朱荣东　周建良　张玉亭　王　彪（.中海油研究总院，北京　0008；.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳　58067）

深水表层无隔水管固井用玻璃纤维管优化设计

朱荣东1周建良1张玉亭1王彪2
（1.中海油研究总院，北京100028；2.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳518067）

深水表层套管的稳定性直接决定着后续钻井及采油作业的安全高效实施，固井作业是保障深水表层套管安全稳定的基础。针对深水表层套管固井过程中常见的插旗杆、固井后试压不成功等复杂情况进行了分析，提出固井内管柱（玻璃纤维管）是否能高效顶替是造成这些复杂情况的关键因素，并通过大型有限元软件进行顶替模拟分析证实了这一观点。提出了一种新型侧壁开孔型玻璃纤维管结构，并进行了三维有限元顶替模拟分析，分析结果表明新型结构可以有效地避免现行结构的缺陷，避免插旗杆、混浆等复杂情况，可进一步推广应用。

南海深水；固井；内管柱；玻璃纤维管

深水固井作业是深水钻井作业的关键环节之一，关系到整个深水钻井作业的成败［1-4］。2010年墨西哥湾发生了震惊世界的Macondo深水井井喷事故，其首要原因是固井水泥屏障失效，可见深水固井的重要性。深水表层套管是第1层有效封隔浅部地层，为后续技术套管、生产套管以及BOP、水下采油树等水下设备提供支撑，因此其安全稳定性对整个深水作业至关重要，其中固井水泥浆的有效封隔支撑是影响其稳定性的核心因素［5］。针对深水表层内管柱固井现场易发生的问题，提出了一种内管柱玻璃纤维管的改进设计方案，并利用实际作业参数，采用数值模拟手段进行了对比分析，分析结果表明新型结构玻璃纤维管不仅可实现高效顶替，防止“插旗杆”事故，还可避免因顶替完成后套管内水泥浆分布不均匀造成的后期试压不成功。从而提高深水表层套管固井成功率，保障后续作业顺利安全进行。

1　深水表层套管内管柱固井技术分析

深水钻井表层套管尺寸较大，通常采用Ø508 mm套管，若采用顶替胶塞法固井，容易出现胶塞变形失效、顶替效率低等复杂情况，所以通常采用的是内管柱固井法，内管柱最下端采用了2根Ø88.9 mm或Ø127 mm的玻璃纤维管，可有效防止“插旗杆”事故，由于套管内部事先已经灌满海水，其顶部多功能送入工具（MRLD）上的溢出阀是关闭的，那么水泥浆只能通过内管柱、浮箍和浮鞋沿套管和井眼环空流动，然后从Ø914.4 mm低压井口头返出口返至泥线。

目前现场固井存在的问题有2个方面：（1）固井顶替结尾阶段目标区域容易被钻井液部分替空，加上浮箍或浮鞋的单流阀失效，很容易造成后续试压不成功，给现场带来复杂情况的误判（如套管泄漏等）；（2）由于目标区域之上容易存在水泥浆，导致插旗杆事故，虽然采用玻璃纤维管本身就是为处理插旗杆事故方便，但是应该尽量避免插旗杆事故，一旦发生插旗杆事故不仅意味着玻璃纤维管损坏，还意味着套管内水泥塞高度较高，为避免磨损套管，下部井段钻进必须采用牙轮钻头钻进，降低了作业效率。

2　现行玻璃纤维管结构固井模拟分析

2.1物理模型

按计算条件，为Ø914.4 mm导管下接Ø660.4 mm井眼，内下Ø508 mm套管。模拟计算采用Ø127 mm玻璃纤维管，玻璃纤维管结构为直通型。浮箍和套管鞋同样为Ø508 mm。套管鞋距离井底有6 m口袋，玻璃纤维管距离浮箍50 m。由于直通玻纤管结构和边界条件都对称，计算简化为二维轴对称模型，可以大大降低计算强度。

2.2计算条件

采用组分输运模型计算。水泥浆设置为非牛顿流体模型，采用Herschel-Bulkley模型计算对应黏度。计算开始时候，所有空间灌满海水。水泥浆由玻璃纤维管流出，流出速度0.95 m3/min，合流速为1.55 m/s。Ø508 mm套管顶部为开放空间；环空为压力出口，对应压力为1 219.2 m海水静压。计算考虑重力加速度。采用动态计算方法，对应时间为226 min。（实际40min左右，计算区域的水泥浆浓度已经超过99.9%，可以认为是全部替代完毕）。226 min后，以1.27 m3/ min压入海水，待海水把水泥浆顶出玻纤管后，以0.32 m3/min流速继续压入海水0.4 m3。固井完毕。

2.3结果分析

顶替570 s左右时，水泥浆到达井底。并在800 s左右，全部充满井底空间，如图1所示。至此，井底水泥浆可以很好的固化。随着水泥浆继续充填，进入套管与井筒的环形空间，在玻璃纤维管出口处，由于分子扩散的作用，水泥浆将继续上升，图2给出了继续顶替2 h后的情况。由图2可以看出，玻纤管一部分会埋没于水泥浆中，可能会造成“插旗杆”事故。

图1　直通管模型顶替570 s时候水泥浆浓度分布情况

图2　顶替7 200 s时，直通型玻纤管附件水泥浆浓度分布情况

水泥浆注入完毕后，在钻柱内压入海水，将钻柱内水泥浆顶出钻柱，此时海水流量为1.27 m3/min。按照现场常规做法，通常为避免内管柱残留水泥，通过将理论计算量顶替完之后，还需要继续小排量顶替0.4 m3海水，顶替速度为0.32 m3/min。图3和图4分别给出了理论计算量和附加量顶替完成之后直通型玻纤管附近水泥浆浓度分布情况。图5给出了顶替结束后沿套管中心的水泥浆浓度分布情况，从海水注入完毕后的模拟情况看，直通玻纤管固井有2个缺点：

（1）上部的水泥浆无法排出，玻纤管一部分会埋没于水泥浆中，可能会造成“插旗杆”事故。

（2）海水在已经充填完毕套管内，对水泥浆有较大影响，如稍微超量，可能导致固井后打压测试失败。

图3　理论计算全部顶出水泥浆时，直通型玻纤管附近水泥浆浓度分布情况

3　新型玻璃纤维管固井模拟分析

3.1物理模型

为Ø914.4 mm导管下接Ø660.4 mm井眼，内下Ø508 mm。套管计算采用Ø127 mm玻璃纤维管，侧壁开孔类型，玻纤管头部为锥形，顶部开孔；从头部开始，每隔508 mm开对称孔2个，共3排；中间排位置以玻纤管中心位置，旋转90°。所有开孔12.7 mm。浮箍和套管鞋同样为Ø508 mm。套管鞋距离井底6 m，玻璃纤维管距离浮箍50 m。由于侧壁开孔不具有轴对称特性，无法简化为二维模型，但具有面对称特性，因此，建立模型为1/4模型，见图6。模拟计算条件和直通型玻璃纤维管计算条件相同。

图4　继续顶替0.4 m3海水注入完毕后，直通型玻纤管出口附近水泥浆浓度分布情况

图5　沿套管中心的水泥浆浓度分布

图6　侧壁开孔管有限元分析模型（1/4）

3.2计算结果分析

主要计算结果见图7和图8，从图7可以看出，理论计算量顶替完成后，玻纤管一部分会埋没于水泥浆中。按照现场常规做法，通常为避免内管柱残留水泥，通过将理论计算量顶替完之后，还需要继续小排量顶替0.4 m3海水，顶替速度为0.32 m3/min。图8分别给出了理论计算量和附加量顶替完成之后侧壁开孔型玻纤管附近水泥浆浓度分布情况。从海水注入完毕后的模拟情况看，侧壁开孔管相比直通玻纤管固井，明显克服了前面的有2个缺点：（1）上部的水泥浆基本可以排出或者尽可能稀释，可以有效避免 “插旗杆”事故；（2）海水在已经充填完毕套管内，对水泥浆有较小影响。固井完毕后，从整个套管中心水泥浆浓度发布情况，可以看出附加海水后来注入，对整个水泥浆固井影响有限，可以有效避免固井后打压测试失败。

图7　理论计算全部顶出水泥浆时，侧壁开孔型玻纤管附近水泥浆浓度分布情况

图8　海水注入完毕后，侧壁开孔型玻纤管出口附近水泥浆浓度分布情况

4　结论及建议

（1）通过有限元模拟手段重现了现行直通型玻璃纤维管结构在固井顶替过程中的真实缺陷，从而为下一步改进设计提供参考。

（2）提出了一种新型侧壁开孔型玻璃纤维管，并进行了三维有限元模拟分析，计算结果表明其可以实现高效固井顶替，有效避免插旗杆，套管内水泥浆污染等复杂情况发生。

（3）建议进一步分析侧壁开孔型玻璃纤维管在作业状态下的结构强度，若不能满足工程要求，可以考虑用相应的钢质管替代玻璃纤维材料。

［1］姜伟，周俊昌，唐海雄. 深水钻井规程与指南［M］.中国海洋石油总公司内部出版，2011-08.

［2］杨进，曹式敬.深水石油钻井技术现状及发展趋势［J］.石油钻采工艺，2008，30 （4）：16-19.

［3 ］张晓东，王海娟.深水钻井技术进展与展望［J］.天然气工业，2010，30（9）：46-48.

［4］ARMSTRONG L J, JEAN P, PUZ G. URS corporation deepwater development environmental issues and challenges［R］. SPE 73873, 2001.

［5］付英军，姜伟，朱荣东. 深水表层导管安装方法及风险控制技术研究［J］. 石油天然气学报，2011，33（6）：153-157.

（修改稿收到日期2014-12-30）

〔编辑薛改珍〕

Optimized design of fiber-glass pipe used in riserless deepwater surface cementing

ZHU Rongdong1, ZHOU Jianliang1, ZHANG Yuting1, WANG Biao2
（1. Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China; 2. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China）

The stability of deepwater surface casing directly determines the safe and effective implementation of follow-up drilling and oil producing operations. Cementing is the foundation to guarantee the safety and stability of deepwater surface casing. The paper analyzes frequent complex cases such as flagpole injection and failed pressure test after cementing and concludes that the effective replacement of inner string (fiberglass pipe) is the key factor that contributes to these complexities. The conclusion is proven in the replacement analysis enabled by large finite element software. A new side-hole fiberglass piping structure is developed and the three-dimensional finite element simulation analysis shows that the new structure can effectively avoid the defects of the existing structure to prevent complex conditions like flagpole injection or cement mixing, supporting the further promotion and application of the new structure.

South China Sea deepwater; cementing; inner string; fiber-glass pipe

TE256文献标识别：A

1000 – 7393（2015） 01 – 0050 – 03

10.13639/j.odpt.2015.01.012

国家自然科学基金“海洋深水浅层钻井关键技术基础理论研究”（编号：51434009）；中海油青年科技与管理创新研究基金项目“南海深水固井设计关键技术研究”（编号：JZTW2012KJ09）。

朱荣东，1980年生。2008年获西南石油大学油气井工程专业博士学位，现主要从事深水钻完井技术研究，深水钻完井工程师。电话：13426337118，028-83032734, 010-84523754。E-mail：zhurongdong1118@126.com。

引用格式：朱荣东，周建良，张玉亭，等. 深水表层无隔水管固井用玻璃纤维管优化设计［J］.石油钻采工艺，2015，37（1）：50-52.