深水钻井水下井口稳定性研究进展

水下井口稳定性是影响深水浅层钻井作业安全的关键问题。总结了近年来国内外井口稳定性研究进展,主要分析了导管参数、土质性质、工程参数、环境载荷等因素对井口竖向、横向稳定性的影响,以及减少或避免出现井口稳定性问题而设计的水上防喷器系统、吸力桩井口基础装置、组合导管基础装置、导管承载力加强装置等特殊井口装置系统。本文研究成果可为我国深水钻井水下井口稳定性研究提供借鉴。

深水水合物试采过程中地层沉降及井口稳定性研究

在深水非成岩地层天然气水合物试采过程中,随着试采时间增长,大面积弱固结地层中的水合物分解后,可能造成海底地层沉降,损坏井口和海底管汇,导致试采工程失败。为此,建立了非成岩地层水合物试采过程中的海底地层沉降和井口稳定性分析模型,分析认为水合物分解后产生的负摩阻力和下拉载荷是导致井口失稳的主要因素,并采用有限元强度折减法模拟研究了水合物分解对地层沉降和井口稳定性的影响,结果发现,水合物分解后管柱周围的负摩阻力主要分布于表层导管底部向上约1/3的区域,且水合物分解半径越大、水合物饱和度越高,负摩阻力越大。自主研发了天然气水合物开采井口模拟试验装置,进行了水合物分解对井口稳定性影响的室内模拟试验,负摩阻力的模拟试验结果与数值模拟结果相比,相对误差在10%以内,验证了计算模型和数值模拟结果的可靠性。研究成果可为深水非成岩地层水合物试采时间控制和井口安全评估提供理论参考。

深水含水合物地层钻井井口稳定性研究

深水钻井过程中,重达数百吨的水下井口在固井之前主要依靠周围海底土提供承载力,如果钻遇天然气水合物层,随着水合物的不断分解,地层的稳定性和承载力大幅下降,可能导致水下井口和表层导管失稳下沉,造成井眼报废等重大安全风险。分析了钻遇不同埋深和分布位置的水合物层对井口稳定性的影响,并开展了物理模拟试验,分析了不同饱和度和静置等候时间对承载力的影响规律。结果表明:水合物的埋深较浅,喷射下入过程中穿过水合物层后,地层的承载力最低,水下井口失稳的风险最高。水合物分解后地层极限承载力下降幅度最大可达35%。喷射后的静置等候时间对于水合物分解后的地层承载力的恢复影响很大,地层承载力在初期的1~12 h内增长明显,随后逐渐放缓,近似呈对数形式上升,建立了静置等候时间同承载力折减系数拟合模型;基于研究结果南海含水合物地层某井进行了表层导管下入深度设计和井口优选,在含水合物层钻井过程中可以适当增加表层导管入泥深度,增加静置等候时间,或使用吸力桩井口提高承载力,防止井口下沉,为深水含水合物地层钻井设计及井口安全评估提供了理论基础。

深水钻井表层导管喷射下入井口稳定性分析

表层导管喷射下入技术可在水力喷射钻进的同时安装表层导管,解决了深水表层钻孔后下表层导管不易找到井口的难题,并且一趟管柱作业完成了两开井眼的钻进。但对于深水钻井作业来说,在表层导管下入时,由于风浪流作用,随着下入深度的增加,平台与表层套管之间有很大的偏移,对作业造成很大风险。基于Ansys有限元分析软件建立并应用了深水钻井表层导管喷射下入导管强度校核和水下井口稳定性分析模型,分别对井口无倾斜,倾斜不同角度时水下井口第1根表层导管等效应力进行了校核,得出在安全作业基础下平台的最大偏移量。研究成果为实际提供做出了技术经验和指导。

锦州25-1井隔水导管承载力及井口稳定性分析

针对渤海油田锦州25-1井隔水导管在钻入过程中遇阻,未下入到位,且未采取固井措施的情况,采用建立隔水导管受力模型及有限元模型的方法,应用ANSYS软件分析该井隔水导管在风、流、冰荷载作用下的承载力及井口稳定性,确定在最危险工况下和承受防喷器重量时隔水导管承载能力满足作业要求,在复杂环境荷载作用下井口稳定性满足要求。

深水吸力桩井口稳定性研究

吸力桩筒形基础作为海洋深水油气建井的海底井口承载力支撑结构,可以在结构下入海底地层10~20 m深度范围提供足够的承载力,成为未来深水油气建井的新方法。通过吸力桩安装过程井口稳定性分析,建立了根据吸力桩结构和地层参数特征的吸力桩建井承载力及井口稳定性计算模型。模拟实验结果表明:吸力桩的长度、直径及安装完成后的时间效应是影响吸力桩井口承载力的主要因素;在其他条件相同的工况下,吸力桩直径越大、下入地层深度越大、安装完成后承载力恢复时间越长,井口承载力及稳定性越高;模拟实验结果与理论计算结果相对误差约5%,验证了理论计算模型的可靠性。本文研究成果可为吸力桩建井结构优化设计及施工安装提供理论指导。

南海西部乌石海域Ø508 mm隔水导管简易井口稳定性研究

南海西部海域常规探井简易水上井口前期普遍采用Ø762 mm×25.4 mm大尺寸隔水导管,作业成本较高。从隔水导管桩土承载力、海底土浅层破裂压力、极端海况下隔水导管强度等方面分析Ø508 mm×25.4 mm隔水导管稳定性。结果表明:隔水导管最小入泥深度为45 m时,能满足井口承载1000 kN要求;极端海况下隔水导管能满足强度要求,在水面及泥线下2 m附近出现最大弯矩与应力,泥线以下10 m后应力较小。现场应用表明,乌石海域采用Ø508 mm隔水导管可实现后续安全钻井作业,相比Ø762 mm大尺寸隔水导管方案,可降低作业工期与费用。

海外某深水井表层导管下沉原因分析及井口稳定性研究

深水钻井具有水深、温度低、海床不稳定、海底潜流大、海底浅层地层松软等难点,而深水表层导管的下入方式和深度,是建立水下井口和确保后续钻井作业正常进行的基础,如何克服这些挑战并确保表层导管顺利下入是深水钻井必须克服的难题之一。海外深水钻井作业具有日费率高、海洋环境复杂和作业风险大等特点,因此必须选择安全可靠的表层导管下入方式和对井口稳定性进行研究。表层导管喷射下入法是一种能有效解决深水浅层钻井难题的技术,但表层导管下沉和井口失稳是深水钻井作业中的最大风险之一,完善的表层导管入泥设计和水下井口稳定性成为钻井部分的重要环节。海外某第一口深水S井钻井过程发生井口下沉,通过开展表层导管入泥深度设计及井口稳定性校核研究,显著降低了后续井口下沉作业风险,提高了项目的经济效益,有较好的推广应用价值。

深水钻井表层套管固井井口稳定性及防下沉实践

深水表层土壤松软,导管通常采取喷射的方式下入,井口径向稳定性能薄弱,尤其在深水新区块探井海底地质情况不明确、浅层土质强度参数不准确的情况下,水下井口径向稳定性问题尤为重要。为提高水下井口径向载荷的稳定性,针对现场作业中表层套管在固井前循环及注水泥固井期间出现的井口下沉现象,进行导管在表层套管固井期间的径向受力情况分析,结合现场作业实践,提出了防止井口下沉的方法,并且在作业实践中得到了成功应用,提高了水下井口径向载荷的稳定性,有效促进了深水表层作业的顺利、安全进行,保证了深水钻井的安全性。

乐东气田表层井段的套管钻井技术

莺歌海盆地乐东22-1气田表层为未固结的灰色黏土层,经常出现表层井段钻完后,又被未固结的黏土层垮塌下来埋掉的现象,现场往往需要多次通井才能将套管下至设计位置,严重影响作业效率。为了解决这一难题,乐东22-1气田开发井采用威德福公司的套管钻井技术,进行了应用实践。为此,对套管钻井工艺与常规钻井工艺进行了比较,总结了该气田采用套管钻井的工艺技术措施及钻进注意事项。同时还介绍了LD22-1-A2井339.7mm表层套管钻井使用的工具、主要设备、固井技术、工艺流程及使用套管钻井的应用效果,所形成的海洋表层套管钻井技术解决了海底地层疏松而导致表层套管不易下到位的问题,提高了井口的稳定性。乐东22-1气田表层采用套管钻井技术提高了现场作业安全,缩短了钻井周期,降低了钻井成本,对同类油气田具有一定的借鉴作用。

海上勘探开发一体化钻完井关键技术研究与实践

勘探开发一体化是缩短海上油气田建产周期、降低开发成本的有效手段,但海上油气田工程设施建造周期长、油气管网相对较少,对钻完井作业提出了更高要求。本文针对不同水深、不同类型和不同井口型式等探井转开发井特殊要求,建立了浅水探井井口再利用技术、一井多目标钻完井技术、简易移动式平台井口稳定性技术和深水探井转开发井井筒完整性评估技术、探井水下井口疲劳寿命评估技术等海上勘探开发一体化钻完井关键技术。该技术成果已在渤海曹妃甸、南海涠洲、陵水等区块成功应用,显著降低了勘探作业风险,加快了海上油气田开发进程,节约了开发成本。本文研究成果可为后续海上勘探开发一体化钻完井工程提供参考。

隔水导管悬挂工艺技术应用

为了增储上产,探井、生产井作业全面铺开,作业量增加的同时也伴随着各类生产事故的发生,在保证生产的前提下,作业安全不容忽视。在渤海油田探井的表层作业中,通过优化下隔水导管的作业程序,实现了提高井口稳定性、承载力及井筒完整性的目的,既确保了后续开次作业的井眼稳定,又简化了作业流程,节约工期,提高了作业效率。通过总结形成一套适应于渤海地区的隔水导管下入工艺技术,对海洋表层作业提速增效具有参考和借鉴意义。

深水吸力桩新型表层建井技术适应性分析

喷射表层建井为国内主要的深水表层建井方式,该技术存在一定局限性,对井场调查要求高、作业扰动较大、对井身结构和导管下入深度要求高等,深水井建井安全面临挑战。吸力桩建井是一种新型深水井表层建井技术,该技术在松软地层、浅层气或水合物浅层地质灾害应对、主井位与备用井位选择、定向井轨迹优化、井身结构优化、工程风险控制等方面具有明显优势,可解决深水井表层建井面临的问题,拓展国内自营深水井表层建井方式。通过调研分析,对深水吸力桩表层建井技术及其适应性开展研究,为技术在国内的推广使用建立应用基础。

膨胀式导管提高深水钻井水下井口承载力的机理

表层导管是深水钻井水下井口的主要持力结构,水下井口失稳、下沉等复杂事故的发生主要是由于表层导管承载力不足造成的,因此经济高效地提高表层导管承载力是深水钻井工程研究并关注的重点。采用膨胀式导管方法来提高表层导管的承载力,能够实现不改变常规深水喷射法安装表层导管的工艺。表层导管喷射安装到海底设计深度后,膨胀材料发生膨胀实现增加表层导管与海底土接触的表面积,进而提高表层导管侧向摩擦力和水下井口承载力。基于深水钻井水下井口主要结构组成,通过建立深水钻井水下井口承载力计算模型,分析了表层导管尺寸与井口承载力相互关系,揭示了膨胀式表层导管外表面积与水下井口承载力呈线性变化规律,得出了膨胀材料厚度与水下井口承载力之间的计算模型;提出了膨胀材料采用分段式结构可以提高膨胀导管承载力,分析了膨胀材料分段数量、覆盖面积、膨胀厚度对表层导管承载力的影响规律;得出了在相同覆盖面积条件下随着分段数量增加表层导管承载力呈线性增加,随着膨胀厚度增加承载力呈线性增加。通过中国南海现场3口深水井的应用试验,建立的钻井水下井口承载力计算模型结果与现场试验结果的误差约为5%。

深水油气井表层导管下入深度计算方法

深水表层导管是深水油气钻井与生产的重要通道,是水下井口装置的主要持力结构,表层导管下入深度直接影响到水下井口的稳定性以及海上作业安全。基于表层导管基本功能和主要安装方法,针对不同海底的土力学特性,开展了钻入法和喷射法安装表层导管适应性及选择方法研究。基于油气井表层导管垂向受力分析,揭示了表层导管及上部井口载荷与表层导管外表面摩擦力之间关系,建立了钻入法和喷射法表层导管合理下入深度模型。从油气井表层导管横向受力分析出发,揭示了井口载荷、表层导管尺寸、表层导管钢级壁厚、表层导管出泥高度对水下井口稳定性影响规律,建立了水下井口出泥高度设计方法和计算模型。表层导管下入深度计算方法已在中国南海水深300~2619 m的几十口深水井得到成功应用,该研究成果支撑了这些油气田的钻完井安全高效作业和后期油气生产安全运行。