深水水下井口头系统研究

分析了国外VETCO、DRIL-QUIP、FMC 3家公司水下井口头系统的特点及密封原理,并对3家公司的密封结构进行综合比较.现场操作表明,VETCO公司的旋转压入式密封用于深海钻井存在一定问题,插入式密封将是未来发展的主流.对VETCO公司和DRIL-QUIP公司的井口头系统装备进行简单对比,给出对比分析结论.根据分析提出水下井口头系统的设计建议和拉封式新型密封的概念,指出亟待解决的几个关键问题.     

深水采油树井口连接器锁紧机构设计研究

分析了水下采油树的关键部件——井口连接器的功能、类型及结构.针对水深300 m、设计压力为34.5 MPa(5 000 psi)、设计温度为-18～121℃的卧式采油树,根据ISO 13628 4和API17D相应规范,在考虑井口结构、目标油田油藏特性和环境参数的基础上,设计采油树井口连接器,并对关键部件C型锁紧环所需要的液压锁紧力进行计算分析;利用ABAQUS软件对液压锁紧力进行验证和强度校核.计算结果表明:所设计的锁紧机构满足井口连接器和水下采油树的需要.     

深水水上防喷器钻井系统水下井口稳定性分析

采用水上防喷器(SBOP)系统进行深水钻井可以大大降低作业成本,但在SBOP系统的应用中还有许多问题需要探讨.建立了深水水上防喷器钻井系统水下井口稳定性分析模型并进行了分析,结果表明:采用水上防喷器系统,导管下入深度可以比常规隔水管系统浅,且导管直径越大水下井口的稳定性越好;大尺寸隔水管会导致水下井口产生较大的横向偏移和弯矩;随着水深的增加,水下井口的横向偏移和弯矩值逐渐增大;水下井口的横向偏移和弯矩值随着钻井平台漂移量的增大而线性增加,并且随着隔水管顶张力的提高而逐渐增大.     

海洋深水钻井井口头系统下放工具研究

介绍了Vetco和Dril-Quip公司的几种典型水下井口头系统下放工具,即临时导向基座(TGB)下放工具、762 mm导管头下放工具以及套管挂和密封总成下放工具。对这几种下放工具的结构特点和作用过程进行分析和总结,提出了改进意见和改进方案———应采用反推的原则设计井口头系统下放工具,明确下放工具与要下放的原件之间的配合方式,确定配合方式后,对下放工具中间部件的连接方式进行设计。这对我国自主开发井口头系统下放工具具有参考价值。     

深水水下井口弯矩能力有限元分析

为确定水下井口的抗弯能力,通过对影响水下井口弯矩能力的各种因素进行有限元敏感性分析,获取各种因素对井口弯矩能力影响的规律,进而提取出各因素对弯矩能力影响的保守值,并把各保守值作为弯矩能力确定计算的输入,最后用ANSYS有限元分析软件计算出水下井口的最终弯矩能力。结果显示,在刚性锁紧预紧力作用下,水下井口的抗弯能力可达到5.89 Mft·lbf,与国际主流水下井口厂商的抗弯能力相当。     

深水水平连接器注水罩设计

针对深水水平套筒式连接器的特殊连接方式,以连接器的安装工具与注水罩的安装工具共用的原则,设计了卡爪式注水罩。分析了卡爪式注水罩的工作原理和安装过程,验证了卡爪式注水罩结构的合理性。对卡爪式注水罩的锁紧机构及其卡爪进行了受力分析,通过有限元计算,校核了注水罩结构的强度。结果表明:卡爪式注水罩结构合理,强度满足工程需要。     

深水水下采油树界面系统模拟测试技术分析

针对深水水下采油树处于高压、低温等严苛的海底工作环境且采油树内部流动着高温高压高腐蚀性流体的特性,形成验证井口和采油树匹配性的水下采油树-水下井口界面系统模拟测试技术。该技术通过自主化测试工桩及设计步骤,采用虚拟装配和集成测试实现水下采油树与水下井口密封性能、连接界面物理匹配、倾斜测试等的检验,保障采油树海上安装时的可靠性。技术成果成功运用于国内多个气田项目采油树SRT接收测试,具有广阔的发展空间和应用前景。     

深水套筒式连接器力学与结构参数分析

深水套筒式连接器是水下生产系统的重要组成部分,其主要作用为水下生产设施的连接。介绍了深水套筒式连接器的结构;对连接器的主要部件进行了力学分析,找出了影响连接器机械效益的角度参数和摩擦因数;根据约束条件和设计要求提出了最优的角度参数;运用MATLAB绘图得出卡爪与毂座的摩擦因数越小,机械效益越大的结论。使用ABAQUS有限元分析软件对连接器在工作条件下进行了校核,验证了连接器各部件符合工作要求。     

深水钻井水下井口力学稳定性分析

深水钻井时水下井口承受的复杂作用力可能导致其稳定性存在问题。根据深水钻井水下井口系统整体受力分析，建立了井口力学稳定性分析方法，该方法综合考虑了海洋环境载荷、钻井船或平台漂移、隔水管力学性能、套管柱与地层之间的非线性响应等因素的影响，可以实现井口力学性能分析。算例分析表明，水下井口的横向偏移及弯矩随张力比和海流流速的增加而大幅增大，顶张力过大会引起井口稳定性变差；随着钻井船或平台漂移量的增加，井口的横向偏移和弯矩近似线性增加，控制好钻井船或平台的漂移非常重要；由于井口承受弯矩的能力有限，较大海流流速情况下可能造成井口失稳；提高导管抗弯强度、控制泥线处管柱冲刷、获取浅部地层的取样数据等措施可以增强井口稳定性。     

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。     

海洋油气井水下井口回接装置

海洋油气井水下井口回接是海洋油气井通过水下井口与海面采油平台建立采油采气通道的一种方法。介绍了回接连接装置的结构、组合式金属膨胀密封环的设计方案及其工作原理。该方案设计的装置结构简单、操作方便,为国内在海上油气井回接系统方面的研究提供新的设计思路。     

海洋水下井口装置锁紧机构研究

锁紧机构是海洋水下井口装置中的重要部件之一,其工作性能的优劣直接决定海底油气井口的使用寿命及整个海洋石油开采系统的安全性和可靠性。介绍了国内外海洋水下井口装置锁紧机构技术现状;对美国VetcoGray、Dril-quip,FMC等公司的锁环式,弹片式、齿圈式、锁圈式4种锁紧机构的工作原理及性能特点进行了对比分析研究。阐述了锁紧机构的工作原理和关键零部件的设计。指出齿圈式和锁圈式锁紧机构结构先进;井口头可以承受较大的轴向拉力和横向弯曲载荷。     

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。     

海洋水下井口回接装置技术现状及结构分析

海洋水下井口回接装置是海洋水下井口进行回接作业的关键设备,该装置用于隔离海水,为生产平台和海洋水下井口建立油气通道。介绍了回接作业程序,简述了回接装置的技术现状,并针对3种国外海洋水下井口回接装置的结构特点进行了分析,总结出回接装置将向高压、安全可靠、标准化、系列化的方向发展。     

井口平台的新型水下基盘结构及其模型分析

为了降低海冰对井口平台的影响,根据胜利埕岛油田已有井口平台的结构型式,以CB246井口平台为例,优化出一种新型水下基盘结构,该结构的创新点是采用了引导管和水下基盘相结合的结构型式。利用SACS软件对隔水管与水下基盘结构间的灌浆与非灌浆连接结构型式分别进行分析计算,结果表明,井口平台水下基盘灌浆连接结构更适合于埕岛海域,该新型水下基盘结构已在埕岛油田多座井口平台得到推广应用。     

基于FTA定性的简易水下井口设计可靠性分析

水下井口作为水下生产系统的核心装备,下端连接导管和套管,上端支撑防喷器组和水下采油树等水下装备,是整个水下生产系统的重要组成部分。特别是在浅海作业环境中,外部易受到风浪影响,一旦发生失效,将会造成严重的后果。基于浅水水下井口的结构特点,建立了水下井口失效事故树模型(FTA),划分了基本事件和最小割集,分析了基本事件结构重要度,对水下井口装置关键部件的风险程度进行了评估。结果表明:低压井口头、环形密封总成、高压井口头、套管悬挂器、防磨补芯装置和导向基座是水下井口设备发生失效的关键部件。针对失效关键部件提出设计优化建议,从而提高海洋油气生产的整体安全可靠性。为建立一套适用于浅水简易水下井口及采油树风险评估与安全可靠性技术体系提供了重要参考依据。     

深水钻井水下井口稳定性分析

为了对深水钻井水下井口稳定性进行分析,基于土力学理论,利用大型有限元软件ANSYS中管单元和非线性弹簧单元模拟管-土受力与变形过程,对水下井口的横向位移、井口转角以及管身弯矩进行分析。建模时将表层导管与海底浅层土横向及竖向作用简化为管-非线性弹簧模型,导管视作线弹性管,用非线性弹簧来模拟土层的变形特性,通过共用节点实现管单元与非线性弹簧单元连接。分析结果表明,钻井船偏移量相同时,导管的横向偏移、井口转角、管身弯矩都随顶部张力比的增加而增大;钻井船偏移量增大后,高的张力比会急剧增大井口的横向位移、转角和管身最大弯矩,易造成井口侧翻。当钻井船偏移量增大时,建议适当降低隔水管顶部的张力,以降低井口侧翻的风险。     

水下井口生产热膨胀力分析与井口环空密封完整性评估

基于南海东部某海域的钻井资料,运用热力、结构力学理论,建立水下井口的热-结构力学轴对称有限元模型,运用ANSYS软件对海床以上井口的轴向热膨胀力进行计算。采用经典理论计算套管串由于热膨胀在井口产生的力,对环空密封总成的长期密封完整性进行评估。结果表明,在4 285 m井深和正常温度压力条件下,由于流体热循环在套管挂处产生向上的力为2 811 kN,而环空密封总成锁环工作能力为3 247 kN,因此,环空密封总成锁环可抵抗热膨胀产生的向上的力。为确保油井生命周期的井口安全,提出在套管挂顶部下入锁紧补芯,以限制套管挂和密封总成在生产过程中由于热膨胀而向上移动。上述评估方法及措施为水下井口在生产过程中的密封完整性评估提供参考。