深水鉆井噴射下導管水力參數優化設計方法

王 磊， 張 輝, 周宇陽, 柯 珂， 張進雙， 彭 興

(1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；2.中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249)

深水鉆井噴射下導管水力參數優化設計方法

王 磊1， 張 輝1, 周宇陽2, 柯 珂1， 張進雙1， 彭 興2

(1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；2.中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249)

針對目前現有深水鉆井噴射下導管水力參數設計方法沒有較強理論支撐的問題，以射流和巖土力學理論為基礎，推導出了導管噴射下入臨界出口速度及臨界排量的計算公式，并據此提出了深水鉆井噴射下導管水力參數的優化設計方法，給出了設計原則和設計步驟。分析了深水鉆井噴射下導管常用鉆頭與導管組合采用不同直徑噴嘴時的臨界排量，對于φ660.4 mm鉆頭和φ762.0 mm導管的組合，噴嘴當量直徑為24.0 mm時，臨界排量為69.5 L/s；噴嘴當量直徑為26.0～30.0 mm時，破土直徑最大為762.0 mm。在排量一定的情況下，噴嘴當量直徑越小，能夠破碎地層的強度也越高。對西非深水JDZ區塊深水鉆井噴射下導管的水力參數進行設計，選用φ14.3 mm噴嘴時，設計排量與實鉆排量對比，誤差不超過10%，證明該優化設計方法的設計結果合理，可用于深水鉆井噴射下導管水力參數設計，指導現場施工。

深水鉆井 噴射下導管 水力參數 臨界排量 臨界速度 優化設計

深水鉆井中，導管具有承載井口重量、維持井口穩定及封隔淺部不穩定地層的作用。噴射下導管作業是目前深水鉆井作業廣泛使用的一種作業方式，與淺水及陸地鉆井導管下入作業方式具有明顯的不同[1-2]。利用該技術能夠一趟鉆完成導管、表層套管井段的鉆進與下導管兩項作業，縮短鉆井周期并降低作業風險。在噴射下導管作業過程中，射流對導管下部地層的沖擊破巖作用是導管克服阻力下入地層的主要作用力之一。因此，水眼尺寸、排量和射流速度等水力參數對導管下入速度以及導管下入后的承載力具有重要的影響。排量、流速過小，導致巖屑無法充分循環出井底、導管下入速度過慢，甚至無法下入。排量、流速過大，導致地層沖刷嚴重，導管承載力降低。此外，在不同類型的地層中，水力參數對導管下入作業的影響規律也有所不同[3-5]。國內外的專家、學者對水力參數的確定均開展了研究:T.J.Akers和T.G.Evans等人依據實際作業條件，總結出了噴射參數的經驗確定方法，T.J.Akers依據現場作業數據，歸納分析出噴射下導管作業參數的確定方法[6-8]；劉書杰等人通過開展現場模擬試驗，通過擬合大量試驗數據，提出了深水鉆井噴射下導管的水力參數計算公式[9-11]。整體而言，目前導管噴射下入水力參數的確定主要以數據統計和經驗分析為主，還沒有一種具有較強理論支撐的優化設計方法。筆者在已有研究成果的基礎上，結合射流基礎理論和噴射下導管作業的技術要求，分析了射流參數對噴射下導管作業的影響規律，提出了深水鉆井噴射下導管水力學參數優化設計方法，并結合西非JDZ區塊深水井進行了實例計算與分析，結果表明該方法的設計結果合理，對深水鉆井噴射下導管作業具有一定的指導作用。

1 噴射下導管臨界水力參數計算

1.1 噴射下導管射流破土臨界出口速度及排量

射流對土體的破壞作用取決于土體的臨界破壞強度以及噴嘴尺寸、排量、射流速度等射流參數。當射流沖擊力過小時，射流在土體中的切割深度也較小，在噴射下導管作業過程中無法起到有效的輔助破巖作用，這種情況下，鉆頭鉆出的井眼直徑等于鉆頭直徑，導管內其余部分的土體只能在導管壓力作用下進行破壞，從而增大導管下入阻力；當射流沖擊力較大時，射流在土體中的切割深度可以超過鉆頭直徑，對導管內的部分土體起到直接破碎作用，有助于降低導管下入阻力、順利下入導管。當水力噴射作用破碎地層的范圍恰好達到導管壁位置處時(如圖1所示)，其對應的射流出口速度稱為射流破土的臨界出口速度，對應的排量稱為臨界排量。根據淹沒水射流特性、土體在射流作用下的破壞條件以及鉆頭水眼的位置、傾角，對噴射下導管作業的臨界射流出口速度和臨界排量進行計算[12]。

1.1.1 臨界射流出口速度

如圖1所示，在臨界射流出口速度一定的條件下，射流在土體中的最大切割深度為Ljo，稱之為射流臨界切割深度，其計算公式為：

(1)

式中：Ljo為射流臨界切割深度，m；ε為射流初始段長度系數；dn為噴嘴直徑，m；vo為射流出口速度，m/s；Nc為土體在射流沖擊下的無因次承載力系數；Su為土體不排水抗剪強度，kPa;ρ為射流介質的密度，kg/m3。

射流臨界切割深度由導管內徑、噴嘴出口位置及傾角決定。

(2)

式中：dcon為導管內徑，m；Ljc為噴嘴出口到鉆頭中心線的距離，m；α為噴嘴傾角，(°)。

將式(2)代入式(1)推導出臨界射流出口速度為：

(3)

從式(3)可以看出，噴射下導管作業的臨界射流出口速度由地層土體在射流作用下的臨界破壞強度、導管內徑、噴嘴尺寸、噴嘴出口到鉆頭中心線的距離及噴嘴傾角所決定。

1.1.2 臨界排量

根據臨界射流出口速度和噴嘴直徑，即可計算得到對應的臨界排量Q，其表達式為：

(4)

1.2 導管及鉆頭組合對臨界射流出口速度和臨界排量的影響

通過上述分析可知，鉆頭直徑越大，水眼距離導管壁越近，射流破壞土體的直徑也越大。表1和表2為噴射下導管常用導管和鉆頭的相關尺寸。

地層土體不排水抗剪強度取100 kPa，土體在射流作用下的臨界破壞強度系數為2.4，以清水為射流流體，利用式(3)和式(4)計算不同鉆頭與導管組合下，噴射下導管作業臨界射流出口速度及臨界排量與噴嘴直徑的關系，結果見圖2。從圖2可以看出：使用較大直徑的鉆頭及較小直徑的噴嘴進行噴射下導管作業，能夠在較小排量下，獲得更好的水力破土能力，從而實現破土效果；采用φ660.4 mm鉆頭和φ762.0 mm導管組合，噴嘴直徑為24.0 mm時，臨界排量為69.5 L/s。

1.3 水力參數對射流擴孔效果的影響

在噴射下導管作業過程中，由于受到鉆具組合中動力鉆具及隨鉆測量儀器的限制，排量往往無法達到水射流破土的臨界排量。深水鉆井所用井下動力鉆具、隨鉆測量儀器和隨鉆測井儀器的最大允許排量為75 L/s。

在實際作業過程中所用排量小于射流破土臨界排量時，射流無法將井眼擴至與導管相同的尺寸，但仍能夠達到一定的擴孔效果。在鉆具組合最高允許排量(75 L/s)下，計算不同直徑鉆頭及不同當量直徑噴嘴的井眼擴孔尺寸，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，當地層土體不排水抗剪切強度為100 kPa時，在鉆具組合允許的最大排量下，若使用噴嘴組合的當量直徑超過30.0 mm，則φ508.0和φ660.4 mm鉆頭都無法達到水力擴眼的效果。此外，從圖3還可以看出，在該地層條件及排量下，當使用φ660.4 mm鉆頭和φ762.0 mm導管組合作業時，噴嘴當量直徑為26.0～30.0 mm時，能夠達到較好的水力擴眼效果；若噴嘴組合的當量直徑小于26.0 mm，水力擴眼范圍將超出導管外徑，造成過量擴眼。

1.4 地層強度對臨界射流出口速度及臨界排量的影響

圖4為不同地層強度下，不同當量直徑噴嘴的臨界射流出口速度和臨界排量。由圖4可知，在排量一定的情況下，噴嘴當量直徑越小，能夠破碎地層的強度也越高。

2 噴射下導管水力參數優化設計方法

2.1 水力參數設計原則[13]

1) 從水射流輔助破巖作用方面考慮，應盡量提高水射流的破巖能力。增大排量或使用小當量直徑噴嘴可提高射流速度和破巖能力。

2) 為避免水射流對導管壁附近土體擾動過度，降低導管下入后的承載能力，作業過程中應當控制水射流破巖擴眼直徑小于導管內徑，即排量不能超過射流破土的臨界排量。

3) 從鉆井液攜巖方面考慮，應當盡可能使用大排量，以提高鉆井液環空返速，增強攜巖能力。

4) 在選擇排量時，需要考慮鉆具組合中動力鉆具、MWD等最大允許排量的限制。

5) 選擇噴嘴直徑時，應當考慮噴嘴直徑與鉆頭直徑相匹配。例如，噴射下導管作業常用的φ660.4 mm鉆頭，通常使用直徑14.3～25.4 mm的噴嘴。

2.2 水力參數優化設計方法

根據上述原則對噴射下導管水力參數進行優化設計，按照以下步驟進行：

1) 列出水力參數設計所需數據，包括導管的直徑和壁厚，鉆頭直徑、鉆頭水眼出口中心距離鉆頭中心線的距離和鉆頭水眼出口傾角，地層土體的不排水抗剪強度剖面。

2) 利用式(1)計算射流臨界切割深度Ljo，并計算不同直徑噴嘴組合下的臨界排量，并繪制臨界排量與地層不排水抗剪強度的關系曲線。

3) 以鉆具的最大允許排量Qmax為標準，做平行于x軸的基準線，稱為最大允許排量基準線(如圖5所示)。最大允許排量基準線與最小噴嘴排量曲線的交點所對應的不排水抗剪切強度為Suo。

4) 以導管設計深度范圍內的地層最大不排水抗剪強度Su max為標準，做平行于y軸的基準線(如圖5所示)。

5) 當Su max小于Suo時(如圖5中的Su max1)，在最大允許排量基準線以下，Su max1與噴嘴1、噴嘴2及噴嘴3對應的臨界排量曲線分別相交(如圖5所示)。說明在最大允許排量范圍內，使用這3種噴嘴均可達到臨界破巖效果，其對應的臨界排量分別為Qa1,Qa2和Qa3，且Qa1

6) 考慮到環空攜巖能力的需要，應使用盡可能大的排量，因此選噴嘴3。

7) 根據選取的最優噴嘴尺寸以及地層的不排水抗剪強度剖面，計算臨界排量與地層深度的關系曲線，作為噴射下導管作業的排量指導曲線。

8) 當Su max大于Suo時，在最大允許排量基準線以下，Su max2與各噴嘴對應的臨界排量曲線均無交點。說明該地層強度條件下，在最大允許排量范圍內，使用上述噴嘴都無法對導管內的地層進行完全破碎。

9) 為盡可能提高水射流破巖能力，應當選擇直徑最小的噴嘴，因此選噴嘴1。

10) 根據選取的最優噴嘴及地層的不排水抗剪強度剖面，計算臨界排量與地層深度的關系曲線，作為噴射下導管作業的排量指導曲線。當臨界排量大于最大允許排量時，作業排量應為鉆具的最大允許排量。

3 實例計算分析

以西非深水JDZ區塊深水井為例，應用筆者提出的設計方法進行了噴射下導管水力參數實例計算與分析，并與實鉆數據進行對比分析。

3.1 基本數據

該區塊平均水深1 655.00 m，淺部地層強度參數見表3。設計水力參數所用相關數據依次為鉆頭外徑660.4 mm；導管內徑863.6 mm；噴嘴出口距鉆頭中心線距離200 mm；導管下入深度64 m；噴嘴出口距鉆頭下端距離280 mm；海水密度1 030 kg/m3；噴嘴傾角25°；射流沖擊下的地層承載力系數2.4。

3.2 結果分析

根據表3中數據利用式(4)分析射流臨界排量與地層抗剪強度之間的關系，結果如圖6所示。

噴射下導管鉆具組合最大允許排量為75 L/s，Suo=56 kPa。根據前述水力參數設計所用數據計算得到導管設計下入深度(64.00 m)內的地層抗剪強度剖面(見圖7)。由圖7可知，在導管設計下入深度內地層最大抗剪強度Su max=160 kPa，即Su max>Suo。根據筆者提出的方法，建議選取φ14.3 mm噴嘴。結合地層的抗剪強度剖面及最大允許排量，計算得到噴射下導管作業設計排量隨地層深度的變化曲線，如圖8所示。

圖8為4口已鉆井噴射下導管實際排量曲線和設計排量曲線。從圖8可看出，利用筆者提出的設計方法設計的噴射下導管排量與實際作業排量相比，誤差不超過10%,證明設計結果合理。

4 結 論

1) 當水力參數達到理論計算的射流破土臨界水力參數時，井眼擴孔直徑剛好等于導管外徑，此時在不影響導管噴射下入質量的前提下，可以提高導管下入速度，以降低作業成本。

2) 綜合考慮射流破土效果隨噴嘴直徑、排量等參數的變化規律，提出了噴射下導管水力參數優化設計原則、方法和流程。與現有設計方法相比，新方法綜合考慮了噴嘴直徑、排量對射流能量的影響，即在滿足攜巖和井下工具要求前提下，優選噴嘴直徑，使射流能量滿足破土要求，保證導管順利下入。

3) 噴射下導管水力參數的優化設計與淺部地層強度緊密相關，實際設計過程中應根據不同深度地層的強度分段進行水力參數設計，而不是整個導管井段采用相同的水力參數。

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[編輯 劉文臣]

Optimal Design of Hydraulic Parameters for Conductor
Jetting in Deepwater Drilling

Wang Lei1, Zhang Hui1, Zhou Yuyang2, Ke Ke1, Zhang Jinshuang1, Peng Xing2

(1.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing,100101,China;2.CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing,102249,China)

Considering that there is no strong theory support to the design of hydraulic parameters in conductor jetting in deep water drilling,the calculation formulas of critical jet outlet velocity and flow rate in jetting were derived based on the water jetting theory and rock mechanics,by which an optimal design methods,criteria and procedures were presented,and investigated.The combination patterns of different bits and conductors used in jetting,showing that the critical jet flow rate was 69.5 L/s for the combination ofφ660.4 mm bit andφ762.0 mm conductor,with 24.0 mm equivalent nozzle diameter,and the maximum breaking diameter was 762.0 mm when the nozzle diameter was 26.0-30.0 mm.Given constant jet flow rate,the smaller the equivalent nozzle diameter,the greater the breaking strength is.Taking the design of hydraulic parameters in deep water jetting drilling in JDZ Block,West Africa,as example,the error between designed and actual jet flow rates was less than 10% ifφ14.3 mm nozzle was used.It proved that this optimal design method was reasonable and it could be effectively used in design of hydraulic parameters in deepwater conductor jetting operations.

deepwater drilling;conductor jetting;hydraulic parameters;critical jet flow rate;critical jet velocity;optimal design

2014-07-18；改回日期：2014-11-20。

王磊(1983—)，男，遼寧錦州人，2007年畢業于中國石油大學(北京)海洋工程專業，2011年獲中國石油大學(北京)巖土工程專業碩士學位，工程師，主要從事深水鉆完井技術、巖石力學和地熱能源開發成井技術研究。

中國石化科技攻關項目“瓊東南深水鉆井關鍵技術研究”(編號：P13010)部分研究內容。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201502004

TE245

A

1001-0890(2015)02-0019-06

聯系方式：(010)84988127，wanglei8.sripe@sinopec.com。