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。     

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.     

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。     

膨胀式导管提高深水钻井水下井口承载力的机理

表层导管是深水钻井水下井口的主要持力结构,水下井口失稳、下沉等复杂事故的发生主要是由于表层导管承载力不足造成的,因此经济高效地提高表层导管承载力是深水钻井工程研究并关注的重点。采用膨胀式导管方法来提高表层导管的承载力,能够实现不改变常规深水喷射法安装表层导管的工艺。表层导管喷射安装到海底设计深度后,膨胀材料发生膨胀实现增加表层导管与海底土接触的表面积,进而提高表层导管侧向摩擦力和水下井口承载力。基于深水钻井水下井口主要结构组成,通过建立深水钻井水下井口承载力计算模型,分析了表层导管尺寸与井口承载力相互关系,揭示了膨胀式表层导管外表面积与水下井口承载力呈线性变化规律,得出了膨胀材料厚度与水下井口承载力之间的计算模型;提出了膨胀材料采用分段式结构可以提高膨胀导管承载力,分析了膨胀材料分段数量、覆盖面积、膨胀厚度对表层导管承载力的影响规律;得出了在相同覆盖面积条件下随着分段数量增加表层导管承载力呈线性增加,随着膨胀厚度增加承载力呈线性增加。通过中国南海现场3口深水井的应用试验,建立的钻井水下井口承载力计算模型结果与现场试验结果的误差约为5%。     

环空带压对深水水下井口疲劳损伤的影响规律

海洋深水油气井测试过程中,高温产液上返时会加热周围套管及多层套管环空内的液体,引起液体在密闭井筒环空中膨胀,产生环空带压。环空带压的存在会改变水下井口疲劳热点处的应力状态,进而对水下井口疲劳损伤产生不利影响,制约了深水油气井长期安全高效运行。为了给深水油气井的长期安全运行提供更加科学的指导,考虑环空液体物性参数、井筒环空液体热膨胀和环空体积变化的耦合影响,建立了水下井筒环空带压计算模型,采用迭代法对环空带压进行了求解,将获得的环空带压施加到水下井口有限元模型上,然后以高压井口头与表层套管的焊缝为研究对象,研究了环空带压条件下水下井口疲劳热点处的应力状态;在此基础上,分析了环空带压、水泥浆返高和高压井口头出泥高度对水下井口疲劳损伤的影响规律。研究结果表明:①环空带压的存在会加剧水下井口的疲劳损伤,压力越高,疲劳损伤越严重;②表层套管外水泥浆返高与泥线的距离越大,水下井口的疲劳损伤越小;③高压井口头出泥高度越大,水下井口疲劳损伤越大。结论认为,有效地控制水下井口的环空带压与合理地设计井身结构,有助于减少水下井口的疲劳损伤。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

深水气田水下井口开发水合物抑制研究

采用水下井口方式开发的深水气田井底压力高、海水温度低,极易发生水合物堵塞事故,从而严重影响水下设施的运行安全。以拟开发的PY35-1气田为例,采用OLGA软件作为计算平台,通过对水下井口及海底管线输送流体进行瞬态和稳态流动模拟分析,开展了开井时生产水量对水合物抑制的影响研究与海底管线抑制剂注入量模拟计算,并提出了水合物堵塞工况下水下泄压解堵措施。     

基于ANSYS的水下井口力学性能分析

根据深水钻井作业的实际工况,建立了水下井口力学模型和ANSYS三维实体模型,对深水钻井水下井口横向承载力进行有限元分析计算。应用APDL语言并且结合VB.NET程序,建立了更便捷的操作模式,更好地应用到工程计算中。算例分析表明,水下井口顶部所受的横向载荷对井口的横向承载力影响较大,而竖向承载力对其的影响不明显;井口出泥高度对水下井口的稳定性影响较大;一定深度以下,套管的应力和位移值均很小。     

水下井口波致疲劳力学分析

根据水下钻井作业的实际工况,建立了水下井口及隔水管力学模型和有限元三维模型,并进一步对系统进行力学分析及有限元计算。应用ABAQUS的AQUA模块对波浪及洋流载荷进行模拟,结合平台响应振幅算子RAO（ResponseAmplitude Operator）获取波浪载荷与井口疲劳热点之间的传递函数,再利用波浪散布图并结合S-N曲线计算水下井口的波致疲劳寿命。算例分析表明,水下井口设备的疲劳寿命符合DNVGL相关规范的要求。     

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。     

海底浅部地层性质对深水钻井井口稳定性的影响

为了解深水海域海底泥线以下的浅部地层强度对深水钻井水下井口及其以下套管柱的支撑作用的大小,通过理论分析建立了软土工程性质与水下井口竖向和横向稳定性之间的关系,并对影响水下井口稳定性的相关规律进行了研究。结果表明,黏性土的不排水抗剪强度和黏着系数、砂性土的内摩擦角和水下容重对水下井口竖向稳定性的影响都很大;水下井口横向稳定性主要受海底较浅部土层性质的影响,黏性土的不排水抗剪强度和砂性土的内摩擦角对井口横向稳定性影响最大。选择海底地层强度大的位置进行钻井作业、作业前进行海底浅部地层数据取样、合理确定相关计算参数等措施可以提高水下井口的稳定性。     

深水钻井隔水管多模式损伤评估

深水钻井隔水管系统面临多种失效可能,不同类型的损伤出现位置也不同。考虑了涡致疲劳、腐蚀和磨损3种损伤类型,并根据深水隔水管配置和实际环境条件,针对损伤最易发生的区域进行作业寿命预测,从整体上评估了隔水管的损伤等级。评估结果表明,随着作业水深的加大,隔水管磨损问题日益凸现,应成为重要的预防和管理对象。     

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。     

深水M型跨接管热循环疲劳损伤评估

跨接管在运行中由于启动、关断、冷却、再启动、通球等操作产生温度、内压的变化,导致热循环疲劳。本文以深水立式M型跨接管为研究对象,通过ABAQUS软件分别进行跨接管一个循环周期内高温高压、低温低压运行状态下的强度分析,得到两种运行状态下管道截面各位置的轴向力和弯矩,结合跨接管材料的S-N曲线进行疲劳损伤评估,为深水M型跨接管热循环疲劳计算提供指导和参考。     

水下导管出泥高度对井口稳定性的影响研究

针对工程中的具体问题,提出了导管允许高度与井口倾斜角相互关系的计算方法和模型,并对番禺35-2气田进行了导管出泥高度分析评价研究。对于井口的分析采用力学等化计算方法,把位于井口以上的设备对井口的力进行传递等化,在不同作业工况下采用统一的计算模型进行井口的校核模拟。分析结果表明,对于水下井口而言,最危险工况为完井作业工况,完井工况的侧向力比钻井工况大一个数量级,并且完井工况的弯矩也较大;井口允许导管出泥高度和井口倾角之间近似为二次曲线关系。     

基于深度学习的水下井口弯曲应力预测方法

水下井口系统是海洋油气勘探开发的关键装备,为保证其在钻完井作业过程中的安全性,水下井口系统的疲劳状态监测成为保障安全的重要手段,水下井口的弯曲应力预测是基于监测数据疲劳损伤评估的重要内容。为此,提出了一种基于深度学习的水下井口系统弯曲应力预测方法,该方法使用防喷器处的加速度监测数据预测水下井口系统的弯曲应力。根据设计海况矩阵进行隔水管-水下井口系统动力响应分析,以分析得到的时序数据为基础,利用长短期记忆网络(LSTM)建立水下井口系统弯曲应力预测模型,最后对预测模型进行验证。研究结果表明,提出的水下井口系统弯曲应力预测模型得到的预测值准确度较高,相对误差低于0.2%,决定系数大于0.999。该弯曲应力预测方法可为水下井口疲劳损伤评估提供支撑。