海上钻井隔水导管最小入泥深度研究

( 3) 比较 hmin和 h%min, 取二者之间的最大值作为 综合条件下隔水导管的最小入泥深度。
3
5 应用实例
利用建立的隔水导管最小入泥深度计算模型,
对渤海湾地区 9 个油田 14 口井的工程地质调查资 料进行处理, 得出了这些井位综合条件下隔水导管
最小入泥深度的计算结果, 见表 1。
表 1 隔水导管最小入 泥深度计算结果
石油钻采工艺 2002 年( 第 24 卷) 第 2 期
1
海上钻井隔水导管最小入泥深度研究
杨进
彭苏萍
周建良 刘书杰
( 石油大学, 北京昌平 102249) ( 中国矿业大学, 北京 100083) ( 中海石油研究中心, 北京 101149)
摘要 根据海底土的工程性质, 建立了海底浅 层地层 破裂压 力计算 模型。针对 钻井隔 水导管 的不同工 况, 建 立了 保证正常钻井液循环条件下, 井口支持力结构情况下 的隔水导管最小下入深度计 算模型。该模 型在渤海湾 地 区 9 个油田应用 14 口井, 计算结果与实 际情况比较吻合, 应用效果良好。
所以, 要使隔水导管能够建立起正常的钻井液 循环条 件下, 隔水导 管的 最小 入泥深 度应 满足 式 ( 8) 。
( 2) 当隔水导管作为井口支持时, 确定隔水导管 不发生失稳时的最小入泥深度 h%min。当钻井船在较 深水域钻井作业时, 防喷器组可能要放在水下井口 上, 隔水导管就作为支持结构, 来承受上百吨重的载 荷。如果隔水导管的下入深度较小, 就可能发生失 稳( 下陷、倾斜) 。在这种情况下就要考虑海底地基 的承载能力, 按( 12) 式计算出隔水导管不发生失稳 时的最小入泥深度 h%min。
的埋藏深度, m; H s 为海底土周围的海水深度, m; H j
为钻井平台的井口海拔高度, m。
2 保证正常钻井液循环条件下, 隔水导管入 泥深度的计算方法
本项研究属中国海洋总公司重点攻关项目, 项目编号:HG2000- 002。
2
根据上述所建立的海底浅层地层破裂压力的计 算模型, 当隔水导管只作钻井液循环通道时, 建立其 隔水导管入泥深度的计算模型。 2. 1 隔水导管管鞋处的钻井液液柱压力计算
0 引言
在我国海洋石油钻井中, 钻井隔水导管的入泥 深度常常是根据经验确定, 一般为 50m。从查阅的 国内外有关文献资料来看, 相关的报道都是对深水 海底井口以上隔水管的受力分析及稳定性开展的研 究, 没有见到针对隔水导管入泥深度研究的相关文 献报道。由于没有相应的应用理论作指导, 所以就 很难利用好海上各油田的具体工程地质调查资料, 这就会给隔水导管入泥深度确定带来很大困难, 造 成隔水导管入泥深度存在一定的不合理性和经济上 的浪费。基于目前的状况, 开展了钻井隔水导管的 入泥深度研究, 这在国内来说是一个新的研究课题。
对于导管鞋处的流体液柱压力 px, 由下式计算 p x = mudH + p h = mud( h + L ) + p h ( 5)
式中, p x 为导管鞋处的液柱压力, MPa; p h 为井口至 导管鞋处环空内的压力损耗, MPa ; mud为使用的流 体密度, g/ cm3; h 为隔水导管的入泥深度, m; L 为泥 线以上至井口钻井液出口的高度, m。隔水 导管流 体循环示意图见图 1。
N 上 + W自 ∃ N 下 + N f
( 10)
由此可以导出
h
#
N
上- N下 !mf -
+ !4 [
!4 [ m2 m2-
- ( m - 2∀)2] ( m - 2∀) 2] #a
l
#a
( 11)
式中, m 为隔水导管的外径, m; ∀为隔 水导管的壁
厚, m; #为导管钢材的密度, g/ cm3; a 为隔水导管在
1 海上浅层地层破裂压力计算方法
由于钻井隔水导管下入的地层, 一般是海底淤 泥、粘土、粉砂及砂泥混层等海底浅层土质, 成岩性
差, 所以这种地层的破裂压力与深层岩石的破裂压 力有着很大的差别。对海底浅层的破裂压力计算方
法研究, 作者从海底土的土质特性、工程性质等方面 进行着手, 建立其破裂压力的计算模型。 1. 1 海底土的强度计算模型
p x = np f
( 6)
式中, n 为安全系数, n #1。
所以, 要使隔水导管能够建立起正常的钻井液
循环条件, 应满足下式
mud( h + L ) + p h = np f
( 7)
当安全系数 n 取为 1 时, 此时隔水导管的入泥深度
为最小情况, 即
hmin = np f - p h - L
( 8)
钻井液中的浮力系数; f 为隔水导管的侧壁单位摩 擦力, 10- 2MPa; l 为泥面以上隔水导管的长度, m。
从( 11) 式可以看出, 隔水导管的下入深度与导
管上部所受的载荷、底部载荷、导管直径、导管壁厚、
侧向摩擦力和导管在流体中的浮力系数有关。由于 隔水导管的直径、壁厚和浮力系数一般是确定的, 所 以隔水导管的入泥深度只与导管上部所受的载荷、
海底土的抗剪强度一般用摩尔 库仑公式表示
= c + p tan
( 1)
式中, 为海底土的强度, MPa; p 为施加在土体上的
正应力, MPa; c 为海底土的 内粘聚力, MPa; 为海 底土的内摩擦角, (!) 。
所以当海底土体受到的载荷大于它的强度时,
海底土就会发生破坏, 导致地层破裂。另外, 有些人
∃ S u; 导管底部入 泥深度不到30. 48m, 为超固 结粘 性土时, 不大于 48. 868kPa; 导管底部入泥深度大于 30. 48m, 为正常压密的硬粘土时, f = S u。 3. 2. 2 API 方法 2
f = %Su
( 13)
式中, Su 为粘土的不排水 抗剪强度, kPa; %为 粘着 系数。
mud
式中, hmin为在满足正常流体循环条件下隔 水导管
的最小入泥深度, m。
3 根据钻完井条件确定隔水导管的最小入 泥深度
钻井隔水导管的轴向受力大致由 4 部分组成: 隔水导管 上部 井口载 荷 N 上 、底 部阻力 N 下 、自 重
石油钻采工艺 2002 年( 第 24 卷) 第 2 期 W自 和侧壁摩擦力N f, 见图 2。
6 结论
隔水导管最小入泥深度计算模型的建立, 将为 我国海上钻井 隔水导管入泥深度确定 提供科学依 据。研究成果经过渤海湾地区几个油田( 区块) 的应 用和验证, 计算结果与实际情况比较吻合, 取得了令 人满意的效果。随着本 研究成果不断 地应用与完 善, 进一步减少海上钻井过程中的事故发生, 节约套 管费用, 将会带来很大的经济效益。
值为
f = Kp ot an∀
( 15)
式中, K 为地层侧压力系数, 对轴向压缩载荷 K 为
0. 5~ 1. 0; p o 为有效上覆土压力, kPa; ∀为土与桩之 间摩擦角, 一般取 ∀= - 5!。
4 综合条件下隔水导管最小入泥深度确定
( 1) 首先按照隔水导管只作为钻井液循环的通 道情况, 进行隔水导管入泥深度计算, 即隔水导管入 泥深度必须满足导管鞋处的液柱压力 px 小于导管 鞋处的地层破裂压力 p f。
认为, 海底表层的破裂压力与地层的抗剪强度、承载 力等海底土壤的物理力学型
当海底浅层土所受载荷大于地层的最大抗剪强
度时, 地层发生破坏, 导致地层破裂, 引起钻井液漏
失, 所以地层的破裂压力取值应为最大的地层抗剪
强度, 即
p f = max = c + p t an
图 2 钻井隔水导管受力示意图
3. 1 隔水导管最小下入深度计算模型建立 由图 2 隔水导管受力分析, 在垂直方向上可得
如下受力平衡方程
N 上 + W自 = N 下 + N f
( 9)
只有当 N 上+ W自 不大于N 下+ Nf 时, 隔水导管 才能保持稳定, 而不发生失稳下陷, 即隔水导管保持 稳定的条件为
34. 1
JZ20- 2- 1
28
JZ20- 2- 6
26
JZ9- 3- 1
28. 5
QK17- 2- 1
36
QK17- 2- 3
42
QK18- 1- 1
38
SZ36- 1- 10
25
SZ36- 1- 11
38
SZ36- 1- 18
23. 3
水深
/m 21. 6 21. 6
31 23 23 14. 2 14. 2 7 5. 7 5. 7 13 32 31 30
[ 5] 刑延. 自 升式 钻井 船桩 腿插 入深 度计 算 分析. 海 洋 石 油, 1985, ( 2) ( 收稿日期 2001 09 24) &编辑 张振清∋
关键词 隔水导管 入泥深度 载荷 抗剪强度
作者简介 杨进, 见本刊 2002 年第 24 卷第 1 期。 彭苏萍, 1957 年生。现为中国矿业大学 长江学者 特聘 教 授, 博士生导师。 周建良, 现为中海石油研究中心钻采部经理, 高级工程师 。 刘书 杰, 见本刊 2002 年第 24 卷 第 1 期。
底部载荷和侧向摩擦力有关。 从海底土的极限承载力来看, 隔水导管的底部
所受的最大载荷就是海底土的极限承载力, 所以就 可根据不同地层的极限承载力大小, 计算得到对应 的隔水导管的最小下入深度。
把海底土的极限承载力代入式( 11) 就可得出不 同地层的隔水导管最小入泥深度, 即
h%min =
N
上 - Nd !mf -
( 2)
式中, p f 为地层的破裂压力, MPa。 施加在土体上的正应力可由下式计算
∀ p = 10- 3g Ht t( H ) dH + p sH s 0
( 3)
则, 地层破裂压力梯度为
f=
103p gH
f
=
103p f g( H t+ H s+
H j)
( 4)
式中, f 为地层破 裂压力梯度, g/ cm3; H t 为海底土
参考文献
[ 1] Olson R E. Ax ial Load Capacity of Steel Pipe Piles in Sand. 22nd SPE OTC 1990- 05- 07: 17~ 24
[ 2] Karlsrud K, Nadim F. Axial Capacity of Offshore Piles in Clay. 22nd Ann SPE OT C 1990- 05- 07: 405~ 416
油田
QHD32- 6
BZ26- 2W CFD18- 2 CFD18- 2E JZ20- 2
JZ9- 3 QK17- 2
QK18- 1 SZ36- 1
井位
最小入泥深度 /m
QHD32- 6- 2 30. 88
QHD32- 6- 4
34
BZ26- 2W- 1
30. 4
CFD18- 2- 1
30
CfD18- 2E- 1
当 Su 小于 24. 4kPa, %值为 1. 0; 当 Su 大于73. 2 kPa, %值为 0. 5; 当 Su 介于 24. 4~ 73. 2kPa, % 随 Su 值成线性减小。由于 % 值是经验得到, 所以 f 最大 不超过 200kPa。
3. 2. 3 ∃方法
f = Su
( 14)
3. 2. 4 砂性土层中侧壁单位摩擦力计算 f 的取
图 1 隔水导管 流体循环示意图
2. 2 隔水导管管鞋处地层不发生破裂时, 隔水导管
最小入泥深度计算
隔水导管要作为钻井液循环的通道, 它的入泥
深度必须满足在设计的流体密度条件下, 流体循环
时不至于压破导管鞋处的地层而造成井漏, 即导管
鞋处的液柱压力( p x) 小于导管鞋处的地层破裂压力 ( p f ) 。可用下式表达
[ 3] Golightly C R, Nauroy J F. End Bearing Capacity of Piles in Calcareous Sands. 22nd Ann SPE OTC 1990- 05- 07: 345~ 356
[ 4] Li H G. Equations Simplify Dynamic Analysis of Deepwater Drilling Riser. Oil & Gas J, 1993- 12- 13: 40~ 50
+ !4 [ m2!4 [ m2 - (
( m
m -
2
2∀)2] L#a ∀)2] #a
(
12)
杨 进等: 海上钻井隔水导管最小入泥深度研究
式中的 f 与地层的不排水抗剪强度有关。
3. 2 隔水导管的侧壁单位摩擦力计算
在粘性土层中, 采用 API 方法和 ∃方法计算侧 壁单位摩擦力f 。
3. 2. 1 API 方法 1 对于欠压密或正常压密的土, f