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。     

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。     

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。     

海流涡激效应对钻井隔水导管疲劳强度的影响

钻井隔水导管是从海上钻井平台下到海底浅层的套管,在海上钻完井过程中起着非常重要的作用。在深水海域,由于隔水导管泥线以上长度的增加,海流对钻井隔水导管疲劳强度影响作用加剧,从而影响隔水导管的使用寿命。开展海流涡激效应对钻井隔水导管疲劳强度影响研究,能够为钻井隔水导管尺寸和材料选择提供科学依据。文中对隔水导管进行了力学分析,将隔水导管受力模型简化为下部固定,上部简支的梁模型来分析。利用流体阻尼及流体涡激力理论模型,计算海流作用下涡激效应对于隔水导管疲劳强度的影响。结合南海某海域的海况资料,对海上钻井隔水导管的疲劳强度和使用寿命进行了分析和校核,给出了该海域合理的隔水导管尺寸。通过研究得出:随着水深的增加,海流对隔水导管的涡激效应会逐渐加强,对隔水导管疲劳强度影响加剧。     

浅水隔水导管动态响应及涡激振动疲劳损伤

介绍波浪海流作用下的隔水导管动力学模型,总结极限强度分析、稳定性校核和涡激振动Vortex Induced Vibration（VIV）疲劳损伤分析方法,并就某隔水导管实例分析动态响应和VIV疲劳损伤,得到隔水导管的极限强度结果、稳定性校核结果、VIV疲劳寿命满足钻井作业要求。所提出的隔水导管振动响应、VIV疲劳损伤及寿命分析方法为隔水导管的安全保障提供参考和技术支撑。     

深水钻井隔水导管承载能力影响因素分析

深水钻井中隔水导管的下入深度、力学性能及载荷特征是影响其承载能力的主要因素,隔水导管的承载能力又直接影响其与井口连接的稳定性,而目前设计隔水导管尺寸及下入深度时大多基于工程经验,缺乏理论依据。通过建立综合考虑海底地层性质、轴向和横向载荷、隔水导管力学性能的力学模型,分析了影响隔水导管横向位移及应力分布的因素,结果发现:井口横向载荷是影响隔水导管横向位移的主控因素,而轴向载荷对隔水导管横向位移的作用并不显著;随着隔水导管入泥深度增大,其横向位移逐渐减小,而应力则先增大后减小,其中位移和应力在入泥深度10.00 m左右处存在拐点;地基力学性能对隔水导管位移及应力分布的影响极其明显。研究结果对不同海水波动、海床力学性能等工况下深水隔水导管的力学性能参数优选、结构尺寸选择及下入深度确定具有理论及工程指导意义。      

海底管道系统管跨涡激振动疲劳可靠度综合评估方法

考虑海底管道悬空的动态变化情况,并从系统的角度对管跨疲劳风险评估方法进行了研究.选取主要影响因素,运用模糊数学方法确定管跨发生概率,进而提出了一种海底管道系统管跨涡激振动疲劳可靠度的评估方法.该方法综合考虑了各管段管跨发生概率、管跨发生在同一地点的概率、管道最大疲劳损伤发生在同一部位的概率、管跨长度以及定长管跨涡激振动疲劳失效概率等因素.与传统评估方法相比,本文方法评估结果更接近工程实际.     

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。     

浮力块对深水钻井隔水管主要性能的影响

采用ABAQUS软件对带浮力块的深水钻井隔水管的静态性能进行了分析,定量分析了浮力块直径和长度对隔水管的弯曲应力、横向变形、底部柔性接头转角和等效应力的影响;采用Shear7软件对裸隔水管、浮力块交错分布隔水管和全浮力块隔水管的涡激振动性能进行了分析,定量分析了不同浮力块分布方案下隔水管的固有频率、均方根位移、均方根应力响应以及疲劳损伤。通过增加浮力块的直径和长度增加隔水管的浮力,有助于改善隔水管的各种静态性能,降低对顶张力的要求,但是在下部安装浮力块对隔水管的悬挂、安装及回收不利,因此需要综合考虑。全浮力块分布方案会造成隔水管水动力外径增大,外部流体对隔水管的输入能量会大幅度提高,从而导致隔水管疲劳损伤进一步增加;浮力块交错分布方案可降低隔水管的疲劳损伤,但位移响应偏大;综合考虑推荐采取浮力块交错布置方案。     

深水钻井井筒全瞬态传热特征

深水钻井作业期间的井筒温度是深水钻井设计和安全钻井的重要基础数据。基于深水钻井液循环时井筒与地层和海水的传热机理,建立了全瞬态深水钻井液循环温度计算模型,模型与Holmes实验井实测温度吻合程度较高。利用一口深水模拟井数据,分析了水深、水温、隔水管保温层等因素对钻井液循环温度的影响。研究表明,深水井筒温度随井深变化幅度小,一般不超过30℃;水深相差500 m时,一般会使井底温度相差约5℃,但基本不影响钻井液出口温度;隔水管保温层对井筒温度影响大,而季节变化对深水钻井液的循环温度基本没有影响。     

深水钻井条件下合成基钻井液流变性

目前合成基钻井液体系在深水钻井中应用比较广泛,其低温流动性也成为深水钻井中较受关注的问题。通过测定线性α-烯烃合成基钻井液在不同组成时的黏度-温度特性,研究了乳化剂种类、有机土加量、油水比以及钻井液密度等对合成基钻井液低温流动性影响,探讨了基油种类和黏度对油包水钻井液的黏度-温度特性影响。实验结果表明,乳化剂种类是影响线性α-烯烃合成基钻井液低温流动性的最主要因素,其次是有机土加量和油水比,而加重材料对合成基钻井液低温增稠程度影响较小;基油低温黏度是影响深水合成基钻井液体系黏度的重要因素。线性α-烯烃合成基钻井液较矿物油和气制油基钻井液具有更优的低温流动性,可以应用于深水钻井作业。     

海洋钻井隔水管固有频率的简化计算

海洋钻井隔水管是连接海底井口与钻井船的重要设备,当其固有频率与海流经过时产生的旋涡释放频率接近时,隔水管将发生涡激振动而使其疲劳寿命显著降低,因此精确计算隔水管固有频率对于预测其涡激响应和疲劳寿命是非常重要的。假定隔水管为小变形状态下承受一致张力的梁模型,基于能量守恒定律推导了隔水管固有频率的简化计算公式。实例分析结果表明,采用本文提出的简化公式得到的计算结果与有关文献给出公式的计算结果相吻合。     

3000米深水半潜式钻井平台运动性能研究

应用SESAM程序系统研究了4种深水半潜式钻井平台的运动性能。首先建立深水半潜式钻井平台的三维水动力模型,然后采用Morison公式和势流理论相结合的方法进行计算分析,获得了半潜式钻井平台运动响应的传递函数和固有周期。在此基础上,结合我国南海海况资料,应用频域分析法对深水半潜式钻井平台运动响应进行了短期预报。研究结果对深水半潜式钻井平台船型的选择有参考意义。     

剪切流作用下隔水管涡激振动响应机理

开展剪切流作用下隔水管涡激振动实验,分析剪切流作用下隔水管涡激振动特征参数及振动响应机理。实验中基于光纤光栅传感器测试技术采集剪切流作用下隔水管在流向和横向的涡激振动响应,实验数据处理时消除了实测信号中隔水管轴向预张力的影响并采用模态分析法求取隔水管位移响应。实验数据分析表明,剪切流作用下:隔水管不同位置处同一方向涡激振动响应频率一致;涡激振动锁定现象发生在涡泄频率对应的最大阶次固有频率附近且涡激振动受该阶次固有频率主导;受模态竞争的影响,剪切流涡激振动呈现多频响应形式;隔水管在流向的主导频率是横向主导频率的2倍;受相位角影响,实验中隔水管单个振动周期的运动轨迹呈扁斜"8"字形,多个轨迹重叠后呈"新月"形。图8表1参27     

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%。     

旋转导向钻井工具稳定平台振动模态计算

旋转导向钻井工具稳定平台的闭环控制是调制式旋转导向钻井系统的关键。巨大的动态冲击载荷引起的振动会严重影响稳定平台的正常工作和动力学性能。针对新开发设计的稳定平台,建立了振动模态分析的力学模型,利用有限元软件进行了稳定平台的振动模态分析,计算了其固有频率和振型。通过对计算结果的分析,认为应适当调整局部形状尺寸,尽量增大稳定平台刚度,为稳定平台的结构设计和动力学分析提供了理论依据。     

海洋钻井隔水管随机振动的理论分析

海洋钻井隔水管在随机载荷波浪力的作用下发生随机振动 ,从而偏离原来的铅垂位置 ,严重时会使钻具受到破坏 ,引起钻井中断。应用随机振动的理论和方法 ,分析了波浪力的随机过程和随机模型 ,指出波浪力是一个均值为零的平稳随机过程 ,隔水管的横向随机位移也是一个均值为零的平稳随机过程。同时采用模态分析的离散化方法 ,分析了隔水管在随机载荷波浪力作用下的横向随机振动问题 ,导出了隔水管横向随机振动位移相关函数和均方位移的计算公式 ,为隔水管的随机响应计算和工程设计提供了一定的理论基础。     

深水钻井隔水管系统工程设计与分析软件系统开发

针对深水钻井隔水管系统专用分析软件缺乏的现状,开发出了一套具备深水钻井隔水管系统力学分析和工程设计功能的软件系统,可实现隔水管系统的静态分析、模态分析、动态分析和疲劳分析,以及隔水管系统的顶张力优化设计和浮力块配置优化设计.该软件系统采用模块化的编程方法,主体部分采用VC++实现,核心求解器采用MATLAB设计,其成功开发为深水钻井隔水管系统的设计和分析提供了一个有效的工具.实例分析表明,该软件系统的计算精度满足工程应用需要.