0 引 言

深水喷射下导管技术就是在深水表层钻进过程中边钻孔边完成导管下入，导管下到位后无需固井作业^[1]。该技术采用在喷射管柱内下动力钻具的方式，用钻入泥线以下的管串自身重力钻进，喷射到位后利用地层的黏附力和摩擦力稳固住导管^[2]。喷射下导管技术是解决深水表层钻井问题的技术之一，可避免因固井水泥浆密度过大而压破地层，也可避免深水由于低温等因素而影响固井质量^{[3, 4, 5]}。在喷射下导管作业中，喷射流体对土体的冲击破坏作用是导管下入的重要动力之一，因此喷射排量、喷射角度等参数对导管下入速度及下入后的承载力有重要影响^[6]。

T.G.Events等^[7]根据现场数据，总结出部分喷射参数计算的经验公式。J.S.Templeton^[8]用有限元的方法分析了喷射参数对破土效率和承载力的影响。刘书杰和汪顺文等^{[9, 10]}对深水表层喷射钻井机理进行了研究，并分析了钻压等参数对破土效果的影响。杨进和周波等^{[11, 12, 13]}在假设射流正好和导管内壁相切时的喷射角度最优的条件下，进行了合理钻头伸出量设计，并对导管喷射下入后恢复到特定承载力需要静置的时间窗口进行了分析。笔者在前人研究的基础上，结合射流基础理论和有限元软件，模拟分析了喷射下导管过程中喷射排量、喷射角度及钻头伸出量对破土效果的影响，并对分析结果进行了试验验证，以期为深水表层钻井作业提供参考。

假设喷射流体是海水，冲击力在喷射角度内均匀分布，根据流体力学计算出海水冲击力，然后施加到模型中。

喷射速度由下式计算：

对于相同直径喷嘴，射流喷射速度由下式计算：

对于不同直径的喷嘴，喷射速度计算式为：

对于不等径喷嘴当量直径d_e的计算式为：

射流冲击力的计算公式为：

由式(1)~式(5)可计算不同喷射排量时射流对土体的冲击力，然后将冲击力施加到有限元模型中。

在建立有限元模型时做如下假设：

(1)土体为各向同性介质；

(2)流体不可压缩；

(3)忽略井斜和温度等因素的影响。

建模的基本参数为：土体直径20 m，土体高度30 m，井筒深度15 m，井筒直径914.4 mm，导管外径914.4 mm，导管内径874.4 mm，导管长度30 m，土体密度1.50×10³ kg/m³，土体弹性模量10 MPa，土体泊松比0.25，导管密度7.85×10³ kg/m³，导管弹性模量200 GPa，导管泊松比0.30，喷嘴直径20 mm，喷嘴个数4，喷射流体密度1.05×10³ kg/m³。

表层导管外径为914.4 mm，土体直径20 m。考虑到土体和井眼为轴对称结构，故取模型的 1/2 为研究对象，用ABAQUS软件建立喷射下导管有限元模型。

相互作用、载荷以及约束条件：

(1)表层导管上部截面受压力载荷以及自身重力；

(2)表层导管外表面与深水表层土体井壁之间受相互摩擦作用力；

(3)喷射流体对土体具有冲击力；

(4)土体边界施加固定约束。简化后约束条件如图1所示。

图1 模型施加约束 Fig.1 Applying constraint on the model

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根据外疏内密的原则，在重点研究处细化网格密度。模型的网格划分如图2所示。

图2 模型网格划分图 Fig.2 Mesh generation of the model

图选项

深水喷射法下表层导管工艺的参数包括喷射排量、喷射角度及钻头伸出量等^[14]，在研究其中一个因素对土体破坏的影响规律时，固定其他因素。

固定喷射角度30°、钻头伸出量20 mm，当排量在30~160 L/s之间变化时，模拟计算土体的应力场和位移场，提取出最大应力和最大位移，结果如图3和图4所示。

图3 土体最大应力随喷射排量变化曲线 Fig.3 The effect of jetting displacement on the maximum stress of soil

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图4 土体最大位移随喷射排量变化曲线 Fig.4 The effect of jetting displacement on the maximum displacement of soil

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从图3和图4可以看出，随着喷射排量的增大，土体最大应力和最大位移在不断增大。开始时增大趋势比较明显，当喷射排量达到一定值之后，土体最大应力和最大位移增大趋势变缓。如果只考虑破土效果，则排量越大越好，但较大排量会冲刷井壁形成较大的井眼。虽然这样会使钻进速度升高，但较大井眼会使导管侧向摩擦力减小，短时间内导管不能提供较大的承载力，导管下入后需要的等候时间更长，影响整体钻井进度。如果喷射排量过小，则破土效果减弱，钻井液的携岩能力减小，导管下入速度变慢，同样也会延长施工时间^[15]。因此，合理的排量要综合考虑破土效果、携岩能力和导管承载力等因素，建立数据库曲线确定最优排量变化范围。

选定喷射排量60 L/s、钻头伸出量20 mm，改变喷射角度进行模拟计算，结果见图5和图6。

图5 土体最大应力随喷射角度变化曲线 Fig.5 The effect of jetting angle on the maximum stress of soil

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图6 土体最大位移随喷射角度变化曲线 Fig.6 The effect of jetting angle on the maximum displacement of soil

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从图5和图6可以看出，随着喷射角度的增大，土体最大应力和最大位移在不断增大。但由图7的应力云图可以看出，随喷射角度增大，井底土体应力在减小，侧壁土体应力在增大(红色部分)，最终造成射流对侧壁破坏性强但对底部土体破坏程度弱，整体破土效果减弱。此外，考虑到喷射导管BHA的结构，如果喷射角度过大，部分射流会打在表层导管内壁，损耗射流能量，减弱整体破土效果。同时，喷射角度过大会造成井眼侧壁破坏严重，形成较大的井眼，甚至导致井眼容易垮塌，使导管的承载力降低，恢复特定承载力需要的等候时间较长，拖延钻井进度。

图7 不同喷射角度时井眼侧壁和井底应力场 Fig.7 The borehole sidewall and bottom hole stress field under different jetting angle

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在喷射钻进过程中，钻头伸出量是指钻头底部伸出导管鞋的长度。选定喷射排量50 L/s、喷射角度45°，使钻头伸出量在-40~300 mm(当伸出量小于-43.72 mm时射流会打在导管内壁)之间变化，模拟计算土体的应力场和位移场，结果如图8和图9所示。 从图8和图9可以看出，随着钻头伸出量的增大，土体最大应力和最大位移略微增大，增大幅度较平缓。这是因为射流束能量完全作用于井底，破土效果较好。此时再增大钻头伸出量会使其过大，射流束将会过度冲刷钻头底部土体，井底空隙增大，使破碎的泥屑从导管外侧返出而不是从导管内部返出，从而导致导管喷射到位后周围土体回填困难，使导管无法及时获得足够的地层承载力，影响水下井口稳定性。合理的钻头伸出量应能使钻头底部土体被充分冲刷，破碎的泥屑能及时从导管内部环空返出，即在-43.72~300.00 mm范围内满足其他要求的情况下，尽量减小钻头伸出量，这样更有利于喷射到位后土体承载力的恢复。

图8 土体最大应力随钻头伸出量变化曲线 Fig.8 The effect of bit stick-out on the maximum stress of soil

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图9 土体最大位移随钻头伸出量变化曲线 Fig.9 The effect of bit stick-out on the maximum displacement of soil

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试验用导管长度100 cm，外径11.3 cm，内径10.0 cm。导管外壁标有刻度，喷射下入到一定位置后记录下入深度和所用时间，计算出导管下入过程平均速度。用下入过程平均速度来表征整体破土效果，用形成的井眼稳定性来表征土体恢复情况。部分试验结果如图10和图11所示。图10中钻头伸出量是-1 cm。图11中喷射角度是45°。

图10 导管下入速度随排量和角度变化曲线 Fig.10 The effects of jetting displacement and angle on conductor running in velocity

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图11 导管下入速度随钻头伸出量和排量变化曲线 Fig.11 The effects of jetting displacement and bit stick-out on conductor running in velocity

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从图10可以看出，随喷射排量增大，导管下入速度增大，与图3和图4所示结果一致。喷射角度由30°增大到45°时，导管下入速度增大；喷射角度由45°增大到60°时，导管下入速度减小，这是因为此时侧壁破土效果增强，井底下部破土效果减弱，造成整体破土效果减弱，导管下入速度减小，与图5、图6和图7所示结果一致。从图11可以看出，随着钻头伸出量的增大，导管下入速度略微增大，变化幅度非常小，与图8和图9所示结果一致。

图12是不同喷射排量下入导管后，静置相同时间30 min，然后上提导管形成的井眼。

图12 不同喷射排量下形成的井眼 Fig.12 The borehole formed under different jetting displacement

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从图12可以看出，在静置相同的时间后，20 L/min的喷射排量形成的井眼十分笔直，井壁光滑完整；30 L/min的喷射排量形成的井眼相对较好；50 L/min的喷射排量形成的井眼底部产生了部分塌陷；60 L/min的喷射排量形成的井壁十分不稳定，导管拔出后立刻就会塌陷。因此，随着排量的增大，虽然导管下入速度增大，但高排量射流对土体的扰动较大，所需要的静置时间长。如果没有静置足够的时间，则承载力恢复程度较小，容易导致井眼垮塌，这与模拟分析结果一致。

(1)结合喷射下导管的工艺特点及理论分析，建立了喷射导管射流破土的有限元模型。

(2)应用所建立的模型分析了不同喷射排量、喷射角度及钻头伸出量对应的土体应力场和位移场，得到不同参数对破土效果的影响规律。排量对喷射效果影响较大，增大排量能增强破土效果但对土体扰动影响也大，静置相同时间承载力恢复程度较小；喷射角度的增大会使侧壁破土效果增强，底部破土效果减弱，选择一定角度在导管能顺利下入的情况下，尽量减小喷射角度以增强底部的破土效果；确保射流不打在导管内壁的情况下，钻头伸出量对破土效果影响不大，可酌情减小。

(3)对比分析了试验结果和数值模拟结果。射流对土体的破坏作用是多方面的，其过程也比较复杂，它不仅与喷射参数有关，还与被冲击土体的物化性质有着密切关系。合理喷射参数的取值范围应针对区块土质特点，综合考虑破土效果以及恢复特定承载力的等候时间等因素，才能加快深水钻井的整体进度。