周 波 杨 进 周建良 刘书杰 刘正礼 杨建刚

(1. 中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室 北京 102249； 2. 中海油研究总院 北京 100028；

深水喷射扰动对表层导管承载力的影响规律*

周 波1杨 进1周建良2刘书杰2刘正礼3杨建刚1

(1. 中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室 北京 102249； 2. 中海油研究总院 北京 100028；

3. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司 广东深圳 518067)

深水油气井表层导管下沉是深水喷射钻井作业面临的主要风险之一，喷射扰动对海底土承载力影响是导致表层导管下沉的主要原因。为保证建井及生产期间水下井口稳定，建立了考虑时间效应的表层导管承载力计算模型，并基于表层导管结构特征和喷射法安装表层导管技术特点，对表层导管承载力进行了实验研究。研究结果表明喷射施工参数对表层导管与海底土侧向摩擦力恢复影响明显：表层导管承载力随静置时间呈指数关系增长，表层导管喷射下入到位初期为摩擦力快速恢复期，随着时间增长，承载力增长速度减小；表层导管侧向摩擦力随着喷射排量、钻头伸出量的增大而急剧减小；钻头喷嘴完全伸出导管外部后，钻头伸出量对表层导管承载力影响减小。在深水表层导管设计与施工过程，充分考虑喷射施工参数及静置时间对表层导管承载力的影响，设计合理入泥深度，对于保证表层导管稳定具有重要意义。

深水油气井;表层导管;承载力;喷射参数；入泥深度

表层导管是深水钻井安装的第1层管柱，上部支撑防喷器(钻井阶段)和水下采油树(生产阶段)以及下部悬挂各层套管串，是重要的持力结构和循环系统。在海洋环境和作业工况影响下，表层导管受力状态十分复杂，在墨西哥湾、西非、南海等深水钻井过程中曾出现多起表层导管下沉现象，造成巨大的经济损失[1]。由于深水海底浅层以未成岩粘土为主，土质疏松，海底温度低，浅层固井质量难以保证，因此深水钻井主要采用喷射法安装表层导管，即表层导管随喷射钻具同时下入地层，安装到位后无需固井作业，依靠周围海底土回填和密实提供的承载力而保持稳定[2-3]。目前，表层导管承载力设计无相关规范，其设计主要借鉴浅水API桩基算法，但由于桩基算法不涉及水力喷射扰动对桩基承载力的影响，导致表层导管承载力预测值与实际相差较大，无法满足作业的需求。笔者在文献[4]的工作基础上，进一步分析了喷射过程排量、钻头伸出量对周围土体承载力影响规律，建立了考虑施工参数影响的导管承载力计算模型，并以某深水井表层导管下沉为例，对其表层导管承载力进行了校核。

1 基于时间效应的表层导管承载力模型

表层导管喷射到位后，依靠周围海底土回填和密实提供的承载力而保持稳定。基于桩土相互作用理论，可以得到表层导管的极限承载力计算模型为

(1)

式(1)中：Qu为表层导管极限承载力，N；L为表层导管入泥深度，m；do为表层导管外径，m；Su为海底原状土体不排水抗剪强度，等于表层导管与土接触面单位面积摩擦力，Pa；qu为表层导管下端部单位面积极限阻力，N/m2；A为表层导管下端部截面积，m2。

在喷射法安装表层导管过程中，表层导管周围土体在水射流作用下发生剪切破坏，同时遇水饱和发生侧阻软化现象，导致表层导管承载力急剧降低[5-7]。考虑喷射扰动影响，引入表层导管承载力降低系数，则表层导管喷射到位后承载力计算模型为

Qut=KQu

(2)

式(2)中：Qut为表层导管实时承载力，N；K为表层导管承载力降低系数，无因次。

在喷射施工过程，表层导管实时承载力受喷射参数影响明显。根据动量定理，水射流对土体作用力与喷射排量呈正比关系，即排量增加，水射流对土体作用力增加，表层导管承载力降低。排量对表层导管承载力影响因子可表示为

(3)

式(3)中：V0为最小喷射破土及携岩排量，m3/min；V为表层导管下入过程平均排量，m3/min；t为表层导管静置时间，h。

基于水射流理论[8]，水射流对土体作用力与喷嘴射程呈反比关系，即钻头伸出量增加，喷嘴射程减小，水射流对土体作用力增加，表层导管承载力降低。钻头伸出量对表层导管承载力影响因子可表示为

(4)

式(4)中：di为表层导管内径，m；l为喷射安装表层导管过程钻头伸出量，m；θ为水射流扩散角，(°)。

综合考虑静置时间、喷射排量和钻头伸出量因素，表层导管喷射承载力降低系数可表示为

(5)

考虑到表层导管下端部截面积相对于侧面积来说是一极小量，因此quA可以忽略。由式(2)、(5)综合可得表层导管实时承载力计算模型为

(6)

2 表层导管承载力影响因素实验分析

为了验证表层导管承载力计算模型，分析承载力影响因素，开展了喷射法安装表层导管模拟实验。实验场地：天津渤海塘沽地区中心渔港内；场地尺寸：50 m×50 m；土质选择：海底原状土；场地水深：2.5 m；模拟实验采用φ339.7 mm导管模拟表层导管。根据导管尺寸，按比例研制了一套表层导管送入工具及喷射管柱，实验中关键设备参数：喷嘴出口半径18.67 mm，喷嘴当量直径64.67 mm，钻井液密度1.03 g/cm3。

表层导管竖向承载力由表层导管侧壁和端部阻力组成，由于导管下端部开口且端部截面积小，通常忽略导管端部地层阻力的影响，因此，表层导管承载力可以近似等于表层导管侧向摩擦力。表层导管喷射下入与上拔过程中，其侧向摩擦力大小相等、方向相反，因此，实验过程为了便于测量数据，采用喷射方式将表层导管安装下入到泥线以下同样深度，分别静置不同时间后向上拔起，记录上拔过程最大上提力，然后减去导管重量得到其竖向摩擦力即表层导管承载力。表层导管喷射模拟实验示意图如图1所示，模拟实验现场如图2所示。

图1 表层导管喷射模拟实验示意图

图2 喷射安装表层导管模拟实验现场

2.1 静置时间对承载力的影响

通过现场喷射模拟实验，开展了表层导管承载力随时间恢复关系研究。实验过程使用相同喷射参数(排量1 000 L/min，钻头伸出量120 mm)将7组表层导管喷射安装到泥线以下10 m，测量不同静置时间(2、4、6、12、24、48和96 h)后表层导管最大上提力。为消除表层导管尺寸对承载力的影响，将实测上提力(减去导管重量)除以表层导管侧面积，得到表层导管与土单位面积侧向摩擦力恢复规律，如图3所示。

图3 表层导管承载力随时间变化的关系

由图3可以看出，海底土受喷射扰动后承载力变化明显，表层导管喷射到位静置2 h后单位面积侧向摩擦力为2 kPa，静置24 h后侧向摩擦力恢复至8.3 kPa，静置96 h后侧向摩擦力恢复至12 kPa。实验结果与模型预测结果基本一致，表层导管侧向摩擦力与静置时间呈指数关系递增，静置时间初期摩擦力恢复较快，随着静置时间增加，摩擦力恢复减慢，并趋于稳定。

2.2 喷射排量对承载力的影响

喷射排量直接影响水力破土效果及表层导管承载力，是喷射法安装表层导管施工工艺的关键参数[9-10]。喷射排量需满足破土携岩要求，计算得到的最小喷射排量如表1所示。模拟实验过程中，在满足破土携岩能力的最小排量基础上，逐渐提高排量，分析不同排量对表层导管承载力的影响。模拟实验中设定钻头伸出量120 mm不变，表层导管分别以不同的排量(1 000、1 500和2 000 L/min)喷射安装到泥线以下10 m，安装到位后，分别静置设定时间(2、4、6、12、24、48和96 h)后上拔导管，测定最大上提力，进一步得到表层导管平均单位面积摩擦力，如图4所示。

表1 喷射满足破土携岩要求的排量

图4 表层导管承载力随排量变化的关系

由图4可以看出，喷射排量分别采用1 000、1 500和2 000 L/min时，表层导管安装到位后静置48 h，导管单位面积侧向摩擦力分别为10、8和7 kPa。实验结果表明，随着喷射排量增大，导管单位面积侧向摩擦力减小，实验结果与模型预测结果吻合。因此，喷射法安装表层导管过程需选择合理排量。若排量选取过大，水射流过度冲刷井眼，使得井眼尺寸扩大，导致喷射作业结束后周围土体回填密实困难，表层导管侧向摩擦力恢复缓慢，现场施工过程需要延长表层导管静置时间，否则可能造成表层导管承载力不足，发生井口下沉失稳。基于理论分析及模拟实验，喷射下入表层导管过程推荐喷射排量为满足水力破土携岩对应的最小排量值。

2.3 钻头伸出量对承载力的影响

喷射法安装表层导管过程，钻头伸出量直接影响水射流与海底土作用面积，是喷射施工的关键参数[11-12]。模拟实验过程设定喷射排量1 000 L/min，表层导管以不同的钻头伸出量(3、12、21 cm)喷射安装到泥线以下10 m，分别静置设定时间(2、4、6、12、24、48和96 h)后上拔导管，测定最大上提力，分析不同钻头伸出量对表层导管承载力恢复的影响，如图5所示。

由图5可以看出，钻头伸出量分别采用3、12和21 cm时，表层导管安装到位后静置48 h，导管单位面积侧向摩擦力分别为11.0、10.0和9.8 kPa。实验结果表明，表层导管承载力随着钻头伸出量的增大而减小，当钻头伸出量达到一定程度(即喷嘴完全伸出表层导管)后，钻头伸出量对表层导管承载力影响减小，表层导管承载力趋于稳定。因此，在喷射法安装表层导管施工过程中，钻头伸出量的减小有利于表层导管承载力恢复，但钻头水流马力降低会造成井眼扩眼不足，导管侧向摩擦力较大，表层导管下入比较困难。喷射过程中钻头伸出量保持10～12 cm，使喷嘴伸出表层导管外部，有利于提高喷射效率。

图5 钻头伸出量对导管承载力的影响

3 深水表层导管下沉案例分析

3.1 目标井海底土质资料

西非某深水井采用喷射法安装结构导管，表层导管入泥深度69.36 m。喷射作业结束后解脱导管送入工具继续一开φ660.4 mm井眼钻进，下入φ508.0 mm表层套管坐挂高压井口头，在φ508.0 mm表层套管固井前循环过程(距表层导管喷射安装到位34 h)中发生井口下沉2.5 m。

根据井场调查报告，目标井海底浅层土质不排水抗剪强度如表2所示，喷射排量为3.8 m3/min，钻头喷嘴伸出量为0.12 m，表层导管直径为0.762 m。

表2 目标井海底浅层土质不排水抗剪强度

3.2 表层导管承载力校核

根据上述井场土质资料，分别利用API桩基模型和考虑时间效应的导管承载力模型对该井导管承载力进行校核，建立了表层导管承载力图版，如图6所示。

图6 不同模型表层导管承载力校核

由图6可以看出，目标井在φ508.0 mm表层套管固井前循环工况，根据现场数据井口最大载荷4 050 N(413 t)，基于API桩基理论，导管入泥深度69.3 m时，表层导管承载力能够满足固井工况下井口的稳定。考虑喷射对海底土的扰动影响，采用考虑时间效应的表层导管承载力模型分析，静置时间34 h后，表层导管提供4 050 N承载力所需表层导管入泥深度为72 m，而表层导管下沉后实际入泥深度为71.8 m。由此可见，API桩基理论计算结果为表层导管极限承载力，只考虑了压载法对桩周围土体的影响，没有考虑喷射过程水射流对土体的扰动，导致表层导管承载力预测值比实际情况偏大，而基于时间效应的表层导管承载力模型预测结果与现场数据吻合。

4 结论

1) 在深水喷射法安装表层导管过程中，喷射排量、钻头伸出量和静置时间是影响表层导管承载力的关键因素。表层导管侧向摩擦力与静置时间呈指数关系递增，静置时间初期摩擦力恢复较快，随着静置时间增加，摩擦力恢复减慢。表层导管侧向摩擦力随着喷射排量、钻头伸出量的增大而急剧减小；当钻头喷嘴完全伸出导管外部后，钻头伸出量对表层导管承载力影响减小。

2) 浅水API桩基模型是基于压载法对平台桩周围土体承载力进行分析，没有考虑喷射法安装表层导管过程水射流对土体的扰动，直接利用API桩基算法预测承载力将导致表层导管承载力预测值比实际情况偏大。在表层导管下入深度设计中，充分考虑喷射施工参数对海底土承载力的影响，确定合理的下入深度，对于保证井口稳定具有重要意义。

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(编辑：孙丰成)

Pattern of influence of disturbance caused by jetting on bearing capacity of surface conductor in deep water zones

Zhou Bo1Yang Jin1Zhou Jianliang2Liu Shujie2Liu Zhengli3Yang Jiangang1

(1.KeyLaboratoryforPetroleumEngineeringoftheMinistryofEducation,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China;3.ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

Surface conductor sinking is one of the main risks in deep water drilling operations. Disturbance caused by jetting on bearing capacity is the main reason of surface conductor sinking. In order to ensure the subsea wellhead stability during well construction and production process, a calculation model of surface conductor bearing capacity considering time effect was established. Based on the structural features of surface conductor and jetting installation technique, jetting experiments were carried out to study the bearing capacity of the conductor. The results show that jetting parameters have significant influence on the recovery of the friction force between the conductor and the surrounding seabed soil. The surface conductor bearing capacity increased exponentially with time. The friction force restores quickly in an interval immediately after the conductor is jetted down to the designed depth. And the bearing capacity increases with time, but the rate of increase gets slower with time. Friction force of the conductor is inversely proportional to the flow rate and bit-out. Influence of bit-out on the bearing capacity decreases once the bit nozzle is completely out of the conductor. In jetting operations, it is significant to select the appropriate jetting parameters and take into account the time effect on bearing capacity to guarantee the stability of surface conductor.

deep water well; surface conductor; bearing capacity; jetting parameter; driving depth

*国家自然科学基金面上项目“深水钻井表层导管喷射钻进机理研究(编号：51274215)”、国家自然科学基金重点项目“海洋深水浅层钻井关键技术基础理论研究(编号：51434009)”、 国家重点基础研究发展计划“深水浅层钻井井眼稳定性与作业风险演化机制研究 (编号：2015CB251202)”联合资助。

周波，男，中国石油大学(北京)油气井工程专业在读博士生，主要从事海洋深水钻完井技术研究。地址：北京市昌平区府学路18号石油工程学院(邮编：102249)。E-mail：zhoubo103@yeah.net。

1673-1506(2016)01-0098-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.01.015

TE951

A

2015-03-12 改回日期：2015-07-01

周波,杨进,周建良，等.深水喷射扰动对表层导管承载力的影响规律[J].中国海上油气，2016,28(1)：98-102.

Zhou Bo,Yang Jin,Zhou Jianliang,et al.Pattern of influence of disturbance caused by jetting on bearing capacity of surface conductor in deep water zones[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(1):98-102.