北部灣盆地勘探井小尺寸隔水導管技術

林四元 鄭浩鵬 劉賢玉 徐一龍 代銳 徐超

中海石油（中國）有限公司湛江分公司

北部灣盆地是中海油湛江分公司在南?？碧街鲬?zhàn)場之一。所在勘探海域水深集中在15～45 m，主探的古近系儲層埋深集中為1400～3800 m。受成藏地質環(huán)境影響，盆地斷塊復雜、構造分布零散、控制儲量有限［1］。因此，區(qū)域勘探井具有“井深不深、作業(yè)周期相對較短（平均建井周期為10～25 d）、鉆井數(shù)量多”的特點。作業(yè)海域每年 7 ～10 月為臺風季節(jié)［2-3］，每年11 月到次年6 月為非臺風季節(jié)；在8 個月的非臺風季節(jié)期間，作業(yè)海域自然環(huán)境相對溫和?？紤]到海域季節(jié)環(huán)境及勘探井特點，提出了一種基于非臺風季節(jié)的小尺寸隔水導管設計技術，以提高作業(yè)效率、降低勘探成本。

1 傳統(tǒng)隔水導管設計的局限性

在海洋鉆井作業(yè)過程，隔水導管系統(tǒng)受到風、浪、流等環(huán)境載荷的影響，當井口載荷大于臨界值時，隔水導管在水平風浪流載荷作用下發(fā)生彎曲失效而不能滿足施工作業(yè)。如果設計的隔水導管尺寸過大，安全系數(shù)高，又會增加施工周期及鉆井費用，造成資源浪費。

北部灣盆地早期通常采用?762 mm隔水導管設計［4］，這種設計模式的安全性很強，但成本費用高。隨著對區(qū)域認識的加深，技術人員發(fā)現(xiàn)隔水導管設計方面有改進的空間，于是推出了?508 mm隔水導管設計方案；隨后，又進一步優(yōu)化出?508 mm×?339.73 mm變徑組合隔水導管［5-6］，賦予了隔水導管設計的雙重功用（隔水導管井口支撐及表層套管封固承壓）。

1.1 ?508 mm隔水導管技術的局限性

?508 mm隔水導管，雖然在?762 mm隔水導管設計的基礎上一定程度地縮減了材料費用，且能滿足海域50年重現(xiàn)期極端天氣要求，但工藝方案與?762 mm隔水導管模式區(qū)別不大，作業(yè)周期不能有效節(jié)省。由于?508 mm隔水導管需要?660.4 mm井段作業(yè)，因此還存在進一步優(yōu)化的空間。

圖1 常規(guī)?508 mm隔水導管設計Fig. 1 Design of conventional ?508 mm riser

1.2 ?508 mm×?339.73 mm變徑組合隔水導管技術的局限性

為解決?508 mm隔水導管技術的局限性，同時進一步提高鉆井效率，技術人員又在常規(guī)?508 mm隔水導管設計技術的基礎上創(chuàng)新性的提出了“二合一”隔水導管設計技術：?508 mm×?339.73 mm變徑組合隔水導管（圖2上部?508 mm套管作為隔水導管，下部泥線30～35 m以下使用?339.73 mm套管，中間采用變徑管連接），這種組合設計方案與?508 mm隔水導管相比，能顯著降低作業(yè)工期及鉆井成本。

圖2 ?508 mm×?339.73 mm變徑隔水導管設計Fig. 2 Design of ?508 mm×?339.73 mm riser assembly

但這種設計模式仍存在一定的局限性，表現(xiàn)為：（1）固井方式受限，盲替固井混漿多，降低了水泥石強度，并且管內水泥塞高、鉆塞時間長；（2）變徑管加工工藝原因，抗內壓不如套管本體，導致了導管組合應用上存在薄弱環(huán)節(jié)。因此，該設計的局限性制約了該設計技術的進一步推廣應用。

2 小尺寸隔水導管強度及井口穩(wěn)定性分析

上述幾種隔水導管設計技術，可根據(jù)作業(yè)需要適時選擇，均滿足重現(xiàn)期極端天氣要求。但隨著勘探鉆井及工藝技術提升，技術人員發(fā)現(xiàn)北部灣盆地的隔水導管設計還能進一步優(yōu)化，并提出了小尺寸隔水導管設計的理念。

2.1 小尺寸隔水導管設計環(huán)境及要求

北部灣常規(guī)勘探井單井作業(yè)周期短，并且施工時間大都是在非臺風季節(jié)。勘探井資料錄取后，就永久棄井注回填水泥塞、切割回收隔水導管，而不再受海域環(huán)境的影響。常規(guī)的?508 mm 隔水導管設計能滿足北部灣海域50 年一遇的極端天氣，但在非臺風季節(jié)隔水導管設計偏于保守；同時，?508 mm×?339.73 mm 變徑組合隔水導管存在固井方式的缺陷。

如果在北部灣海域臺風和非臺風不同的環(huán)境條件下，對隔水導管設計進行區(qū)分對待及精確化設計，尋求一種可以彌補常規(guī)隔水導管設計存在的局限及不足，并且來源方便、操作簡單的小尺寸隔水導管，將對北部灣勘探井可持續(xù)發(fā)展的降本增效起到推進作用。

2.2 隔水導管受力分析

隔水導管長度遠大于隔水導管直徑，且在井口位置存在井口載荷。因此假設隔水導管為壓桿，隔水導管泥面以下為固定端，泥面以上在井口小平臺處有一個簡支約束，井口施加載荷。同時隔水導管為一條直線垂直于泥面，將隔水導管的受力模型簡化為圖3所示。隔水導管主載荷主要有兩部分：一是軸向載荷（井口載荷、自重）［7］，二是橫向載荷（風、浪、流等環(huán)境載荷）［8-9］。在作業(yè)過程中，風浪流載荷并非同時以一個方向作用在隔水導管上，但在進行強度和穩(wěn)定性校核計算時選取最惡劣的工況，即風浪流同時以一個方向作用在隔水導管上［10-15］。

圖3 自升式鉆井平臺隔水導管系統(tǒng)受力示意圖Fig. 3 Schematic force on the riser system of Jack-up rig

當圓管型構件的受力為軸向受拉或受壓，并在2個平面內受彎，其軸向應力強度校核公式為

式中，σ為軸向應力，MPa；N為計算截面的軸向力，N；Mx、My分別為計算截面分別繞x及y軸的彎矩，N·m；A為圓管的截面面積，m2；W為圓管截面的剖面模數(shù)，m3；[σ]為強度許用應力，MPa。

圓管形構件在軸向力和φ彎矩聯(lián)合作用時，穩(wěn)定性校核的公式為

式中，σ為彎曲應力，MPa；[σc]為穩(wěn)定性許用應力，取值為φσs；φ為整體穩(wěn)定系數(shù)，對于圓管構件，則由下式決定

2.3 隔水導管理論計算及選型分析

考慮常規(guī)鉆井設計所選套管器材及實際使用、分別選取常規(guī)?339.73 mm套管、?335.6 mm套管（?339.73 mm套管外加厚）、?406.4 mm套管作為隔水導管，并配套使用井口提升裝置承擔井口載荷，理論分析計算不同尺寸套管是否適合北部灣海域非季風季節(jié)下井口穩(wěn)定性要求。

根據(jù)海域作業(yè)環(huán)境（表1）及隔水導管參數(shù)性能（表2）要求，計算數(shù)據(jù)見表3。

表1 北部灣主要勘探區(qū)塊的水深Table 1 Water depth in the main exploration blocks in the Beibuwan Basin

表2 套管鋼材許用應力Table 2 Permissible stress of casing steel

表3 北部灣海域不同重現(xiàn)期環(huán)境條件Table 3 Environmental conditions of Beibuwan sea area in different recurrence intervals

2.3.1 臺風季節(jié)極限海況隔水導管理論分析 以15～45 m水深、臺風季節(jié)時極限海況環(huán)境條件（以50 年一遇海況進行計算）為例，對不同尺寸、壁厚的隔水導管進行強度及井口穩(wěn)定性分析，計算結果見圖4。

圖4 北部灣海域不同尺寸隔水導管50 年重現(xiàn)期（安全系數(shù)1.25）校核結果Fig. 4 Check result on the risers of different sizes in the Beibuwan Basin in 50-year recurrence interval(safety factor 1.25)

根據(jù)圖4中的結果數(shù)據(jù)：

（1）?508 mm厚壁隔水導管才能滿足北部灣深水潿洲區(qū)50 年一遇極端海況下隔水導管設計要求；?406.4 mm厚壁隔水導管能滿足北部灣海域淺水烏石區(qū)50 年一遇極端海況下隔水導管設計要求。

（2）近幾年北部灣海域勘探井使用的厚壁?508 mm隔水導管，在所遇的臺風極端天氣下未發(fā)生隔水導管失穩(wěn)及破壞問題，進一步證實?508 mm的厚壁隔水導管設計滿足北部灣海域極端天氣下隔水導管的設計要求。

2.3.2 非臺風季節(jié)極限海況隔水導管理論分析 結合區(qū)域特征，針對非臺風季節(jié)情況，進行了分析（圖5）。

圖5 北部灣海域不同尺寸隔水導管在非臺風季節(jié)下（1 年重現(xiàn)期，安全系數(shù)1.60）校核結果Fig. 5 Check result on risers of different sizes in the Beibuwan Basin in non-typhoon seasons(1-year recurrence interval and safety factor 1.60)

3 小尺寸隔水導管設計

經理論分析，技術人員結合海域特征，總結了北部灣盆地小尺寸隔水導管設計的方案，見圖6。

（1）非臺風季節(jié)環(huán)境下，?339.73 mm厚壁隔水導管在北部灣烏石海域30 m水深內，能滿足設計要求，但允許井口載荷量很小。

（2）非臺風季節(jié)環(huán)境下，?355.6 mm隔水導管能滿足北部灣海域作業(yè)要求。

圖6 ?339.73 mm小尺寸隔水導管與?355.6 mm×?339.73 mm組合隔水導管示意圖Fig. 6 Schematic ?339.73 mm small-size riser and ?355.6 mm×?339.73 mm riser assembly

4 現(xiàn)場應用

4.1 應用案例

案例一：北部灣盆地W井，井位水深21 m，補心高度35 m，井深1857 m。選用理論計算滿足設計要求但井口載荷小的?339.73 mm（鋼級N80/壁厚12.19 mm）套管作為隔水導管來進行現(xiàn)場應用實踐。該井表層?339.73 mm套管入泥1116 m，二開311.15 mm井眼鉆進到1857 m完鉆。

案例二：北部灣盆地4口勘探井（B1、B2、B3、B4），所在井位水深 24～39 m，使用 ?355.60/N80/壁厚18.64 mm套管作為隔水導管（?339.73 mm套管外加厚）在現(xiàn)場進行實踐應用。4口井井深在2355～3826 m，采用2開次井身結構設計：一開表層?355.6 mm×?339.73 mm復合管柱，下深在1230～1420 m；二開?250.83 mm井眼完鉆。

應用案例進一步證實小尺寸隔水導管應用方案可行，能替代常規(guī)?508 mm隔水導管及?508 mm×?339.73 mm變徑隔水導管組合設計方案。

4.2 應用效果

實際應用證實，小尺寸隔水導管應用設計方案在非臺風季節(jié)應用沒有作業(yè)安全問題，替代了常規(guī)?508 mm×?339.73 mm變徑隔水導管方案，彌補了常規(guī)?508 mm×?339.73 mm變徑隔水導管組合應用時固井方式受限及抗內壓不足的難題。同時，通過不同隔水導管應用方案進行比較，發(fā)現(xiàn)小尺寸隔水導管應用設計可以節(jié)省一定的工期費用。為便于對比，統(tǒng)計北部灣盆地?339.73 mm套管封固下深（下深在1200～1400 m）時，不同隔水導管施工方案下的工期及費用情況。

從統(tǒng)計結果知，在相似的封固方案下：“方案一”采用常規(guī)2 開次套管設計方案?！胺桨付辈捎?508 mm×?339.73 mm變徑隔水導管設計方案，較“方案一”節(jié)省鉆井工期1.0～1.2 d，節(jié)省鉆井費用140～150 萬元?！胺桨溉辈捎??355.6 mm×?339.73 mm復合隔水導管方案，較“方案一”節(jié)省鉆井工期1.2～1.5 d，節(jié)省鉆井費用180～200 萬元。由此可知，在表層相似的封固方案下，小尺寸隔水導管設計方案作業(yè)周期最短、成本最低，經濟效率最好。

5 結論及建議

（1）基于邊界約束條件及井口載荷，建立非臺風季節(jié)小尺寸隔水導管強度及穩(wěn)定性分析并進行實際應用。實踐證實，小尺寸隔水導管在北部灣海域非臺風季節(jié)使用方案可行。

（2）通過計算分析及實際應用，認為?355.6 mm隔水導管（?339.73 mm外加厚套管）設計在北部灣海域非臺風季節(jié)使用適用性更強。建議采用配套井口提升裝置承擔井口載荷，提高北部灣深水區(qū)冬季季風環(huán)境下隔水導管穩(wěn)定的安全性。

（3）小尺寸隔水導管設計彌補了常規(guī)?508 mm隔水導管及?508 mm×?339.73 mm變徑隔水導管設計中的缺陷及不足，為北部灣海域非臺風季節(jié)隔水導管的選擇提供了參考，完善了北部灣勘探井井身結構設計。

（4）小尺寸隔水導管在北部灣海域的大規(guī)模應用，有力地推動北部灣勘探井的可持續(xù)發(fā)展，在完善鉆井施工設計、提高鉆井效率的同時，每年可為北部灣勘探項目節(jié)省一筆可觀的費用，建議技術人員在隔水導管穩(wěn)定性方面繼續(xù)攻關，以便提高惡劣海況及較大水深環(huán)境下的適用性。