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。     

钻柱失效机理分析

阐明了定向钻井过程中,钻柱由于弯曲交变循环应力而造成的疲劳损伤是可以积累的,钻柱的寿命与疲劳损伤积累有关。对钻柱进行了动载力学分析和疲劳寿命预测,提出了相应的计算模型,可以计算钻柱组合中任意钻柱单元在钻井过程中所受的疲劳损伤,预测使用寿命。对钻柱的合理使用与监控以及预防钻柱失效具有较大的参考价值。     

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。     

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。     

深水钻井管柱系统动力学分析与设计方法研究

深水钻井过程中,从平台延伸到井底的钻柱会在不同深度处与隔水管或井筒发生多点碰撞和摩擦,呈现出接触非线性特征。为了准确掌握深水钻井管柱系统的非线性动力学特性,将其简化为管中管结构,并提出了对应的管柱动力学模型。采用Abaqus有限元软件,对建立的管柱动力学模型进行动态响应模拟,并将模拟结果导入Isight优化软件,进行基于可靠度分析的多目标优化设计,确定出在工程可行性和安全可靠性方面都满足要求的设计参数组合。研究发现,相比于单独考虑隔水管的模型,提出的管中管模型所模拟的管柱系统整体变形程度较小,说明内外管柱之间的相互作用对深水钻井管柱系统的整体偏移有抑制作用;此外,提出的基于可靠度分析的多目标优化设计方法,可以避免优化设计结果因靠近约束边界而在参数波动情况下失效的问题。      

海洋深水立管的疲劳断裂与可靠性评估研究进展

针对海洋深水刚性立管、钢质悬链式立管和柔性立管的疲劳、断裂及可靠性问题,评述了近10年国内外在这方面研究的成果.给出了一些用于深水立管疲劳寿命预测及可靠性评估的实用理论和计算方法,特别是对基于断裂力学和可靠性检测技术而发展起来的缺陷损伤容限、带内部缺陷和表面裂纹的疲劳强度等问题给予了足够的关注.文章最后对导致深水立管疲劳断裂的涡激振动及其抑制方法进行了讨论,并结合我国海洋石油的发展提出了若干建议.     

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。     

深水测试管柱与隔水管的横向承载特性

在海上深水油气井测试过程中,隔水管、测试管柱与海水、环空流体、管内流体相互作用,并组成海上测试的“管中管”结构体系,目前对于由隔水管—测试管柱组成体系产生的复杂横向承载特性的认识不足。为了给海上安全测试作业的控制提供理论支撑,针对我国南海测试使用“管中管”体系结构及作业水深超过900 m的特点,建立了海水段测试管柱的井筒温度场、压力场及轴向力计算模型;考虑内外流体与管柱相互作用,建立了隔水管和测试管柱横向动态受力模型;基于数值求解方法,进行了不同顶张力、悬挂力、海流流速及平台漂移下的“管中管”结构体系横向承载特性分析。研究结果表明：①增大顶张力、悬挂力均能减小管柱体系的横向最大承载参数,同等幅度下的顶张力对管柱横向承载参数的影响更明显;②随着海流流速的增加,管柱体系的最大横向位移、转角、弯矩增大明显;③随着平台漂移量的增加,管柱体系的最大转角和弯矩先减小后增大,即顺着海流方向使平台产生适当的漂移有助于减小管柱体系横向的最大承载参数。结论认为,该研究成果可对海上测试作业的安全控制提供理论支撑。     

高产曲井油管柱疲劳试验及疲劳寿命分析

针对高产曲井油管柱在生产过程中高速流体诱发其振动产生的疲劳失效问题,建立了油管柱动力学模型并求解得到交变应力响应,再结合管材S-N曲线和Miner线性累积损伤理论,形成高产曲井油管柱疲劳寿命分析方法.开展疲劳试验测定油管材料13Cr-L80的S-N曲线,且考虑试件表面质量、加载类型、应力集中和加工尺寸的影响对S-N曲线...     

基于磁记忆的海上钻柱损伤监控技术研究

钻柱疲劳断裂等事故会严重影响海上钻井作业的安全。对钻柱损伤检测方法进行分析,提出磁记忆方法适合用于现场钻柱损伤实时检测。通过室内试验研究,确定磁记忆信号切向分量梯度最大值可用来表征钻柱损伤状态。结合海洋石油钻井特点,研制了一套基于磁记忆的海上钻柱损伤实时监控系统。该系统在起钻过程中对钻柱接头-管体进行一体化检测,不影响起钻速度。通过试验井抽样检测试验,缺陷检出率达100%,并在中海油南海某油田成功应用2口井。基于磁记忆的海上钻柱损伤监控技术研究为海洋石油高效安全开发提供了技术支持。     

小井眼钻柱瞬态动力学研究及应用

考虑小井眼细长钻柱沿井深和井眼圆周方向的随机接触碰撞,建立了钻柱瞬态动力学模型。运用动力间隙元不仅能合理描述钻柱与井壁的接触碰撞过程,还能考虑井壁变形和泥饼的能量吸收,并用Newmark法求解钻柱动力学平衡方程。通过钻井全尺寸模型装置上的钻柱动力学试验,对理论计算结果进行了验证,也为钻头干扰力确定提供了依据。经大庆油田14口小井眼井应用表明,由钻柱动力学分析所设计的钻柱结构没有发生井下断钻具事故,防斜性能也比较好,机械钻速得到明显提高。     

深水气井测试求产阶段管柱内天然气水合物防治方法

深水气井测试求产过程中,预防与控制天然气水合物(以下简称水合物)堵塞对于保障测试安全至关重要。为此,通过分析不同测试条件下的井筒温压场分布,应用水合物生成—沉积及分解计算方法,评价了不同测试制度下全测试过程中管柱内水合物的沉积与堵塞程度的变化;在此基础上,提出了基于水合物防治的深水气井测试求产方法。研究结果表明:(1)深水气井测试过程中井筒内常形成水合物堵塞风险最大的环雾状流型,测试过程中采取防止水合物堵塞措施比防止水合物生成更加合理;(2)常规四点测试方法要求设置流温较低的低产气量测点,但高压、低温的井筒环境容易导致水合物生成、沉积,测试持续时间过长会增加测试管柱的堵塞风险;(3)所提出的适合于深水气井测试的混序测试制度在不改变测试产气量与时长的前提下,通过调整测点顺序形成的井筒温度变化使水合物沉积层分解,降低了测试过程中测试管柱的最大堵塞程度;(4)对于无出砂、无应力敏感、无反凝析且不产水的深水气井推荐使用三点或二点测试法,相对于四点测试法,前者能有效降低测试管柱内的水合物沉积、堵塞风险,同时又能在保证产能方程准确性的前提下缩短测试时间、降低测试成本。结论认为,该研究成果可以为深水气井的现场测试施工提供帮助。     

深水测试管柱应力分布规律与动态响应分析

为了研究深水测试管柱在不同工况下的应力分布规律及内压波动对管柱动态响应参数的影响,根据深水测试管柱作业特点及结构,推导了测试管柱的轴向力、轴向应力、径向应力和环向应力计算公式,建立了海水段测试管柱的横向及纵向振动模型。根据不同工况,建立了测试管柱的有限元模型,进行了测试管柱最大应力及内压波动下的动力响应分析。研究结果表明:测试管柱各段的最大应力随水深的增加而减小、随悬挂力的增大而增大;由于泊松耦合的影响,最大应力与水深的变化率随着内外压差的增大而增大;初开井前,由于测试管柱的内加压和环空泄压,测试管柱出现最大应力,其值为255.7 MPa,但各工况下测试管柱的安全系数满足强度使用要求;内部压力波动周期对测试管柱的应力响应影响显著,低周期的内压波动使管柱应力过度增大,管柱易发生危险。研究结果可为深水测试管柱的强度研究提供一定的指导。     

深水钢悬链线式输油立管波致疲劳损伤频域分析

波致疲劳损伤是深水钢悬链线式输油立管(SCR)设计主要考虑的因素之一.采用频域谱分析方法进行立管波致疲劳损伤分析.对某海域发生概率最大的东北方向波浪引起的SCR疲劳损伤进行了分析,并对立管壁厚、内部流体和海底刚度等参数进行了疲劳敏感性分析,结果表明:在立管柔性接头处和触地点处的疲劳损伤较大;在触地点以上区域立管壁厚越小...     

侧钻井钻柱疲劳损伤评价方法的研究

通过对侧钻井用钻杆材料的疲劳性能试验 ,得到了钻杆材料P S N曲线 ,在此基础上获得修正的钻杆柱P S N曲线 ,提出了一种描述侧钻井钻柱疲劳损伤的新方法 ,即采用理论简化的办法 ,先获得钻杆材料标准试样的P S N曲线 ,再考虑钻杆的形状、尺寸、表面加工方法、应力状况等影响 ,将钻杆材料的P S N曲线转化为钻杆柱的P S N曲线 ,来进行疲劳强度的评估。将此方法运用于胜利油田井下作业公司侧钻井钻杆柱的优化设计 ,对钻具组合做了必要的修正、完善后 ,使钻杆柱所受疲劳损伤降至最低程度 ,从而延长了钻杆柱的使用寿命     

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.     

基于加速度监测数据的钻井隔水管疲劳损伤评估

在隔水管钻井作业中,利用有限个加速度传感器监测数据预测钻井隔水管疲劳寿命是钻井隔水管系统面临的一项技术挑战.介绍了一种基于传递函数法,监测位置A处加速度数据,评估目标位置B处钻井隔水管疲劳损伤及疲劳寿命的分析方法.利用南海某深水气井钻井隔水管336 h加速度的监测数据,进行隔水管的疲劳损伤评估,得到了疲劳寿命.提出的基...     

隔水管挠性接头试验装置设计

基于隔水管挠性接头的使用工况和功能特点,分析了隔水管挠性接头的试验内容与试验原理,设计了隔水管挠性接头试验装置。该试验装置包括3种类型的试验工装,分别用于水压试验、弯曲循环试验和载荷试验。重点介绍了弯曲循环试验工装和载荷试验工装的结构原理与使用方法。该试验装置可用于模拟隔水管挠性接头在海洋的工况并试验与研究,试验数据与结果可为现场使用提供参考依据。     

深水立管涡激振动抑制装置的研制

深水立管在海流作用下易产生涡激振动而加速立管的疲劳破坏。研制了涡激振动抑制装置———螺旋列板,通过室内试验确定了螺旋列板的主要结构参数(螺距17.5 D、螺高0.25 D、螺头数3),海上实尺寸试验验证所研制的螺旋列板抑制效率达到80%以上。     

套管钻井中套管疲劳损伤模型研究

根据套管材料的疲劳应力寿命曲线推导出了套管构件的疲劳应力寿命曲线;结合疲劳损伤理论,通过定义套管疲劳损伤量和疲劳损伤强度2个基本参数,对套管疲劳损伤进行度量,建立了套管疲劳累积损伤计算模型。由现场套管钻井实例分析结果可知,位于井口的套管疲劳损伤程度最大;采用单因素分析法,当转速一定时,套管的疲劳损伤随着井深的增加而减小;当钻压固定不变时,套管的疲劳损伤随转速的增大而增大。该模型对于套管的疲劳损伤评估具有重要的指导意义。