基于管柱模型的深水导管喷射项目中钻头伸出长度的优化研究

《Ocean Engineering》：An optimization study of bit stick-out in a deepwater conductor jetting project based on a pipe-string model

针对深水导管射孔安装中钻头外露长度（bit stick-out）对安装效率的影响，本研究基于水射流破岩理论和尺寸比分析，建立综合理论模型，通过ABAQUS有限元模拟不同尺寸比和bit stick-out下的土壤破坏效应，结合相似原理进行仿真实验，发现导管下钻速度与尺寸比呈线性关系，与bit stick-out呈立方函数关系，并通过现场测试确定最优bit stick-out为149.8mm，为深水导管安装提供理论指导。

　　

雷莉|吴毅|崔天聪|邹欣|魏世明|朱志成|姜家通

中国石油大学（北京）海南研究院，中国三亚，572024

摘要

深水表层导体的喷射安装方法解决了深水和浅水钻井作业中的挑战，利用了无需固井和节省时间的优势。影响表层导体喷射安装效率的关键因素之一是钻头伸出长度（bit stick-out）。为了提高导体安装的效率和安全性，建立一套全面的钻头伸出长度理论模型至关重要，从而为现场应用提供可行的解决方案。基于水射流的岩石破碎理论，并考虑钻头与导体尺寸比，本文提出了一种改进的钻头伸出长度模型。使用ABAQUS有限元软件，分析了在不同钻头-导体尺寸比下，钻头伸出长度变化时对土壤造成的损害。根据相似性原理，对深水表层导体的喷射安装进行了仿真实验，并评估了钻头伸出长度对喷射安装效率的影响。研究结果表明，随着钻头-导体尺寸比的增加，导体下放速度几乎呈线性增长。此外，随着钻头伸出长度的增加，导体下放速度先迅速上升，然后缓慢下降，两者之间存在立方函数关系。在特定条件下，可以确定钻头伸出长度的最佳值；现场测试显示该最佳值为149.8毫米。研究结果为优化深水表层导体喷射安装过程中的钻头伸出长度提供了设计基础和理论指导。

引言

深水表层导体下放技术是深水油气钻井和生产中的关键技术（Yang等人，2022年）。表层导体喷射安装方法显著降低了由于浅层土壤松散而导致的坍塌和泄漏风险，消除了下放导体后需要固井的需求。这种方法大大提高了钻井效率，并降低了深水钻井作业中的操作风险。

在喷射钻井过程中，钻头底部超出导管鞋的长度（称为钻头伸出长度）在整个过程中保持不变，因为钻头和导体在垂直方向上是集成在一起的，并同步进入地层。适当的钻头伸出长度可以通过充分侵蚀钻头底部的土壤来提高导体安装速度，从而及时将破碎的碎片从导体内环返回。相反，不适当的钻头伸出长度会导致土壤侵蚀不足和堵塞碎片，降低操作效率，甚至导致导体失效。

深水导体在油井建设过程中作为表层套管、海底井口和水下BOP组件的承载基础。喷射技术具有高安装效率、对浅层地质结构的良好保护能力以及适应不同土壤强度的能力（Liu等人，2022年；Yin等人，2025年）。该方法已成功应用于墨西哥、巴西、西非、北海和南海等关键深水油田（Faul等人，1998年；Wang和Song，2019年）。研究人员利用流体射流探索了土壤挖掘过程（Yahiro和Yoshida，1973年）。钻头伸出长度对喷射效率和喷射后的导体稳定性起着关键作用。Machin（2001年）研究了水射流对不同硬度粘土土壤的影响，并提出了基于不排水承载力的简单喷射穿透模型。Yang等人（2013年）进一步研究了钻头伸出长度对导体注入的影响，并开发了一个考虑导体组件几何尺寸和喷射液柱几何结构的模型。然而，该模型没有考虑地层变化或操作参数对最佳钻头伸出长度的影响（Yang等人，2013年）。Zhou等人（2014年）建立了一个基于浸泡时间和承载力关系的实时导体承载力计算模型，并用现场数据进行了验证。Zhou等人（2016年）研究了土壤扰动如何降低导体承载能力的机制，并提出了基于伯努利定理和土壤力学的最小喷射流速计算模型。通过喷射实验研究了喷射流对导体承载能力的影响。南海的几个深水勘探井证实了浸泡时间设计模型的有效性。Kan等人（2018a，2018b）提出了一个确定最佳钻头伸出长度的改进模型，结合了水射流岩石破碎理论和动量守恒。在各种原位土壤条件下进行了正交实验，以研究水力参数、钻头伸出长度变化和组装结构变化对钻头伸出长度的影响。Wang和Song（2019年）使用ANSYS Fluent中的Herschel–Bulkley模型模拟了土壤粘度，并应用VOF模型来确定喷嘴位置、喷射速度和不排水剪切强度对水射流侵蚀尺寸的影响。最近，Liu等人（2022年）开发了确定喷嘴喷射环直径比和不同导体及三锥钻头直径的最佳钻头伸出长度的几何标准，提出了基于喷嘴间距异质性的最小钻头伸出长度模型。Song等人（2024年）采用基于复合动作值Q-learning（CAPQL）的多目标强化学习框架，建立了喷射时间和浸泡周期的同时优化马尔可夫决策过程环境，并确定了钻头压力、钻头-导体尺寸比、钻头伸出长度和流速对安装效率的影响。基于推进实验结果和数值模拟模型，Fu等人（2021年）建立了喷嘴能量效率和能量系数的理论模型，揭示了结构参数对喷嘴喷射性能的影响模式。实现最佳注入性能的最佳喷嘴参数确定为：后向孔角度为30°，六个后向孔，孔径范围为2–2.2毫米。这项研究为设计高效自推进喷嘴用于径向喷射钻井技术提供了参考依据。

章节摘录

钻头伸出长度的理论模型

在表层导体的喷射安装过程中，钻头伸出长度是指钻头超出表层导体鞋的长度（Liu等人，2021年）。钻头伸出长度的大小影响水射流的岩石破碎效果，进而影响导体下放速度和喷射钻井时间。为了建立合理的钻头伸出长度计算模型，有必要分析不同钻头伸出长度条件下的喷射效果

数值方案和验证

在深水表层导体的喷射钻井过程中，从钻头喷出的高压水射流通常会破碎海床土壤以形成井筒。基于上述理论，本文分析了钻头伸出长度和钻头-导体尺寸比对表层导体喷射安装效率的影响（Fu等人，2024年）。

在本节中，使用ABAQUS软件建立了表层导体与土壤相互作用的有限元模型。

实验研究

为了进一步探索钻头伸出长度和钻头-导体尺寸比对表层导体在喷射钻井过程中的下放速度的影响，并验证合理钻头伸出长度计算模型的准确性，在泥质土壤的海洋区域进行了表层导体喷射钻井下放速度的现场测试。

结论

基于欧拉-伯努利梁理论，本文结合了水射流的岩石破碎理论和动量守恒原理。通过对影响因素进行加权分析，并以高效钻井和安装后导体承载安全为目标函数，建立了一种计算最佳钻头伸出长度的理论方法。该方法综合考虑了几何尺寸和结构等关键因素

CRediT作者贡献声明

雷莉：撰写——初稿，可视化，调查，资金获取。吴毅：监督，方法论，概念化。崔天聪：方法论，数据管理。邹欣：撰写——审阅与编辑。魏世明：撰写——初稿，调查。朱志成：撰写——初稿，调查。姜家通：撰写——审阅与编辑，验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（授权号：52404013）和中国博士后科学基金（授权号：2025T180800）的财政支持。本研究还得到了海南省院士创新平台的具体研究基金的支持。