海洋深水钻井隔水管动力分析

随着海洋油气钻井向深水领域发展,钻井隔水管的受力越来越复杂,随着水深的增加,钻井隔水管的动力学分析显得越来越重要.文章考虑了隔水管所受的三维载荷,运用有限元法,采用三维动力学模型对深水钻井隔水管的动力特性进行了计算分析.研究表明,顶部张力对隔水管的自振频率影响明显,随着顶部张力的增大,隔水管的自振频率增大;深水隔水管常规使用下的高阶频率与常见海浪频率接近,在设计和施工中应特别注意.调节隔水管顶部张力可在一定范围内改变隔水管系统的自振频率,以避开与海浪产生共振的频率.     

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。     

全尺寸深水钻井隔水管单根耦合分析

为研究不同工况下隔水管单根各部件的受力状况,采用有限元软件ABAQUS建立全尺寸隔水管单根耦合分析模型,模型充分考虑单根各部件的相互关系。提取整体分析结果作为单根局部分析的边界条件,进行作业工况下隔水管柱单根耦合分析,并进行额定载荷工况下单根的极限承载分析。分析结果表明,正常作业工况下,单根最大等效应力发生在主管上,主管应力和变形均较大,而辅助管线和隔水管夹的应力与变形则可忽略;极限工况条件下,隔水管单根仍满足强度要求,但此时主管最大等效应力已接近其许用应力,所以选配隔水管单根时应尽量保证隔水管承受的工作载荷小于其接头的额定载荷。作业工况和极限工况下,主管几乎承担隔水管单根所承受的所有载荷。     

国外深水钻井隔水管系统产品技术现状与进展

针对海洋钻井装备的重要单元——海洋钻井隔水管系统,其技术与产品一直被国外专业公司所垄断,而国内相关报道较少的现状,介绍了深水钻井隔水管系统的组成及各部件功能,以及国外钻井隔水管主要供应商如Cameron公司、Vetco Gray公司、法国石油研究院IFP和Dril-Quip公司等的产品技术特点和部件主要功能。由于接头是隔水管单根之间的重要连接,快速接头是减少非钻井时间的重要技术,特别介绍了深水钻井隔水管的接头技术,主要包括Cameron公司的LoadKing和RF螺栓法兰接头,Vetco Gray公司的MR—6E和HMF接头,Dril-Quip公司的FRC和QMFC接头,以及IFP的Breech-blocktype接头等7种隔水管接头。可为我国开发具有自主知识产权的深水钻井隔水管系统提供借鉴。     

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.     

深水钻井隔水管连接作业窗口分析

采用通用组合确定准则和非线性搜索方法研究深水钻井隔水管连接作业窗口,建立隔水管-井口-导管整体有限元分析模型,并以钻井平台偏移值、表面海流流速和伸缩节冲程组合参数形式确定隔水管连接作业窗口。研究表明,隔水管钻井窗口总体上呈倒锥形:表面海流流速较小时(小于1.0 m/s),钻井窗口主要受底部挠性接头转角的影响,顺流方向海流流速增加会增大底部挠性接头转角,减小允许的平台最大偏移值,逆流方向相反;当表面海流流速超过1.0 m/s时,钻井窗口主要受顶部挠性接头转角的影响,此时在逆流方向海流流速增加会显著增大顶部挠性接头转角,导致钻井窗口迅速缩小。隔水管连接非钻井和启动脱离程序窗口主要受导管最大等效应力限制,随海流流速增大向逆流方向偏移。另外,通过对隔水管连接作业窗口影响因素进行分析,可知适当提高顶张力和降低钻井液密度可有效扩展隔水管的钻井窗口。图7表3参13     

深水钻井隔水管与地层管柱耦合力学分析

在深水钻井作业过程中,隔水管的安全对整个钻井过程至关重要。为了研究钻井系统在复杂海洋环境以及海底地质条件下的力学行为,综合考虑了海流载荷、海底地基反力、张紧力以及平台偏移量等因素,建立了隔水管与井口系统耦合的力学模型。采用解析法和有限元法结合,对力学模型进行了求解,并分析了张紧力和平台偏移量对隔水管和地层组合管柱力学行为的影响。分析结果表明:随着平台偏移量的增大,隔水管与地层组合管柱的横向位移相应增大;增加张紧力可以减小隔水管和地层组合管柱的横向位移和截面弯矩,有利于隔水管的稳定。研究结果对深水隔水管钻井作业具有指导意义。     

轴向载荷对海洋深水钻井隔水管力学特性的影响分析

文章建立了深水钻井时在海流、波浪等海洋环境载荷的作用下,隔水管及底部球接头静态分析的三维有限元力学模型,考虑了隔水管在外载作用下的小应变、大变形和轴向力影响等特点,引入了非线性理论,其计算结果更加符合实际情况。海洋深水钻井隔水管的轴向载荷对其力学特性有显著的影响,因此．在实际钻井作业过程中,隔水管顶部应保持足够的张力,避免隔水管处于受压状态。     

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。     

深水钻井隔水管顶张力计算方法

通过隔水管受力分析,提出了既能保证隔水管稳定性又能满足底部过提力要求的深水钻井隔水管顶张力计算方法,以南中国海某超深水井为例对其进行验证,并与两种常用计算方法进行了对比。基于管柱力学原理,分析了真实轴向力与有效轴向力对隔水管力学行为的影响,结果表明:真实轴向力决定隔水管底部对隔水管总成的拉力,有效轴向力决定隔水管稳定性。通过隔水管在内、外压作用下的受力分析,建立相应的力学模型,推导出新的顶张力计算方法,弥补了美国石油协会(API)算法和法国石油学院算法的不足。现场应用实例分析结果表明:采用该方法计算的顶张力设置值与现场实际作业时顶张力值基本一致,且计算结果优于API算法及法国石油学院算法的计算结果,可以用于指导隔水管设计及施工。图5表1参11     

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。     

深水钻井隔水管防台悬挂装置的选型设计

针对目前深水钻井防台时隔水管处理方式存在的作业窗口小、作业模式选择困难、易发生事故等问题,本文提出了将隔水管硬悬挂与软悬挂方案相结合的新方法,既能快速操作,又能缓冲隔水管运动.为了降低新方法中隔水管的加速度,提出并分析了 3种控制方案对加速度的补偿效果,结果表明加速度峰值控制方案具有制造安装简单、实施方便等优势.在此基...     

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。     

深水钻完井工程设计要点分析

深水钻完井工程设计存在水文地质条件恶劣、作业成本高昂等一系列设计难点,这在一定程度上制约着我国深水油气田开发的进程。基于钻完井工程设计的流程及特点,以南海某深水油田的钻完井设计方案为例,选择井眼轨迹及井身结构设计、工作液设计、钻柱及钻具组合设计、井控工艺设计等主要的钻完井工程设计部分,进行了设计理念以及设计结果的分析。得出了深水钻完井工程设计适宜采用的关键技术以及基本设计思路,提出了简化井身结构、简化钻具组合、注重浅层气井控、采用批次作业等针对性的设计建议,能够为深水钻完井工程设计提供有益借鉴。     

深水钻井隔水管静态有限元求解器设计

借助仿真分析来确定钻井作业的最佳参数,对于降低钻井过程中隔水管系统失效危险性意义重大。在对深水钻井隔水管系统静态有限元求解研究的基础上,采用Matlab程序设计深水钻井隔水管静态有限元分析求解器,以1 500 m水深某井为例进行实例分析,并对分析结果进行了验证。设计时隔水管单根采用二维梁单元进行模拟,所支持的单元类型包括所有关键的隔水管部件,隔水管张力以恒定载荷的形式施加在隔水管系统顶部。研究结果表明,软件的计算结果与ABAQUS的计算结果吻合,二者形状规律一致,在数值上也很接近。     

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.