考虑温度影响的水下井口疲劳损伤计算方法

水下井口系统与隔水管系统共同构成连接平台与地下油藏的通道。钻井、完井、修井作业过程中泥浆循环导致井筒温度发生变化，并且平台运动、波浪等产生的循环动载荷通过隔水管作用于水下井口，造成水下井口疲劳损伤。首先建立深水井筒温度场计算模型，将温度场计算得到的井筒温度分布施加于水下井口精细有限元模型，采用局部等效方法得到水下井口的等效梁模型，把等效梁模型作为子模型代入隔水管-井口耦合模型中进行水下井口动态响应和疲劳损伤计算，研究泥浆循环作业过程中井筒温度对水下井口疲劳热点处疲劳损伤的影响，并研究不同水泥环返高对水下井口疲劳损伤的影响。结果表明，对于水泥环返高无缺陷的水下井口，50 h内不考虑温度影响时最大疲劳损伤发生在导管接头处，其值为1.00×10^-2；考虑温度影响时最大疲劳损伤发生在套管接头处，其值为3.59×10^-2。当水泥环返高缺陷分别为-2 m和-5 m时，与水泥环返高无缺陷相比，套管（接头和焊缝）的疲劳损伤减小，而导管（接头和焊缝）的疲劳损伤增加，最大损伤均发生在套管接头处，其值分别为3.55×10^-2和3.48×10^-2。     

高温高压气井自由套管对水泥环应力和完整性的影响

水泥环的密封完整性对降低环空带压、提高井筒安全性、延长气井开采寿命至关重要。为防止环空气窜,高温高压气井油层套管水泥一般返至井口,这给深井固井带来了巨大挑战。考虑井身结构和作业载荷的复杂性,运用Ansys软件建立了存在自由套管时水泥环受力有限元模型,研究了自由套管长度和井口套压对水泥环应力的影响,结果表明,井口套压作用下自由套管的鼓胀效应在水泥环中产生的径向拉应力和轴向应力是水泥环密封失效的主要原因。自由套管段长度对水泥环受力很不敏感,油层套管水泥可考虑不返至井口,但为保持水泥环长期完整性应避免过高井口套压,同时优选水泥浆体系以提高套管与水泥环胶结强度。     

水下井口套管悬挂器的敏感性及疲劳损伤分析

套管悬挂器是水下井口的关键部件之一，在温压环境等多场耦合作用下容易引发疲劳失效，破坏油气井井筒完整性。为探究套管悬挂器在复杂环境下的力学性能和疲劳损伤变化规律，以南海东方1-1气田某板块的水下井口为例，分析套管悬挂器温度分布和各类载荷，建立基于热力耦合作用的水下井口套管悬挂器精细有限元模型，对比下放、BOP试压、回收下放工具和完井采油等4种工况下套管悬挂器的力学性能和疲劳损伤，并评估温度和BOP重力等敏感性因素对水下井口套管悬挂器力学性能的影响效果。研究结果表明：在热力耦合作用下，等效应力和变形量均显著增加，井口温度对套管悬挂器性能的影响显著；最大疲劳损伤出现在BOP试压工况下，其值为1.23×10^-4 d^-1,在该工况下套管悬挂器的疲劳寿命为22.27 a,满足设计要求。研究成果对水下井筒完整性评估及深水钻采安全作业具有指导意义。     

深水油气井环空圈闭压力研究

深水油气井受限于水下井口,其密闭环空没有释放压力的通路,从而形成附加圈闭压力,威胁井筒安全,因此,对油气井测试和生产过程中套管环空圈闭压力的研究至关重要。基于深水井井身结构和井筒传热过程,通过计算深水钻完井套管环空温度分布,建立了套管环空压力的预测模型,提出了利用牛顿下山法求解环空压力的方法,并利用现场实例对模型进行了验证。分析结果表明:7口井套管环空温度和压力的预测值与监测值非常接近,其最大相对误差均在10%以内,精度满足工程要求,表明所建模型计算结果符合现场实际情况。所得结论可为深水油气井环空圈闭压力的计算提供理论指导。     

温差作用下回接套管柱井口抬升影响分析

井口抬升会导致油气井井筒完整性破坏,影响油井的后续生产作业安全。为了研究回接套管柱在固井-生产作业中的井口应力分布及抬升高度变化规律,采用有限元方法,根据顺北区块某井现场工况,利用ABAQUS软件建立了不同工况下多层套管-水泥环-地层多体系统热-固耦合分析有限元模型,分析了回接套管从固井阶段开始到生产时的应力和位移变化,得到了井口应力、抬升高度变化过程及其相关参数的影响规律。分析结果表明:随着水泥浆返高的增加,井口抬升高度单调增加,这表明随着水泥环缺失的严重性增加,套管自由段数越长,在温差作用下可伸长抬升的高度也就越大;随着水泥浆返高的增加,井口固定时回接套管的Mises应力先增大、后减小,并不呈现单调递增或递减的趋势。所得结果可为现场回接套管柱井口抬升现象分析提供一定的参考。     

深水井筒环空圈闭压力单向控制机理

深水油气井水下完井技术条件下,多级中间套管的环空圈闭压力是影响深水井筒完整性的关键因素之一。为有效控制油气生产或测试过程中圈闭压力对井筒安全性的威胁,开发了一种深水井筒环空圈闭压力单向控制技术。以南海深水油气典型井的井身结构为设计依据,研究了深水井筒生产测试过程的圈闭空间压力单向释放与控制工艺技术方法;构建了单向控制技术的室内实验模拟系统,实验模拟了井筒产出热流体对圈闭空间内圈闭液体温度、压力的影响。基于所设计的环空圈闭压力单向控制的方法,研制了一套压力单向控制的套管短节工具,并对压力单向控制套管短节工具的原理样机进行了室内模拟实验。实验结果表明,圈闭压力单向控制的方法可有效降低圈闭热应力异常升高而导致的套管变形、井口密封破坏等井筒安全事故的发生。圈闭空间的单向控制技术可有效保护深水井筒完整性,同时为深水圈闭压力的控制提供了安全方法。     

油气井环空允许带压值的计算方法探讨

油气井尤其是高温高压油气井的环空带压问题逐渐引起重视,需要开展系统性、较为准确的环空允许带压值的计算。通过耦合油管和套管自身强度因素、管材腐蚀因素、井筒温度因素、地层特征因素等,提出了确定油气井环空允许带压值范围的计算方法,计算值包括最大允许环空带压值、最小允许环空压力值,且均为动态值。利用该方法对西部某气田X井进行了环空压力值计算和预测。该井在投产初期A环空带压安全允许值范围为13.51 ~46.98 MPa,最大值比API RP90标准推荐方法计算出的值高达20%。预测结果表明,该井在井口油压和井底流压下降、套管腐蚀加重后,A环空允许带压最大值也逐渐下降。该方法可以实现油气井环空压力静态、动态计算和分析,对油气井环空压力的静态、动态管理具有一定的指导意义。     

高压气井环空压力许可值确定方法及其应用

对于高压气井,在采气过程中环空带压现象非常普遍。环空压力过高可能导致潜在的安全生产事故;若环空压力过小,则井口处油套压差过大,安全系数过低,油管长期疲劳生产,也易发生事故。因此,针对高压气井,有必要给出环空压力安全范围,以指导安全生产。为此,借助ARP RP90海上油气井环空套压管理和NORSOK D-010 油气井钻井与作业时的完整性等2个公认的国际技术标准,将带压环空进行了分类：油管-生产套管环间、生产套管-技术套管环间、两层套管环间,然后用承压构件的强度、水泥环及保护液注柱压力对气井环空的安全性能进行综合评价,给出了适合塔里木油田的高压气井环空最大、最小压力许可值的确定方法,用以指导高压气井的方案设计和安全生产。该方法已经在该油田展开现场应用,对于高压气井的环空压力安全管理具有重要意义。     

深水油气井筒环空注氮控压机理

通过深水井筒环空圈闭压力影响因素分析,结合环空圈闭介质温度、压力特性室内模拟实验,提出环空注氮气控制圈闭压力的方法。受深水井身结构及水下井口系统限制,技术套管和生产套管固井后存在较长的自由段套管环空,由水基、合成基或油基钻井液充填,油气测试、生产过程中,套管环空圈闭液体受井筒流体影响温度显著升高,圈闭液体受热膨胀出现圈闭压力。实验表明:圈闭流体热膨胀系数和等温压缩系数是环空圈闭压力关键影响因素,圈闭压力对圈闭介质类型(液、气)敏感度差异极大;向套管圈闭环空注入5%~20%体积分数的氮气,可以有效控制圈闭压力。现场实践表明:环空注入氮气的圈闭压力控制方法操作方便、可靠性高,能保证深水油气测试、生产过程井筒安全。     

高温油气引发套管附加载荷预防模型

在高温油气井生产过程中，由高温引起的套管附加载荷对套管的安全系数要求较高，其中套管密闭环空中流体受热膨胀，对套管环空两侧表面会施加一个热膨胀压力。这种由于井筒周围温度升高而产生的热膨胀应力可达到套管的抗内压或抗外挤强度极限。因此，在高温油气井中必须采取有效的措施来预防这种附加载荷，而这方面研究在国内还比较少。为此，采用向套管环空中注入可压缩流体来降低环空压力，根据体积相容性原理，建立套管密闭环空热膨胀预防模型，并依据所建模型分析给定工况下热膨胀应力变化。研究结果表明：在密闭套管环空中注入一定量的可压缩液体，可有效地预防热膨胀应力。据此可提前采取措施来预防环空流体热膨胀所引起的套管损坏，从而保障高温油气井中的套管安全。     

深水高温高压井隔热测试管柱技术

现有的深水油气井完井技术施工中通常会将部分完井液圈闭于套管环形空间内,进而在深水测试作业时圈闭流体受高温高压产层热流体的影响而产生井筒附加应力。为消除附加应力对井筒完整性造成的损害,设计了一种应用隔热管进行深水油气井生产测试的圈闭压力控制技术。依据南海深水高温高压井的典型井身结构,构建了测试过程的深水井筒热传导模型,通过基于典型井的井筒传热数值计算,分别对常规测试管柱结构及隔热油管测试管柱结构进行了圈闭环空温度场的数值模拟、圈闭压力计算。研究表明,深水高温高压油气井测试过程中,应用隔热管的测试管柱复配技术,可有效降低高温高压产层流体对套管圈闭空间的附加应力影响,避免了井下事故的发生。该技术为深水高温高压油气井的安全高效测试作业提供了一种新的有效方法。     

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。     

海洋深水高温高压气井环空带压管理

中国南海高温高压油气藏开发过程中,井筒环空带压问题突出,一旦超过允许值将会影响安全生产。为了保证气井的正常生产,需要确定环空压力的合理范围,为此基于ISO 16530-1:2017标准和API RP 90-2的推荐做法,研究并建立了考虑管柱承压能力和关键节点校核的深水高温高压气井环空带压控制值计算模型以及一套环空压力管理图版。研究结果表明:(1)管柱承压能力计算主要针对环空对应的油管和套管;(2)关键节点校核计算主要针对井口装置、封隔器、井下安全阀和尾管悬挂器等;(3)建立了环空最小预留压力计算模型,以确保对深水高地层压力或井底高流压气井的环空施加一定的备压,保证井下管柱和工具在合理环空压力范围内正常工作;(4)以某深水气井为实例进行了计算与分析,得到了考虑和不考虑壁厚减薄情况下随投产时间变化的各环空带压控制值。结论认为,所建立的模型及图版应用于海上深水高温高压气井,使用简便、可操作性强,可以为深水高温高压气井及类似井的井筒环空压力管理提供借鉴。     

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。     

海上勘探开发一体化钻完井关键技术研究与实践

勘探开发一体化是缩短海上油气田建产周期、降低开发成本的有效手段,但海上油气田工程设施建造周期长、油气管网相对较少,对钻完井作业提出了更高要求.本文针对不同水深、不同类型和不同井口型式等探井转开发井特殊要求,建立了浅水探井井口再利用技术、一井多目标钻完井技术、简易移动式平台井口稳定性技术和深水探井转开发井井筒完整性评估技...     

水下井口套管悬挂器偏磨事故预防技术

为了防止半潜式钻机施工过程中水下井口套管悬挂器及其连接短节发生偏磨,破坏油气井的完整性,以海上高温高压探井M井钻井过程中?273.1 mm套管悬挂器及其连接短节发生严重偏磨事故为例,分析了作业时海况、钻井平台偏离井口的程度、隔水管挠性接头是否扭卡和套管悬挂器耐磨补心的内径等可能造成套管悬挂器偏磨的因素,结合有限元软件计算结果,提出了以精确监测钻井平台偏离井口程度和选用与套管内径一致的套管悬挂器耐磨补心为主的预防技术措施。M井填井侧钻及后续的11口井进行钻修井、弃井作业时,4台半潜式钻井平台在施工中严格采取相应的预防技术措施,套管悬挂器及连接短节未发生明显偏磨。现场应用表明,预防技术能够有效保护水下井口套挂悬挂器,保证油气井的完整性。