深水鉆井噴射下導管模擬試驗裝置的研制

柯 珂， 張 輝， 周宇陽， 王 磊， 馮士倫

(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；3.天津大學建筑工程學院，天津 300072)

深水鉆井噴射下導管模擬試驗裝置的研制

柯 珂1， 張 輝1， 周宇陽2， 王 磊1， 馮士倫3

(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；3.天津大學建筑工程學院，天津 300072)

深水鉆井下噴射導管的鉆井參數與陸地及淺水鉆井存在較大不同。為了模擬噴射下導管過程，為深水鉆井噴射下導管作業參數計算提供試驗數據，根據深水噴射下導管的特點，以其工具及組合形式為基礎，結合土力學基礎理論，研制了深水鉆井噴射下導管模擬試驗裝置。該裝置主要由土箱、管柱系統、起吊系統、循環系統、加載系統和測量系統組成，可以模擬噴射下導管全過程，通過改變模擬試驗中的噴射參數和巖土性質，并對導管的下入速率、承載能力(橫向應變、豎向應變及承載能力)進行測量，進而可以研究深水鉆井導管噴射作業過程當中，不同巖土性質條件下的噴射參數與導管下入速度和承載能力之間的相互關系和影響規律，建立導管作業參數優化設計方法，為深水油氣鉆探中導管噴射下入的優化設計提供參考。

深水鉆井 噴射 導管 試驗裝置 模擬試驗 優化設計

深水鉆井作業風險大、費用高[1-2]。目前，深水鉆井導管井段所采用的噴射下導管鉆井的基本工藝流程為[3]：將噴射鉆具組合(由鉆頭和動力鉆具組成)置于導管內部，并與導管送入工具相連，鉆頭位于導管內部或伸出導管鞋一定長度；當導管到達泥線處時，依靠其自身的重量鉆入地層中，并開泵驅動動力鉆具使鉆頭旋轉，循環鉆井液將巖屑從導管與鉆柱的環空返出井筒；當導管下至設計深度時，靜止一定時間，使導管與地層黏土之間建立足夠的膠結強度，滿足后續作業導管的承載要求。該作業方式節省了固井和一趟起下鉆時間，較大地提高了深水鉆井前期的作業效率并節約了作業成本，因此逐漸成為深水鉆井下導管的主流作業方式。導管噴射鉆井參數選取得合理與否，直接決定了導管井段鉆井質量的高低，因此研究導管井段無隔水管噴射鉆進參數與導管承載能力的相互作用規律，對噴射下入參數的優化設計具有重要意義。近年來，國內也建立了一些室內模擬試驗裝置[4-5]，但這些裝置模擬行程過短(不超過1.0 m)，測量參數的種類和模擬精度有限，無法滿足模擬試驗的需要。為此，筆者根據深水鉆井噴射下導管作業的特點[6-7]，建立了專門模擬導管噴射下入的試驗系統，該系統可通過改變模擬試驗中的噴射參數(包括噴嘴尺寸、排量、射流速度等)、巖土(黏土、砂土、互層土等)性質，對導管下入速率、承載能力(橫向承載能力和豎向承載能力)進行測量，以期為導管噴射下入作業參數的優化設計提供試驗依據。

1 試驗裝置組成與參數

1.1 試驗裝置整體結構

深水噴射下導管鉆井模擬試驗裝置主要由土箱、管柱系統、起吊系統、循環系統、加載系統和測量系統組成，如圖1所示。

該試驗裝置中，各主要部件所起的作用分別是：由起重天車和吊纜及測力計構成的起吊系統，負責起吊由模擬導管、模擬鉆桿、穩定器和鉆頭組成的管柱系統；試驗土箱用以填放試驗用土和水，模擬海底環境；拉繩位移傳感器可以精確測量模擬導管下入的距離或者深度與時間的關系，從而計算出模擬導管的下入速度；承載箱體用以盛放加載砝碼，模擬導管施加的豎向載荷，從而模擬深水鉆井導管承受水下井口、表層套管等引起的載荷；橫向液壓加載裝置及位移傳感器結合剪力墻，用以給模擬導管頂部施加的橫向載荷并對模擬導管頂部的橫向位移進行測量，從而模擬深水鉆井導管頂部或水下井口受到由洋流、隔水管運動所施加的橫向載荷；沿模擬導管壁上貼有應變片，用以測量加載過程中導管不同部位的變形量；管線用以循環模擬裝置中的流體；流量計用以測量不同位置流體的流量；污水箱用以存放噴射下入過程中循環出的流體，污水箱出口帶有簡易的過濾柵，用以過濾從土箱循環出的流體中較大砂粒；過濾裝置用以進一步過濾流體中的固體雜質及顆粒，為下一步注入到模擬鉆桿中做好準備；清水罐用以存儲過濾后的清水或重新輸入的清水；變頻控制柱塞泵可以以不同的排量向模擬鉆柱內注入流體；閥門用來控制流動管線的開啟和閉合；數據傳送電纜用以將各種位移傳感器和應變片上的數據傳輸到數據記錄及處理系統中，方便記錄、轉化和分析各類試驗數據。

1.2 技術參數

1.2.1 土箱

試驗土箱為高4.2 m、直徑1.0 m的鐵箱，土箱中的土樣深度為4.1 m。因為試驗中土箱里盛放土和水模擬海底環境，故土樣上部有0.1 m深的水。

1.2.2 管柱系統

管柱系統包括導管、鉆桿及鉆頭。其中，導管長4.0 m，沿導管長度方向設置7對電阻應變片。

鉆桿為直徑3.0 cm的金屬管，頂端通過螺紋與導管連接，在鉆桿距下端0.2 m及3.0 m位置處焊接了4個金屬葉片，以保證鉆桿在導管內居中。鉆桿下端通過螺紋與簡易刮刀鉆頭相連。

刮刀鉆頭主要使用5種尺寸的噴嘴，分別為1.5，2.0，2.5，3.0和3.5 mm。通過更換不同尺寸的噴嘴和改變排量，可實現射流參數的變化。

在裝配模擬導管和鉆桿時，將鉆桿伸出導管3～4 cm，使射流恰好作用于導管下端臨近的位置。

1.2.3 循環系統

循環系統由柱塞泵及循環管線組成，柱塞泵額定排量為6 m3/h，額定泵壓為15 MPa。為實現射流排量的變化，給柱塞泵配置了變頻控制柜，可實現出口排量在0～6 m3/h范圍內的無級調速控制。

試驗以清水為循環介質。清水由柱塞泵通過循環管匯泵入鉆桿，從鉆頭噴出后，大部分由內外管柱之間的環空上返，少量流體通過外管柱與地層的間隙返出。

1.2.4 加載系統

加載系統主要包括豎向加載和橫向加載系統,如圖2所示。通過千斤頂對導管施加豎向及橫向壓力，并通過千斤頂及壓力傳感器分別采集壓力數值。

1.2.5 測量系統

測量系統主要包括壓力、位移測量(見圖3)及應變測量，通過多通道數據采集儀記錄并實時顯示和輸出測量數據，采樣頻率為1 Hz。

壓力測量系統用于在導管加載過程中測量施加在導管上的豎向及橫向壓力載荷，并通過多通道數據采集儀記錄并輸出數據。壓力測量通過千斤頂及壓力傳感器兩種方式分別獲取數據，壓力傳感器的測量范圍為24.5～9 800.0 N，測量精度為24.5 N。

位移測量包括拉繩位移傳感器和位移百分表。拉繩位移傳感器測量導管的下入速度，測量范圍為0～5.0 m，測量精度0.1 mm。位移百分表測量導管端部在豎向及橫向載荷作用下的位移量，量程為50.0 mm，測量精度0.1 mm。位移測量結果通過多通道數據采集儀記錄并輸出。

應變測量通過設置在導管外壁的應變片進行測量，并由多通道數據采集儀記錄并輸出。

1.2.6 幾何參數選擇依據

導管噴射下入模擬試驗裝置幾何參數的選擇依據：實際導管外徑914.0 mm，內徑838.0 mm，模型與實際導管的尺寸比例為1∶10，同時考慮到現有鋼管規格的尺寸，模型導管選擇外徑102 mm、內徑為94 mm的鋼管；考慮到沉樁的邊界效應(一般為樁徑的3～7倍)，選擇直徑1.0 m、深度4.2 m的圓柱形試驗土箱，模型導管的下入深度控制在3.0～3.5 m。

2 工作原理與主要功能

2.1 土樣制備

為模擬海底淺部地層條件，使試驗土樣的物理力學性能與海底淺部土層相近[8]，消除試驗所用土樣經過取土時的擾動以及儲存和運輸過程中對試驗土樣力學性質的影響，需要對其進行一定的處理，主要包括篩選、水飽和、振搗、壓實等步驟，使土樣均質、飽和并達到一定的強度要求。處理過程為：1)去除雜物，初選試驗用土，將大塊巖石、砂礫等挑出，同時打碎膠結的成塊土樣；2)分層填置、加水、振搗、加壓；3)靜置存放，靜置時間為一周，等待土壤排水固結，在等待過程中始終使用大型重物對土樣加壓，以模擬海底的情況；4)單次試驗后，均采用振搗方式振搗15 min，之后靜置24 h，保證土壤力學和物理特性保持基本一致。

2.2 模擬原理

深水噴射下導管鉆井模擬試驗裝置模擬導管噴射下入過程的工作原理為：將模擬鉆桿、穩定器、鉆頭分別通過螺紋連接組裝在一起，然后將其放入模擬導管內，通過接頭與模擬導管和承載箱體固定成一個整體。用起吊系統將由模擬鉆桿和模擬導管等組成的管柱系統吊起，使管柱系統完全在土箱上方并保持垂直狀態，拉繩感應傳感器此時開始記錄導管承載箱體和土箱頂部的距離。隨后啟動變頻柱塞泵，將清水罐中的清水通過管線和閥門從模擬鉆桿內注入，再經管線由試驗土箱、污水箱、過濾裝置重新回到清水罐，從而模擬導管噴射下入過程中的海水或海水基鉆井液的循環過程；控制起重天車，將管柱系統逐漸放入土箱的試驗用土中，用測力計記錄下放的重量，以模擬深水鉆井導管下入及鉆壓控制的過程；模擬導管下入到位后，通過向承載箱體內部放入指定重量的砝碼給模擬導管施加豎向載荷，通過橫向加載裝置給模擬導管頂部施加橫向載荷，以模擬深水鉆井導管噴射下入后所受到的來自水下井口、套管及隔水管所施加的豎向、橫向載荷。試驗過程中試驗流體的循環路線如圖1中箭頭所示。

2.3 裝置的主要功能

1) 能夠模擬導管噴射下入過程，研究不同水力參數對導管下入及承載能力的影響規律。通過協調該試驗裝置的各系統，可以較好地模擬導管噴射下入過程，通過改變試驗裝置中泵的排量、變換鉆頭噴嘴尺寸等參數，可以模擬導管噴射下入過程中不同水力學參數(即噴射下導管的排量和射流速度)對導管下入速度的影響；通過改變下入過程中起重天車的承載，可以模擬導管噴射下入過程中施加不同的鉆壓。此外，試驗過程中通過測量模擬管柱在下入后的沉降及應力數據，可以分析實際過程中不同作業參數對導管最終承載能力的影響規律。

2) 能夠模擬導管承受動態載荷條件，研究導管所受載荷隨深度的變化規律。該試驗裝置在模擬管柱系統的頂部具有縱向和橫向載荷施加系統，與應力測量與數據處理系統配合，可以模擬深水鉆井中導管下入后，在懸掛套管、隔水管等時導管的橫向和豎向承載能力，有助于研究導管下入后在后續鉆井工況下的管柱應力分布狀態以及承載能力。

3) 能夠模擬不同巖土條件下的導管噴下入過程。通過改變土箱內巖土的類型及夯實程度，可以模擬導管在不同種巖土類型、不同巖土強度條件下的導管噴射下入過程，從而有助于研究不同巖土環境下導管噴射下入作業參數對導管下入速度等的影響規律，有助于提出針對不同種巖土環境的導管噴射作業參數優化設計方法。

3 性能測試及模擬試驗

3.1 性能測試

深水噴射下導管鉆井模擬試驗裝置于2012年完成整體設計與組裝，分別于當年10月和11月進行了整體測試，在測試過程中重點控制試驗流體必須從模擬管柱內管和外管的環空中返出，而不能從外管和巖土的間隙中返出。在整個測試過程中，試驗裝置的每個系統都運轉正常，數據傳輸連續準確。

3.2 模擬試驗

深水噴射下導管鉆井模擬試驗裝置在完成性能測試后進行了數次導管噴射下入模擬試驗，試驗土樣分別為曹妃甸海底黏土和砂土。往土箱中填充土樣時，采取分層處理的方法，每層土樣模仿實際鉆井過程中不同深度處的巖土參數。土樣測試結果見表1、表2(試驗土層1、2、3、4其深度依次增加，滲透系數為20 ℃條件下的數據)。

表1 砂土的基本物理力學參數測試結果

Table 1 Test results for basic physical and mechanical parameters of sand-soil

表2 黏土的基本物理力學參數測試結果

Table 2 Test results for basic physical and mechanical parameters of clay

模擬試驗主要測量分析了導管下入速度與噴射參數的相互關系，并分析了導管頂部在一定橫向載荷條件下全管柱的載荷應變分布情況。具體試驗步驟為：1)更換好鉆頭噴嘴，用起重天車把導管直立吊起至試驗土層上方、土箱中間位置處；2)控制大鉤使管柱勻速緩慢下沉入泥，管柱入泥后前1.0 m不開泵；3)下入過程中，以拉繩位移傳感器測量管柱的下沉速度；4)管柱入泥1.0 m后開泵，開泵時先用小排量，逐漸增大至設計排量值；5)緩慢釋放大鉤，使管柱在自重及射流聯合作用下逐漸下沉，注意在下放過程中保持勻速，并盡量保證管柱下入的垂直性；6)管柱下入到標記位置后，停泵，并用大鉤吊住管柱靜止20 min；7)釋放大鉤，觀察管柱是否發生沉降；8)靜置管柱恢復4 h之后，對管柱進行承載力測試；9)在導管頂部施加向上的力，以位移 40.0 mm 作為標準，測試導管在軸向載荷作用下的變形及位移情況；10)在導管頂端固定位置處施加橫向推力，以位移40.0 mm作為標準，測試導管在橫向載荷作用下的變形及位移情況；11)拔出導管，測量拔出導管的力。重新整理土樣，更換試驗參數，按上述步驟重復試驗。部分試驗結果如圖4所示。

4 結 論

1) 深水噴射下導管鉆井模擬試驗裝置，可通過模擬深水噴射下導管鉆井環境和作業流程，進而為研究深水噴射下導管作業參數的優化設計方法提供平臺。

2) 試驗裝置整個管柱的最大行程可達4.0 m，能夠較好地模擬下入過程中不同參數對下入過程的影響，土箱具備足夠的高度和體積，可以依據實際土層情況分層處理和充填不同參數的土樣，以更好地模擬實際情況。

3) 試驗裝置可以在試驗全過程中對試驗參數進行精細調整，并對下入速度、位移、載荷等參數進

行全程連續的監測、記錄和處理，可以有效服務于相關設計方法的提出和驗證工作。

4) 雖然該試驗裝置試驗壓力未能達到深水海底環境具有的數十兆帕級別，但研究表明，深水海底土中水壓力與靜水壓力相同，根據土力學有效應力原理，海水壓力大小對土的強度參數沒有明顯影響，因此該試驗裝置能夠較好地模擬導管噴射下入過程，試驗結果能夠對實際噴射作業參數的優化設計起到較好的驗證與修正作用。

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[編輯 令文學]

The Development of Testing Simulators for Conductor
Jets Running in Deepwater Drilling

Ke Ke1， Zhang Hui1， Zhou Yuyang2， Wang Lei1， Feng Shilun3

(1.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering，Beijing，100101，China；2.CollegeofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing，102249，China；3.SchoolofCivilEngineering，TianjinUniversity，Tianjin，300072，China)

Conductor jets running in deepwater drilling have different drilling parameters from that of land or shallow water drilling.In order to simulate the deepwater conductor jet running process,and provide experimental data for calculating operation parameter of conductor jetting running,a new simulating device for conductor jet running in deepwater drilling has been developed according to characteristics of deepwater conductor jet running,combined basic theory of soil mechanics with the form of running tool assembly.This device mainly consists of a soil box,pipe string,hoist,circulating loop,loading and measuring systems.It can simulate the whole process of conductor jet running.By changing the jet parameters and the geotechnical properties in the simulation test,the running speed of the conductor and bearing capacity,including the horizontal and vertical strain as well as the bearing capacity,can be measured,so as to study the relationship among jet parameters,the conductor running speed and bearing capacity during the course of conductor jet running for deepwater drilling under different geotechnical properties,develop a optimization design for conductor operation parameters,and provide a reference for the optimization design of conductor jets running in deepwater drilling of oil and gas well.

deepwater drilling；jetting；conductor；testing simulator;simulation test；optimization design

2014-08-25；改回日期：2015-03-02。

柯珂(1982—)，男，湖北宜昌人，2004年畢業于石油大學(華東)石油工程專業，2010年獲中國石油大學(華東)油氣井工程專業博士學位，高級工程師，主要從事井身結構設計和深水鉆井關鍵技術方面的研究。

中國石化科技攻關項目“瓊東南深水鉆井關鍵技術方案研究”(編號：P13010)資助。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201502006

TE5245

A

1001-0890(2015)02-0033-05

聯系方式：(010)84988103，keke.sripe@sinopec.com。