海流涡激效应对钻井隔水导管疲劳强度的影响

钻井隔水导管是从海上钻井平台下到海底浅层的套管,在海上钻完井过程中起着非常重要的作用。在深水海域,由于隔水导管泥线以上长度的增加,海流对钻井隔水导管疲劳强度影响作用加剧,从而影响隔水导管的使用寿命。开展海流涡激效应对钻井隔水导管疲劳强度影响研究,能够为钻井隔水导管尺寸和材料选择提供科学依据。文中对隔水导管进行了力学分析,将隔水导管受力模型简化为下部固定,上部简支的梁模型来分析。利用流体阻尼及流体涡激力理论模型,计算海流作用下涡激效应对于隔水导管疲劳强度的影响。结合南海某海域的海况资料,对海上钻井隔水导管的疲劳强度和使用寿命进行了分析和校核,给出了该海域合理的隔水导管尺寸。通过研究得出:随着水深的增加,海流对隔水导管的涡激效应会逐渐加强,对隔水导管疲劳强度影响加剧。     

海上钻井隔水导管导向孔位置优化研究

随着水深的增加,强风浪流会对钻井隔水导管的稳定性产生巨大的影响,因此需要设置和安装导向孔及扶正块以减少隔水导管承受的疲劳应力和涡激应力,延长隔水导管的使用寿命。文中在考虑隔水导管结构自重及其他所有外界载荷的作用的情况下,建立了安装导向孔情况下的海上钻井隔水导管力学分析模型。利用ANSYS软件对工程实例进行了优化分析,分析结果表明,文中所提出的隔水导管及导向孔计算模型具备广泛的适用性,能够为实际工程施工和管理提供可靠的理论保证,并带来较好的经济效益。     

浅水隔水导管动态响应及涡激振动疲劳损伤

介绍波浪海流作用下的隔水导管动力学模型,总结极限强度分析、稳定性校核和涡激振动Vortex Induced Vibration（VIV）疲劳损伤分析方法,并就某隔水导管实例分析动态响应和VIV疲劳损伤,得到隔水导管的极限强度结果、稳定性校核结果、VIV疲劳寿命满足钻井作业要求。所提出的隔水导管振动响应、VIV疲劳损伤及寿命分析方法为隔水导管的安全保障提供参考和技术支撑。     

基于地层和钻井要求隔水导管最小入泥深度的计算方法

为更准确地计算出打桩隔水导管的最小入泥深度,充分考虑泥线以下地质特征、泥线以下地层的承载能力及隔水导管的力学性能等参数,在理论研究的基础上建立隔水导管最小入泥深度计算方法,并根据某油田的工况条件进行了理论计算,从而得出针对该区块24in、30in两种规格隔水导管在不同井口载荷下的最小入泥深度,对该区块现场打桩作业有一定的指导意义。     

深水钻井隔水管-导管系统波激疲劳分析

波激疲劳是深水钻井隔水管-导管系统最主要的失效模式之一。综合考虑波浪载荷、钻井平台运动和土壤抗力建立了深水钻井隔水管-导管耦合系统波激疲劳分析方法,实例分析了中国南海某井深水钻井隔水管-导管系统波激疲劳寿命,识别出了系统波激疲劳关键部位,并与隔水管常规分析模型的计算结果进行了对比。在此基础上,研究了钻井平台运动幅值、顶张力、下挠性接头转动刚度和井口出泥高度对系统波激疲劳特性的影响。结果表明,常规分析模型将隔水管底部看作固定端导致隔水管波激疲劳损伤过大,而本文提出的隔水管-导管系统分析模型能较好地模拟隔水管实际受力情况;隔水管最大波激疲劳损伤出现在下挠性接头处,导管的最大波激疲劳损伤出现在泥线附近;导管是整个系统中波激疲劳性能最薄弱的环节,适当地减小钻井平台运动幅值、隔水管顶张力、下挠性接头转动刚度和井口出泥高度均能改善导管波激疲劳性能。     

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。     

隔水套管波流联合作用下涡激振动计算

隔水套管是石油工程中的重要设备。将隔水套管简化为海底固定、下层平台简支的梁模型 ,考虑Morison非线性流体阻尼及流体涡激力 ,建立套管的振动控制方程 ,并采用多项伽辽金法 ,分别计算了流作用和波 -流共同作用于 170m深水套管的非线性涡激振动响应 ,为隔水套管的动强度分析提供了可行的方法     

隔水套管波流联合作用下涡激振动计算

隔水套管是石油工程中的重要设备.将隔水套管简化为海底固定、下层平台简支的梁模型,考虑Morison非线性流体阻尼及流体涡激力,建立套管的振动控制方程,并采用多项伽辽金法,分别计算了流作用和波-流共同作用于170 m深水套管的非线性涡激振动响应,为隔水套管的动强度分析提供了可行的方法.     

深水钻井隔水管-井口系统涡激疲劳详细分析

提出基于威布尔分布的隔水管-井口系统涡激疲劳详细分析方法,根据海洋环境条件的长期统计分布特征,采用随机变量的威布尔分布理论划分涡激疲劳详细分析的工况,得到具有不同超越概率的流剖面。在此基础上,应用涡激振动疲劳分析程序SHEAR7计算各个流剖面对应的涡激疲劳损伤,按照其发生概率折算得出隔水管系统总的疲劳损伤。算例结合南海某油井隔水管系统设计和具体海况参数,给出了上述方法的具体应用。研究表明,采用常规三种单一流剖面计算得到的涡激疲劳寿命分别为1.95年、0.039年和0.012年,而采用基于威布尔分布的涡激疲劳详细分析得到的疲劳寿命约为40年。两种方法相比,由于后者更符合实际的海洋环境条件,预测隔水管-井口涡激疲劳损伤更为合理,从而可以避免过于保守的隔水管钻前设计。推荐涡激疲劳详细分析工况数量为20~28个。     

海上钻井隔水导管极限承载力计算

为了更合理地确定隔水导管最小入泥深度,根据海底土的工程地质特征,结合岩土力学理论分析,建立了不同海底土层下的隔水导管极限承载力计算模型。根据隔水导管承载力计算模型,结合海上钻井隔水导管现场施工过程中不同的工况特征,建立了隔水导管最小下入深度计算模型。理论模型在渤海QHD32-6和SZ36-1油田进行了应用,得出了隔水导管底部承载力随入泥深度的变化曲线,进一步确定出隔水导管的最小入泥深度,计算结果与实际情况比较符合。研究成果将为海上隔水导管最小入泥深度的选择提供技术帮助。     

涠洲12-1B油田隔水导管入泥深度分析

涠洲12-1B油田在钻井过程中井下情况比较复杂,钻井作业施工时间长,这对钻井隔水导管的稳定性提出了更高的要求。文中根据该油田海底土的工程地质条件,结合海上钻井隔水导管现场施工过程中不同的工况要求,利用隔水导管极限承载力分析方法,计算得出合理的隔水导管最小入泥深度。现场应用表明,计算结果与实际施工情况比较吻合,应用效果良好。     

埕北油田隔水导管入泥深度计算及稳定性分析

隔水导管管体轴向受到井口压载和海底土提供的承载力,横向上受到风浪流等环境载荷,因此需要入泥一定深度和尺寸规格以提供安全的轴向承载力并满足管体的稳定性。本文结合埕北油田海底土质特征,计算得到了隔水导管入泥深度,并优化建立隔水导管有限元模型对隔水导管稳定性进行了校核分析,为海上现场施工提供了有力技术支持。     

海上延长测试过程钻井隔水导管力学特性

延长测试作业已成为海上油田获取产能参数、准确评价油气藏的重要手段。由于延长测试作业周期长且会遭遇恶劣海况,隔水导管稳定性是保证作业安全的关键因素。针对恶劣海况下隔水导管稳定性问题,从延长测试井井身结构特点入手,分析了延长测试过程中隔水导管受力特点,建立了隔水导管力学模型,得到在极限载荷条件下最大等效应力出现在水面附件,此位置的隔水导管是延长测试作业管柱危险点。结合东海海况条件和该井地质条件,设计了延长测试井隔水导管几何参数,利用有限元模拟软件ANSYS建立了延长测试过程隔水导管力学模型,并对模型施加环境载荷及约束,计算了导管力学特性,与现场测量值进行对比验证了所建立模型的可靠性。     

探井隔水导管在台风期间力学影响研究

针对探井延长测试周期长,隔水导管在作业时出现旋转和偏移等问题,探究隔水导管在环境载荷作用下的真实受力。以中国海上某探井为现场试验场地,进行台风期间的隔水导管应变采集试验,明确了不同环境载荷条件和不同顶张力对隔水导管应变大小的关系。结果表明,隔水导管应变随着环境载荷增加而增加,且增加的幅度越来越大。在不考虑管柱内外压情况下,隔水导管应变与理论计算结果,精度达到98%; 隔水导管应变随着顶张力的增大而减小,在遭遇台风的极限工况下,应适当增加张力器上提力,减少隔水导管受力和横向偏移。隔水导管实际受力与理论计算结果较为吻合,可为海上探井作业提供技术支撑。     

深水钻井隔水管涡激振动特性的数值模拟研究

深水钻井隔水管作为深水油气开发的关键部件必然面临涡激振动及其疲劳损坏这一重大安全问题,正受到广泛关注。基于精细流场模拟并耦合结构动力响应的流固耦合方法是准确分析隔水管涡激振动特性的必然趋势。文中总结了"十一五"期间和正在进行的"十二五"课题在数值模拟方面的部分研究成果,针对简化的和实际尺寸的隔水管所涉及的涡激振动问题,提出高精度流固耦合分析技术,建立了隔水管涡激振动分析可靠的物理模型、数学模型和数值模拟方法。通过对比实验验证了模型的可靠性。基于简化和实际情况下(海况、结构、尺寸等)钻井隔水管涡激振动进行了大量的数值模拟研究,给出了高雷诺数下具有实际海况的几种典型洋流条件,如剪切流、亚临界和临界流条件下实际尺寸隔水管的涡激振动特性,以及顶部张力控制隔水管涡激振动的效果。     

南海西部乌石海域■508 mm隔水导管简易井口稳定性研究

南海西部海域常规探井简易水上井口前期普遍采用■762 mm×25.4 mm大尺寸隔水导管,作业成本较高。从隔水导管桩土承载力、海底土浅层破裂压力、极端海况下隔水导管强度等方面分析■508 mm×25.4 mm隔水导管稳定性。结果表明:隔水导管最小入泥深度为45 m时,能满足井口承载1 000 kN要求;极端海况下隔水导管能满足强度要求,在水面及泥线下2 m附近出现最大弯矩与应力,泥线以下10 m后应力较小。现场应用表明,乌石海域采用■508 mm隔水导管可实现后续安全钻井作业,相比■762 mm大尺寸隔水导管方案,可降低作业工期与费用。     

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。     

海上油气井服役过程中隔水导管旋转原因分析

海上生产井在服役过程中井口发生旋转会对采油树、井口管汇以及油气生产带来严重的安全隐患和作业风险。针对海上某油田在服役多年后井口发生的旋转现象,从最外层隔水导管受力情况分析出发,对钻完井作业过程和生产过程中的各个阶段影响因素进行了分析,建立了钻井隔水导管在海流作用下产生扭矩的力学模型;考虑到油气井长期服役后隔水导管外侧会附着大量海生物现象,附着的海生物在海流作用下会对隔水导管产生更大的扭力,从而引起隔水导管的旋转。通过理论分析和有限元计算,建立了不同海生物附着条件下隔水导管旋转力的计算模型。利用建立的钻井隔水导管旋转力计算模型进行案例分析,进一步验证了理论模型的正确性和准确性。研究结果能够为海上隔水导管扣型设计、隔水导管连接方式和油气井服役过程中井口维护提供理论依据。     

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     

深水钻井隔水导管挠曲方程及固有频率研究

从深水钻井隔水导管的实际情况出发,采用一端铰支、一端自由的约束方式,应用弹塑性力学中的位移变分原理,考虑隔水导管所受到的轴向张力、自重以及隔水导管倾斜角,建立了隔水导管挠曲方程,并由此推导出了隔水导管固有频率的计算公式.通过算例,分析了隔水导管倾斜角、几何尺寸、张力以及水深对隔水导管固有频率的影响,对深水钻井作业有一定的指导意义.