海上钻井隔水导管入泥深度预测与控制技术研究_刘书杰

第 25 卷 第6 期 2013 年 12 月
中国海上油气
CHINA OFFSHOＲE OIL AND GAS
Vol． 25 No． 6 Dec． 2013
海上钻井隔水导管入泥深度预测与控制技术研究
刘书杰
1
*
周建良
1
杨
进
2
王平双
1
谢仁军
1
（ 1. 中海油研究总院；
2. 中国石油大学（ 北京） ）
摘
在大量室内及室外模拟试验的基础上， 研究了隔水导管与海底土相互作用规律， 定量描述了 多因素条件下桩土载荷和位移关系； 基于桩土作用规律和理论， 从隔水导管功能特性分析入手， 得出 要
图6 第 2 组模拟试验打桩位置布置图
井过程中海洋环境、 井口及钻井管柱所产生的动态 耦合载荷对已下入的隔水导管及周围的土体始终产 生影响； ②钻井过程中隔水导管内部的流体流动及 流体对管鞋处土体具有冲刷作用。 对于这 2 个因 素， 常规的建筑桩、 导管架平台桩设计时是没有考虑 的， 国内外现有的桩土相互作用本构关系也未曾考 虑。为了保证海上钻井隔水导管能够满足钻完井的 作业需求及施工安全， 在进行隔水导管入泥深度设 计时必须考虑这 2 个因素。 1 ） 桩土横向反力位移关系。假设 p d 为钻井过 y （ t ） 为某 程中某深度桩土接触处的动态横向反力， q 井口 、 q 管柱 有关（ q 环 、 一时刻土体的横向位移且与 q 环 、 q 井口 、 q 管柱 分别表示钻井过程中风浪流载荷、 井口载 y s 为静载 py 曲线中得到的位移， 荷及管柱载荷 ） ， kn 、 c n 分别为相应土层中桩土相互作用时的弹性系 数及阻尼系数。钻井过程中单层土中桩体的横向载 荷及横向位移之间的动态关系可表示为 p d = （ k n + c n ） y（ t） + k n y s 2 ） 桩土之间侧向摩擦力关系。 钻井隔水导管 入泥及钻井作业过程中桩土之间侧向摩擦力是随 a、 b分 时间变化的 函 数 ， 假 设 f 表 示 侧 向 摩 擦 力， t表 砂 性 土 的 性 能 参 数， 别表示不同 海 底 粘 性 土 、 则单层土的桩土之间侧向摩擦力符合以下 示时间 ， 关系： f = alnt + b 当土体完全恢复时， 单层土的桩土之间侧向摩 擦力可表示为
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隔水导管与海底土相互作用规律研究
隔水导管与海底土之间的相互 作 用 规 律 与 常 规的桩土 相 互 作 用 有 较 大 的 不 同 。 首 先 ， 隔水导 海洋 管与周围海底土的群桩效应十分明显 ； 其次 ， 环境 、 钻井管 柱 对 井 口 产 生 的 动 载 及 其 耦 合 载 荷 对隔水导管周围土体产生了影响 ； 最后 ， 隔水导管 内部流体流动对土体产生了冲刷影响 。 为了探寻 隔水导管与 海 底 土 相 互 作 用 的 规 律 ， 开展了群桩 作用下室内模拟试验及群桩作用下隔水导管可打 性 （ 渤海 ） 模拟试验 。 通过模拟试验及理论研究 ， 得出了海上钻井条件下隔水导管桩土相互作用本 构关系和海上井口平台群桩效应下桩周围土体应 力计算方法。 1. 1 1. 1. 1 隔水导管桩土相互作用规律模拟试验 群桩作用下室内模拟试验 根据相似原理， 实物与模型几何尺寸相似比选
钻井隔水导管是海上钻井作业的先决条件， 是 海上钻井作业的第一道重要环节， 在后期钻井作业中 一直起到提供循环通道及支撑井口防喷器等重要作 用， 因此隔水导管入泥深度的确定及施工控制对其安 全及经济性有着重要的影响。国外对打桩理论作了 ［ 13 ］ ； 国内杨进等［4-6］对单桩条件下隔水导管 一定研究 入泥深度、 海底土承载力等作了一定研究， 并从承载 不考虑时间因素， 对隔水导管入泥深度作 能力方面， ， 但关于海上钻井隔水导管群桩效 了探索性分析 、 应 贯入度控制预测等问题尚未见有关研究报道。 在我国早期海洋钻井中， 隔水导管的下入深度 依据经验而定。由于没有相应的基础理论和先进的 不能很好地利用工程地质调查资 计算软件作指导， 料对隔水导管下入深度和打桩过程控制进行科学分 从而造成了隔水导管下入深度及施工控制的不合 析， 理性和经济上的浪费。同时， 由于海洋石油一般采用 井槽间距非常小， 达到 1. 5 m × 丛式井网进行开发， 1. 7 m， 群桩效应显著， 从而给隔水导管入泥深度的 确定和打桩作业施工控制方面都带来较大的影响 。 自 2000 年开始， 在研究隔水导管与海底土相互作用 规律的基础上， 笔者通过 10 余年的技术攻关， 逐步 形成了一套隔水导管下入深度确定方法及隔水导管 打桩作业控制技术， 目前已在 58 个海上油气田 2 100 多口井中得到了成功应用， 具有良好的推广价值。
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中国海上油气
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和 3#桩 2 个方向安放， 采用原土回填并等待一段时 间， 使土恢复原状， 然后按 1#到 4#的顺序进行打桩锤 击数测试， 试验数据统计结果如图 2 所示。从图 2 可 以看出， 随着深度的增加， 贯入度逐渐减小， 并且 3#和 4#桩的锤击数明显增加， 说明在 1#和 2#桩打入后对 土体扰动十分明显。
Baidu Nhomakorabea
对 2 个场地试验打桩锤击数进行统计， 结果如 7 、 8 。 7 ： 1 # 图 所示 从图 可以看出 在完成 桩打入 2#和 3#桩位置受 1# 桩打桩影响相同， 后， 但由于打 3#桩的 随着土体的附加应力消散， 桩时间间隔不同， 锤击数明显少于 2#桩的锤击数； 其他位置也能得出 同样的规律， 并且打入同样深度边缘的桩的锤击数 比被包围的桩的锤击数要少。
在试验中对不同打桩位置的土进行了钻孔取 进行土体抗剪强度试验， 可以得出打桩使得土层 样， 的物理参数在以下几个方面有比较明显的变化： ①打 桩后土的容 重 比 打 桩 前 变 大 ； ② 打 桩 后 土 的 天 然
f = ft × s s 表示侧面积。 式中： f t 表示单位面积土体剪切力， 1. 3 海上井口平台群桩效应下桩周围土体应力计算 方法 API 算法和以往 的 经 验 做 法 没 有 考 虑 群 桩 效
为 10∶ 1。选用直径为 50. 8 mm、 壁厚为 2. 54 mm 的 钢管作为桩模型， 长度为 3. 5 m。打桩锤选用 50 kg 重锤， 锤落距为 1. 0 m。试验选择场地为 5 m × 5 m × 5 m， 土体选择 3 种（ 砂土、 粘土、 粘土和砂土互层 ） ， 设计了 4 个模拟桩位置， 如图 1 所示。 在模型中心 位置钻直径 120 mm 的孔， 把 2 个土压力传感器分别 置于 1. 5 m 和 2. 5 m 深的位置， 传感器压力面正对 1#
图3
群桩应力场模拟试验打桩位置图
图5
第 1 组模拟试验打桩位置布置图
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第6 期
刘书杰等： 海上钻井隔水导管入泥深度预测与控制技术研究
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空隙比打桩 前 变 小 ； ③ 打 桩 后 土 的 抗 剪 力 比 打 桩 前发生了变化 ， 内摩擦角变小 ， 粘聚力变大 。 这说 明， 由于打桩 的 挤 密 效 应 使 得 土 的 天 然 孔 隙 比 变 小， 容重增加； 打桩使得土的原始结构受到了破坏， 进而影响到土质的力学性状， 挤密效应对土的承载 力是有利的。 1. 2 海上钻井条件下隔水导管桩土相互作用本构 关系 海上钻完井条件下隔水导管与海底土之间的相 互作用与常规的桩土相互作用存在 2 点区别： ① 钻
了群桩条件下双准则判别式的隔水导管最小入泥深度确定方法； 依据大量模拟试验及工程实践数据 分析， 提出了适用于海上钻井隔水导管打桩顺序控制技术和贯入度及锤击数预测技术。这些研究成果 已在我国 4 个海域 58 个油气田 2 100 多口井中得到成功应用， 取得了良好的经济效益和社会效益。 关键词 隔水导管 桩土作用规律 最小入泥深度 控制技术 贯入度
* 国家高技术研究发展计划 （ 863 计划 ） “深水钻井隔水导管最小入泥深度研究 （ 编号： 2004AA616120 ） ” 、 “海上 中国海洋石油总公司项目 2009ZHKY006 ） ” 钻井隔水导管下入方式综合技术研究 （ 编号： CNOOCCLTD） 部分研究成果。 第一作者简介： 刘书杰， 男， 教授级高级工程师， 中国海洋石油总公司钻完井专家， 主要从事海洋石油钻完井方面的设计研究工作 。 地址： mail： liushj@ cnooc． com． cn。 北京市东城区东直门外小街 6 号海油大厦（ 邮编： 100027 ） 。E-
图4
群桩应力场模拟试验数据统计图
力传感器处的土应力增加了 10. 0% ～ 41. 1% 。 分 析打桩位置及压力传感器读数， 可以得出： 当桩距与 4# 桩打入后 群桩作用十分显著， 桩直径之比 ＜ 3 时， 土压力传感器的读数增加了 41. 1% ； 当桩距与桩直 4# 桩打入后土压 径之比为 4. 72 时， 群桩作用较弱， 力传感器的读数增加了 10% 。 1. 1. 2 群桩作用下隔水导管可打性（ 渤海） 模拟试验 为了进一步准确研究群桩效应对隔水导管打桩 的影响， 在塘沽选择了第四系原始沉积土层进行打 桩模拟试验， 土质以粘土和砂性土为主。 选用直径 为 177. 8 mm、 壁厚为 6. 91 mm 的钢管作为桩模型， 长度 为 6 m。 打 桩 锤 选 用 200 kg 重 锤， 锤落距为 1. 5 m， 1# 每个桩打入 5 m。 共设计 2 个场地试验， 场地试验打入 9 个桩， 打桩前取土平面布置及打桩 位置如图 5 所示， 按 1 # 到 9 # 的顺序打桩， 每打完 1 为了研究群桩对周围土应力场的影响， 设计了 0. 20 和 不同桩间距的打桩试验， 间距分别为 0. 12 、 0. 24 m， 具体试验位置如图 3 所示。 对试验中深度 3 m 的压力传感器数据进行分析， 数据统计如图 4 所 示。 从图4 可以看出 ， 由于群桩效应的影响 ， 土压 个桩在其周围 0. 25 m 和 0. 5 m 的位置进行钻孔取 土样； 2#场地试验打入 4 个桩， 桩的布置形式与室内 模拟试验一致， 打桩前取土平面布置及打桩位置如 6 ， 1# 图 所示 按 到 4 # 的顺序打桩， 同样每打完 1 个 桩在其周围 0. 25 m 和 0. 50 m 的位置进行钻孔取土 样。在 2 个场地试验中共打入 13 根桩， 钻取样孔 42 个， 土样分析 149 个。
大于它的强度时， 海底土就会发生破坏， 导致地层破 裂。另外， 有人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参数有关 。 2. 1. 2 浅部地层破裂压力计算模型 当浅部地层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 （ 根据井场浅层土质调查数据资料得出， 即土力学 试验结果） ， 即 p f = τ max p f = c + ptanφ MPa。 式中： p f 为地层的破裂压力， 2. 2 海底群桩隔水导管入泥深度确定方法 在早期海洋钻井中， 隔水导管入泥深度的计算 往往采用 API 算法和经验法 。 经验法的科学依据 相对较少 ， 而 API 算 法 仅 考 虑 了 隔 水 导 管 作 为 井 口持力的条件 。 从钻井隔水导管作为循环通道与 持力结构 的 功 能 出 发 （ 图 9 ） ， 最小入泥深度应满 足 2 种功能下的较大者 。 同时进行了大量的模拟 试验及现场 验 证 ， 对桩土侧向摩擦力的计算模型 进行了修正。 2. 2. 1 保证钻井液循环通道条件下隔水导管最小 入泥深度计算方法 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 。假设最小 入泥深度为 h min ， 设计的流体密度为 d mud ， 流体循环 时导管鞋处的地层破裂压力为 p f ， 环空压耗为 p 耗 ， n 为安全系数， 海底泥面到井口距离为 L， 则该工况 下隔水导管的最小入泥深度 h min 可表示为
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应， 而海上油田开发为节省投资使得井距变得越来 越小， 达到 1. 5 m × 1. 7 m。 由于井间距小， 群桩效 应显著， 单纯按照 API 算法和以往的经验算法， 直接 3、 3 等油田打桩不能达到设 导致了锦州 9蓬莱 19考 计深度。通过室内及渤海打桩模拟试验的研究， 虑群桩效应， 建立了桩间距、 土质变化、 贯入速率等 3 因素约束条件下的应力分布模型。 假设 q 为土体 Ｒ p 为打桩过程中塑性区半径 （ 与贯入速 初始应力， Ｒ u 为桩半径， f r 为径向 率、 桩直径、 土体性质有关 ） ， ， c ， A ， r 应力 为土体粘聚力 r 为内摩擦角 为计算点处 的半径， 则扩张压力 p u 及径向应力 f r 可分别表示为 pu = 3 （ 1 + sinA r ） Ｒp （ q + ccotA r ） 3 － sinA r Ｒu Ｒu f r = （ p u + ccotA r ） r