以及喷射到位后至二开套管固井前的静置时间的确定方法。

将本文提出的深水钻井表层导管静置时间窗口设计方法应用于南中国海、西非等海域多口深水井，表层导管喷射到位至解脱送入工具阶段平均每口井节约作业时间超过12 h，二开套管坐挂井口固井阶段平均每口井节约作业时间超过24 h，既保证了作业安全，又提高了作业时效。

符号注释：

Kr——表层导管承载力恢复系数；α——修正系数，南中国海深水海域取0.04；t——表层导管静置时间，h；β——经验系数，与土质相关，南中国海深水海域取0.02～0.03；Qut——表层导管实时承载力，N；Qu0——表层导管初始承载力，N；D——表层导管外径，m；L——表层导管入泥深度，m；Su——海底土与水泥环间的单位面积摩擦力，MPa；Gr——送入工具解脱时表层导管承受的垂向载荷，N；Wc——表层导管湿重，N；WLPWH——低压井口头重量，N；Wm——防沉板湿重，N；WCADA——送入工具重量，N；λ——表层导管单位长度重量，N/m；kb——表层导管浮力系数；Fr——送入工具解脱时表层导管侧向摩擦力，N；Fc——固井时表层导管侧向摩擦力，N；Gc——固井最危险工况下表层导管承受的垂向载荷，N；k——安全系数；Ww——井口头湿重，N；Wca——表层套管湿重，N；Wcs——固井管柱湿重，N；Wce——固井水泥浆湿重，N；Wmr——表层套管送入工具湿重，N；tr——喷射到位至解脱送入工具阶段表层导管静置时间，h；tc——二开套管坐挂井口固井阶段表层导管静置时间，h。

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