深海能源大會：深水鉆井井身結構優化設計

深水鉆井導管普遍采取噴射擠入方式下入, 其表層套管井段為開眼循環鉆進, 鉆井液為海水, 地層破裂壓力梯度低且安全鉆井液密度窗口狹窄?由于可利用地層信息有限, 深水鉆井地層壓力信息具有一定的不確定性?由于深水鉆井具有這些特點, 使傳統的井身結構設計方法不再適用于深水鉆井?

2015年深海能源大會上，中國石化石油工程技術研究院的柯珂從深水井身結構設計的特殊性、常用深水井身結構方案、套管層次與下入深度設計方法以及水下井口穩定性分析與管柱校核幾個方面對深水鉆井井深結構優化設計方法進行了介紹。石油圈原創www.h29736.cn

深水井身結構設計的特殊性

1.深水鉆井導管井段普遍采用噴射擠入方式，其下入深度設計方法具有特殊性。

2.深水鉆井表層套管井段采用開眼循環方式鉆進（Pump and Dump）,下入深度設計方法具有特殊性。

3.深水鉆井安全鉆井液密度窗口狹窄，其低溫環境影響鉆井液密度，地層壓力信息具有不確定性，其安全密度窗口的確定方法與套管層次和下入深度設計方法具有特殊性。

4.深水鉆井需要對水下井口的力學穩定性進行分析，套管柱強度校核方法與陸地不同，具有其特殊性。

5.深水完井及開發要求對井身結構設計的影響。

整體思路石油圈原創www.h29736.cn

深水井身結構設計按照深度分淺部和深層兩方面進行。

淺層上部井段設計：石油圈原創www.h29736.cn

• 深水導管噴射下入深度設計方法；
• 深水水下井口力學穩定性分析；石油圈原創www.h29736.cn
• 深水鉆井表層套管下入深度設計方法。

下部深層井段設計：石油圈原創www.h29736.cn

• 地層三壓力剖面預測；
• 安全鉆井液密度窗口計算方法；
• 套管層次與下入深度的設計；
• 套管柱強度校核。石油圈原創www.h29736.cn

常用深水井身結構方案

套管層次與下入深度設計方法

1.深水鉆井導管下入深度設計方法

整體設計思路石油圈原創www.h29736.cn

下入深度：石油圈原創www.h29736.cn

• 根據樁基和材料力學理論，建立適于深水鉆井的導管及表層套管豎向承載能力理論模型及相應的計算方法；
• 分析不同工況導管所承受的載荷；
• 考慮承載能力的時間效應。石油圈原創www.h29736.cn

2.表層套管下入深度的設計石油圈原創www.h29736.cn

（1）淺部地層破裂壓力的求取

（2）下深設計石油圈原創www.h29736.cn

• 破裂壓力梯度；石油圈原創www.h29736.cn
• 鉆井液供給能力及泵功率限制；
• 經驗極限深度。石油圈原創www.h29736.cn

套管層次與下入深度的設計

（1）安全鉆井液窗口求取(安全鉆井液密度約束準則)

防井涌鉆井液密度下限值ρ_k(h)：石油圈原創www.h29736.cn

t=p_p表示地層孔隙壓力。石油圈原創www.h29736.cn

防井壁坍塌鉆井液密度下限值ρ_c1(h)和鉆井液密度上限值ρ_c2(h)：

t=p_cmin表示最小坍塌壓力；t=p_cmax表示最大坍塌壓力。

防壓差鉆鉆井液密度上限值ρ_sk(h)：石油圈原創www.oilsns.co

t=p_p表示地層孔隙壓力。石油圈原創www.h29736.cn

防井漏鉆井液密度上限值ρ_L(h)：

t=p_f表示地層破裂壓力。石油圈原創www.h29736.cn

防井涌關井井漏鉆井液密度上限值ρ_kl(h)：

(2) 套管層次與下入深度的設計方法石油圈原創www.h29736.cn

修正的井身結構設計方法石油圈原創www.h29736.cn

窄窗口條件下的設計系數選取問題：

• 根據區域情況初選各類安全鉆井液密度約束條件中系數的數值；
• 初步設計層次及下入深度，確定尺寸；
• 重新計算各類設計系數；石油圈原創www.h29736.cn
• 確定新的安全鉆井液密度窗口；
• 確定出新的層次及下入深度。

(3)壓力信息不確定條件下的層次與下深設計

• 地層壓力信息不確定性的表征方法

預測模型相關系數的區域統計性，利用隨鉆、測井數據減小不確定性（貝葉斯理論）。

• 不確定條件下的層次與下入深度設計石油圈原創www.h29736.cn

• 設計方案的選擇（風險評價）石油圈原創www.h29736.cn

風險種類石油圈原創www.h29736.cn

對西非深水海域JDZ-1區塊的Obo-1井原設計方案進行風險預測。

Obo-1井初始設計方案石油圈原創www.h29736.cn

obo-1井的鉆井日報顯示，本井在鉆至4489m時發生井涌，隨后作業者將鉆井液密度提高至1.62g/cm³，隨后導致在4257m處均發生了較為嚴重的井漏事故，這與本文預測的風險結果相吻合。

推薦方案石油圈原創www.h29736.cn

Obo-1井最終方案石油圈原創www.h29736.cn

（數據由SIPC尼日利亞分公司提供）

水下井口穩定性分析與管柱校核

1.水下井口力學穩定分析石油圈原創www.h29736.cn

通過建立平臺-隔水管-井口-導管系統的整體力學模型，進行穩定性分析。

邊界條件及連續條件：石油圈原創www.h29736.cn

• 隔水管上端：位移邊界、球接頭彎矩；
• 隔水管下端與井口上端：位移、轉角、彎矩及剪力連續；
• 井口下端與導管上端：位移、轉角、彎矩及剪力連續；
• 導管下端：與地層相互作用。

套管柱載荷的確定上有所不同，需考慮水深、隔水管及特殊工況。

（1）外擠載荷石油圈原創www.h29736.cn

（2）內壓載荷石油圈原創www.h29736.cn

小結

• 導管下入深度主要依據淺部地層巖土性質、不排水抗剪強度、導管尺寸等計算出導管的橫向與豎向承載能力，從而根據導管最終要承受的橫向與豎向載荷進行設計，深水鉆井導管深度一般為55至100m；石油圈原創www.h29736.cn
• 深水鉆井淺部地層尚未固結成巖，受飽和土的固結理論控制，井壁破裂前會進入塑性狀態。通過建立淺層彈塑性模型計算淺部地層破裂壓力將更加切合實際；
• 深水鉆井液安全密度窗口設計系數的選取直接關系窗口的大小及井身結構設計結果，通過計算，確定合理設計系數值，有效充分利用窗口空間，可以避免套管層次的浪費；
• 通過對地層壓力信息的不確定性進行科學描述，并在此基礎上進行井身結構設計，對設計方案進行風險評價，優選最佳方案并制定好應急方案，能夠有效提高井身結構設計的可靠度；
• 水下井口穩定性分析是深水井身結構設計的重要組成部分，深水套管柱校核要考慮深水相關工況的影響。

2016深海能源大會

深海能源大會是國內唯一由政府全力支持、中海油全面配合、中石油中石化等央企積極參與的行業盛會，是海洋資源及油氣領域的“博鰲論壇”，單就中海油總公司和各級分公司參會者就超過100人。石油圈原創www.h29736.cn

2016深海能源大會由海南省人民政府和中國海洋石油總公司共同主辦，于11月24-25日在?？谂e行，以期利用海南省獨特的南海資源優勢及區位優勢，抓住建設南海資源開發后勤保障基地的有利機遇，共同推進深海能源尤其是油氣資源相關領域的前沿研究和技術創新，促進我國海洋資源領域發展并推動對外合作進行。

屆時，國家能源局原局長張國寶、海南省原書記衛留成、中國工程院原副院長杜祥琬、中國工程院院士周守為、上海交通大學副校長林忠欽、中國海洋石油總公司副總經理呂波以及多名中國工程院院士等重量級嘉賓將參加大會。大會規格較高，席位有限，審核較嚴，歡迎大家早日報名，報名方式及其他更多大會信息請訪問石油圈網站：http：//www.h29736.cn/article/96921

來自/深海能源大會 ? ?編輯/Leia

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