李牧 杨尧焜 杨帅

摘 要：深水钻井中导管一般采用喷射方式下入，该方法相比于浅水区常采用的钻入法和锤入法更加节约时间和费用，并且解决了气体水合物堵塞、浅层水流危害以及海底低温变化等浅层土地质风险难题。导管入泥深度设计是喷射钻井作业中最为关键的一环。分析极限工况下导管的承载能力与载荷，同时考虑静置时间对承载力的影响，得出深水钻井喷射导管最小入泥深度设计方法。研究表明：导管的入泥深度主要由当地的土壤性质、后续套管设计深度、固井井口载荷以及静置时间决定，现场施工中计算入泥深度时通常考虑该极限工况条件即可。

关键词：深水钻井 喷射导管 入泥深度 极限工况 承载力

中图分类号：T28 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（c）-0005-02

深水钻井中导管通常采用喷射方式下入。导管入泥深度过浅会由于支撑力不足而失稳下沉，入泥深度过大则会造成浪费，所以确定合适的导管入泥深度十分关键。R.D.Beck最早給出了一种导管入泥深度的设计方法。G.L Faul分析了导管下入过程中与周围土壤的简单受力关系及参数控制。Philippe Jean jean提出了考虑导管实时载荷的入泥深度设计方法并在墨西哥湾得到成功应用。苏堪华以土力学和桩基理论为基础，利用迭代法提出了一种入泥深度设计方法。唐海雄等依据现场实际工况提出了一种极限工况下的入泥深度设计方法。但是，目前仍然缺少适合我国地层及现场实际工作情况的导管入泥深度通用设计方法。笔者在上述文献研究结果的基础上研究分析了极限工况下的导管载荷及实时承载能力计算，结合土壤力学得出了一种更为全面的喷射导管入泥深度计算方法。

1 极限工况下导管入泥深度设计方法

危险工况（管柱竖向承载力最大）出现在隔水管及防喷器下入前，表层导管固井阶段。此时固井水泥浆通过固井管柱到达井眼底部但尚未进入导管和表层套管之间的环空。由于表层套管还未固井，导管将承担所有重量。此时的工况如图1所示。

1.1 导管承载能力分析

导管下入到设计深度时的初始承载能力等于其最终记录钻压，故初始承载能力为：

（1）

Q0为喷射完成时导管的初始承载能力，kg。R为钻压利用率，取值在0.8～1.0之间。Wcond为导管在海水中的浮重，一般为了保证导管的抗弯强度，在泥线以下80 ft内这一段采用壁厚为1.5 in的导管，后续部分则采用壁厚1.0 in的导管，故，为上部导管单位长度浮重，kg/m；为下部导管单位长度浮重，kg/m；为上部导管的长度；L为导管设计入泥深度，m。WLPWH为低压井口头在海水中的浮重，kg。Wcol为喷射钻具在海水中的浮重，喷射钻具浮重也与导管入泥深度有关，为喷射钻具单位长度浮重，kg/m。Wcada为CADA工具在海水中的浮重，kg。综上：导管初始承载力

（2）

深水喷射导管安装时，由于对导管周围的土壤层产生了扰动，土壤对导管的初始承载力较低，但随着导管静置时间的增长土壤逐渐固结，地基土中的超静载孔隙水压力逐渐消散，土层强度恢复导管承载力将提高，因此有必要考虑导管承载力的时效性。顾自乘等通过大量实验建立了实时承载力计算公式，导管入土后任意间歇期的承载力Qt可以由下式估算：

（3）

式中，Qt为导管静置t时间时的实时承载力，kg；k为极限承载力增长系数；Qu为导管最终极限承载力，kg；t为导管静置时间，d。

导管的极限承载力由导管总侧阻力和管端阻力组成，但由于在钻井后续的施工中导管鞋处在钻井液的冲刷下形成大肚子，导管端部的阻力对导管的支撑可以忽略不计，故只考虑总侧阻力即可满足工程要求。所以极限承载力为：

（4）

式中，Di为第i段土层的导管外径，m；li为第i段土层的厚度，m；qsui为第i段土层的单位面积极限管侧阻力，kn/m2。

综上：导管实时承载力

（5）

1.2 导管载荷分析

固井时坐挂在井口的轴向载荷为：Nt=W1+W2+W3。其中，表层套管在钻井液中的浮重：，为钻井液中单位长度表层套管浮重，kg/m；hs为表层套管设计深度，m。固井管柱在钻井液中的浮重：，为钻井液中单位长度固井管柱浮重，kg/m；hc为固井管柱长度，m。现场工作中一般采用插入式固井，所以钻杆即为固井管柱。固井管柱中水泥浆及底部口袋的重量：，为水泥浆密度，kg/m3；dc为固井管柱内径，m。

由上式可知，Nt主要由表层套管和固井管柱的长度决定，此极限工况下导管承受载荷为：

（6）

式中，LOAD为极限工况下导管承受载荷，kg；FS1、FS2为局部安全系数。

1.3 入泥深度计算

为了避免导管失稳下沉或者下入过多增加成本，导管承受的总载荷应该略小于导管安装完成后土壤经过一定恢复时间时的实时承载力。导管下入深度设计的基本准则为：

考虑极限情况LOAD=Qt可得导管最小入泥深度L，即：

（7）

这里需要注意的是各段土层的长度累加之和应该等于导管的设计入泥深度即，因此导管的入泥深度应该使用迭代法计算获得。在取得泥线以下一定深度的导管周围土壤单位面积极限侧阻力数据后，假设取导管的入泥深度为Li，计算出这种情况下静置t时间时的导管实时承载力，然后再计算出导管所需承担的载荷，对比两个力是否满足基本准则LOAD≤Qt。若不满足，则试用新的Li值重复上述步骤，直到得出刚好满足准则的值，即为导管的最小入泥深度。现场施工中可能存在第二种危险工况，此极限工况出现在隔水管及防喷器安装到井口上后，表层套管固井完成后技术套管下入并悬挂在井口等待固井的阶段，此时固井水泥浆通过固井管柱到达井眼底部但尚未进入表层套管和技术套管之间的环空。该工况下防喷器的部分或全部重量，导管、表层套管、表层套管与导管之间的水泥环及技术套管全部重量都要由导管和表层套管共同承担，但笔者在多个工程案例试算中发现，表层套管只需下入较小的深度，即可满足第二种极限工况的要求，而深水钻井表层套管设计深度一般在500 m以上，故一般可以不用考虑。

2 实例计算

某深水区域的导管单位侧阻力和管端阻力取样数据如表1。

导管外径914.4 mm，内径863.6 mm，线重7.8 kn/m，表层套管外径508 mm，壁厚16.13 mm，表层套管长700 m，线重1.98 kn/m，固井管柱内径151.51 mm，线重0.44 kn/m，喷射钻具组合线重3.6 kn/m，CADA工具重3.1 t，低压井口头13.1 t，高压井口头4.1 t，水泥浆密度1.6 g/cm3，水中浮力系数为0.85，钻井液中浮力系数为0.78，FS1、FS2为1.0、1.3，土壤恢复系数为0.1，静置时间2 d。

根据工况一中的公式试算得到：导管入泥长度为80 m时，导管总载荷为266160.6 kg，实时承载力为264749.8 kg，此时LOAD>Qt不满足要求；导管入泥长度为81 m时，导管总载荷为266823.6 kg，实时承载力为270286.2 kg，导管的实时承载力正好超过其总载荷，故导管的最小入泥深度为81 m。

不同静置时间条件下导管下入一定深度时的实时承载力曲线如图2，可以看出静置一段时间后导管的承载力随土层深度的增加有较大幅度的增长，导管实时承载力的大小与静置时间也有关，随着靜置时间的增加，相同土层深度处的导管承载力增强，因此导管所需的下深也相应的减小。

3 结语

（1）根据深水钻井的特点，分析最危险工况下的管柱承载能力发现，导管入泥深度应根据极限工况进行设计，现场施工中一般采用该极限工况。

（2）导管静置一段时间后，受到扰动的土壤强度得到恢复，导管的实时承载力远大于其初始承载力，因此设计导管入泥深度时应该考虑导管承载力随静置时间的变化。

（3）根据公式可以看出，导管的入泥深度主要由当地的土壤性质、后续套管的设计深度、固井井口载荷以及导管的静置时间决定，承载力增长系数对入泥深度也有很大的影响。

参考文献

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