深水携表层钻井工艺技术

严 德，陈 彬，田瑞瑞，宋玲安，王 彪,刘保波

1中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 2中海石油深海开发有限公司

0 引言

表层导管是深水井的第一层套管，其作用是连接下入低压井口头，并为水下井口系统提供结构支撑[1]。由于水深增加和海底浅层土质强度低，深水井导管常采用喷射法下入，该方法无需导管固井作业，且喷射到位后可继续二开钻进，优势明显[2]。目前，表层导管喷射法施工在南海深水勘探作业中得到了成熟应用[3]，但存在喷射速度慢、时效低的问题，单井导管平均喷射时间6.3 h，高于同海域外方作业的喷射时间3.5 h，不仅增加了深水高昂的作业费用，而且增大了导管喷射作业风险。因此，通过分析已喷射作业井，找出制约表层导管喷射速度慢的原因，并提出有针对性的解决方案，形成深水表层导管喷射钻井提速方法，以提高深水导管喷射时效，节省深水作业费用。

1 深水已钻井表层导管喷射作业数据

南海深水钻井表层导管常采用外径914.4 mm导管+Ø660.4 mm牙轮钻头、外径762 mm导管+Ø660.4 mm牙轮钻头、外径762 mm导管+Ø444.5 mm牙轮钻头的组合形式，二开采用Ø508 mm套管或Ø508 mm+Ø339.7 mm复合套管形式[4]。表层导管喷射入泥深度范围为65～100 m,表层导管喷射平均耗时6.3 h，平均喷射速度仅为14.08 m/h。表层导管喷射时间与入泥深度无明确对应关系，导管入泥深度最浅和最深的井喷射时间分布为6.7 h(入泥深度67.4 m)和6.5 h(入泥深度99.5 m)。南海部分井深水表层导管喷射作业数据见表1。

表1 深水表层导管喷射作业数据统计表

2 表层导管喷射时效的影响因素分析

深水钻井表层导管喷射法施工基本程序是在钻台将表层导管和底部钻具组合通过专用工具在低压井口头处连接在一起，低压井口头与导管预先进行了焊接。表层导管与底部钻具组合连接后由送入管柱下送至海底泥面处[5]。水下机器人(ROV)确认水深以及导管垂直度符合要求后，先利用管串自重入泥，再开泥浆泵，排量由小到大，通过水力冲刷和钻头切削成孔使导管入泥,如图1所示。导管喷射到位后静置吸附3～5 h，待地层承载力恢复后，脱手专用工具继续二开井眼钻进作业。分析导管喷射施工基本流程可知，影响作业时效的因素有：海底地层强度、钻头伸出量、喷射排量、喷射钻压、导管外径、钻头尺寸、导管上下活动次数及幅度。

图1 深水钻井表层导管喷射作业示意图

2.1 海底地层强度

深水海底地层强度是影响导管喷射可行性和作业时效的重要因素。地层强度高或有硬夹层和砾石夹层时，将导致表层导管喷射下入困难或失败，同时，地层强度很低时，需要增加导管入泥深度以保证井口稳定性[6]。虽然，深水海底地层强度是影响导管喷射时效的重要因素之一，但深水井位早在钻井工程介入前已确定，由于前期投入较大，不便随意调整或改变井位处地层强度参数，在科研上或设计阶段做导管喷射工艺优化更利于解决问题。

2.2 钻头伸出量

在喷射钻进过程中，钻头底端伸出导管鞋的长度称为钻头伸出量[7]。钻头伸出量可以在地面组合导管和底部钻具的时候进行设计和调整，在作业过程中钻头伸出量始终保持不变，即钻头与导管在竖直方向上成为一体,如图2所示，同步下入地层。钻头伸出量长度主要影响破岩成孔效率，包括钻头机械切削和水力喷射冲刷破岩，从而直接影响导管下入速度[8]。因此钻头伸出量是影响导管喷射时效的关键因素之一。

图2 水下机器人在海底观察确认钻头伸出量

2.3 喷射排量

喷射排量除了要满足钻井液携岩上返要求外，还要有较好的水力冲刷成孔效果，是影响导管喷射时效的关键因素之一[9-10]。刚开始喷射时，保持较小的排量并逐渐增大，入泥20～30 m时达到最大值，当导管入泥至最后3～5 m时，降低排量以减少钻井液对管鞋附近地层的冲刷，使导管获得足够的初始承载力。

2.4 喷射钻压

导管喷射时要求中和点保持在泥线以下。如果钻压施加过大将使导管中和点位于泥线以上将使导管被压弯将导致井口倾斜角过大[11-12]，且喷射钻压施加过大时，动力马达的反扭矩作用会导致连接导管和钻具的专用工具转动并卡死，这样在解脱工具继续钻进时会出现问题。喷射作业时，由于钻压的施加受到了中和点位置的制约，钻压一般控制在泥线下导管和钻具组合浮重的80 %左右，可调节范围小。因此，该喷射钻压不是提高导管喷射时效的关键因素。

2.5 导管外径

深水钻井导管常用外径为914.4 mm或726 mm。统计已喷射井作业数据，Ø914.4 mm导管喷射平均时长6.45 h，Ø726 mm导管喷射平均时长6.20 h。两种外径的导管喷射效率无明显差异，导管外径不是影响喷射时效的关键因素。

2.6 钻头尺寸

喷射钻头尺寸依据二开井眼尺寸确定，常用Ø660.4 mm或Ø444.5 mm两种尺寸。Ø660.4 mm钻头适用于二开下Ø508 mm套管的井身结构；Ø444.5 mm钻头适用于二开下Ø339.7 mm套管的井身结构。Ø444.5 mm钻头常配合Ø726 mm导管进行喷射作业，已喷射作业3口深水井平均喷射时间为6.10 h，喷射效率与Ø660.4 mm钻头没有明显差异。因此，钻头尺寸不是影响喷射效率的关键因素。

2.7 导管上下活动次数及幅度

喷射作业时，为防止导管粘卡，降低井壁对导管的吸附力，需要频繁活动管串，尤其是在导管入泥困难的时候。已喷射井导管一般在每进尺3～5 m，或进尺慢时活动，活动幅度范围5～8 m，导管大幅度活动可以有效破坏井壁对导管的吸附力，使更多的钻压能施加到钻头上从而协助破岩成孔。

综上所述，深水钻井表层导管喷射法下入中，对喷射作业效率有关键影响的非客观因素为：钻头伸出量、喷射排量、导管上下活动次数及幅度。

3 表层导管喷射钻井提速方法

根据上述影响表层导管喷射时效的3个关键参数及国外作业经验、钻具配长要求、平台泥浆泵排量和钻井能力，制定了深水表层喷射钻井提速方法，如表2所示。

表2 深水表层导管喷射钻井提速方法

4 深水现场应用及效果分析

深水表层喷射钻井提速方法先后在南海多口深水井进行了现场应用，表层导管喷射作业参数及结果如表3所示。

表3 表层导管喷射作业参数优化及效果

喷射作业参数优化后的5口井平均作业水深1 336.17 m，平均入泥深度82.34 m，平均喷射时间2.35 h，平均喷射速度35.04 m/h。对比之前作业井，导管喷射提速效果见表4。

表4 表层导管喷射作业提速效果对比

通过对比可知，表层导管喷射作业参数优化后，在导管入泥深度增加9.0 %的条件下，喷射时效提高了62.7 %，喷射速度提高了148.86%，取得了显著的提速效果。此外，这5口井喷射作业过程顺利，没有出现导管下沉和井口失稳现象，保证了井口稳定性。

5 结论及建议

(1)通过合理提高钻头伸出量、喷射排量和导管上下活动次数及幅度，大幅度提高了深水钻井表层导管喷射作业时效，节省了作业时间和费用，在南海多口超深水井和深水井得到了成功应用。此外，该提速方法还能提升和保证导管的入泥深度，提高导管喷射成功率，入泥深度的增加也保障了井口稳定性，可在其余海域深水作业中推广应用。

(2)在关注表层导管喷射钻井提速的同时，井口稳定性也需要给予足够的重视，要充分评估海底地层强度，如果在喷射过程中出现导管外窜流现象，应及时降低喷射排量，减少导管上下活动频率及幅度，并在同区域后续井作业中降低钻头伸出量，以保证导管喷射入泥到位后能够获得了足够的地层承载力。