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深水钻井表层导管喷射安全等候时间窗口设计

文档作者：罗俊丰杨进严德田瑞瑞文档来源： 1．中海石油(中国)有限公司深圳分公司 2．中国石油大学(北京) 3．中海油能源发展监督监理深圳分公司)		点击数： 15 1	更新时间： 2025年02月21日
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2014年第42卷第4期
石 油机械
CHINA PETR0LEUM MACHINERY
海洋石油装备
深水钻井表层导管喷射安全等候时间窗口设计
罗俊丰 杨 进 严 德 田瑞瑞
(1．中海石油(中国)有限公司深圳分公司 2．中国石油大学(北京) 3．中海油能源发展监督监理深圳分公司)
摘要：针对目前深水钻井表层导管喷射随钻下入工艺中，设计安全等候时间窗口时无理论计
算模型依据，存在作业盲目性和风险性的现状，通过对表层导管喷射受力和侧向摩擦力进行分析，
建立了安全等候时间窗口设计模型。该设计模型表明，在喷射管串重力已知的情况下，海底土质
不排水抗剪强度和承载力时间效应模型为准确设计导管安全等候时间窗口的重要影响因素，在不
同海域和土质条件下需分别考虑。深水钻井表层导管喷射安全等候时间窗口设计方法已在我国南
海荔湾、流花、白云以及海外刚果、赤道几内亚等多个深水区块得到了成功应用，不仅保证了表
层导管喷射施工的安全性，而且确保了较高的作业时效性。
关键词：深水钻井；表层导管；喷射；静置；抗剪强度；等候时间窗口
中图分类号：TE52 文献标识码：A doi：10．3969／j．issn．1001—4578．2014．04．013
Design of the Safety W aiting Time W indow for Surface
Conductor Jet in Subsea Drilling
Luo Junfeng Yang Jin Yan De Tian Ruirui
(1．CNOOC Shenzhen Branch 2．China University of Petroleum，Beifing 3．Shenzhen Branch，CNOOC Energy Technology&amp;amp;
Services—Supervision&amp;amp; Technology Co．，Ltd．)
Abstract：Currently there is no theoretical calculation model basis for the design of safety waiting time window
in running—while-drilling technology for surface conductor jet in subsea drilling．Moreover，there exist blindness and
risk in operation．Therefore，through an analysis of jet force and lateral frictional force of surface conductor，the de．
sign model of safety waiting time window was established．The model shows that when the weight of jet pipe string is
given，the seabed soil undrained shear strength and loading force time effect model is an important factor in the pre—
cise design of conductor safety waiting time window．They should be considered respectively in different sea areas
and soil conditions．The method to design the waiting time window was successfully used in several deepwater blocks
in Liwan，Liuhua and Baiyun of the South China Sea and other countries such as Congo and Equatorial Guinea．It
ensures the safety of surface conductor jet operation as well as the high operating eficiency．
Key words：snbsea drilling；surface conductor；jet；standing；shear strength；waiting time window
0 引 言
表层导管喷射随钻下人技术是深水浅层钻井的
技术之一，该技术有效解决了导管找不到井口和低
温环境下固井的难题¨ 。喷射安全等候时间窗口
是指表层导管人泥到位后至解脱管串继续二开钻进
的时问，又称为导管浸泡时间。合理的等候时间窗
口能在保证导管作业安全的基础上提高钻井时效。
等候时间过短导管无法获得足够的承载能力，存在
下沉失去井口的风险；等候时间过长则会降低作业
时效。
$ 基金项目：国家科技重大专项“深水钻完井及其救援井应用技术研究” (2011ZX05026—001—04—20120523)；国家自然科学基金项
目“深水钻井表层导管喷射钻进机理研究”(51274215)。
石 油机械 2O14年 第42卷 第4期
目前，针对深水钻井喷射随钻下人技术的研究
主要集中在表层导管水力喷射机理分析、入泥深度
设计和钻头伸出量计算等方面，未见关于喷射安全
等候时间窗口设计和优化的研究报道 ，而在
现场实际作业时根据以往的作业经验，有的作业者
为节省时间，等候时间设计过短(<1．0 h)，导致
井口失稳等事故，有的则将等候时间设计过长
(>5．0 h)，影响了作业时效。笔者通过理论研究
和现场作业数据分析，对表层导管喷射安全等候时
间窗口进行设计和优化研究，建立理论计算模型，
以期为深水钻井作业提供参考。
l 受力模型分析
图1为表层导管喷射到位时受力工况示意图。
1一钻杆；2一送人工具；3- 防沉板；4一喷射管柱；5-表层导管。
图1 表层导管喷射到位时受力工况示意图
Fig．1 Diagram of force condition after
Sllrface conductor jet in place
表层导管喷射到位时，由钻杆上提力、导管侧
向摩擦力和端部承载力来提供表层导管所需要的竖
向承载力。表层导管喷射到位时的受力平衡方程表
示为：
P+Q侧+Q端=G导管+G送人工具+G防沉板+G管柱
(1)
式中P— —钻杆上提力，kN；
Q侧——侧向摩擦力，kN；
Q端—— 端部承载力，kN；
G导管—— 表层导管重力，kN；
G送人工具—— 送人工具重力，kN；
G防沉板—— 防沉板重力，kN；
G管柱——喷射管柱重力，kN。
当表层导管在地层中静置一定时间后，喷射管
柱与送人工具解脱，进行二开井眼钻进。图2为表
层导管喷射解脱后受力工况示意图。此时，表层导
管、防沉板及送入工具的重力完全由导管侧向摩擦
力和端部承载力来承担。由于底部表层导管壁厚比
较薄，通常为25．4 mm，且二开钻进时会把表层导
管串底部地层冲刷掉，所以导管端部承载力可忽略
不计。表层导管喷射解脱后的受力平衡方程为：
Q侧=G导管+G送入工具+G防沉板 (2)
由式(2)可知，表层导管、送人工具及防沉
板重力全部由导管侧向摩擦力来承担，表层喷射到
位后静置时间越长，其侧向摩擦力越大，但会降低
作业时效。因此，侧向摩擦力是表层导管安全时间
窗口设计的关键参数。
1一钻杆；2一送人工具；3一防沉板；4一喷射管柱；5一表层导管。
图2 表层导管喷射解脱后受力工况示意图
Fig．2 Diagram of force condition after
surface conductor jet release
2 表层导管侧向摩擦力分析
将表层导管当作一个开口的圆柱形桩基，根据
桩基设计规范，忽略其端部承载力，可得到表层导
管的侧向摩擦力计算公式：
Q侧=7rDLf (3)
式中D—— 表层导管直径，m；
— — 泥面以下表层导管长度，m；
一表层导管单位面积摩擦力，kPa。
表层导管喷射法钻进时钻头未直接切削地层，
而是由水射流冲刷海底土层，土层受到大排量水射
流冲击作用，在土体内部产生剪应力并发生剪切破
坏。深水表层导管喷射的实质为，高压喷射水射流
水动力作用下的饱和水土体破坏和运移形成钻孔，
使得表层导管顺利人泥。表层导管喷射人泥到位
2Ol4年 第42卷第4期 罗俊丰等：深水钻井表层导管喷射安全等候时间窗口设计
后，周嗣土体逐渐回填密实包裹住管体，随着时间
的延长，土体与表层导管之间的单位表面摩擦力增
大。深水海底浅层土质多为饱和软粘土，因此表层
导管侧向摩擦力计算问题即为饱和软粘土桩基承载
力时间效应问题“ 。参考同内外研究成果，考
虑时间效应的饱和软粘土桩基承载力可表示为：
Q删=丌D，J(alnt+b)5 (4)
式f}1 s，——土体不排水抗剪强度，kPa；
— — 表层导管静置时间，h；
n、6— — 承载力时间效应经验系数，与土质
情况相关，可通过现场试验求得。
根据雪佛龙和哈斯基等同外石油公司在南中国
海的表层导管喷射作业经验，反演喷射施T过程中
表层导管往复运动上提力与时间的关系，得到承载
力时间效应经验系数0=0．040、b=0．023。由此
|_f得南巾同海深水钻井表层导管侧向单位面积摩擦
力时问效应经验模型，如同3所示。
图3 南中国海深水钻井表层导管侧向
单位面积摩擦力时间效应经验模型
Fig．3 Empirical model of lateral unit area friction time effect
of S|lhse~drilling surface conduelor in South China Sea
3 安全等候时间窗口设计模型
联立表层导管喷射解脱l丁况下的表层导管受力
平衡方程(2)和考虑时间效应的饱和软粘土桩基
承载力汁算公式(4)，得到表层导管喷射安全等
候时问窗u设计模型，即：
T：e p一f 塑 L 一 l6l1 (5)
,rraDLS Ⅱ ／
式rf1 卜等候时间窗t-J，h。
从式(5)可以看出，表层导管安全等候时间
窗u设计与导管重力、送入工具重力、防沉板重
力、土质不排水抗剪强度和承载力时间效应模型等
参数密切相关，其中导管重力、送入T具重力、防
沉板重力等参数可根据钻井设计准确求得。因此，
土质不排水抗剪强度和承载力时间效应模型为准确
设计导管安全等候时问窗LJ的重要影响因素。
4 设计实例
LH—A井位于南中国海东部，水深l 000 m，
采用 14．4 ITlrn表层导管喷射法施T，设计入泥
深度72．0 m。T程勘察单位提供的海底浅层土质
参数如表1所示。
表l 海底浅层土质参数
Table 1 PHramet rs 0f s Bbed sha11ow soil
根据钻井设计‘中提供的表层导管、防沉板和送
入丁具等参数和土质参数，采用南中同海深水钻井
表层导管侧向单位表面摩擦力时间效应经验模型，
求得喷射管柱与送人T具解脱后载荷和静置不同时
间条件下导管的承载力关系，如图4所示。由图可
知，在保证人泥深度值不小于72．0 111的情况下，
表层导管解脱送入T具的安全等候时间为喷射到位
后的3 h，即安全等候时问窗口应大于3 h。
量
＼
一
《
媸
85
90
95
00
承载力／kN
0 500 l 000 1 500 2 000 2 500
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图4 表层导管喷射安全等候时间窗口设计图版
Fig．4 Design chan of safety waiting time
window for surface conductor jet
LH—A井表层导管实际喷射入泥深度为72．2
m，喷射到位后解脱送入工具的等候时间为3 h，
钻井过程中表层导管未出现下沉和倾斜等复杂情
况，确保了作业安全。
深水钻井表层导管喷射安全等候时间窗口设计
方法已在我国南海荔湾、流花、白云以及海外刚
果、赤道几内亚等多个深水区块得到了成功应用。
石 油机械 2014年 第42卷 第4期
通过跟踪数十口井的作业数据可知，表层导管现场
作业喷射到位后解脱送入工具的等候时问与设计时
间窗口很接近，同时也避免了等候时间窗口设计过
于保守的情况，保证了较高的作业时效。
5 结束语
安全等候时间窗口设计是深水钻井表层导管喷
射施工的一个关键参数，合理的等候时间窗口设计
能在保证表层导管获得充分地层承载能力和作业安
全性的前提下有效提高钻井时效。在喷射管串重力
已知的情况下，海底土质不排水抗剪强度和承载力
时间效应模型是准确设计导管安全等候时间窗口的
重要影响因素。笔者基于理论分析建立了安全等候
时间窗口设计模型，并将该模型在我国南海荔湾、
流花、白云以及海外刚果、赤道几内亚等多个深水
区块进行应用。应用结果表明，这些深水井的表层
导管喷射作业时效高，且在后续钻井作业过程中均
未出现导管下沉失稳等情况。
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参考文献
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第一作者简介：罗俊丰，高级工程师，1989年毕业于
西南石油学院钻井l丁程专业，现从事钻完井技术研究及管
理工作。地址：(518000)广东省深圳市。电话：(0755)
26022281。E—mail：luojf@cnooc．corn．cn。
收稿日期：2013—11—27
(本文编辑刘锋)
西部钻探首创工具面稳定器
截至2014年3月18日，西部钻探定向井技术服务公司自主研发的工具面稳定器在吉171、吉175等5口井应用，成功
率100％ ，定向段提速36．9％以上。该装置为国内首创，并已申请国家专利。
定向井钻进时沿程摩擦力较大，所加钻压在途中被吸收，传输到钻头的]二作钻压不稳定，不仅影响机械钻速，还会导
致钻头早期磨损。为此，西部钻探定向井技术服务公司研制了工具面稳定器。工具样品先后在3 121井进行了现场试验，研
发人员根据试验结果，对该丁具进行了二次改进，进一步完善了各项性能，并成功通过了项目验收。
该工具结构设计符合现场实际，操作简单方便；工具内有油腔，当有较大振动时，油腔通过泄油孑L泄压，从而可以起
到减振作用，有效地保证了钻压恒定。在钻具遇卡时，该工具可以对钻具进行上击，达到快速解除复杂事故的目的。
西部钻探定向井技术服务公司结合工具面稳定器的特点，形成了配套的工艺技术，通过钻铤或加重钻杆，减少了钻进
过程中的托压现象，极大地稳定了钻头所需的钻压，提高了定向井机械钻速，可缩短钻井工期和节约生产成本。
(内容来自中石油钻井院网站，本刊有改动)

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