深水钻井隔水管三维涡激振动理论模型

隔水管作为深水钻井的关键设备,国内外均对其涡激振动开展了大量的理论与实验研究,但都主要针对隔水管在横向的涡激振动,并没有考虑隔水管同时受到横向以及流向的耦合作用。为此,利用旋涡动力学理论,建立了同时考虑流向静态变形以及流向与横向耦合作用下的深水钻井隔水管三维涡激振动理论模型,采用有限单元法结合Newmark-β法对模型进行求解,并在深水试验池开展了相似实验对模型进行验证,编制了计算分析程序,模拟了不同海流流速下隔水管涡激振动模态以及三维空间形态,探索了三维空间下隔水管涡激振动响应机理。模拟结果表明:①随着表面流速的增大隔水管横向以及流向的振动模态分别增大,且流向振动模态阶次大于横向振动模态阶次,横向振动幅值远大于流向振动幅值;②隔水管流向的静态变形远大于流向涡激振动变形,流向的变形形态主要受静态变形的影响;③隔水管在横向以及流向涡激振动耦合作用下,空间形态变得扭曲,在进行隔水管组合配置设计时应该同时考虑来自横向和流向的影响。     

不同预紧力时隔水管涡激振动特性三维数值模拟研究

涡激振动是导致隔水管疲劳损坏甚至断裂的主要诱因,它会影响海洋作业,甚至会造成严重的工程和海洋环境事故.通过流体场、固体场求解器的耦合求解完成了隔水管涡激振动的三维数值模拟,模拟结果与实验结果吻合良好,同时进行振型分析解释了多阶振动模态的现象.探讨了不同预紧力时的涡激振动特性,结果表明预紧力增大,隔水管振动幅度减小,可激发的模态阶数降低,体现出预紧力对涡激振动的抑制效果.     

剪切流作用下隔水管涡激振动响应机理

开展剪切流作用下隔水管涡激振动实验,分析剪切流作用下隔水管涡激振动特征参数及振动响应机理。实验中基于光纤光栅传感器测试技术采集剪切流作用下隔水管在流向和横向的涡激振动响应,实验数据处理时消除了实测信号中隔水管轴向预张力的影响并采用模态分析法求取隔水管位移响应。实验数据分析表明,剪切流作用下:隔水管不同位置处同一方向涡激振动响应频率一致;涡激振动锁定现象发生在涡泄频率对应的最大阶次固有频率附近且涡激振动受该阶次固有频率主导;受模态竞争的影响,剪切流涡激振动呈现多频响应形式;隔水管在流向的主导频率是横向主导频率的2倍;受相位角影响,实验中隔水管单个振动周期的运动轨迹呈扁斜"8"字形,多个轨迹重叠后呈"新月"形。图8表1参27     

考虑附属管的钻井隔水管绕流场流动特征分析

钻井隔水管在海流、波浪等水动力作用下可发生侧向偏移、弯曲变形、波激和涡激振动,给钻井隔水管系统带来风险。采用k-ω湍流模型,对带附属管的实际尺寸钻井隔水管绕流场进行了CFD数值模拟分析,研究了来流攻角对隔水管主管流体力和尾流场流动特征的影响。结果表明,附属管对隔水管主管流动控制效果显著,考虑6根附属管的影响后隔水管裸单根所受水动力显著减小;除来流攻角为270°外,附属管都能减小主管上的平均阻力系数;所有来流攻角下主管的均方根升力系数幅值均有显著降低。分析认为,隔水管流体力减小的原因是主管与附属管外的剪切层相互影响,抑制了主管上的漩涡泄放;但不同来流攻角下管外涡街特性和漩涡泄放规律不同,流体力减小的机理也有差异。本文研究结果可为隔水管的附属管优化设计和布置提供参考。     

钻井隔水管涡激振动监测装置海上试验

涡激振动引起的应力和疲劳损伤是影响钻井隔水管作业安全的重要因素,设计阶段往往采用严苛的海洋环境参数,虽然可以保证系统安全,但是却会影响钻井时效。本文利用加速度监测装置对南海X-1井进行了隔水管的涡激振动监测,通过对监测数据的频谱分析,发现隔水管产生涡激振动的频谱具有明显的锁频特征,并且涡激振动并不存在于整个作业过程,因此在实际作业阶段隔水管参与涡激振动的模态最高阶次存在超过设计预期水平的可能性。本文提出根据实测数据预测和评估钻井隔水管涡激振动响应的方法,对保证隔水管系统作业安全具有重要意义。     

海上深水钻井隔水管振动特性研究

针对海上深水钻井隔水管特点和实际钻井作业中的具体情况,建立了深水钻井隔水管受力模型,并通过能量法求解得到了较为精确的隔水管挠曲变形方程;在此基础上,采用结构力学研究和分析方法,得到了深水钻井隔水管固有频率的简便计算方法和表达式.本文所提出的海上深水钻井隔水管振动特性分析方法简便易行,对指导室内设计和现场作业有重要意义.     

基于不同有限元计算软件的深水隔水管的模态分析及验证

在深海石油钻采作业工程实践过程中,深水隔水管的疲劳破坏是其失效的主要原因之一。在深水钻井隔水管系统设计过程中考虑隔水管共振的因素将有效避免疲劳失效后果的发生。结合实际海况,通过有限元方法针对深水隔水管进行模态分析,得出了作用在隔水管上的各载荷对隔水管固有频率和振型的影响,表明了湿模态在深水隔水管振动分析中的必要性和重要性;并通过不同有限元分析软件ANSYS和ABAQUS进行了计算结果的交叉验证;最后基于计算分析结果给出了降低隔水管疲劳破坏的建议。     

超深水钻井隔水管设计影响因素

超深水钻井隔水管设计的影响因素主要为环境因素与作业因素,前者主要包括水深、波浪、海流,后者主要包括钻井液密度,脱离后隔水管系统悬挂模式、浮力块分布、涡激抑制设备等.系统总结了超深水钻井隔水管设计影响因素.研究了各因素影响隔水管设计的机理.定性或定量分析了各因素对隔水管设计的影响.研究表明,水深和海流是隔水管设计最显著的影响因素,水深增加导致隔水管材料、结构,配置产生重大变化,海流导致隔水管产生涡激疲劳,并增加隔水管下放与收回的难度.悬挂模式影响隔水管系统的浮力系数和浮力块分布,涡激抑制设备造成隔水管作业困难,钻井液密度影响隔水管的有效张力和底部球铰转角进而影响隔水管系统的稳定性.相关结论可为超深水钻井隔水管设计、配置、作业、管理提供参考.     

超深水钻井隔水管-井口系统涡激振动疲劳分析

超深水钻井作业经常发生隔水管涡激疲劳问题,而由隔水管涡激振动(VIV)引起的井口系统疲劳可能更为严重。根据超深水隔水管-井口系统VIV疲劳分析算法与计算流程,建立隔水管-井口系统整体有限元模型,通过模态分析提取各阶模态下所有节点的振型、斜率和曲率,应用SHEAR7程序进行详细疲劳分析,识别系统关键疲劳部位,评估系统的VIV疲劳寿命,并研究顶张力、防喷器(BOP)、导管结构尺寸及井口出泥高度对井口系统VIV疲劳特性的影响规律。针对南海某超深水井的隔水管-井口系统进行实例分析,结果表明,超深水隔水管 井口系统容易发生多阶模态振动,系统最大疲劳损伤位于导管上,系统疲劳寿命满足作业要求,适当提高顶张力、采用小型化的BOP、增大导管抗弯刚度以及降低井口出泥高度均可有效改善井口系统的VIV疲劳性能。     

海洋钻井隔水管固有频率的简化计算

海洋钻井隔水管是连接海底井口与钻井船的重要设备,当其固有频率与海流经过时产生的旋涡释放频率接近时,隔水管将发生涡激振动而使其疲劳寿命显著降低,因此精确计算隔水管固有频率对于预测其涡激响应和疲劳寿命是非常重要的。假定隔水管为小变形状态下承受一致张力的梁模型,基于能量守恒定律推导了隔水管固有频率的简化计算公式。实例分析结果表明,采用本文提出的简化公式得到的计算结果与有关文献给出公式的计算结果相吻合。     

深水流速剖面对隔水管横向载荷的影响

文章通过分析浅海海域流速梯度的计算方法,结合艾克曼海流理论,提出了新的深海流速剖面的计算方法,并且通过理论计算和数值模拟比较了新老两种计算方法对深水钻井隔水管受到的海流横向总载荷以及对底部挠性接头横向反力的影响。为海洋深水钻井隔水管的海流载荷计算以及后续的水下井口稳定性分析提供了新的理论参考。     

我国海洋深水油气田开发工程技术研究进展

分析了中国海洋深水油气田开发工程技术与国外的差距,详细论述了“十一五”至“十三五”期间国家科技重大专项“海洋深水油气田开发工程技术”项目所取得的重大研究进展。具体体现在:构建了1500 m深水油气田开发工程设计技术体系,基本具备了1500 m深水油气田开发工程设计能力,相关研究成果已在荔湾3-1气田群、流花16-2油田群和陵水17-2深水气田等工程项目中得到成功应用;构建了4大类共16项深水工程实验系统,形成了国内深水工程实验技术及实验体系,为相关深水工程技术研究、设备研发等提供了实验手段;自主研制了一批1500 m水深的水下关键设备和产品,其中深水保温输送软管、深水水下管汇、水下多相流量计等高端产品和设备已初步实现了国产化应用;自主研制的4类深水工程设施监测系统已部分应用于现场监测。相关研究成果带动了我国海洋石油设备制造能力由陆地向海洋、由浅水向深水的跨越式发展。最后结合我国南海及海外深水油气田开发的实际需求,对我国海洋深水油气田开发工程技术的未来研究及发展方向提出了具体建议。     

井筒四相流动理论在深水钻完井工程与测试领域的应用与展望

海洋深水油气钻完井过程中,井筒内流体流动是一个多组分、存在相变及流型转化的复杂四相流动过程。为了进一步揭示深水钻完井井筒多相流动规律,基于井筒四相流动理论,阐述了其在深水油气钻完井工程领域的应用进展;然后,针对该理论在深水钻完井某些特殊工况下存在的局限性,展望了井筒多相流动理论未来的发展趋势。研究结果表明：①深水钻完井井筒四相流动理论能够充分考虑深水井筒中的各种物理化学现象,可以实现对井筒瞬态温度、压力的精确刻画,进而为深水钻完井水力参数优化设计提供坚实的理论基础;②深水钻井井涌发生后,在泥线低温高压环境作用下,井筒内气相易生成天然气水合物（以下简称水合物）相变,从而改变井筒气体体积分数的分布特征;③在井底高温高压作用下,井筒酸性气气体存在着超临界相变,导致高含酸性气体的气侵具有“隐蔽性”;④深水气井测试过程中,井筒四相流动理论能够准确刻画井筒内水合物沉积、堵塞全过程,为深水气井测试过程中水合物的防治提供理论依据;⑤深水钻井井筒多相流动理论今后的发展趋势,将涉及井筒与深水特殊地层耦合作用机制、深海水合物钻井井筒多相流动理论及支撑深水钻井新技术的井筒多相流动理论的研究。     

深水钻井溢流早期监测技术研究现状

深水油气井溢流及井喷的预防和控制是深水钻井过程中的重要工作,墨西哥湾“深水地平线”井喷溢油事故发生后,井喷的预防和控制成为海洋油气开发亟待解决的重大难题。应对深水钻井溢流及井喷问题,切实有效的技术措施是在早期监测和识别溢流的基础上及时采取应对措施。为此,通过分析深水钻井井控面临的主要困难,从平台监测、海水段监测和井下随钻监测3个层面,综述了国内外井下溢流早期监测技术研究现状,重点分析了井下随钻监测的发展现状,指出深水钻井井下溢流监测技术将朝着有利于更加及时准确发现和识别井下溢流的技术领域发展。最后,根据深水钻井和溢流监测技术的特点,优选出适合深水钻井环境的井下溢流早期监测方法,包括井口流量法、泥浆池液面法、钻井参数法、隔水管超声波法、PWD/LWD监测法、随钻超声波井下流量测量法6种方法;建立了溢流早期综合监测和识别技术,该技术不仅可以用于深水钻井井下溢流监测,还可用于压井和井筒压力精确控制过程的综合监控,为深水钻井提供技术保障。     

立管涡激振动的离散涡数值模拟

通过离散涡方法求解立管所受涡激升力,并与立管动力响应方程相耦合来对涡激振动问题进行时域内的数值模拟。通过在均匀来流和剪切来流下的模拟,所得的结论与其他文献中的结论比较吻合,较好地揭示了立管涡激振动的特征。     

海洋深水钻井力学与控制技术若干研究进展

深水钻井是深水条件下海洋油气工程关键环节之一。与近海浅水钻井不同，深水钻井必须面对更为复杂的海洋深水环境和作业条件，面临"下海、入地"的双重挑战，需要使用浮式钻井作业平台，采用特殊的深水管具系统（包括深水导管、送入管柱、钻井隔水管、套管柱等）、水下智能控制系统等，建立安全稳定的水下井口与钻井系统，具有高科技、高投入及高风险等基本特征。深水钻井管具是实施深水钻井工程不可或缺的基本工具，深水钻井管具系统在服役过程中受到海洋深水环境载荷和作业载荷的作用，表现出复杂的力学行为。通过主要介绍深水送入管柱、深水导管、深水钻井隔水管及深水水下井口等方面的研究进展，对深水钻井管具力学研究与工程实践具有参考价值。     

基于多普勒测量技术的深水隔水管气侵早期监测研究

为减少深水钻井中的井喷及井喷爆炸事故,及时发现溢流,通过分析深水钻井中井筒侵入气的分布规律,利用非接触式超声波多普勒测量系统对深水隔水管气侵进行了研究。在连续相为水基钻井液的情况下,通过改变钻井液流速和含气率,分析了超声波多普勒信号的变化特征。通过处理实时采集的不同含气率下的测量信号电压并进行平均,得到了超声波多普勒测量信号随含气率的变化曲线,测量含量随含气率增大呈上升趋势:在含气率小于1%时,超声波多普勒测量信号概率分布和不含气情况下概率分布的中心线之间的信号差小于55 mV;在含气率达到3%后,与不含气情况下概率分布中心线间的差变为200 mV,且随着含气率上升有进一步增大的趋势。试验研究表明,用非接触超声波多普勒测量方式研究深水隔水管中的含气情况,能及时发现地层气体侵入隔水管,为井控赢得时间。      

南海西部深水区自营油气田勘探开发现状及展望

深水区勘探钻完井作业面临着海水深温度低、安全钻井液密度窗口窄、井控风险高、海底地质灾害、台风等诸多挑战。中海油作为深水区勘探作业者,首次组织深水区勘探作业,成功发现了陵水17-2大型深水气田,推动了深水区油气勘探开发事业的进一步发展,为实现中海油"二次跨越"迈出了重要的一步。为此简要地回顾了南海西部深水区自营勘探及钻完井项目管理经验和作业实践,并对我国南海深水区油气勘探开发技术发展愿景提出展望,以期为深水区油气开发事业的发展提供借鉴。     

浮力块对深水钻井隔水管主要性能的影响

采用ABAQUS软件对带浮力块的深水钻井隔水管的静态性能进行了分析,定量分析了浮力块直径和长度对隔水管的弯曲应力、横向变形、底部柔性接头转角和等效应力的影响;采用Shear7软件对裸隔水管、浮力块交错分布隔水管和全浮力块隔水管的涡激振动性能进行了分析,定量分析了不同浮力块分布方案下隔水管的固有频率、均方根位移、均方根应力响应以及疲劳损伤。通过增加浮力块的直径和长度增加隔水管的浮力,有助于改善隔水管的各种静态性能,降低对顶张力的要求,但是在下部安装浮力块对隔水管的悬挂、安装及回收不利,因此需要综合考虑。全浮力块分布方案会造成隔水管水动力外径增大,外部流体对隔水管的输入能量会大幅度提高,从而导致隔水管疲劳损伤进一步增加;浮力块交错分布方案可降低隔水管的疲劳损伤,但位移响应偏大;综合考虑推荐采取浮力块交错布置方案。