水下井口系统拉伸与弯曲测试工装设计与分析

水下井口系统在深水油气开采作业期间承受复杂载荷的作用，极易发生强度破坏和结构失效。目前主要通过数值模拟的手段对水下井口系统进行分析，无法准确评估水下井口在工程应用时的安全性，研制水下井口系统的专用测试设备并分析其试验过程中的结构稳定性具有重要意义。根据水下井口系统实际装配结构，自主设计了水下井口承受悬挂、拉伸、弯曲载荷下的专用测试工装。为论证测试工装结构在测试试验过程中是否会发生强度破坏，基于ANSYS Worbench建立了3种测试工装的有限元模型，分析得到不同工况下测试工装应力响应云图。计算结果表明：悬挂载荷测试时，测试工装最大应力为597.50 MPa;弯曲载荷测试时，测试工装最大应力为349.34 MPa;拉伸载荷测试时，测试工装最大应力为179.14 MPa。各部件应力均未超出材料屈服强度，能够保证测试试验的稳定运行。研究结果可为水下井口系统测试工装的研究设计提供参考。     

深水水下井口系统疲劳监测损伤评估研究进展

水下井口系统在钻完井和修井等连接作业过程中，受到波浪和海流引起的隔水管振动、平台运动以及作业性动载荷等传递而来的循环载荷作用，这些循环载荷使水下井口产生循环弯矩，导致水下井口疲劳损伤不断累积。为了促进深水水下井口系统技术进步，提高水下井口系统的安全利用水平，总结了深水水下井口系统特点，调研了水下井口在南海的应用现状和前景；分析了水下井口在损伤预测、疲劳监测、多源监测数据融合处理等疲劳损伤评估研究中的进展；总结了水下井口疲劳损伤评估研究难点，最后提出了水下井口疲劳损伤评估技术的发展方向及研究建议。水下井口疲劳损伤评估研究难点是水下井口疲劳监测水池试验待开展、缺乏多源监测数据融合的水下井口修正有限元模型。所得结论可为水下井口系统技术发展及深海应用提供参考。     

螺栓连接式水下井口连接器结构性能分析

水下井口连接器是海洋油气勘探开发的重要设备,工作时面临的工况和环境较复杂。通过三维有限元计算,分析了螺栓连接式水下井口连接器在安装预紧模式、生产模式及钻完井和修井模式下的结构性能,研究了外部载荷、金属密封垫环接触力、螺栓应力应变等参数之间的相互影响规律。建模时密封垫环采用GK3D8单元来模拟接触的非线性行为,其他模型采用C3D8R单元划分网格。分析结果表明,内压循环载荷对连接器预紧能力的影响很小;钻完井和修井模式下,螺栓是毂面分离后的主要承载部件;连接器在发生塑性破坏或达到结构极限强度时,金属密封垫环仍能有效密封内压。     

水下井口波致疲劳力学分析

根据水下钻井作业的实际工况,建立了水下井口及隔水管力学模型和有限元三维模型,并进一步对系统进行力学分析及有限元计算。应用ABAQUS的AQUA模块对波浪及洋流载荷进行模拟,结合平台响应振幅算子RAO（ResponseAmplitude Operator）获取波浪载荷与井口疲劳热点之间的传递函数,再利用波浪散布图并结合S-N曲线计算水下井口的波致疲劳寿命。算例分析表明,水下井口设备的疲劳寿命符合DNVGL相关规范的要求。     

深水油气水下井口系统疲劳损伤影响因素

深水油气水下井口系统作为作业的安全屏障，长期承受由环境载荷引起的周期性疲劳载荷而产生疲劳，一旦井口发生疲劳失效将导致井喷等重大事故。通过系统总结水下井口系统疲劳损伤影响因素，定性、定量分析各种因素对水下井口疲劳损伤影响，初步探究水下井口疲劳损伤诱因的影响机理。影响水下井口系统疲劳损伤因素可分水下井口系统承受外部载荷和自身疲劳抗力，前者包括环境载荷、土壤载荷、作业环境和装备等因素，主要通过改变传递到井口系统动载荷和导管、套管承受弯矩载荷改变井口疲劳损伤；后者包括井口类型选择、井口设计和导管、套管选择等因素，主要通过改变导管、套管载荷分配和承受弯矩载荷能力以及井口系统承受动载荷能力对井口疲劳损伤产生影响。其中，环境载荷、防喷器尺寸重量、井口类型以及焊接质量和位置等是影响井口疲劳损伤的关键因素。     

深水钻井表层套管固井井口稳定性及防下沉实践

深水表层土壤松软,导管通常采取喷射的方式下入,井口径向稳定性能薄弱,尤其在深水新区块探井海底地质情况不明确、浅层土质强度参数不准确的情况下,水下井口径向稳定性问题尤为重要。为提高水下井口径向载荷的稳定性,针对现场作业中表层套管在固井前循环及注水泥固井期间出现的井口下沉现象,进行导管在表层套管固井期间的径向受力情况分析,结合现场作业实践,提出了防止井口下沉的方法,并且在作业实践中得到了成功应用,提高了水下井口径向载荷的稳定性,有效促进了深水表层作业的顺利、安全进行,保证了深水钻井的安全性。     

新型水下井口基盘模型试验及数值分析

针对某一新型水下井口基盘,进行了室内模型试验,包括准静态试验和模态试验,并和有限元计算结果进行了对比。考虑了冰载荷、波浪载荷、流载荷、地震载荷对结构的作用,试验给出的平台应力、位移响应、振型、频率和有限元计算的结果一致,此井口基盘结构是安全的。     

深层气井油套管柱力学分析方法探讨

吉林探区气井测试虽然在井口选择及管柱优化设计上取得了一些经验,但对深层气井测试管柱安全分析缺乏深入研究,对测试管柱作业安全构成极大威胁,以往的经验做法无法适应新的作业环境要求,为此开展深井试气管柱力学分析尤为重要。根据文献,结合深井安全试气工作的需要,针对试气管柱结构、试气作业的特点,在结构屈曲、压杆稳定性研究成果的基础上,综合考虑井下实际工况,考虑吉林探区常用的井口释放悬重和投球打压坐封方式,将管柱作为井眼约束下的空间压杆,建立了管柱失稳变形的微分方程,以此分析管柱弯曲失稳的临界载荷,分析弯曲管柱的轴向受力与变形情况,分析管柱在井下的载荷、应力及其安全性,为深井测试提供技术保障。     

深水油气井表层导管下入深度计算方法

深水表层导管是深水油气钻井与生产的重要通道,是水下井口装置的主要持力结构,表层导管下入深度直接影响到水下井口的稳定性以及海上作业安全。基于表层导管基本功能和主要安装方法,针对不同海底的土力学特性,开展了钻入法和喷射法安装表层导管适应性及选择方法研究。基于油气井表层导管垂向受力分析,揭示了表层导管及上部井口载荷与表层导管外表面摩擦力之间关系,建立了钻入法和喷射法表层导管合理下入深度模型。从油气井表层导管横向受力分析出发,揭示了井口载荷、表层导管尺寸、表层导管钢级壁厚、表层导管出泥高度对水下井口稳定性影响规律,建立了水下井口出泥高度设计方法和计算模型。表层导管下入深度计算方法已在中国南海水深300~2 619 m的几十口深水井得到成功应用,该研究成果支撑了这些油气田的钻完井安全高效作业和后期油气生产安全运行。     

钻井船漂移状态下隔水管-井口系统安全分析

常规钻井平台位置警戒圈根据隔水管的静态分析方法确定,无法考虑风、浪、流等载荷作用下平台的运动轨迹,也不能确定平台达到极限位置的时间,存在一定的局限性。为此,建立了基于钻井平台-隔水管-水下井口系统的动态耦合方法,采用FLEXCOM软件建立了钻井平台漂移分析的有限元模型,得出平台动态漂移轨迹与漂移情况下隔水管-井口系统的载荷状态,并结合平台应急解脱作业的响应时间,提出了钻井船允许的漂移时间和漂移距离的计算方法。分析结果表明:漂移分析模型综合考虑了风、浪、流等载荷的影响,能够动态预测平台动力定位失效情况下钻井船的漂移轨迹;在隔水管-井口系统的选型设计时,要针对具体井开展漂移分析计算,根据计算结果评估漂移时间和距离是否满足平台响应的时间要求,根据分析确定限制因素,针对性地采取强化措施。所得结论对于保证深水钻井隔水管系统和水下井口系统的完整性具有重要意义。     

深水水下井口头系统紧锁机构分析

锁紧机构作为连接高低压井口头的重要部件,决定了深水井口头系统在多种外载条件下工作的稳定性和可靠性,对深水油气田作业安全至关重要。介绍了国内外几种典型水下高低压井口头系统及锁紧机构类型,对比分析了不同类型水下高低压井口头系统采用的锁紧机构及其锁紧原理和特点,并对Dril-Quip公司SS-15型井口头系统采用有限元进行了力学分析。结论表明,采取较大预紧力的锁紧机构,可以有效地提高低压水下井口头系统的抗疲劳能力。对深水作业时选择高低压井口头具有一定的指导意义。     

深水油气井表层导管下入深度计算方法

深水表层导管是深水油气钻井与生产的重要通道，是水下井口装置的主要持力结构，表层导管下入深度直接影响到水下井口的稳定性以及海上作业安全。基于表层导管基本功能和主要安装方法，针对不同海底的土力学特性，开展了钻入法和喷射法安装表层导管适应性及选择方法研究。基于油气井表层导管垂向受力分析，揭示了表层导管及上部井口载荷与表层导管外表面摩擦力之间关系，建立了钻入法和喷射法表层导管合理下入深度模型。从油气井表层导管横向受力分析出发，揭示了井口载荷、表层导管尺寸、表层导管钢级壁厚、表层导管出泥高度对水下井口稳定性影响规律，建立了水下井口出泥高度设计方法和计算模型。表层导管下入深度计算方法已在中国南海水深300~2 619 m的几十口深水井得到成功应用，该研究成果支撑了这些油气田的钻完井安全高效作业和后期油气生产安全运行。     

水下井口连接器密封结构性能分析

水下井口连接器在生产过程中面临的工况和环境较复杂。通过有限元计算,分析了连接器在安装预紧工况和生产工况下密封圈的密封性能。研究了轴向预紧力、密封圈接触应力和径向压缩量等参数之间的相互影响规律。通过编写Abaqus的inp程序,分析完井与修井工况下承受弯矩载荷的井口连接器密封性能,研究了金属密封圈左右接触面不同弯矩载荷下的接触应力相互影响规律。分析结果表明,连接器在承受2.02×10~6N·m的弯矩条件下,金属密封圈虽然发生面积较大的屈服,但是仍然具有密封性,能够有效密封内压。研究成果可为水下井口连接器的安全应用提供参考。     

深水井口系统切割回收工具设计研究

我国已经进入深水勘探阶段,由于受到钻探区域海况的影响,用传统的切割回收方法回收海底井口系统变得非常困难。鉴于此,分析了现有井口系统切割工具的结构及工作原理,采用提拉式水力驱动切割,设计了深水井口系统切割回收工具。分析了作业过程中不同状态下对工具的受力,对关键零部件进行了有限元分析,结果表明卡爪、定位基座及解锁卡壳体均满足强度要求,整体结构设计安全。并针对C13-8-42割刀进行了切割参数优选。研究结果可为螺杆钻具选择及作业过程的顺利实施提供参考。     

水下高压井口头静水压测试装置的研制与应用

高压井口头作为水下井口头系统中最关键的承压部件,出厂前必须通进行静水压测试,但国内前期对此研究较少,亟待深入。鉴于此,在参考相关标准及工程调研的基础上,结合待测高压井口头结构,兼顾测试操作安全性及经济性,设计了一套高压井口头地面测试装置,顺利完成了测试并通过了DNV船级社现场认证,由此得出高压测试装置设计的几点建议:须考虑密封冗余,提高密封可靠性;须设计密封泄漏检测点,方便判断密封失效部位;尽量减小密封腔体积,以提高测试效率及测试安全;兼顾装配因素,须容易对中和调平,避免组装引起的密封损伤。该套测试装置的研制成功可为其他类似测试工装的设计提供借鉴与参考。     

水下井口连接器密封性能影响因素分析与优化

水下井口连接器作为连接高压井口与水下采油树、防止井内高温高压流体泄漏的关键设备,其承受着极其恶劣的载荷作用。为研究内压工况下流体渗透压力对井口连接器金属-金属密封的影响,以自主研制的井口连接器为对象,考虑流体渗透压力对VX钢圈密封性能的影响,运用ABAQUS软件分析了井口连接器在预紧和内压工况下的密封性能,探究了预紧力、介质压力、密封圈材料性能和结构参数对其接触应力的影响规律。研究结果表明：轴向预紧力是影响连接器密封性能的重要因素,在保证连接器结构强度下应尽量增大预紧力;随着内压的增大,上密封面的接触应力增加,趋势与下密封面相比较增加速率变低,且下密封面接触应力大于上密封面;316L不锈钢满足密封准则,用其作为密封圈材料更为经济;最优密封锥面锥角α为22.75°,最优密封面宽度b₀为28mm。所得结论可为其他类型水下井口连接器的密封结构设计提供依据。     

基于ANSYS的水下井口力学性能分析

根据深水钻井作业的实际工况,建立了水下井口力学模型和ANSYS三维实体模型,对深水钻井水下井口横向承载力进行有限元分析计算。应用APDL语言并且结合VB.NET程序,建立了更便捷的操作模式,更好地应用到工程计算中。算例分析表明,水下井口顶部所受的横向载荷对井口的横向承载力影响较大,而竖向承载力对其的影响不明显;井口出泥高度对水下井口的稳定性影响较大;一定深度以下,套管的应力和位移值均很小。     

井口装置带压修复技术及现场应用

油气安全是我国能源安全的重要组成部分，也是国家经济高质量发展的重要保障。油气井井口装置经过长期使用会出现各种故障或损坏，影响油气井正常生产，严重时甚至会关井停产。针对井口装置泄漏问题，文章通过设计专用封堵工装，优选高承压封堵材料，形成了井口装置带压修复技术。现场应用表明，该带压修复技术实现了对井口装置经济、高效的修复，填补了目前井口装置带压修复空白，节约了更换新设备成本和时间成本，解决了现场生产安全问题，是一种适合老井特别是气井井口装置修复的可行解决方法。     

海洋水下井口装置密封技术研究

密封技术是水下井口装置的关键技术之一,密封性能的优劣直接影响并决定整个海洋石油开采系统的安全性和可靠性。介绍了国内海洋水下井口装置密封技术现状,尤其对美国VetcoGray公司的VX、VX-2、VGX、VGX-2、VT、VT-2等垫环密封和SG-LTR环空密封、DrilQuip公司的环空密封以及Aker公司的环空密封的结构技术参数和性能特点进行了重点分析研究。同时阐述了海洋水下井口装置密封的设计与制造关键技术。指出井口头密封的双密封面结构和球面密封面结构技术先进;环空密封的全金属密封、压入安装方式具有承压高、工作可靠、寿命长的优点。最后建议借鉴国外海洋水下井口装置密封的结构特点,加大科研力度,做好试验设施建设,以推进海洋水下井口装置国产化进程。     

油田闸板防喷器弹塑性应力计算及评定

闸板防喷器是油田开采中的重要井控设备,是井口安全控制的重要保障.防喷器内部结构复杂,需要详细地对承压结构进行强度分析和计算,以保证设备安全运行,并为结构优化提供重要依据.基于JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》和有限元方法,采用应力分类法和极限载荷法对闸板防喷器壳体进行强度分析,应用子模型技术提取结...