海洋钻井表层隔水导管打桩技术分析及应用

作者简介 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 010 84526811 崖城崖城 13 1 气田表层隔水导管快速打桩技术分析及应用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 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 Pile driving monitor 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 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 kt net kt vot u N q N q c 式中 cu 不排水抗剪强度 qt 校正后的 PCPT 锥尖阻力 vo 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 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0102030405060708090100 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地层基础承载力分析 1 隔水导管入泥原则 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 后续井段 钻井作业建立闭路循环时隔水导管鞋处不漏 失 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最大承载 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 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 5 BNrKr 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 cot 为有效内摩擦角 Nq exp tan tan2 45 0 5 Nr 2 Nq 1 tan 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 tan L Kr 1 0 4B L 其中 B 为矩形短 边长 L 为矩形长边长 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 打桩技术分析打桩技术分析 1 打桩锤的选择 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 最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 D62 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 柴油锤动力与桩锤于一体 不需要专门的 液压站 结构简单 柴油锤尺寸更小 可以实现不拆顶驱直接 安装 柴油锤自带导轨 居中度良好 最大程度 上防斜打直 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 32 D 46 32 D62 22 上活塞质量Kg 3600 4600 6200 每次打击能 量 Nm 113720 55450 145305 70850 218960 107050 打击次数 Min 136 53 35 53 36 50 最大爆破力 KN 1695 1695 1800 适宜最大打 桩规格 kg 12000 16000 25000 2 深穿刺引鞋的应用 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 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 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 锤体 包括起落架 启动 导向架 锤导向架 泵体保护架 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最大 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 隔水导管入泥前最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 使用打桩锤锤击的最初阶段柴油锤最好处于 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 Pile driving monitor 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 打桩前最好检查泥面上是否有杂物 有 条件最好能清理井口附近 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 最后贯入度的最 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 最大偏移度均小于 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