防台风钻井隔水管技术现状及适用性分析

随着我国南海深水油气的开发,频发的南海台风导致深水钻井隔水管出现严重事故,造成较大损失,需要开发一种有效的防台风钻井隔水管以提高海上钻井安全。为此,阐述了防台风钻井隔水管系统的发展历程及应用情况,详细介绍近海面脱离总成和浮力罐系统2个关键技术,从防台风钻井隔水管安装过程、紧急脱离过程和回接过程3个方面介绍防台风钻井隔水管作业技术。以我国南海某井为例进行了防台风钻井隔水管适用性分析。分析结果表明,与常规钻井隔水管相比,防台风钻井隔水管的连接钻井作业窗口稍微偏小,基本不影响正常钻井性能;在南海台风条件下防台风钻井隔水管可以保持结构完整性,具有良好的防台风性能,同时大大缩短了作业时间,降低了作业费用。     

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。     

浮力块对深水钻井隔水管安装过程性能的影响

建立了带浮力块深水钻井隔水管安装过程力学分析模型,采用ABAQUS有限元软件对带浮力块的深水钻井隔水管在安装过程中的静态力学性能进行分析,研究了浮力块配置方案、浮力系数、浮力块长度和浮力块外径对隔水管横向变形及应力的影响。研究结果表明,深水钻井隔水管安装过程中危险截面始终位于隔水管与浮式钻井设备连接处;浮力块与隔水管裸单根宜采取交错布置的方案;隔水管安装过程中产生的横向变形与危险截面处的应力均随浮力系数、浮力块长度与浮力块外径的增大而增大;超过一定水深后隔水管Mises等效应力随水深增加呈线性减小。     

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。      

深水钻井隔水管张紧系统反冲控制仿真研究

隔水管张紧系统能够克服浮式平台/船升沉运动对隔水管的影响,为隔水管提供近于恒定的顶部张紧力,因此隔水管系统中存储大量能量。在隔水管底部总成与水下防喷器紧急脱离时,能量释放会产生反冲,若反冲得不到有效控制,会导致隔水管与平台碰撞或隔水管丢失等严重事故。为研究隔水管反冲的动态过程并验证反冲控制系统设计的合理性,对3658 m水深隔水管张紧系统搭建了仿真模型,针对紧急脱离工况进行模拟,设计了反冲控制算法。通过仿真得到张紧液缸运动曲线以及防反冲阀主阀的流量曲线。研究结果表明:在紧急脱离工况下,PLC以预编程模式控制防反冲阀主阀的节流速度,使系统在行程末端达到稳定状态;主阀开度控制曲线是隔水管反冲控制的主要影响因素,优化主阀开度曲线可优化反冲相应过程。研究结果对于深水钻井隔水管张紧系统的现场安全应用具有一定的指导作用。     

下放或回收作业状态下超深水钻井隔水管轴向动力分析

以水深1 828.8 m的超深水钻井隔水管为例,对下放或回收作业状态下隔水管的轴向动力进行了分析,研究了不同浮力块配置下隔水管轴向张力波动特性,并推荐了适当的浮力块配置,所得结论对于超深水钻井隔水管的结构设计具有参考意义.     

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.     

软悬挂撤离工况深水隔水管动力学特性分析

针对软悬挂紧急撤离工况下深水隔水管振动失效问题,采用有限元法并结合哈密顿变分和虚功原理,建立了软悬挂钻井隔水管三维非线性动力学模型,考虑了纵横向耦合效应、海洋涡激效应以及隔水管的大变形等非线性因素。借助文献试验参数和结果验证了非线性动力学模型的有效性。采用HYSY981钻井平台隔水管现场参数,探究了浮力块布置和台风重现期对紧急撤离工况下软悬挂隔水管非线性振动响应特性的影响规律。研究结果表明:合理布置浮力块可以减小应力和动态轴力,最优浮力块的布置方法可由所建立的理论模型确定;在高流速区中,隔水管的浮力块布置应该减少,且隔水管的最大应力和位移出现在靠近顶部或者底部区域,现场需重点关注此位置处隔水管的安全性;隔水管顺流向位移随着台风重现期的延长而增大,且靠近上端部分的位移变化较大,在撤离过程中应注意避免隔水管上端与月池碰撞。研究结果可为了解撤离工况下软悬挂隔水管振动响应特性提供参考。     

基于AMESim的隔水管张紧器抗反冲控制研究

作为浮式钻井隔水管系统的关键装备,国产隔水管张紧器因其抗反冲控制试验难度大、成本高、风险不可控等因素,制约着产品的工业化应用进程。为降低隔水管张紧器的海试应用风险,提高张紧器抗反冲控制效果,以AMESim软件为仿真平台,选用南海某浮式钻井平台的隔水管系统为依据,建立抗反冲阀、张紧器、隔水管串及控制系统等相关模型,并搭建抗反冲控制系统,研究控制参数及脱离时刻对抗反冲控制的影响。研究结果表明:液缸位置-主阀开度控制曲线是抗反冲控制的关键因素;不同的脱离时刻对于张紧器抗反冲控制效果影响较大,为避免脱离时隔水管串出现局部弯曲的现象,建议脱离时刻选取在平台升沉曲线180°相位的附近。研究结果可为隔水管张紧器的控制逻辑优化和海试应用提供一定的依据。     

海洋钻井隔水管浮力块配置方法

浮力块是钻井隔水管系统的重要部件,能改善钻井隔水管的性能。但是如何配置浮力块,对隔水管张力器的张力、钻井隔水管在海洋深水条件下的应用等都有很大影响。目前国内外对于钻井隔水管浮力块配置方法的研究较少,因此,进一步研究其配置方法很有必要。首先,介绍了目前国内外海洋钻井隔水管浮力块配置的基本经验;然后,以我国南海某海域500 m水深为例,采用ABAQUS有限元软件,讨论了海洋钻井隔水管浮力块的配置方法,拟定了5种浮力块配置方案,并对其进行了详细的计算分析。结果表明:拟定的方案2和方案3为较优方案;与波浪力相比,海流力对隔水管动力学响应特性的影响更大;浮力块安装位置不同,对隔水管横向变形、等效应力、弯矩和底部柔性接头转角等力学响应的影响很大。建议:在适当位置配置厚壁隔水管以降低其局部等效应力;浮力块的安装位置应避开海流流速最大位置;研制钻井隔水管分析系统软件,实现多个有限元软件的联合调用,以提高分析效率和准确性。