文章编号:1000-7393(2008)02-0036-02隔水导管与土壤胶结强度试验分析研究3翟慧颖1　杨　进1　周建良2　刘书杰2　杨立平3　蔡战胜3(1.中国石油大学石油工程教育部重点实验室,北京　102249; 2.中国海洋石油研究中心,北京　100027;3.中国海洋石油基地集团公司,天津　300452)摘要:为研究隔水导管与水泥浆、水泥浆与海底土之间作用机理,在天津塘沽渤海湾海滨地区做了系列模拟试验,根据试验结果分析了隔水导管与水泥浆固结力随时间的变化规律以及水泥浆与海底土层固结强度随时间的变化规律。

在海上隔水导管钻入法施工中,隔水导管的入泥深度确定与海底土性质及水泥浆固结质量有很大关系。

隔水导管钻入法施工一般使用海水钻进,钻完固井后隔水导管外面与水泥浆直接接触,而水泥浆又与海底土层直接接触。

通过模拟试验结果得出,水泥环强度突变点是发生在注入水泥浆后的48h 的时间段。

该研究成果能够为海上隔水导管钻入法固井作业施工和钻井隔水导管入泥深度的确定提供科学依据。

关键词:钻入法;隔水导管;水泥环;胶结强度中图分类号:TE256.1 文献标识码:AAna lysis and research of cem en ti n g strength tests between wa ter isol a ti on tube and so ilZHA I Huiying 1,Y ANG Jin 1,ZHOU Jianliang 2,L I U Shujie 2,Y ANG L iping 3,CA I Zhansheng3(1.MO E Key Laboratory of Petroleum Engineering,China U niversity of Petroleum ,B eijing 102249,China;2.China N ational O ffshore O il Co m pany R esearch Center ,B eijing 100083,China;OOC,Tanggu 300452,China ) Abstract :I n order t o study the acti on mechanis m of water is olati on tube and cement slurry,ce ment slurry and sub marine s oil,se 2ries si m ulati on tests are done in Bohai Bay beachside in Tanggu of Tianjin .According t o test results,the rule varying with ti m e of the force fixing the l oope bet w een water is olati on tube and ce ment slurry and the cons olidating strength bet w een ce ment slurry and subma 2rine s oil layer as well .I n constructi on of offshore riser burr owing int o method,the driving dep th deter m inati on of riser is greatly related with sub marine s oil p r operties and ce ment slurry cons olidati on quality .R iser drilling constructi on usually drills with sea water,after ce 2menting the outside of riser has direct contact with ce ment slurry,while ce ment slurry has direct contact with sub marine s oil layer .It concludes that catastr ophe point of cement ring strength occurs in 48h ti m e seg ment after ce ment slurry drilling in by si m ulati on test .The research result can p r ovide scientific basis for offshore ce menting operati on constructi on of riser drilling and driving dep th deter m i 2nati on of drilling riser . Key words :burr owing int o method;water is olati on tube;ce ment ring;ce menting strength 隔水导管钻入法一般使用海水钻进,钻达设计深度后下入隔水导管并固井,这时隔水导管外面与水泥浆直接接触。

为了摸清隔水导管与水泥浆固结作用规律,现场钻井过程中无法开展这些试验,就需要在陆地上开展模拟试验,通过试验研究隔水导管与水泥浆之间的作用规律,建立隔水导管与水泥浆固结力随时间的变化规律,为海上钻入法下隔水导管施工提供科学依据。

1　试验准备1.1　模型建立1961年Bearden 和Lavne 就建立了一套简单的实验装置[1],以确定水泥与管子之间的剪切胶结强度,如图1(a )所示。

胶结强度是指水泥浆在环空中第30卷第2期 石油钻采工艺 Vol .30No .2　2008年4月 O I L DR I L L I N G &PRODUCTI O N TECHNOLOGY Ap r .2008　3基金项目:中国海洋石油总公司科技攻关项目“钻入工况下隔水管下入深度的确定研究”(编号:Z2006S LTJ -0135)部分内容。

作者简介:翟慧颖,1982年生。

2005年毕业于中国石油大学(北京)土木工程专业,现在石油与天然气工程学院就读岩土工程硕士,主要从事海洋石油工程方面的科研工作。

凝固后,水泥与地层、水泥与套管之间界面胶结的牢固程度。

为测量钢管桩与水泥环、水泥环与土壤间的胶结强度的大小,笔者把图1(a )的实验装置进行改装,改装后的模型如图1(b )所示。

图1　实验装置1.2　试验材料及器材试验土质选择黏土和砂性土。

根据相似原理,选择海上常用的 762mm 钻井隔水导管进行模拟试验。

实物与模型几何尺寸相似比选为6∶1。

选用直径为127mm ,壁厚为5.08mm 的钢管作为桩模型,长度为10m 。

钻头用 177.8mm 钻头。

水泥采用早强水泥P .O 42.5R 号(强度等级为32.5),水灰比采用0.48。

2　试验结果分析在试验过程中发现,下桩48h 之前拔桩,基本上都是钢管桩从水泥环中拔出,而48h 之后再拔桩,基本上都是钢管桩连同水泥环从土壤中拔出。

隔水导管与水泥胶结强度的变化可以体现在侧向摩擦力的变化上,可以通过实验测出水泥环与钢管桩及土壤的平均侧向摩擦力,即侧向摩擦力的变化反映了胶结强度的变化。

2.1　水泥浆与隔水导管之间的胶结强度分析试验得出的水泥浆与钢桩之间摩擦力数据如图2所示。

图2　水泥浆与钢管桩之间摩擦力随时间变化关系钢管桩与水泥浆之间的摩擦力随着时间的变化规律可用下式表达,由试验数据拟合得出τ=0.0181ln t -0.0277(1)式中,τ为桩与水泥浆之间的单位面积摩擦力,MPa;t 为桩与水泥浆之间的作用时间,h 。

2.2　水泥浆与海底土之间的胶结强度分析下桩48h 之前,钢管桩从水泥环中拔出,所以在此只给出48h 之后水泥浆与海底土之间的胶结强度的变化。

把试验数据绘制在图表中如图3所示。

图3　水泥环与海底土之间摩擦力随时间变化关系水泥浆与海底土之间的摩擦力随着时间的变化规律可用下式表达,由实验数据拟合得出τ=0.0191ln t +0.0117(2) 试验结果如图4所示,第1界面强度是指钢管桩与水泥环之间的胶结强度,而第2界面强度是指水泥环与土壤之间的胶结强度。

从试验数据可以看出,本试验条件下相互作用2d 之前,第2界面的胶结强度大于第1界面的胶结强度。

但在2d 之后,第1界面的胶结强度大于第2界面的胶结强度,即水泥环与钢管之间的胶结强度大于水泥环与土壤之间的胶结强度;而且随着养护时间的延长,2种强度之间的差值有逐渐增大的趋势。

本试验结果与前人研究的相关文献资料比较吻合。

本研究成果经过渤海油田现场的初步应用,取得了较好的效果。

图4　水泥环界面胶结强度曲线3　结论(1)钻入法隔水导管下入深度与本身承受的载荷、海底土性质和水泥浆性能有关。

(2)为了提高隔水导管与海底土之间的摩擦(下转第41页)73　翟慧颖等:隔水导管与土壤胶结强度试验分析研究移基本上在0左右波动。

因此,钻头只沿某一个方向偏移,这主要与地层岩石的各向异性和地层倾角有关。

通过大量的模拟计算可知,可以调整钻头钻压、转速和钻头上部的刚性位置来纠正钻头的偏移量,以控制井斜问题。

图5　钻头x,y 方向的侧向位移与时间历程的关系4　结论和讨论(1)建立了钻头与岩石互作用破岩过程的有限元力学模型,能够动态模拟钻头钻遇不同倾角各向异性岩石的破岩机理。

(2)通过改变钻井参数、钻头结构参数来优化设计钻头,为钻井工具的设计、改进和纠斜工具的设计提供了依据。

(3)改变钻井参数、各向异性岩层力学特性参数以及地层倾角等,用文中建立的岩石破碎剥落判据和模型,可以模拟确定钻头的偏移量,为复杂地层的钻井井斜问题提供理论数据。

(4)可以动态模拟钻遇不同材料多层岩石,钻头的偏移方向和井眼的轨迹变化。

分析过程中,可 以提取钻头的侧向位移数据,确定井眼轨迹。

(5)该模型的计算工作量较大,因为模型中涉及钻头与岩石高度非线性的接触问题、动态和瞬态问题以及地层岩石损伤的剥落问题等,因此下一步还需要进一步的深入研究。

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