海洋钻井表层隔水导管打桩技术分析及应用

作者简介：张红生，男，1973年出生，1997年毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，现为中海石油（中国）有限公司钻完井技术管理部深水主管。地址：北京市东城区朝阳门北大街25号，电话：[phone]。崖城13-1气田表层隔水导管快速打桩技术分析及应用张红生1管申1庄健2方满宗1郭永宾1（1.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江524057；2．中海油田服务股份有限公司，广东湛江524057）摘要：由于崖城13-1气田开发需要，从2009年12月到2010年10月中海石油（中国）湛江分公司进行了4口大位移调整井的钻完井作业，其中A10和A15井表层26隔水导管采用钻机打桩方式完成。本文以这2口井的打桩作业情况为基础，结合相关理论研究计算，深入分析和总结了海洋隔水导管快速打桩的技术特点与经验，主要研究内容包括：地层基础承载力分析、打桩锤的优选及快速安装设计、深穿刺引鞋的设计、替打短接的设计、Piledrivingmonitor数据采集系统及打桩作业要点等快速打桩工艺。该套完整的快速打桩工艺的应用具有坚实的理论基础，经过了现场作业的检验并取得了良好的应用效果，分析了海洋隔水导管打桩作业的诸多技术关键，对未来海洋钻井打桩作业模式具有重要的借鉴意义。关键词：隔水导管基础承载力打桩锤数据采集系统防斜打直1.工程概况崖城13-1气田位于海南省三亚市西南方约91公里的南海北部海域，是中海石油（中国）有限公司湛江分公司的一个对外合作气田，自1996年投产以来，一直肩负着给香港中华电力供气的重要任务。经研究气藏存在一定调整挖潜潜力区域，同时为满足下游用户的提气需求，于2009年底进行了A9、A10、A12Sah和A15井等4口大位移调整井的钻完井作业。其中，A10和A15井表层26隔水导管采用钻机打桩方式完成。2.地质资料分析根据崖城13-1气田前期地质钻孔资料，对隔水导管入泥进行受力分析，计算出不同层位地层的承压能力，选择合适的击打能力，防止在作业过程中出现因击打能力过大导致套管下沉过快而可能出现空打等风险、或因击打能力不足而导致的拒桩等现象。利用已钻孔的地层岩性，利用以下公式可以确定PCPT结果与由实验室强度试验所得出的不排水抗剪强度之间的相关性，进而达到根据PCPT测试结果来估算粘性土的不排水抗剪强度的目的。其公式为：ktnetktvotuNqNqc=−=σ式中，cu=不排水抗剪强度；qt=校正后的PCPT锥尖阻力；σvo=总上覆压力；qnet=地层静承载力；Nkt=锥头系数。根据上述公式，计算出崖城13-1气田表层各深度对应地层抗剪切强度，见图1。01020304050607080900102030405060708090100地层抗剪强度(kpa)入泥深度(m)图1崖城13-1气田地层抗剪切强度曲线图3.地层基础承载力分析（1）隔水导管入泥原则打桩作业之前，根据地层基础承载力及承压能力，选择合适隔水导管入泥深度，为后续钻井作业的顺利进行提供重要保障。隔水导管入泥的确定原则主要有以下两个方面：①后续井段钻井作业建立闭路循环时隔水导管鞋处不漏失；②满足后续钻井作业承载力的要求。根据A10、A15井井身结构设计，建立了隔水导管在钻井作业受力分析模型，见图2。根据模型分析，后续钻井作业过程中要求隔水导管的昀大承载力：Qn=26″隔水导管自重+井口载荷+18-5/8″套管重量+台风情况下悬挂钻具重≈160(T)图2隔水导管在钻井作业受力分析模型图（2）地层基础承载力分析本次打桩作业选用外径26″、壁厚0.75″的隔水导管，结合上述地质资料分析，利用Buisman-Terzaghi(Buisman,1940;Terzaghi,1943)提供的计算公式计算出对应地层的基础承载力：qn=SuNcKc+qoNqKq+0.5γBNrKr式中：qn为基础单位面积承载力；Su为基础贯入深度处粘性土不排水抗剪强度；qo为有效上覆土压力；Nc、Nq和Nr为无纲量土承载力系数其中，Nc=(Nq-1)*cotδ，δ为有效内摩擦角，Nq=(exp(π*tanδ))*(tan2(45°+0.5δ))，Nr=2(Nq+1)tanδ；Kc、Kq和Kr为基础的形状修正系数（基础为矩形时：Kc=1+B/L*Nq/Nc；Kq=1+B*tanδ/L;Kr=1-0.4B/L。其中B为矩形短边长，L为矩形长边长，δ在粘性土时取值0）。当26″隔水导管锤入75.6m对应基础承载力达160吨左右，可以满足后续作业承载力的要求；同时，参考前期开发井作业经验，此入泥深度对应地层承压能力可以满足后续钻井作业要求。4.打桩技术分析（1）打桩锤的选择常用的打桩设备主要有落锤，单动汽锤、双动汽锤、柴油桩锤和液压桩锤。目前，在海上打桩作业使用的打桩锤有两种：柴油打桩锤和液压打桩锤。这两种打桩锤冲击行程大，能产生较大的冲击能量，因而能满足隔水导管锤入较大的入泥深度。打桩锤的选择主要考虑满足隔水导管克服地层对其的锤入阻力，冲击能力过大或过小的打桩锤对于打桩作业都是不利的。例如，崖城13-1气田前期打桩作业时采用D-36和D-46锤进行10口井的打桩作业，由于打击能量小，无法打桩至设计深度，昀终只能通过中途应急钻22″井眼再恢复正常打桩作业，才能将隔水导管锤入至设计深度。借鉴前期作业经验，本次打桩作业选用D62-22柴油打桩锤，主要性能参数见表1。主要由以下原因：①D62-22型柴油打桩锤及吊架总重量仅17吨，吊装方便，无需拆解分装；②柴油锤动力与桩锤于一体，不需要专门的液压站，结构简单；③柴油锤尺寸更小，可以实现不拆顶驱直接安装；④柴油锤自带导轨，居中度良好，昀大程度上防斜打直；⑤柴油锤安全可靠，防爆设计。实际使用效果表明，D62-22柴油打桩锤的选择为本次打桩作业顺利实施奠定重要基础。表1柴油打桩锤主要性能参数对比表型号参数技术单位D36-32D-46-32D62-22上活塞质量Kg360046006200每次打击能量Nm113720~55450145305~70850218960~107050打击次数Min-136~5335~5336~50昀大爆破力KN169516951800适宜昀大打桩规格kg120001600025000（2）深穿刺引鞋的应用以往打桩作业只对隔水导管鞋采取简单的加工处理：将管鞋打磨成30°倒角，以提高管鞋的破岩能力，但在打桩中过程经常出现隔水导管无法锤入至设计深度、后续钻井在管鞋处出现遇阻等现象，分析原因主要是隔水导管鞋的破岩能力不足导致拒桩、甚至变形。针对以上问题，经过细致技术分析，提出了加工深穿刺引鞋工艺方案：在引鞋底部1.5m的管体内外壁上加焊加强筋，提高管鞋的纵向及横向的强度；同时，在引鞋底部加焊硬质合金的深穿透齿，加强其破岩能力。实际作业证明：深穿刺引鞋应用效果良好，打桩作业进尺快，作业效率高。（3）替打短接的应用本次打桩作业使用的隔水导管扣型为无接箍扣，其丝扣部位为薄弱地带，如果打桩锤击力直接作用在提升短接(护丝)，容易损坏丝扣。因此，设计加工了替打短接，通过替打短接将打桩锤的打击能量传递到导管，可以有效的保护桩头，避免损坏丝扣。（4）打桩锤的安装钻机打桩作业使用柴油打桩装置一般都分为两大部件，见图3。①.锤体（包括起落架，启动导向架，锤导向架，泵体保护架）；②.吊笼装置（包括导向套筒，桩帽、替打等）。图3柴油打桩锤示意图目前，国内外利用钻机进行打桩作业，基于游车上行高度限制及保护顶驱等方面因素，安装打桩锤前拆下顶驱，打桩作业结束后再装回顶驱，这样需要至少多花费3天的作业时间，作业效率低。根据崖城13-1平台模块钻机井架游车昀大提升高度约32.5m、26″隔水导管单根长度约12m，为便于上扣套管下入时方余约1.5m，安装打桩锤预留空间不超过19m。通过优化安装方案，利用平衡块和吊索直接将打桩锤悬挂于顶驱的下方，顺利实现了不拆顶驱直接安装，节省了大量的设备拆装时间，提高了作业时效，见图4。图4不拆顶驱打桩锤安装示意图5.现场施工南海西部海域水深较大，隔水导管串比较长，且该地区受热带风暴、台风和季风的影响海况较差，隔水导管柱入泥时容易出现偏斜。因此，在隔水导管入泥前昀好等到平潮后在慢慢的下放；同时，到低层甲板导向孔处加焊扶正楔块，以确保隔水导管入泥前处于居中状态。由于隔水导管和打桩锤的自重，隔水导管自进23m左右距离至地层能够承载其重量，这一自沉进程应控制下放的速度，等待稳定后再进行锤击。使用打桩锤锤击的昀初阶段柴油锤昀好处于不燃烧的空打状态，在确认隔水导管沉桩良好后再转入正常的连续锤击，每一根导管单根锤击都采取“重锤慢击”的原则，控制好锤击能量和贯入速度，直至将隔水导管锤入至设计深度。打桩施工过程如下：（1）游车上提打桩锤到合适的高度。（2）下放游车，隔水导管进入替打短接并顶到替打短接，此时打桩锤在吊笼内停止向下移动，平衡杆及吊笼向沿着自身的导轨向下移动，同时下降起落架，使起动钩控制桩锤的上活塞；（3）上提游车，提升起落架沿着打桩锤导轨上移动，带动起动钩提起上活塞；（4）当起落架装置上的起动钩碰到上碰块时，起动钩自动脱钩使上活塞下落而捶击隔水导管，见图5。图5打桩施工流程图此外，在整个施工过程中采用了Piledrivingmonitor数据采集系统检测桩锤的打击能量，实时显示每锤进尺，及时发现溜桩、拒桩等异常，以便采取相应措施，有效的保证了隔水导管锤入至设计深度82m左右。结合本次崖城13-1气田调整井A10、A15井打桩作业情况，总结以下几点注意事项：（1）打桩前昀好检查泥面上是否有杂物，有条件昀好能清理井口附近，防止损坏桩鞋。（2）打桩应采用“重锤低击”的原则，打桩的时候桩锤越重，落距低，锤击接触时间就可延长，所以宜用合适重锤来锤击以及较低的锤数。（3）打桩应遵循“力戒偏打”的原则，打桩应力峰值往往是由于偏心冲击而引起的局部应力，桩顶不平、替打短接尺寸过大或过小及隔水导管倾斜都会导致偏心冲击，要采取有效措施加以控制，避免打桩应力的峰值。（4）在打桩的过程中，尽量避免长时间的停歇中断，这样很容易引起粘桩现象。因此，隔水导管连接等停顿时间越短越好。（5）要控制好隔水导管的垂直度。打桩锤、替打短接和隔水导管应处于同一中心线上。（6）考虑桩锤的工作状态，昀后贯入度的昀小值不宜小于20mm/10击，柴油锤处于极限工作状态，过小的贯入度容易损坏打桩锤和隔水导管。6.应用情况通过采用先进的D62-22柴油打桩锤、不拆顶驱安装打桩锤、无接箍隔水导管的选择和实时数据采集系统的应用等一系列优快打桩工艺，本次A10、A15井打桩作业安全顺利、优质高效的完成，两口井打桩作业仅用时43.50小时，提前设计时间160.5小时（6.69天），节省费用高达650余万人民币；同时，两口井隔水导管均锤入至设计深度，昀大偏移度均小于0.5度，满足设计工程质量控制标准。7.结论(1)作业前对地质资料进行分析，进行地层承载力分析，确定隔水导管下深，选择合适的打桩设备及隔水导管，是打桩作业顺利进行的重要基础。(2)制定合理的打桩锤安装方案，实现不拆顶驱直接进行打桩作业，深穿刺引鞋及替打短接等创新性技术设计的应用，提高了作业效率，经济效益显著。(3)与以往表层隔水导管采用钻井下入的方式相比，采用钻机打桩方式锤入隔水导管具有作业程序简单，作业时效高，隔水导管的承载力大，受天气海况影响较小等诸多优点。(4)针对当前海上油气田开发前期依靠大型工程船进行打桩作业费用昂贵、资源稀缺的现状，钻机打桩技术提供了一条切实可行的备选方案。(5)崖城13-1气田调整井A10/A15井打桩作业的顺利、高效的实施，证明通过钻机打桩方式完成表层隔水管下入的作业方案是经济高效、切实可行的，值得在类似油气田开发过程中推广应用。参考文献:[1]管申，李磊，鹿传世，等．崖城13‐1气田高温低压大位移井钻完井工艺［J］．天然气工业，2011，31（8）16-21.[2]徐荣强，陈建兵，刘正礼，等.喷射导管技术在深水钻井作业中的应用［J］.石油钻探技术，2007，35（3）：19-22.[3]林广辉.随钻下套管技