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张 辉 柯 珂 王 磊

（中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

摘 要 水力参数是影响深水钻井表层喷射下导管作业安全顺利施工的重要因素之一。本文设计和建立了喷射下导管模拟实验系统，选取与海底浅层土性质接近的土样，对喷射下导管作业进行室内模拟实验。通过改变喷嘴直径和排量等参数，研究水力参数对导管承载力的作用规律。通过对实验结果分析发现，当作业排量和射流速度等水力参数超过某临界值时，水射流对导管壁外侧区域的土体产生过度扰动，使导管的竖向和横向承载力均发生较为明显的突降。因此在实际作业中，应当在控制水力参数提高破岩效果的同时，避免为增大导管的下入速度而使用过大的水力参数。

关键词 深水钻井 喷射下导管 模拟实验 水力参数 承载力

Simulation Experiment Research for Jetting Conductor

in Offshore Drilling Operation

ZHANG Hui，KE Ke，WANG Lei

（Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China）

Abstract Hydraulic parameter is one of the most important influence factors for the successful operation of jetting conductor in offshore simulation experiment system is designed and the soil sample that has the similar properties with shallow seabed soil，the laboratory experiments are performed to simulate the jetting conductor using the different jet diameters and different displacements，hydraulic parameters are changed in experiments to research the influence regulators of hydraulic parameters on bearing capacity of is shown in experiment results，both of the horizontal and vertical bearing capacities are significantly reduced when the jet velocity or replacement is beyond the critical reason is that the soil outside of the conductor is severe disturbed by the reasonable hydraulic parameters should be selected in jetting conductor operations to increase the efficiency of rock breaking while to avoid the severe disturbance to the soil outside of conductor.

Key words deepwater drilling；jetting conductor；simulation experiment；hydraulic parameters ；bearing capacity

喷射下导管技术是解决海洋钻井表层作业难题的特色技术之一。使用喷射方法下入导管，对于深水作业是一项经济有效的技术措施，不仅能够节约作业时间和成本，同时能够降低深水作业风险。近年来，随着国内深水及超深水油气资源勘探开发活动的不断增加，喷射下入导管技术在我国南海海域得到广泛应用。目前，中海油及Husky 、Devon、Chevron等国内外石油公司在中国南海区域所钻的深水及超深水井绝大多数采用喷射方法下入导管。

在喷射下导管作业过程中，水射流破土在导管下部地层破碎过程中起到重要作用。射流参数过小，导管下部土体无法得到充分破碎，将使导管的下入阻力增大；射流参数过大，对导管外部土体过度扰动，将影响导管下入后承载能力的恢复。因此，本文通过室内模拟实验，研究射流参数对导管喷射下入过程及导管承载力的影响规律，为喷射下导管水力参数设计提供依据。

1 喷射下导管作业介绍

喷射下导管作业过程中，将底部钻具组合置于导管内部，通过送入工具与导管相连，并由送入管柱送达海底。导管到达泥线处时，在依靠重力作用进入地层的同时，开泵驱动马达使钻头旋转，对导管内的土体进行破坏，并循环钻井液将岩屑从导管与钻柱的环空返出。导管下入过程中，靠钻头旋转与水力作用联合破岩，并在导管自重及送入工具的重力作用下克服导管的下入阻力进入地层。导管到达设计深度后，经过一定时间的静止，在导管与地层土之间建立足够的胶结强度，保证导管在后续作业中有足够的承载能力。

喷射下导管技术将钻井与下导管两项作业 “合二而一” 进行，一趟钻完成了钻井眼与下导管两项作业，并省去了固井环节。将这项技术应用于深水钻井导管下入作业，不仅节约了在上千米深水中多次起下钻的作业时间，同时避免了常规下导管时，容易受到深水海域环境载荷的影响而找不到井口的风险和复杂情况，以及深水海底低温带来的固井质量差等技术难题［1～4］。

2 喷射下导管作业室内模拟实验

实验总体思路

用金属管作为模拟导管，沿金属管轴向设置应变片，用小型水泵模拟导管的喷射下入过程，并记录导管的下入速度。导管下入后静置一定时间，测试导管的竖向和横向承载力。采用不同的排量、喷嘴尺寸等参数，重复进行实验，最终得出导管承载力随排量、射流出口速度等水力参数变化的规律。

模拟实验系统设计

实验系统整体组成

喷射下入导管室内模拟实验系统示意如图1所示，主要包括土箱、管柱系统、循环系统、加载系统、测量系统等组成部分。

加载系统

加载系统包括对模拟导管的竖向加载和横向加载。通过千斤顶对导管施加竖向上拔力及横向推力（图2，图3），并通过压力传感器实时采集加载过程中的压力变化值。

图1 喷射下导管模拟实验系统示意图

图2 竖向加载系统

图3 横向加载系统

测量系统

测量系统主要对加载过程中导管顶部的竖向和横向位移进行实时测量。通过在导管上部的铁盒处连接位移百分表（图4，图5），测量导管顶部的位移随加载载荷变化的规律。

实验参数

实验采用表1中的排量及喷嘴尺寸组合，得到不同的水力参数，分别实现：

1）保持喷嘴射流出口速度为，改变排量。

2）保持排量为，改变喷嘴射流出口速度。

图4 竖向位移测量系统

图5 横向位移测量系统

表1 实验参数

实验步骤

实验按照以下步骤逐组进行：

1）将导管直立吊起至实验土层上方、土箱中间位置处。

2）控制大钩使管柱匀速缓慢下沉入泥，管柱入泥的前1m不开泵。

3）管柱入泥1m后开泵。开泵时先用小排量，逐渐增大至设计排量值。

4）缓缓释放大钩，使管柱在自重及射流联合作用下逐渐下沉。下放过程中保持匀速，并保证管柱的垂直性。

5）管柱到达标记位置后，停泵，并用大钩吊住管柱静止20min。

6）释放大钩，观察管柱是否发生沉降。

7）静置管柱恢复4h之后，对管柱进行承载力测试。

8）在导管顶部中心位置处施加竖向上拔力，以位移40mm作为标准，记录导管顶部的竖向位移量。

9）在导管顶部固定位置处施加横向推力，以位移40mm作为标准，记录导管顶部的横向位移量。

10）拔出导管，重新整理土样，更换实验参数，重复实验。

实验结果及分析

实验现象

实验过程中，观察到的实验现象如下：

1）导管能够在自重及辅助压载作用下下入指定深度。导管下入时，可见泥浆从管内返出的现象，如图6所示。初始返浆位置多在导管下入 ～2m位置左右。

图6 泥浆从管内返出

2）导管下入到指定深度后吊住静止20min，释放大钩，多数情况下能够保持在下入位置。在少数排量较大的情况下，发生了导管下沉3～10cm的情况。

通过上述实验现象，证明本实验可近似模拟喷射下入导管现场作业过程。

实验结果分析

1）射流出口速度保持在不变的情况下，导管的竖向及横向承载力随排量的变化曲线如图7所示。从图7中可以看出，管柱的竖向及横向承载力随排量的增大而降低。在射流出口速度为的条件下，曲线上对应于排量为（喷嘴尺寸为2mm）时，管柱的竖向及横向承载力均发生较为明显的突变。

图7 射流出口速度不变，排量对管柱承载力的作用规律（砂土中）

2）排量保持在不变的情况下，导管的竖向及横向承载力随射流出口速度的变化曲线如图8所示。

图8 排量不变，射流出口速度对管柱承载力的作用规律

从图8中可以看出，管柱的竖向及横向承载力随射流出口速度的增大而降低。在排量为的条件下，曲线上对应于射流出口速度为（喷嘴尺寸为2mm）时，管柱的竖向和横向承载力均发生较为明显的突变。

3 实验结果与理论计算对比

当水力喷射破碎地层的范围恰好达到导管壁位置处时，对应的射流出口速度称为射流破土的临界射流出口速度，对应的排量称为临界排量。根据淹没水射流特性、土体在射流作用下的破坏条件以及钻头水眼的位置、倾角等参数，可以计算得到在实验条件下射流破土的临界排量和临界射流出口速度随不同喷嘴尺寸的变化曲线［5～10］，如图9所示。

图9 实验条件下的临界排量和临界射流出口速度

从图9（a）中可以看出，在实验中所用射流出口速度为的情况下，临界曲线上所对应的喷嘴直径为2mm，恰好为图7中承载力曲线上发生突变的位置；从图9（b）中可以看出，在实验中所用排量为的情况下，临界曲线上所对应的喷嘴直径为2mm，恰好为图8中承载力曲线上发生突变的位置。

上述实验结果说明：当排量和射流出口速度超出理论计算得到的射流破土临界排量及临界射流出口速度时，射流将对管壁外侧的土体产生很大扰动，从而使管柱在下入后一定时间内的承载能力发生明显下降。

4 结论

1）本研究设计的喷射下入导管室内模拟实验装置，能够较好地模拟喷射下导管作业过程，有助于研究水力参数对导管承载力等性能的作用规律。

2）通过实验结果可以看出，排量、射流出口速度等参数都对导管的承载能力有很大影响，提高射流排量和出口速度，能够提高射流的破土能力，增加对导管壁附近区域地层的扰动，从而使得导管承载能力降低。

3）对照实验结果与理论计算结果可以发现，当喷射下入导管作业的水力参数达到或接近射流破土的临界水力参数时，将对导管壁周围的地层产生严重扰动，使导管的承载能力发生比较明显的突降。

4）在实际作业过程中，应当控制水力参数小于射流破土的临界水力参数，防止导管承载力发生严重下降，避免为提高导管的下入速度而使用过大的水力参数。

参考文献

［1］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.

［2］张俊斌，韦红术，苏峰，等.流花4－1油田深水表层套管喷射下入研究［J］.石油钻采工艺，2010，32（6）：42～44.

［3］刘书杰，杨进，周建良，等.深水海底浅层喷射钻进过程中钻压与钻速关系［J］.石油钻采工艺，2010，32（6）：42～44.

［4］汪顺文，杨进，严德.深水表层导管喷射钻进机理研究［J］.石油天然气学报，2012，34（8）：157～160.

［5］沈忠厚.水射流理论与技术［M］.第1版.东营：石油大学出版社，1998.

［6］Chu Eu fluid jet excavation in cohesive soil with particular application to jet grouting［D］，麻省理工大学，2005.

［7］李范山，杜嘉鸿，施小博.射流破土机理研究及其工程应用［J］.流体机械，1997，25（2）：26～29.

［8］马飞，宋志辉.水射流动力特性及破土机理［J］.北京科技大学学报，2006，28（5）：413～416.

［9］马飞，张文明.淹没水射流土层扩孔方程［J］.北京科技大学学报，2005，28（5）：413～416.

［10］高大钊.土力学与基础工程［M］.第1版.北京：中国建筑工业出版社，1998.

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《钻采工艺》是中国石油天然气集团公司四川石油管理局钻采工艺技术研究院和中国石油股份有限公司西南油气田分公司采气工程研究院联合主办的国内外公开发行的科技类期刊。从1978年创刊至今，总计出版了140期，与国内外的石油、地质、机械等英才们共同走过28年的辉煌历程，是报道国内外石油勘探、钻井、固井工艺技术、油气田开发、开采技术、钻井、开采机械设备和技术、油田化学工艺技术等领域最新科技成果、科技动态、科技交流信息的知名期刊。

石油的钻采设备及工艺【1】

[摘 要]本文回顾了石油钻采设备制造概况，结合文献资料梳理了石油钻采设备发展方向，例举了石油的钻采设备新工艺，对发展石油钻采设备提了两方面的意见。

[关键词]石油;钻采设备;工艺

一、石油钻采设备制造概况

石油钻采设备系指专用于陆地和海洋石油、天然气开采的装备。

它主要包括陆上石油钻采设备，海洋和沙漠石油钻采专用设备、钻具(井下钻采工室外具)等。

在整个石油钻采装备中，石油钻机占70%，采油设备占20%，其余装备占10%。

当今，全世界有一百多个国家和地区从事石油和天然气的勘探和开采，但只有二十多个国家能够制造石油钻采设备，其中美国实力最强，水平最高。

我国钻机制造水平已经领先于俄罗斯，与欧美先进厂家水平大体相当，但成本低20%-25%。

我国现已基本掌握国际先进的石油钻采设备制造技术，先后开发了适用于陆地、石油钻采设沙漠及海洋作业的石油钻机，传动技术已发展到机械传动、直流电传动、交流变频电传动及机电复合传动并举。

二、石油钻采设备发展目标

1、钻井设备及工艺。

开发全电驱动和复合电驱动(SCR滞留电驱动钻机和VFD交流变频电驱动钻机)钻机，提高钻机自动化和智能化水平。

建造钻机机、电、液、气.信息和钻井仪表、自动送钻一体化网络平台。

①为缩短钻机移动过程的拆卸、运输、安装时间，大力发展车装钻机和拖挂钻机，4000m以上钻机采用大拖挂方式，3000以下钻机发展车装交流变频驱动和车装全液压驱动。

②在顶驱钻机制造方面，进一步提高SCR顶驱液压系统、电控系统的可靠性，发展系列变频顶驱。

③提高常规型泥浆泵( 52MPa)的可靠性，开发研制智能化软泵系统、自动检测等单元技术，开发液缸起立环形布置泥浆泵和液压泥浆泵。

2、采油设备及工艺。

机械采油设备研制方面。

机械采油设备的研究和开发，可满足开采难度大的油井和稠油、结蜡、结盐等油井的需要，提高经济效益和节能降耗效果，提高整机效率和可靠性，提高自动化和智能化控制技术水平。

①开发三次采油设备和稠油采油装备，加大在用量较大的游梁式抽油机等的节能降耗改造力度。

②修井机研制方面，努力提高产品的安全可靠性、自动化水平、集装化程度和移运能力。

大力研制适适用于深井、边远地带的修井设备，以及沼泽、严寒.沙漠地区使用的特殊修井机。

③固井压裂设备研制方面。

大力发展大功率、多功能、自动化系列压裂车，发展大排量、高砂比、多功能和自动化混砂车。

3、油气输送管道设备。

大力.发展油气输送钢管和输送设备，包括敷管钻机、天然气长输管道增压机、大口径高压油气集输管道阀门和油气管道钢管和器材。

中型管道非开挖敷设定向钻机市场需求量较大，中型钻机技术上优于小型管道钻机，而难度远低于大型管道钻机，因此应大力发展。

三、我国石油钻采设备工艺

1、我国首台12000米深井钻机。

这是继2006年9000米钻机研制成功后，2007年又开发成功的我国首台陆用12000米交流变频电驱动钻机，也是目前全球技术最先进的特深井陆地石油钻机。

该钻机采用国际最先进的全数字化交流变频控制技术，作业全部实现了智能化控制，能保证在-40℃环境条件下进行正常钻井作业。

钻机的核心部件基本实现了国产化，12000米钻机的快速成功问世，将把我国陆地深层和海洋深水油气田、大位移井及其他复杂超深油气藏的勘探开发技术提高到一个新的层次。

2、首台人工岛环轨移动钻机。

人工岛7000米环轨移功摸块钻机，其环形轨道移动设计为全球首创技术。

填补了国内空白。

该钻机主模块把地面上搬家的设备全部集中到一个平台上，缩短了搬运安装时间，大大提高厂钻井时效，是加快我国近海地区石油气开发、实现海陆采的战略性精良钻井装备。

该钻机主模块开创了海洋钻机陆用化的先河，其弯道滑移技术属全球首创。

3、我国首套多功能海洋3000米钻修井机。

这种钻修井机集钻井，完井、修井三项功能于一体，适用于自升自航式海洋多功能钻井船作业。

在结构设计上，全部实现模块化和高移运性。

大大减少设备的现场吊装工作量，可满足海上作业现场频繁拆卸、移运和安装的需要，能大大地提高海洋油气勘探开发的工作效率。

该设备在国内第一条海洋多功能船上为多个油气作业平台提供服务，标志着我国海洋石油钻采设备研制实现新的突破。

4、万米以上石油开采钻机交流变频控制系统。

12000米超深钻机交流变频控制系统自主研发成功，标志着我国在超深井石油开采设备研制方面取得重大突破，也代表目前我国钻机电控系统的最高水平。

该系统可以根据钻机在钻探过程中的实际工作状态，通过自动送钻、冗余控制、多电机负荷分配、一体化控制等技术，对深入地下的钻机发出不同指令，使钻机达列最佳工作状态。

5、万米测井绞车。

采用国内先进的电比例控制和液压控制双模式控制系统，液压泵、液压马达、低速阀三级变量控制，实现了大范围速度，超低速测井，速度范围达到20-10000m/h，测井深度可达万米，比国际同类产品深1500米。

四、发展石油钻采设备意见

1、技术政策方面。

一是参照美国API标准，完善我国钻采设备标准体系，并认真组织贯彻执行。

对不符合标准的产品，主管部门要采取强制措施，使用部门有权拒绝使用。

二是加强浅滩、海洋和沙漠油田用的成套设备研制和技术攻关。

我国的近海和沙漠蕴藏着丰富的石油资源，特别是西部广大沙漠地区，将是我国近期最重要的石油后备资源。

目前海洋石油开发设备还仍然主要依靠国外，国产设备所占比例极少，而开发浅滩和沙漠油田的设备基本上尚属空白。

因此，我们必须加快研制海洋、浅滩和沙漠油田设备的步伐，尽快摆脱依赖国外的被动局面。

三是加强基础技术和关键零部件的攻关，开展产品的可靠性研究。

四是把发展成套钻采设备所需配套产品提到重要议事日程上来。

我们在抓主机的同时，一定要把配套产品抓好。

五是发展变型产品、“积木式”产品，提高石油钻采设备的多变性和适应能力。

2、组织措施方面。

一是要适当增加对石油钻采设备关键技术攻关的投入。

二是应设立风险基金和奖励基金。

应该设立风险基金，支持发展我国海洋、浅滩、沙漠的石油钻采机械企业而承担风险，并对支持发展国产设备有成绩的使用部门、基层，要给予表彰和奖励。

三是要严格控制进口。

为了尽快提高我国石油钻采设备水平，缩小与国外的差距，一方面要保护“国货”，国内能满足的设备绝不去购买“洋货”多，另方面要有选择地购买一些样机，供科研、制造单位进行解剖和研究，以资在自行研制时借鉴。

四是要在消化吸收引进技术上打破部门、单位的封锁。

引进国外技术应该采取行政手段，打破封锁，全国受益，使引进技术在促进我国石油钻采设备的发展中起到更大作用。

结语

近年来，石油钻采机械设备及工艺，通过引进先进技术和科研，更新了老产品，开发了新产品，质量逐年提高，品种不断增加，主要常规的钻采机械设备已形成了系列，一些关键机械产品和设备实现了更新换代，实有钻采设备得到了很大的发展。

参考文献

[1] 何军国，郭谊民，韩延红.油钻采设备的防腐工艺研究[J]. 石油矿场机械，2002(06).

[2] 田 晖，杨宏治.中国石油钻采制造业市场分析[J].法制与社会，2007(03).

[3] 韩晓杰，胡庆明.2011年石油石化装备面临市场新契机[J].气体分离，2011(04).

[4] 雷永刚.石油机械制造业产品与技术发展预测[J].科技信息(科学教研)， 2007(06).

石油的钻采设备及工艺【2】

摘 要：石油，作为支撑众多行业工作正常开展的前提和基础，已经成为国民经济建设的主体。

从建国初期开始，我国一直将石油作为其主要发展的产业，所以对于石油的钻采技术的研究就更为迫切。

相关资料显示，目前众多企业在进行油田开采的过程中采用的相关机械设备具有种类繁多的特点，其中包括不同类型以及特殊功能的钻机、抽油机等等。

为了保证石油产业的健康发展，该文就目前所有勘探采集过程中所使用到的相关钻采设备以及相应的工艺进行分析，具体研究内容做如下说明。

关键词：石油产业 钻机设备 工艺研究

我国在还未解放之前，其归属为半封建、半殖民状态，所以其能够拥有的制造业也是显得寥寥无几，对于石油这个产业的发展研究，更是想都不敢想的。

但是，随着中国在国际中占有力以及地位的不断提升加速了各个行业的发展，这其中也包括石油产业。

为了石油产业的进一步发展，所以对石油的钻采设备及工艺开发势在必行。

1 我国石油钻采设备发展历史

19世纪60年代

我国最早的石油钻采设备机械是太原矿山机器制造厂与兰州通用机器制造厂生产的，但是那个时候没有专门的钻采机械制造业。

国民时代

由于一直是在引用国外的机械设备，因此中国那个时候只有一些钻采设备修理厂。

开国以后

自从开国以后，由于国家对石油工业开发十分的重视，因此我国的石油钻采机械从那个时候才得以迅速发展起来。

2 石油的.钻采设备及工艺发展的四个阶段

石油钻采设备配件的制造工艺仿制阶段

由于苏联、罗马尼亚、匈牙利等一些社会主义国家对我国的石油开发提供了大量石油钻采设备，从此为我国钻井、采油提供了物质基础。

在这期间，我国国内大型机器制造厂开始仿制这些国家的石油钻采设备中的配件，当时大多数是为了及时对其进行维修。

石油钻采设备制造工艺仿制阶段

最早开始对石油钻采设备仿制的机器制造厂是上海大隆机械厂，先开始生产石油钻采机械的配件，后来成功仿制了苏联国家的泥浆泵，而且开始试着仿制其他机械。

继而吸引更多的机械制造厂进行争相效仿，不仅制造了多种型号的钻采设备而且还仿制了很多质量较好的辅助设备。

我国自制研发石油钻采设备以及相关制造工艺

由于我国倡导的“独立自主，自力更生”思想，我国在石油的钻采设备上开始凭借自己国家的技术力量自主研发制造，终于通过对克拉玛依油田的By―40钻机进行技术改造，制造了起重百吨的钻机搬家专用车以及井底电动钻具。

随后，很多的机械制造厂也制造出了更多关于油田开发的辅助设备。

1960年由兰州石油机械研究所召开了相关协调会议，通过了我国当时第一个钻机系列的协定，这个协调会议标志着我国的石油钻采机械制造与科研进入一个全新阶段。

随后渐渐制定了一些关于石油钻机的相关规定，标志着我国石油钻采制造业的兴起。

石油钻采设备制造工艺进入引进、开发、创新阶段

中国近年来实行对外开放政策，开始引入了一批国外先进的石油钻采设备，从此给我国钻采事业开发、科研等各方面带来了显著的效果。

3 我国石油钻采设备及工艺的显著效果

科研开发取得了显著的效果

例如，渤海五号以及七号自升式钻井船，都得到了我国的科技进步奖等等。

研究出新型工艺，制造出新型钻采设

具有分析三缸单作用泥浆泵，其主要设计的依据，是计算数学模型，并较好的强化了套筒滚子链条工艺，并制造出了相关辅助设备，从此为我国钻井技术水平的提高打下了基础。

而且近几年来，我国生产的相关设备配件还出口国外。

石油的钻采设备零件标准化和产品系列化有了长足进展

自从1980年以后，我国的油田设备标准已过400多项(包含国家标准11项)。

石油钻采设备科研机构和教育的发展

我国各大油田都建立有相关石油钻采机械研究所以及钻进工艺研究所，而且还具备了很多各种钻采设备的试验条件，从而促进我国石油钻采设备机械制造业进一步发展。

加强各个机械制造业之间的探讨与合作

1985年在北京正式成立中国石油设备协会，从此推动我国石油设备制造业蓬勃发展。

我国制造的石油钻采设备开始出口国外

我国从1981年就开始对国外出口我国制造的石油钻采设备了。

随后，越来越大的石油钻采设备系列以及相关辅助设备出口国外。

4 结语

该文对石油的钻采设备及制造工艺的发展史进行了阐述，由此可见，我国的石油业的迅速发展带动了我国石油的钻采设备及工艺的崛起，甚至令我国的钻采设备、工艺以及相关辅助设备都出口国外，得到全世界的认同，因此，我国自主研发的钻采设备、工艺以及相关辅助设备已经满足我国石油的开发需要了。

参考文献

[1] 何军国，郭谊民，张勇，等.石油钻采设备的防腐工艺研究[J].石油矿场机械，2002(3).

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