劉賢玉，韓 成，陳 力，曹 峰，楊仲涵

(中海石油(中國(guó))有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057)

近年來(lái)，北部灣盆地在充分考慮井口穩(wěn)定、設(shè)備能力、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)及效率的基礎(chǔ)上，優(yōu)化探井井身結(jié)構(gòu)，普遍采用一開(kāi)雙眼，使用?444.5 mm鉆頭鉆至目的深度后，下入?508 mm和?339.7 mm復(fù)合套管，如圖1所示[1-2]。

a 常規(guī)井身結(jié)構(gòu) b 一開(kāi)雙眼井身結(jié)構(gòu)

圖1 北部灣盆地井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意

?508 mm和?339.7 mm復(fù)合套管在使用過(guò)程中面臨一個(gè)突出的問(wèn)題，即，由于套管串內(nèi)徑突變，套管表層固井時(shí)無(wú)法使用膠塞，固井質(zhì)量難以有效保障，導(dǎo)致下一開(kāi)作業(yè)存在較大的竄漏風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，固井質(zhì)量較差還可能導(dǎo)致隔水導(dǎo)管縱向承載能力不足，發(fā)生井口下沉事故，影響后續(xù)作業(yè)，并容易發(fā)生井控事故。

目前，?508 mm套管作為表層隔水導(dǎo)管，主要針對(duì)臺(tái)風(fēng)季節(jié)需滿足百年一遇海況強(qiáng)度而設(shè)計(jì)。在非臺(tái)風(fēng)季，能否采用更小尺寸的套管作為隔水導(dǎo)管，進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以解決探井表層固井質(zhì)量問(wèn)題，需要作進(jìn)一步的研究。在目前油價(jià)持續(xù)低靡的大背景下，能否通過(guò)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)降本增效的目的，有必要做進(jìn)一步的分析。

1 隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性分析模型

1.1 隔水導(dǎo)管物理模型

隔水導(dǎo)管受力情況如圖2所示，橫向上主要受到海風(fēng)、海浪及海流三者的作用，而軸向上主要受到管柱自重及隔水導(dǎo)管上部張力器系統(tǒng)對(duì)其產(chǎn)生的向上的拉力[3]。

模型基于以下基本假設(shè)：

1) 邊界約束條件及井口載荷。隔水導(dǎo)管下端邊界視為泥面以下6倍樁徑處固支，泥面以上在井口小平臺(tái)處有一個(gè)簡(jiǎn)支約束，軸向自由。

圖2 隔水導(dǎo)管受力模型

2) 在隔水導(dǎo)管頂部施加豎向載荷。

1.2 風(fēng)浪流載荷計(jì)算模型

北部灣海域海況條件如表1所示，隔水管橫向上主要受到海風(fēng)、海浪及海流三者的作用力，風(fēng)浪流按同一作用方向考慮(最不利工況)。

其中，風(fēng)對(duì)整個(gè)隔水導(dǎo)管(或構(gòu)件)上的總作用力則為基本風(fēng)壓、構(gòu)件迎風(fēng)面積A及氣流作用力系數(shù)C的乘積，即[4]

(1)

表1 北部灣海域海況條件數(shù)據(jù)

設(shè)有一直徑為D的孤立隔水導(dǎo)管，直立地固定于水深為h的波浪中。在樁柱的任一高程z處取一微分段dz，如圖3，作用在該段上的波力可以表示為：

(2)

海流的作用力可以與波浪力同時(shí)計(jì)算，只需將海流速度疊加到波浪力公式中的水平速度上即可，這是最?lèi)毫拥墓r。從上式可以看出，作用在孤立樁柱上的波浪力的大小及為正或?yàn)樨?fù)，取決于波浪的相角。

1.3 有限元計(jì)算模型

把隔水導(dǎo)管沿軸向劃分若干單元，把軸向力、海浪海流沖擊力、海冰沖擊、風(fēng)力等因素作為外力移置到單元節(jié)點(diǎn)上?？紤]到隔水導(dǎo)管單元徑向尺寸與軸向尺寸在同一數(shù)量級(jí)，因此作短梁?jiǎn)卧幚怼?/p>

圖3 海浪及海流對(duì)隔水導(dǎo)管受力分析模型

由彈性理論中的虛功原理，導(dǎo)出直梁?jiǎn)卧诰植孔鴺?biāo)系下的平衡方程，再進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到三維直梁?jiǎn)卧谡w坐標(biāo)系中的平衡方程，將這一系列方程組合便可到生產(chǎn)管柱在整體坐標(biāo)系中的平衡方程[6]：

[k]e{δ}e={F}e

(3)

式中：[k]e為單元?jiǎng)偠染仃?；{F}e為單元節(jié)點(diǎn)力向量，包括管柱自重力及分布力載荷；{δ}e為單元節(jié)點(diǎn)位移向量。

求解上述平衡方程，可以得到單元位移及單元內(nèi)力。

2 隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性影響因素分析

2.1 隔水導(dǎo)管井口允許載荷分析條件

1) 北部灣盆地非臺(tái)風(fēng)季節(jié)，選用1 a一遇海況作為計(jì)算條件。

2) 安全系數(shù)。根據(jù)Q/HS 14009—2011海上開(kāi)發(fā)井隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)和作業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度穩(wěn)定性安全系數(shù)取1.6[7]。

2.2 水深對(duì)隔水導(dǎo)管井口允許載荷影響

水深對(duì)隔水導(dǎo)管井口允許載荷影響如圖4所示。在其他條件都相同的情況下，水深越深，隔水導(dǎo)管橫向穩(wěn)定性越差，允許的最大井口載荷越小。隨著水深的增加，隔水管臨界載荷遞減的幅度變小，如?339.7 mm，壁厚10.9 mm，鋼級(jí)N80隔水導(dǎo)管，當(dāng)水深從15 m增加至20 m，井口允許載荷從240 kN降低至137 kN，降低了103 kN；當(dāng)水深從25 m增加至30 m時(shí)，井口允許載荷從73 kN降低至30 kN，僅降低了43 kN。

圖4 不同水深下隔水導(dǎo)管井口允許載荷(?339.7 mm，壁厚10.9 mm，鋼級(jí)N80)

2.3 壁厚對(duì)隔水導(dǎo)管井口允許載荷影響

壁厚對(duì)隔水導(dǎo)管井口允許載荷影響如圖5所示。在其他條件都相同的情況下，壁厚越厚，隔水導(dǎo)管橫向穩(wěn)定性越好，允許的最大井口載荷越大，隔水管壁厚與井口允許載荷近似成線性增長(zhǎng)關(guān)系。如?339.7 mm，鋼級(jí)N80隔水管，在水深20 m海域，隔水導(dǎo)管壁厚每增加2.54 mm，井口允許載荷約增加70～80 kN。

圖5 不同壁厚下隔水導(dǎo)管井口允許載荷(?339.7 mm，水深20 m，鋼級(jí)N80)

2.4 外徑對(duì)隔水導(dǎo)管井口允許載荷影響

外徑對(duì)隔水導(dǎo)管井口允許載荷影響見(jiàn)如圖6所示。在其他條件都相同的情況下，外徑越大，隔水導(dǎo)管橫向穩(wěn)定性越好，允許的最大井口載荷越大, 隔水管井口允許載荷與隔水管外徑平方近似成線性關(guān)系。如壁厚12.7 mm，鋼級(jí)N80隔水導(dǎo)管，在水深20 m海域，當(dāng)隔水管外徑從?254 mm增加至279.4 mm時(shí)，井口允許載荷僅增加了40 kN，而當(dāng)外徑從?558.8 mm增加至609.6 mm時(shí)，井口允許載荷卻增加了188 kN。

圖6 不同外徑下隔水導(dǎo)管井口允許載荷(水深20 m，壁厚12.7 mm，鋼級(jí)N80)

2.5 鋼級(jí)對(duì)隔水導(dǎo)管井口允許載荷影響

鋼級(jí)對(duì)隔水導(dǎo)管井口允許載荷影響見(jiàn)如圖7所示。在其他條件都相同的情況下，鋼級(jí)越高，隔水管的屈服強(qiáng)度越高，允許的最大井口載荷越大, 隔水管外徑與井口允許載荷近似呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。如?339.7 mm，壁厚10.9 mm，在水深20 m時(shí)，N80鋼級(jí)隔水導(dǎo)管允許的井口載荷為137 kN，而P110鋼級(jí)隔水導(dǎo)管允許的井口載荷為225 kN。

圖7 不同鋼級(jí)下隔水導(dǎo)管井口允許載荷(?339.7 mm，壁厚10.9 mm，水深20 m)

2.6 井口高度對(duì)隔水導(dǎo)管井口允許載荷影響

井口高度對(duì)隔水導(dǎo)管井口允許載荷影響如圖8所示。在其他條件都相同的情況下，井口高度越高，強(qiáng)度安全系數(shù)越低，隔水導(dǎo)管橫向穩(wěn)定性越差，允許的最大井口載荷越小, 隨著井口高度的增加，隔水管臨界載荷遞減的幅度變小。如?339.7 mm、壁厚10.9 mm隔水導(dǎo)管，在水深20 m海域，當(dāng)井口高度從10 m增加至12 m時(shí)，允許的井口載荷從294 kN下降至235 kN，降低了59 kN；當(dāng)井口高度從24 m增加至26 m時(shí)，允許的井口載荷從39.2 kN下降至19 kN，降低了20 kN。

圖8 不同井口高度下隔水導(dǎo)管井口允許載荷(?339.7 mm，壁厚10.9 mm，水深20 m)

2.7 隔水導(dǎo)管井口允許載荷主控因素分析

通過(guò)有限元方法建立隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性分析模型，隔水管井口允許載荷的主要影響因子：外徑、壁厚，鋼級(jí)、水深、井口高度，取4種不同水平，如表2所示，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)L16(45)設(shè)計(jì)了16次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3，得出主控因素強(qiáng)弱順序?yàn)椋和鈴?> 壁厚> 鋼級(jí)>水深>井口高度，外徑對(duì)井口允許載荷的影響遠(yuǎn)大于其它因素，鋼級(jí)與水深對(duì)井口允許載荷的影響基本相當(dāng)。

表2 隔水導(dǎo)管井口載允許荷影響因素及影響因素水平取值

表3 隔水導(dǎo)管井口允許載荷影響因素正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 應(yīng)用分析

W井是北部灣一口常規(guī)探井，區(qū)域水深20 m。長(zhǎng)期以來(lái)，該地區(qū)的常規(guī)探井一開(kāi)主要采用?660.4 mm×?444.5 mm一開(kāi)雙眼鉆進(jìn)，并下入?508 mm×?339.7 mm變徑隔水導(dǎo)管。結(jié)合該區(qū)域的水深以及風(fēng)浪流情況，為進(jìn)一步節(jié)約工程投資，提高現(xiàn)場(chǎng)施工效率，在確保安全的前提下，首次嘗試采用尺寸為?339.7 mm的隔水導(dǎo)管。

根據(jù)?339.7 mm的隔水導(dǎo)管(鋼級(jí)N80，壁厚10.9 mm)的力學(xué)性能，并結(jié)合目標(biāo)井場(chǎng)的風(fēng)浪流參數(shù)條件，分析結(jié)果認(rèn)為，在非臺(tái)風(fēng)季節(jié)1 a一遇海況下，當(dāng)安全系數(shù)為1.6時(shí)，?339.7 mm隔水導(dǎo)管的井口允許載荷為145 kN，其最大橫向位移位于海平面處，最大位移量為0.53 m。因此，在烏石海域非臺(tái)風(fēng)季節(jié)一年一遇海況下，倘若采用?339.7 mm隔水導(dǎo)管，則必須保證其井口載荷小于等于145 kN，方能保證隔水導(dǎo)管不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)問(wèn)題。

2017-05-04，南海四號(hào)鉆井平臺(tái)就位W井位進(jìn)行鉆井作業(yè)，表層采用?444.5 mm井眼進(jìn)行一開(kāi)鉆進(jìn)，并下入?339.7 mm隔水導(dǎo)管。作業(yè)期間通過(guò)借助平臺(tái)井口使用鋼纜及相關(guān)設(shè)備吊起B(yǎng)OP設(shè)備，減輕其作用于?339.7 mm隔水導(dǎo)管上的軸向載荷，最終在南海西部海域非臺(tái)風(fēng)季節(jié)首次成功應(yīng)用了小尺寸隔水管技術(shù)，并且保證了作業(yè)過(guò)程的安全和順利。

與以往表層采用?660.4 mm×?444.5 mm一開(kāi)雙眼鉆進(jìn)，并下入?508 mm×?339.7 mm變徑隔水導(dǎo)管方式相比，降本增效極其明顯，并且進(jìn)一步保證了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全，主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)如下：

1) 降低工程投資。節(jié)約?508 mm套管用量，運(yùn)輸、吊裝成本明顯降低。

2) 提高作業(yè)效率。避免表層?660.4 mm井眼鉆井作業(yè)及固井作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率大幅提高。

3) 安全。避免使用變徑復(fù)合套管所造成的固井難，竄漏以及井口下沉等風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

1) 簡(jiǎn)易井口隔水管的臨界載荷隨著水深的增加而減小，且遞減的幅度隨水深增加逐漸變??；井口允許載荷與隔水管壁厚近似成線性增長(zhǎng)關(guān)系；井口允許載荷與隔水管的外徑平方近似成線性關(guān)系；鋼級(jí)等級(jí)越高，井口允許載荷越大，且臨界載荷遞增的幅度變小；隔水管臨界載荷隨井口高度的增加而減小，但遞減的幅度隨井口高度的增加而變小。

2) 通過(guò)對(duì)隔水管外徑、壁厚、鋼級(jí)、水深、井口高度等5個(gè)影響因子進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，井口允許載荷影響因素主控因素強(qiáng)弱順序?yàn)椋和鈴?壁厚>鋼級(jí)>水深>井口高度，且外徑對(duì)井口允許載荷的影響遠(yuǎn)大于其它因素。

3) 通過(guò)有限元分析論證，在非臺(tái)風(fēng)季節(jié)，在南海西部北部灣地區(qū)部分區(qū)塊采用新型小尺寸隔水導(dǎo)管具有可行性，可實(shí)現(xiàn)降本增效，同時(shí)保障固井質(zhì)量。