深水顶部张紧钻井隔水管非线性静力分析

用ABAQUS软件对用于1500m水深的顶部张紧钻井隔水管进行了非线性静力分析。定量分析了钻井船平均偏移、张力比、海流剖面对深水钻井隔水管弯矩、横向变形、应力水平和底部球铰转角的影响。增加张力比,可显著减小隔水管弯矩、隔水管底部球铰转角以及隔水管的横向变形;但是增加张力比同时会增加隔水管的应力水平,这就要求张力器能够提供更充足的顶部张紧力。钻井船平均偏移对隔水管弯矩和隔水管底部球铰转角有明显影响,控制钻井船平均偏移对于保证海洋钻井的顺利进行具有重要意义。海流是深水钻井重要影响因素之一,海流对隔水管弯矩分布、隔水管中下部的受力状况甚至隔水管的整个作业过程均有显著影响。应加强对海流数据的监测,将海流对深水钻井隔水管作业过程的影响降至最低。     

深水测试管柱作业条件下平台偏移预警界限

针对深水测试作业过程中由于浮式平台偏移造成的管柱安全问题,建立深水测试管柱系统接触非线性有限元分析模型,采用磁性搜索算法研究深水作业平台的偏移预警界限,确定浮式平台的测试作业窗口和管柱脱离的安全作业边界,为深水作业平台的科学定位和撤离决策提供理论依据。研究表明:实例平台在表面海流流速低于0.8 m/s、平台偏移不超过19.4 m的条件下可以完成正常的深水测试作业;挠性接头转角和底部井口弯矩是平台偏移预警界限的主导限制因素;随着海流表面流速的增加,测试作业窗口向逆流方向偏移,当达到一定流速时作业窗口的左侧边界出现拐点,窗口迅速收缩;提高外管提升力有利于增大测试作业窗口,测试作业窗口随着井口倾斜角度的增大逐渐向井口倾斜方向平移,但大小和形状基本不变。     

深水水下井口完井作业窗口分析

完井作业窗口是进行完井作业的各种极限环境条件,对于指导深水海底井口完井作业具有重要意义,根据完井作业模式可分为下钻刮管窗口、完井管串下放窗口和极限连接窗口等。完井作业时,隔水管强度、井口与导管强度、井口倾斜角度、完井工具的通过性以及挠性接头的转角等都是限制完井作业的重要因素。通过建立张紧器–隔水管柱–井口及导管和土壤的耦合模型,研究并量化影响深水海底井口完井作业最重要的限制条件隔水管上、下挠性接头转角,并结合其他限制条件形成海底井口完井作业的作业窗口确定方法。对南海某探井进行了实例计算,明确了该井完井作业各种模式所允许的极限环境条件,为深水油气田开发的完井作业提供参考。     

深水钻井隔水管悬挂窗口确定方法

隔水管悬挂窗口为允许隔水管进行悬挂作业的环境载荷极值条件,钻前形成悬挂窗口对于指导隔水管现场作业至关重要。提出隔水管软、硬悬挂模式作业窗口分析方法,建立隔水管轴向动力分析有限元模型,基于隔水管悬挂作业限制准则,进行不同海况条件下的隔水管悬挂窗口研究。波高周期作业窗口分析表明,隔水管硬悬挂窗口受平台升沉运动与波浪周期共同影响,波浪周期在10~16 s、20~24 s 之间的作业窗口较窄,硬悬挂自存时推荐平台艏向取45°浪向角;隔水管软悬挂窗口主要受伸缩节冲程限制,不同浪向角下的作业窗口基本相同。波浪海流作业窗口分析表明,海流流速越大隔水管悬挂允许的最大波高越小。对比两种悬挂模式下的作业窗口,软悬挂模式较大地扩展了隔水管的悬挂作业窗口。     

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。     

环境载荷对深水隔水管底部球接头的影响分析

隔水管底部球接头是深水钻井的关键部件 ,其工作状态及力学行为对安全作业显得格外重要。建立了深水钻井时海洋环境载荷作用下 ,隔水管及底部球接头静态分析的三维有限元力学模型 ,引入了非线性力学理论 ,计算结果更符合实际。计算分析表明 ,隔水管底部球铰处的转角是制约深水作业的重要参数 ,船体的漂移是影响它的最重要的因素 ;其次是隔水管顶部张力 ,随着顶部张力的增大 ,底部球铰的转角减小 ;随着海流速度的增大 ,底部球铰的转角增大 ;海浪的影响不明显。实际钻井过程中 ,当海流速度较大时 ,可通过增加顶部张力或加浮力块的方式来改善底部球接头的工作状况。     

波流极值载荷作用下隔水管的非线性分析

应用ANSYS软件对波流极值载荷作用下的深水钻井隔水管进行了非线性分析。计入隔水管的大变形效应和管内泥浆的影响,计算了顶张力和钻井船偏移对深水钻井隔水管的受力和变形的影响。随着张力比增加,隔水管的横向变形、弯矩以及底部球铰转角均显著减小,同时隔水管的等效应力会整体增加。钻井船的偏移会显著增大隔水管的横向变形、底部球铰转角以及隔水管下部的弯矩。所以,控制好顶部张力和钻井船偏移对确保深海钻井顺利进行有十分重要的意义。     

深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移预警界限

建立了深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移动力学模型,提出了深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移预警界限分析方法,并进行了实例分析。分别建立了深水钻井隔水管-井口-导管耦合系统分析模型及平台漂移动力学分析模型,开发了深水钻井平台漂移动力学求解器。结合实例开展了深水钻井平台-隔水管耦合动力学特性及耦合作用规律分析,阐述了漂移预警界限分析方法。结果表明:平台漂移初始阶段隔水管载荷对平台漂移起促进作用,随着平台漂移位移的增大隔水管逐渐开始抑制平台漂移;平台漂移运动过程中隔水管系统顶部参数响应较快,底部参数响应具有明显的迟滞效应;随着海流流速的增大或水深的减小,深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移预警界限减小,应尽早准备和启动隔水管系统底部脱离。     

深水钻井隔水管力学性能分析

隔水管是深水钻井的关键设备,国内外对其开展了大量的理论研究以及有限元分析,但主要是针对顶张力和钻井液密度等因素的力学分析以及固有频率分析,未考虑浪流多种情况下的耦合作用。鉴于此,利用有限元软件建立隔水管系统模型,得到隔水管的弯矩分布以及这些结果随波流参数、浮式平台运动的变化特征。研究结果表明:在不同的波流以及平台运动下,隔水管的力学特征呈规律变化,波浪对隔水管飞溅区部分弯矩影响较大;海流流速较小时,海流对隔水管影响不大,海流流速增大,隔水管飞溅区响应增大,海流剖面形式对隔水管影响不大;平台运动则影响隔水管的整体动力响应。研究结果对于保障海上钻井作业安全具有一定的参考价值。     

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.     

内孤立波作用下深水锚泊平台-隔水管耦合系统动力学特性

中国南海内孤立波自然环境频发,内孤立波下深水锚泊平台-隔水管系统动力学失效风险高,为此建立了内孤立波下的深水锚泊平台-隔水管耦合系统动力学模型及分析方法,开发了深水锚泊平台-隔水管耦合系统动力学求解器,开展内孤立波下深水锚泊平台-隔水管耦合系统动力学特性分析,识别内孤立波下深水锚泊平台与隔水管系统的动力响应、耦合作用规律以及隔水管系统安全弱点。结果表明,在内孤立波作用下深水锚泊平台向内孤立波传播方向运动,当内孤立波波峰到达平台中心位置时锚泊平台的偏移达到最大,然后锚泊平台逐渐向初始平衡位置运动并最终趋于稳定;内孤立波促使隔水管系统顶部向内孤立波传播方向偏转,导致隔水管系统对锚泊平台运动产生一定的促进作用;当锚泊平台位移最大时隔水管系统关键参数响应值最大,但隔水管系统上球铰转角峰值时间有一定的滞后性,下挠性接头转角是内孤立波下的深水钻井隔水管系统安全弱点。     

半潜式钻井平台内波工况定位能力

采用MOSES软件建立动力定位半潜式钻井平台分析模型,在时域内模拟平台在钻井作业过程中遭遇内波作用的耦合动力特性,分析平台在不同流速内波作用下的定位能力,并对动力定位系统的关键因素进行敏感性分析。研究结果显示：在同等环境载荷强度下,平台在船宽方向出现最大偏移;当内波流速小于1.0 m/s时,平台可基本满足钻井作业的定位要求,而当内波流速达2.0 m/s时,平台出现大幅值的水平偏移和倾角,需要解脱隔水管系统;提升推进器推力和增加推力敏感因子都有助于提升平台的抗内波能力,但都无法明显减小平台的水平偏移。因此,在遭遇高流速内波作用时,推荐平台撤离或调整船体首向。     

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。     

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。     

深水钻井隔水管时域非线性动态响应分析技术研究

通过深水钻井隔水管时域非线性动态性能的研究,建立了相应的深水钻井隔水管时域非线性动态响应分析模型;基于ABAQUS软件,考虑钻井平台有一定的平均偏移、钻井平台位于不同平均偏移位置且在一阶波浪力作用下随机振动以及长期慢漂运动时钻井平台位于不同平均偏移位置且在一阶和二阶波浪力作用下随机振动等3种主要边界条件,通过实际算例对深水钻井隔水管的随机振动特性进行了仿真分析与对比。研究结论可以为今后深水钻井隔水管的设计与使用提供参考。     

深水环境下隔水管的横向变形与弯矩分析

鉴于很少有人对钻井隔水管横向变形和弯矩进行研究的现状,通过对深水隔水管海洋环境载荷分析,获得了波动载荷分布规律,并分析了张力比与船体偏移量对隔水管横向变形和弯矩的影响。建立隔水管模型时忽略波浪的动载效应,按准静态方法处理波浪载荷的作用。分析结果表明,随着顶部张力比增大,隔水管横向变形减小,且最大横向变形处于隔水管的中间部位;近海平面区隔水管弯矩受张力比的影响小,在深水区随着张力比增大,隔水管弯矩减小,变化幅度较大;随着钻井船偏移量增加,隔水管横向变形增大;近海平面区隔水管弯矩受钻井船偏移量影响较小,深水区隔水管弯矩随偏移量的增加而增大。     

基于隔水管受力分析的深水钻井平台防台风措施优选

针对深水平台作业中遭遇台风平台需要优选紧急避航路线的问题,利用有限元分析方法建立了隔水管拖航过程的力学模型,简化波浪和海流作用,得到了软、硬悬挂隔水管长度与许用最大速度关系,制定了深水钻井平台3种防台措施,并给出平台与台风最不利位置计算模型,以某浮式钻井平台紧急防台为例优选防台措施。力学分析表明:隔水管的最大应力和最大弯矩位置出现在近海面处;浮块数量增加,隔水管顶部最大转角会限制平台的最大航速;隔水管较短的情况硬悬挂方式有更快的航速,反之,软悬挂方式最大许用航速大。防台措施表明:根据最不利位置计算模型,可以快速计算出符合的防台位置和防台措施,根据安全和再作业等情况优选出最佳航行路线。     

深水钻井隔水管与防喷器紧急脱离后的反冲响应分析

深水钻井中,若底部隔水管总成与防喷器紧急脱离,隔水管会反冲,易导致钻井事故。为了解隔水管紧急脱离后的反冲响应规律,分析了隔水管反冲产生的原因及反冲响应过程,明确了隔水管反冲响应的机理和关键影响因素。在此基础上,建立了隔水管张紧器及钻井液下泄分析模型,以探究张紧力随活塞冲程变化的规律及钻井液下泄时作用在隔水管上的摩擦力随时间变化的规律。综合考虑各关键影响因素,基于ANSYS有限元分析软件,建立了隔水管反冲响应分析模型,并以1 500 m水深钻井中的隔水管为例,计算、分析了不同紧急脱离时刻和顶部张紧力条件下的反冲响应。分析结果表明,与防喷器紧急脱离后,隔水管在顶部张紧力作用下加速向上反冲,伸缩节冲程减小。研究认为,紧急脱离的时间与顶部张紧力的大小对隔水管反冲响应有重要影响,因此应合理选择紧急脱离时刻和顶部张紧力,以保证紧急脱离条件下深水钻井隔水管系统的作业安全。      

台风应急期间深水钻井隔水管悬挂撤离安全分析

对于半潜式钻井平台,常规应对台风的程序是回收所有的钻井隔水管,航离台风路径,但是回收隔水管的作业时间较长,有时无法保证回收所有的隔水管,因此,悬挂隔水管可能无法避免。为保证钻井平台悬挂隔水管航行时隔水管的安全,以悬挂状态下的隔水管为研究对象,考虑隔水管动态张力、弯曲应力、隔水管转角及与月池的空间干涉等因素,利用有限元分析方法建立了悬挂模式下的隔水管轴向动力学模型。利用该模型,以南海某超深水井(水深2 460 m)为例,分析了不同悬挂模式、钻井船撤离航速、航向对隔水管安全性的影响。结果表明:硬悬挂模式下,航速为2 kn时,安全撤离航向为0°~45°;软悬挂模式下,航速为2 kn时,安全撤离航向为0°~90°;同样海况条件下,软悬挂模式允许的钻井船航速比硬悬挂大。这表明软悬挂撤离模式比硬悬挂撤离模式对波流载荷的适应能力要强,悬挂隔水管避台风撤离时,应优先选用软悬挂模式。