海洋工程新技术讲座材料.ppt

单击此处编辑副标题单击此处编辑副标题深水喷射法下表层导管技术1.1 国内技术现状一、国内外技术现状 我国南海荔湾3-1气田属于深水海域，水深大于1000米，深水表层套管下入方式和施工技术与浅水相比存在很大差别。国外深水表层套管施工方式经常采用喷射下入施工技术。喷射下表层套管施工技术能够用一趟管柱钻两个井眼，施工作业高效快捷。目前外国几家石油公司掌握其核心技术，但核心技术严格保密。由于国内在深水海域进行钻井作业的经验比较少，没有掌握喷射施工的核心技术(入泥深度确定？钻井参数选择？钻头与管柱尺寸配合？)，没有自主知识产权的喷射下入工具。荔湾荔湾3-1气田表层套管喷射下入技术动画演示气田表层套管喷射下入技术动画演示1.2 目标国外工具国外工具/国外技术国外技术/国外技术人员国外技术人员国外工具国外工具/国内技术国内技术/国内技术人员国内技术人员国内工具国内工具/国内技术国内技术/国内技术人员国内技术人员第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段本课题攻关本课题攻关主要内容主要内容第三阶段第三阶段一、国内外技术现状1.3 目标 通过本课题研究：探索出高效的表层套管下入技术及工艺，建立一套适合深水钻井喷射表层套管下入深度计算理论和方法；形成我国深水钻井喷射表层套管下入工艺技术的独立知识产权；研究成果的应用能够提高南海深水荔湾3-1气田钻井表层套管下入作业的时效，进一步降低作业费用，为解决深水钻井喷射表层套管下入深度确定提供理论基础。一、国内外技术现状1.4 攻关内容1）深水钻井表层套管下入过程模拟试验研究2）深水喷射钻井表层套管下入方式与海底土性质匹配关系研究3）深水表层钻进的水力学参数优化研究4）深水喷射法表层套管钻井工艺参数优化研究5）深水表层套管优化设计与施工控制计算软件研制二、研究成果1.在实验、试验方面的主要成果 2.在理论研究方面的主要成果 3.在应用研究方面的主要成果 本项目研究先通过一系列现场模拟试验，摸索出喷射法下表层套管工艺流程及关键影响因素，建立理论计算模型，根据深水钻井现场施工数据对理论模型进行验证和完善。1.通过模拟试验，研究钻头伸出量与钻进速度之间关系及规律；2.通过模拟试验，研究钻头伸出量与喷射形成的井眼尺寸之间关系规律；3.通过模拟试验，研究钻头水射流速度与井眼尺寸之间关系及规律；4.通过模拟试验，研究钻压对套管喷射下入速度的影响关系；5.通过模拟试验，研究排量对套管喷射下入速度的影响关系。研究成果2.1 深水钻井表层套管下入过程模拟试验 深水喷射法下表层套管模拟试验方案 研究成果2.1 深水钻井表层套管下入过程模拟试验 通过大量国内外文献调研和荔湾3-1深水钻井现场调研分析，制定了深水喷射法下表层套管试验方案。试验方案、场地及试验器材 试验场地选择：天津渤海塘沽地区中心渔港内试验场地大小：50m50m试验土质选择：粘性土/砂性土试验场地表面：含有约深的海水研究成果试验方案套管下入位置分布图：试验方案、场地及试验器材 研究成果1）本次试验采用喷射法下入套管，方案预计使用两种套管，共计36根；尺寸分别为：9-5/8套管18根，13-3/8 套管18根；2）试验36根套管，分布为3行12列，其中每行有12根套管，每列有3根套管；3）试验套管间距离为：行间距为3米，列间距为2米。试验方案实施方案图：研究成果 试验方案、场地及试验器材 试验套管接箍试验套管试验套管护丝大吨位拔桩机研究成果 试验方案、场地及试验器材 适用不同套管尺寸对比图钻机压力表试验钻机试验脚手架的搭建：此次试验搭建的脚手架尺寸约为：40m（长）15m（宽）10m（高）研究成果试验方案实施方案图：试验方案、场地及试验器材 钻机吊装套管吊装套管定位钻压控制喷射下入静置待拔的套管 试验方案实施方案图：试验方案、场地及试验器材 测力计吊卡吊装待拔群桩测力计吊卡安装套管上拔数据记录 试验方案实施方案图：试验方案、场地及试验器材 拔出后套管 深水钻井表层套管喷射施工过程中与海底土相互作用分析 2.2 深水喷射钻井表层套管下入方式 与海底土性质匹配关系研究 作用在套管上的外力应等于套管与粘土之间的摩擦力，即：为平均粘结强度，d为套管直径，L为套管长度 所以摩擦力为：砂性及粘性海底土性质与深水喷射钻井表层套管下入方式适应性研究 对于砂性土来说：侧向摩擦力比较大，同样下入深度条件下，表层套管承载力比粘性土要大一些。为保证下一个井段钻井安全，要求表层套管的套管鞋位置最好下入在粘性土里，在下一个井段的钻井过程中套管鞋处的抗冲刷能力要强一些。如果表层套管的管鞋位置避不开砂性土层，再要求表层套管的下入深度比计算结果深一些，避免下一步钻井过程中由于套管鞋处冲刷而造成承载力下降。对于粘性土来说：侧向摩擦力一般比砂性土小些，在同样下入深度条件下表层套管承载力比砂性土要小一些，所以在粘性土比较厚的海底，表层套管下入深度要深一些来保证表层套管有足够的承载力。喷射法钻井表层套管下入方式使用范围研究 喷射法钻井表层套管下入方式不是适应所有海域，存在一定局限性。海底浅层地层强度比较高，甚至出现岩层露头时，表层套管入泥深度难下到位，有时需要起出再更换井场位置。作业海域海底存在有陆坡垮塌区域和崎岖海底区域、海底沟槽和较大的凹坑时，表层套管在下入过程中容易发生倾斜造成井口倾斜，不适合使用喷射法下表层套管施工。在表层套管施工前，应利用ROV对水下井口附近区域进行探视，发现这种情况应把井口位置移动到相对平缓的地方。海底坡度变化大，在表层套管喷射下入过程中要求控制好钻压参数，不要施加太大钻压，以防发生井斜事故，喷射钻进速度不要太快。喷射法钻井表层套管下入方式使用范围研究 通过对荔湾3-1海底土资料调研分析，统计得出适合喷射法下表层套管的海底土强度范围如下图。当海底土抗剪强度小于300KPa时，采用喷射法施工方式比较适合。当海底土抗剪强度大于300KPa时，由于地层强度比较高，采用喷射法施工方式下入深度慢，可能存在表层套管下不到位事故，所以可以采取钻入后固井方式施工。深水表层套管喷射水力作用与海底土数值模拟研究模拟条件：深水1500m的水下矩形土（20m10m80m）；网格中土体深度为80m；喷射套管下入土深度为70m。由于对称性，取土体的一半作为研究对象；喷射压力为110MPa；表层套管尺寸选为36in。数值模拟分析模型及初始条件 2.3 深水表层套管喷射钻进的水力学参数优化研究 图中网格划分为土体网格和表层套管网格两部分。采用FLAC3D对土体进行了高效智能网格划分，根据局部受力特点对模型部分单元进行了细化。深水表层套管喷射水力作用与海底土数值模拟研究喷射下套管前建立土体和表层套管单元网格和网格划分 喷射前的土体和表层套管单元网格（xoy平面）喷射前的土体和表层套管单元网格（z方向）土层的物理力学性质指标 模拟条件：网格中土体深度为80m，喷射点距土体上表层深度为70m。由于对称性，取土体的一半作为研究对象，喷射压力为10MPa。深水表层套管喷射水力作用与海底土数值模拟研究旋转条件下喷射钻进过程中井眼周围土体应力场和位移场数值模拟试验 材料材料密密度度体体积积模量模量K K（MPaMPa）剪切模量剪切模量G G（MPaMPa）粘聚力粘聚力c/KPac/KPa内摩擦角内摩擦角砂土1500337030粘土15006.661.42820/（）1.土体的应力场 喷射下套管前建立土体和表层套管单元网格和网格划分 砂土应力场（z方向）砂土应力场（yoz平面）粘土应力场（z方向）粘土应力场（yoz平面）1.土体的应力场 喷射下套管前建立土体和表层套管单元网格和网格划分 互层（上部为砂土层，下面为粘土层）应力场（z方向）砂土层 0-35m 粘土层 35-80m 互层（上部为砂土层，下面为粘土层）应力场（yoz方向）砂土层 0-35m 粘土层 35-80m 1.土体的应力场 喷射下套管前建立土体和表层套管单元网格和网格划分 从以上图形中可以看出井眼周围土体径向应力的变化趋势一致：（1）随着距井眼中心距离的增加，井眼周围土体径向应力逐渐减小；（2）随深度的增加，井眼周围土体径向应力逐渐增加。材料最大值（MPa）砂土5.5698粘土6.0414互层5.9492旋转喷射条件下土体应力场中最大应力结果对比:砂土互层粘土。旋转条件下土体应力场结果对比 2.土体的位移场喷射下套管前建立土体和表层套管单元网格和网格划分 砂土位移场（Z方向）砂土位移场（yoz平面）粘土位移场（Z方向）粘土位移场（yoz平面）2.土体的位移场 上图为井眼周围土体径向位移随径向距离和深度变化的分布规律图：（1）随着距钻头中心距离的增加，井眼周围土体径向位移逐渐减小；（2）随深度的增加，井眼周围土体径向位移逐渐减小，但是变化幅度很小，轴向位移也逐渐减小，同时在靠近喷嘴下方的土体均有位移集中现象。旋转条件下土体位移场中最大位移结果对比：砂土互层粘土。材料最大值（m）砂土0.6759粘土1.0432互层0.9896旋转条件下土体位移场结果对比 喷射下套管前建立土体和表层套管单元网格和网格划分 土体的孔隙压力场 旋转条件下喷射钻进过程中井眼周围的孔隙水压力距离井眼中轴线越近处的变化越大，越远处变化越小。当井筒中流体液柱的压力大于井眼周围土体中流体的孔隙压力时，土体出现了明显的侧向膨胀，以致于在压缩条件下，变形后土体的体积总是大于原始体积。土体受到的孔隙压力越高，破坏的前兆越明显。喷射钻进过程中，井眼周围土体形成4个区。土体的孔隙压力场 A区紧靠表层套管，受到挤压力最大，瞬时形成极高的超孔隙压力使土体产生许多水平或竖向裂缝，同时土骨架受到激烈的挤压，土体结构完全破坏。随着静止时间增长，土体发生固结，超孔隙压力逐渐消散，此区土体抗剪强度逐渐恢复，达到甚至超过其原始强度。对于软粘土，经上述固结后将与表层套管牢固地粘结在一起。B区在A区的外面，受喷射和套管挤压的影响严重，土体发生较大的位移和塑性变形及较高的超孔隙压力，此区的范围较大，是主要的分析对象。A区区B区区C区区D区区土体的孔隙压力场 B区与A区的交界处形成一强度软弱面，此软弱面往往是土破坏时的剪切滑动面，其面积大于管身的侧面积，所以套管的极限摩阻力取决于B区逐渐增长着的抗剪强度。B区的外侧是弹性压缩区C区，它受到喷射及套管挤压一定程度的影响，但土体的压缩变形是弹性的，超孔隙压力较小直至忽略不计。D区为非扰动区，属现场原状土。A区区B区区C区区D区区土体的孔隙压力场 2.旋转与滑动条件下数值模拟分析结果总结 套管桩效应：位移的变化规律：应力的传播：123随着钻进深度的增加，喷射钻进速度不断降低。随着钻进深度的不断增加，井眼周围的径向位移越来越小。轴向应力值沿轴向向下逐渐增加，应力逐渐增大。共同点：2.数值模拟分析结果总结 不同点：（1）从应力的分布规律来看：旋转条件下喷射钻进，土体的变形更大，更容易发生塑性流动，有利于钻进的进行。旋转条件下射流对土体的破坏面积大，对土体的径向扰动较大，因此径向力局部区域较滑动条件下的大，径向的挤土范围也比滑动条件下的大。旋转条件下，钻进过程土体总的破坏面积远远大于滑动条件下的钻进过程，因而钻进效率高。（2）从土体的位移来看：旋转条件下喷射钻进速度快。通过对试验数据分析反演可以得出如下关系：在表层套管尺寸、钻头尺寸和喷嘴尺寸一定的情况下，刚开始随着排量的增加，井眼尺寸逐渐扩大，但当排量增加到一定极限值的情况下，井眼扩大率不再有明显的增加。喷射法下表层套管钻头水射流速度与井眼尺寸关系研究排量过大情况下钻头喷射形成井眼尺寸示意图 排量过小情况下钻头喷射形成井眼尺寸示意图 合理排量情况下喷射形成井眼尺寸示意图 井眼扩大率与钻头喷射速度关系 喷射法下表层套管钻头水射流速度与井眼尺寸关系研究满足携岩的最小排量 的计算：最小排量是指钻井液携带岩屑（土屑）所需要的最低排量。只要确定了携岩所需的最低钻井液的环空返速，也就确定了最小排量。在当量颗粒雷诺数较小的情况下岩屑在钻井液中的平均沉降速度 深水表层钻进的水力学参数优化研究 满足破岩要求时的泵排量优选方法：在海洋深水采用喷射法下套管工艺过程中要求套管与内部钻柱下入同步，钻头尺寸小于套管尺寸，因而套管的下入主要靠自重和钻头的旋转喷射扩孔来实现。因而，在对泵排量优选时还要考虑喷射破岩的要求，排量过小，提供的射流力不足以破岩，导致喷射扩孔不够充分，使得套管下入缓慢，影响钻进。深水表层钻进的水力学参数优化研究 满足破岩要求时的泵排量优选方法：深水表层钻进的水力学参数优化研究 压力和流量是射流的两个基本参数,其大小决定了射流的工作能力。由水射流理论可知,射流参数与喷嘴当量直径满足下列关系:式中：为满足破岩条件的最小泵排量 深水喷射法表层套管钻井工艺参数优化研究 钻头在套管中的伸出量与钻进速度及井眼尺寸关系研究：钻头伸出量过短情形 钻头伸出量过长情形 最佳钻头伸出量情形 最佳钻头伸出量计算模型 深水喷射法表层套管钻井工艺参数优化研究 钻头在套管中的伸出量与钻进速度及井眼尺寸关系研究：深水喷射法表层套管钻井工艺参数优化研究 钻头在套管中的伸出量与钻进速度及井眼尺寸关系研究：钻头伸出量与钻速关系曲线 在表层套管尺寸、钻头尺寸和钻井参数一定的情况下，刚开始随着钻头伸出量的增加，钻进速度逐渐增加，当钻头伸出量增加到一定临界（400500mm）时，钻进速度就不再有变化。深水喷射法表层套管钻井工艺参数优化研究 钻头在套管中的伸出量与井眼尺寸关系研究：在表层套管尺寸、钻头尺寸和钻井参数一定的情况下，刚开始随着钻头伸出量的增加，井眼尺寸逐渐扩大，当钻头伸出量增加到一定临界（400500mm）时，井眼扩大率不再有明显的增加。钻头伸出量与井眼尺寸关系 深水喷射法表层套管钻井工艺参数优化研究 喷射作业管柱中扶正器安装位置优化研究：(1)计算模型建立 假设：1）井眼轨迹是连续、平滑的曲线；2）钻具各个组成部分以及套管都受到由于本身自重而引起的横向荷载，将该横向荷载视为横向均布荷载；3）钻头、钻铤和稳定器组成的井底钻具组合以及套管是小弹性变形体系。典型的喷射钻具组合及结构套管形式 深水喷射法表层套管钻井工艺参数优化研究 喷射作业管柱中扶正器安装位置优化研究：(2)实例分析南海LW3-1油田36in井眼管柱组合 从喷射管柱力学分析可以看出：管柱中扶正器的安放位置越靠近钻头处，越利于钻柱的居中，越利于喷射钻进过程中钻柱的扶正，所以扶正器安装位置应在近钻头30米以内的位置比较合理。喷射法下套管工艺中合理的钻压参数优化研究：钻压参数计算模型 喷射过程中钻压施加较大，钻头钻进速度过大，破碎的土屑来不及上返到地面，井眼外扩直径不够，导致导管外表面与海底土之间的摩擦力较大，导管下入阻力增大，因而其下入速度就较慢。钻头钻进速度过小，由于钻头水眼较长时间喷射井眼，致使井眼直径扩大较大，导管外表面与海底土之间的摩擦力较小，导致导管下入施工后，后期作业的等候时间延长，影响整个钻井进度。钻井液在钻杆中循环产生的摩阻力Fh导管侧壁与土的摩擦力Qf 钻头射流力Fj 上提力T钻 柱 浮 重G2导管浮重G1钻井液在环空中循环产生的摩阻力Fa 钻压W 从模拟试验结果分析来看：在喷射下入过程中刚开始随着钻压的逐步增加，钻速逐渐增大，但当钻压增加大一定值时，钻速会达到一个极值，然后又逐步下降。钻压与机械钻速关系Y荔湾3-1油田钻压参数优化 Y荔湾3-1油田排量参数优化 深水喷射法表层套管钻井工艺参数优化研究 旋转和滑动喷射方式选择原则研究：中等强度以下的海底土，喷射施工过程中钻头是否旋转对机械钻速影响不大，而对于中等强度以上的海底土，钻头旋转会进一步提高喷射的钻进速度。如果表层套管喷射下入后，下一个井段要使用动力钻具则表层套管下入就选择旋转喷射方式；如果表层套管喷射下入后，下一个井段采用转盘方式钻进则表层套管下入就选择滑动喷射方式。钻井表层套管下入施工操作指南 通过对荔湾3-1气田几口已钻井的表层套管施工工艺研究，总结归纳出荔湾3-1气田表层套管喷射下入施工操作指南（22条）：深水表层套管优化设计与施工控制计算软件研制 根据上述建立的深水喷射套管入泥深度和钻井参数优化等理论模型，利用中文版系统环境，将所建立的数学模型程序化，研制出浅层海底土破裂压力计算、套管合理下入深度、钻井参数优化等计算软件，形成一套深水喷射套管入泥深度计算软件系统，软件能够实现深水喷射套管入泥深度计算分析及钻头参数优化设计。深水表层套管优化设计与施工控制计算软件研制 1.基础数据录入与管理 包括油田名与井名录入、钻井套管基本参数录入、套管入泥深度计算所需基础参数录入2.数据处理 包括钻井套管最小入泥深度计算、浅层地层破裂压力计算、喷射钻进过程中钻井参数优化设计3.分析结果输出 包括钻井套管入泥深度计算报告、浅层破裂压力计算报告、喷射钻进过程中钻井参数优化设计报告4.帮助 包括目录、搜索帮助主题等。套管软件的结构及功能：深水表层套管优化设计与施工控制计算软件研制 软件界面：深水表层套管优化设计与施工控制计算软件研制 计算结果界面：应用成果研究成果在荔湾3-1油田现场应用：套管扶正套管扶正器器南海荔湾3-1钻井表层套管施工参数：LW3-1-2井表层套管钻进钻压曲线南海荔湾3-1钻井表层套管施工参数：LW3-1-3井表层套管钻进钻压曲线南海荔湾海域已钻井表层套管施工情况分析：LW3-1-2井表层套管钻进钻压曲线在LW21-1-1井钻井设计中应用：LW21-1-1井根据研究成果成功给出表层套管喷射钻进钻具组合推荐方案和表层套管钻进钻井参数推荐方案。LW21-1-1井表层套管钻进钻压设计曲线 利用喷射法下钻井表层套管入泥深度计算模型，结合LW21-1-1井海底土性质，对LW21-1-1井的钻井表层套管最小入泥深度进行计算，计算结果如下（只考虑表层套管自重和下入管柱载荷）。LW21-1-1井钻井表层套管最小入泥深度计算结果项目等候2小时等候4小时等候6小时 30110m90m70m 3690m75m60m喷射法下表层套管入泥深度研究的实际应用：LW21-1-1井喷射法下表层套管入泥深度确定：如果考虑在喷射下完30（或36）表层套管后，钻完下部井眼，然后下入20套管，装上水下防喷器，对这种情况下表层套管最小入泥深度确定如下：LW21-1-1井钻井表层套管最小入泥深度计算结果项目等候24小时等候48小时备注3095m78m1.井口组合（30+13-3/8）2.13-3/8套管下深1000米（100吨）3.水下防喷器200吨3698m80m1.井口组合（36+20）2.20套管下深600米（160吨）3.水下防喷器200吨喷射法下表层套管入泥深度研究的实际应用：如果在流花4-1油田采用喷射法下套管，30井眼的管柱组合为：26钻头+马达+17-1/4扶正器+MWD+扶正器+8钻铤+送入工具+5加重钻杆。流花4-1油田喷射法下套管钻压与管柱载荷关系图如图所示：流花4-1油田应用：喷射法下套管时钻压与管柱载荷关系图根据流花4-1油田海底土力学特性，推荐喷射法下套管钻井参数如下。喷射法下表层套管钻井参数研究实际应用：入泥深度入泥深度钻压(kN)泵压(MPa)排量(GPM)From(m)To(m)014602.03001416752.030016221503.245022482207.075048572509.5800576430010.0820647135011.5850流花4-1油田喷射法下套管钻井参数设计 在流花11-1油田应用：流花11-1油田喷射法下套管钻井参数设计 入泥深度钻压(kN)泵压(MPa)排量(GPM)From(m)To(m)011.1501.825011.115.0802.130015.0436.01603.548036.049.02207.075049.054.82509.580054.860.028010.082060.0 75.035011.5850现场应用效果：南海荔湾地区深水表层套管入泥深度计算井名井名水深水深(m)(m)作作业时间业时间(h)(h)等候等候时间时间(h)(h)实际实际入泥深度入泥深度(m)(m)理理论计论计算入泥深算入泥深度度(m)(m)误误差差（%）备备注注LW3-1-1LW3-1-11480.001480.004.004.005.05.082.2082.2080802.72.7数据井数据井LW3-1-2LW3-1-21345.001345.002.252.251.51.567.2067.2065653.33.3应应用井用井LW3-1-3LW3-1-31454.631454.635.255.252.02.068.7868.7866664.04.0应应用井用井LW3-1-4LW3-1-41332.581332.583.003.003.03.067.8967.8965654.24.2应应用井用井LW9-1-1LW9-1-11670.001670.006.506.503.53.568.7268.7268681.11.1数据井数据井LW9-1-2LW9-1-21647.001647.002.252.254.54.569.5069.5068682.22.2应应用井用井LW4-1-1LW4-1-11630.201630.203.003.003.253.2568.7968.7968681.21.2应应用井用井LW34-2-1LW34-2-11114.671114.673.003.001.001.0068.5368.5366663.73.7应应用井用井LW3-3-1LW3-3-11551.01551.03.53.53.03.068.0068.0066663.03.0应应用井用井 现场应用证明 三、技术创新 根据系列相似模拟试验，开展了深水钻井表层套管施工过程模拟试验，探索了喷射法表层套管施工工艺的基本规律，研究了影响表层套管施工的主要因素，建立了深水表层套管喷射下入施工工艺参数（不同套管尺寸、钻压、排量、钻头伸出量）对表层套管下入速度和稳定性的影响关系。技术创新点如下：研究建立了钻头伸出量与钻进速度之间关系模型 研究建立了钻头伸出量与喷射形成的井眼尺寸之间关系模型 研究建立了钻头水射流速度与井眼尺寸之间关系模型技术创新科技查新报告四、试验装备巴西里约大巴西里约大学实验室学实验室（1000米米水深）水深）中国石油大学（北京）已建成了深水模拟试验装置，能够为我国深水科学研究提供试验条件和技术服务。中国石油中国石油大学实验大学实验室（室（5000米水深）米水深）结束结束！谢谢！谢谢！