深水钻井隔水管系统配置及动力学特性分析

针对钻井隔水管钻井隔水管问题,总结了海洋隔水管基本配置特征,使用变分原理推导了隔水管动力学数学方程,确定了考虑上下端旋转刚度的边界条件,建立了波浪载荷影响下的隔水管动力响应分析模型,利用埃尔米特三次差值函数对其进行离散,分析了不同工况对隔水管变形特性的影响。结果表明,顶张力越大,隔水管的位移越小;海流类型对隔水管的变形特征具有明显影响;海流的表面流速对隔水管的变形影响十分显著,表面流速增加时,隔水管位移大大增加;常规海况下,风速较低,风速对隔水管动力响应的影响很小;但当系统遭遇极端天气（如台风）时,隔水管的位移会明显增加。     

深水钻井隔水管单根基本参数确定方法

提出利用各种力学准则确定深水钻井隔水管单根基本参数的方法,包括单根主管与辅助管线参数、浮力块参数、隔水管接头参数等。结果表明:确定隔水管单根主管基本尺寸主要有环向应力准则、轴向应力准则和挤毁压力准则,根据环向应力准则得到的结果最保守;确定辅助管线参数主要依据等效应力准则;确定浮力块参数主要是合理确定浮力块的外径和密度;隔水管接头等级确定要依据规范考虑不同载荷工况进行选型设计。外径0.5334 m,内径0.48895 m的隔水管可应用于1.830 km深的水域,且隔水管系统中无须配置填充阀,辅助管线设计合理,浮力块选用3种密度可满足工作水深的需要,选配E级隔水管接头可满足使用要求。     

深水钻井隔水管的准静态非线性分析

对深水钻井隔水管进行准静态分析时,需搜索波浪的最大相位角以寻找最大波流合力,提出了搜索波浪最大相位角的最大Mises应力准则.开发了隔水管准静态分析系统,系统以C Builder为开发环境,后台调用ABAQUS进行计算,调用面向对象Python程序访问数据库,提取计算结果,实现了波浪最大相位角的自动搜索和深水钻井隔水管的准静态非线性分析.应用实例验证了该分析系统的有效性.结果表明,波浪相位角为180°时隔水管准静态响应最大,其次为波浪相位角90°,2700°,0°,隔水管静态响应介于波浪相位角为90°与270°的准静态响应之间.     

深水钻井隔水管与井口技术研究进展

钻井隔水管与井口系统是深水钻井装备中重要而薄弱的环节,其正确设计与使用直接关系到钻完井作业的顺利完成。系统开展了面向南海的深水钻井隔水管与井口技术研究,建立其力学分析方法,形成一套深水钻井隔水管与井口系统钻前设计与作业技术体系;提出隔水管与井口系统的波激疲劳、涡激疲劳、磨损以及隔水管接头完整性评估方法,并进一步完善深水钻井隔水管与井口完整性管理方案;建立深水钻井隔水管关键装备与作业风险评价框架,探索台风环境下的隔水管系统安全保障的关键技术;在此基础上开发深水钻井隔水管作业管理软件,承担中国南海6口自营深水井的隔水管与井口系统钻前设计与作业技术研究工作,成功将科研成果应用到深水钻井实践中,并取得良好的应用效果。笔者对这些进展进行总结和回顾,并对今后的研究方向进行展望。     

深水钻井隔水管下放试压单元智能优化

深水钻井隔水管下放过程中须对周边辅助管线进行试压以保证系统的密封性能。为保证隔水管下放试压的安全高效性,基于深水钻井隔水管下放试压工艺建立深水钻井隔水管下放试压时效评估模型与风险计算模型,采用蜂群算法形成深水钻井隔水管下放试压智能优化方法。结果表明:隔水管下放试压智能优化方法具有较好的全局搜索能力和探索能力;依据优化结果开展试压作业有望节约可观的钻井成本;隔水管下放试压安全效益曲线随可靠度的增加呈现先减小后增大趋势;单根密封可靠性是确定试压单元单根数目的关键因素,作业水深对试压次数与安全效益的影响较大,但对试压单元单根数目的影响较小。     

深水钻井隔水管与井口系统耦合力学行为

隔水管与井口系统的稳定性对海洋石油安全高效地生产与开发起着决定性的作用。为研究实际工况下的隔水管和井口系统的力学行为,综合考虑浪流载荷和土壤抗力等因素,建立了隔水管与井口系统耦合力学理论模型;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,平台偏移量对隔水管与地层组合管柱的横向位移和弯矩影响不大,增加张紧力可以减小隔水管的横向位移和截面弯矩;同时也能减小地层组合管柱的横向位移,对增强井口系统的稳定性有促进作用。     

深水钻井工况下隔水管横向振动特性研究

目前,对隔水管的振动研究鲜有涉及深水钻井工况对其横向振动特性的影响。为此,采用牛顿法建立了隔水管横向振动流固耦合模型,利用微分变换法（DTM）对模型进行求解,分析了钻井液排量与密度、张力比、钻柱结构等因素对隔水管横向振动固有频率的影响规律。结果表明,钻井液的存在会减小深水隔水管横向振动固有频率;隔水管横向振动固有频率随钻井液密度的增加而降低,随张力比的增加而增大;钻井液排量和钻柱尺寸对隔水管的横向振动固有频率影响不大。该研究可用于指导深水钻井作业,优化深水钻井工艺参数。     

深水钻井隔水管时域随机波激疲劳分析

确定深水钻井隔水管时域随机动态分析和疲劳计算方法,采用第三代波浪模式WAVEWATCH计算中国南海波浪谱,并与相应的P-M谱、JONSWAP谱进行比较;开展不同边界条件下的隔水管波激疲劳分析,研究边界条件对隔水管波激疲劳寿命的影响;计算不同边界条件下隔水管疲劳损伤变异系数与分析时长的关系,确定不同边界条件下隔水管波激疲劳分析的最低时长;最后以中国南海某油井为例计算隔水管时域随机波激疲劳寿命。结果表明:南海海域波浪谱的谱峰值和谱形状都与JONSWAP谱较接近,建议选用JONSWAP谱;边界条件对隔水管波激疲劳寿命影响较大,疲劳分析时应考虑钻井船的慢漂运动;随着分析时长的增大,隔水管疲劳损伤变异系数呈指数式减小,考虑钻井船的慢漂运动后大大增加了分析时长。     

无隔水管深水钻井作业管柱的力学分析

 无隔水管深水钻井作业是深水钻井的关键环节之一,管柱的力学行为十分复杂。本文阐述了无隔水管深水钻井管柱的纵横弯曲变形力学模型、纵向振动力学模型及无隔水管深水钻井送入管柱设计与强度校核方法等,分析了作业管柱变形及运动的主要影响因素和规律,提出了解决这类复杂工程问题的简化思路。结果表明,作业管柱的轴向拉力过大或过小、海水深度大、平台偏移或升沉振动幅度过大以及海流流速快等因素对管柱的强度安全具有显著影响。在无隔水管深水钻井作业管柱强度设计与校核时,应充分考虑管柱的作业工况及环境载荷的影响。     

深水钻井隔水管与井口系统耦合力学行为分析

隔水管与井口系统的稳定性对海洋石油安全高效地生产与开发起着决定性的作用。为研究实际工况下的隔水管和井口系统的力学行为,综合考虑浪流载荷和土壤抗力等因素,建立了隔水管与井口系统耦合力学理论模型;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,平台偏移量对隔水管与地层组合管柱的横向位移和弯矩影响不大,增加张紧力可以减小隔水管的横向位移和截面弯矩;同时也能减小地层组合管柱的横向位移,对增强井口系统的稳定性有促进作用。     

深水钻井隔水管法兰接头压溃安全分析研究

针对深水钻井隔水管法兰接头在深水钻井过程中承受着复杂恶劣的环境载荷,以及工作过程中产生的内外压差,有必要对深水钻井过程中法兰接头的工作受力情况进行深入研究。根据有限元原理,建立了法兰接头模型,利用有限元分析方法研究了不同外压载荷下的隔水管法兰接头无磨损以及磨损情况下的应力分布情况及临界压溃压力。分析结果表明,在螺栓预紧力载荷以及工作载荷情况下,法兰接头符合安全强度要求;对无磨损的法兰接头施加外压载荷,法兰接头受到的最大应力随着外压载荷的增加而增加,外压载荷增加到一定值时,上法兰接头辅助管道通道处的T型台处会产生应力集中;对磨损的法兰接头施加外压载荷,法兰接头的临界压溃压力随着磨损深度的增加而减小。     

基于随钻电阻率响应特征的深水钻井气侵早期监测方法

为了将随钻电阻率测井值的响应特征应用于深水钻井气侵早期监测方法中,对随钻电阻率测井值气侵响应规律进行研究。在分析测井值的环境影响因素基础上,设计一套气侵模拟试验装置,研究随钻电阻率测井值在不同注气量下气体侵入井筒的响应特征。考虑如何排除地层岩性影响随钻电阻率测井值变化并结合钻井液录井资料的基础上,建立基于随钻电阻率测井的深水钻井气侵早期监测方法。试验结果表明:通过瞬时随钻电阻率测井值的脉动特征可进行井底环空流型识别,并拟合出了气体体积分数与无因次随钻电阻率测井值的关系式,拟合公式与试验数据的相对平均误差为5%,吻合程度较高;与常规泥浆池增量法相比,建立的方法可提前10 min监测到气侵发生,比隔水管气侵早期监测方法提前6 min监测到气侵发生。     

基于复模态法的深水钻井隔水管反冲响应力学特性

考虑隔水管在正常钻井作业过程中由于轴向拉伸储存的弹性势能和反冲过程中钻井液下泄时产生的黏滞阻力的共同影响,通过将隔水管离散化为三自由度质量-弹簧-阻尼系统,建立隔水管紧急解脱后的反冲响应力学分析模型和控制方程;以浮式钻井设备的升沉运动作为边界条件,以隔水管解脱前的变形为初始条件,考虑控制方程中阻尼矩阵不能被对角化的影响,采用复模态分析法对控制方程进行求解;根据实例分析得到反冲过程中隔水管底部总成(low marine riser package,LMRP)振动位移的变化规律,并讨论水深、波高、顶部张紧器弹簧刚度及解脱相位角等因素对LMRP振动位移的影响,研究隔水管反冲响应的主控因素。结果表明:在同样的作业条件下,水深越大,隔水管紧急解脱的安全作业窗口越小;波高越大,隔水管的反冲响应越剧烈;顶部张紧器的刚度是决定隔水管反冲特性的一个重要因素,张紧器刚度越小,LMRP与防喷器发生碰撞的可能性越大;解脱相位角对隔水管的反冲特性影响不大。     

海洋钻井隔水管顶张力分析

隔水管系统足海洋钻井的主要设备之-本丈对描述隔水管运动的四阶非线性偏徽分方程和边界条件进行了简化,并应用有限差分法对隔水管的受力情况进行数值分析.作用在隔水管上的顶张力,使用四种海况进行研究,并编制了相应的计算程序.通过实例计葬,与美国应力工程服务奋司的计葬结果进行比较,结果完全-致.末文提供的动态分析方法及计葬程序具有方法简便、精确度高和机时省千优点,对设计和校核隔水管系统具有实用价值.     

基于LAGRANGE方程的深水钻井隔水管–水下井口系统动力分析

为了探究大质量、大刚度防喷器组(blowout preventers, BOPs)对深水钻井隔水管系统动态相应预测精度的影响,根据细长钻井隔水管与刚性防喷器组的结构特点,提出两者刚柔耦合的概念,采用能量法推导隔水管–防喷器组–水下井口系统的动能和势能,采用LAGRANGE方法建立耦合系统动力学理论模型,采用科学计算软件和Newmark-β直接积分法对动力学模型进行数值计算。以南海某深水钻井隔水管为例,开展基于耦合动力学模型的隔水管系统动态响应分析。结果表明,采用本文理论模型得到的隔水管不同位置的节点位移、单元弯矩、上部和下部挠性接头转角时程曲线、整体侧向位移包络线和弯矩包络线等与ABAQUS仿真结果均吻合良好,最大误差为8.8%。此方法可为深水钻井隔水管和水下井口系统动态分析提供参考。     

深水含浅层流地层无隔水管领眼钻井水力参数计算

综合应用动态压井系统的无隔水管领眼钻井技术是处理深水含浅层流地层地质灾害的有效手段之一。针对无隔水管钻井技术特点,进行了无隔水管领眼钻井技术在深水含浅层流地层的适应性分析。基于油气井流体力学和渗流理论,考虑了浅层流实时钻进过程中地层漏失或侵入井筒动态过程的影响,建立了无隔水管钻进的平衡方程、连续性方程、运动方程和辅助方程,为钻井水力参数的设计与求解提供了依据,并以南中国海W-X01井为例,对计算方法进行验算与对比分析。现场实例计算表明:钻井液排量、钻进速度、钻杆转速是无隔水管海水钻进过程中的主要控制性施工参数,通过施工参数可调整环空压耗大小,进而控制井底压力;环空压耗随钻井液排量的增大而增大,且领眼尺寸越小环空压耗增大的趋势越大;同时,环空压耗随钻杆转速的增大而增大。此方法可以用于指导深水含浅层流地层的无隔水管领眼钻进设计与施工。     

海洋钻井隔水管非线性时域动力分析

本文用有限单元法对海洋钻井隔水管进行非线性时间域动力分析,建立了力学分析模型,推导了有限元动力方程,采用纽马克积分法求解。数值计算结果表明,理论分析是正确的,计算精度可满足工程要求。文章还对隔水管力学强度的各种影响因素进行了讨论。本文所提供的动力分析法及计算机程序可供海洋石油设计部门参考使用。     

深水钻井平台-张紧器-隔水管耦合系统动力学特性分析

为精确预测隔水管系统动力学响应,解决传统分析方法中边界简化处理的问题,建立平台-张紧器-隔水管耦合动力学模型,充分考虑张紧器系统的非线性刚度变化以及平台、张紧器和隔水管的多体耦合连接方式,研究多体耦合系统中隔水管系统静态和动态响应特性,揭示平台-张紧器-隔水管耦合作用规律。结果表明:在隔水管系统静态分析中,张紧器系统能提供抑制隔水管系统偏移并减小隔水管系统弯矩的横向作用力;在隔水管系统动态分析中,张紧器系统对平台垂荡运动的传递具有明显的缩小效应;平台做纵摇运动时,有、无张紧器系统对隔水管系统偏移位置影响较大,对隔水管系统的运动幅值影响较小;平台-张紧器-隔水管耦合动力学模型能精确施加隔水管系统边界条件,更加准确预测隔水管系统的动力学响应。     

深水铝合金隔水管涡激振动疲劳特性

铝合金隔水管(AAR)具有高比强度,在减轻重量的同时还可承受恶劣的海洋环境.涡激振动(VIV)是引起隔水管屈服失效与疲劳失效的主要因素,也是隔水管设计过程中需要考虑的主要问题.基于一种模态叠加方法预测隔水管的VIV响应,通过大量分析,系统研究了铝合金隔水管在不同流动剖面下的VIV响应与疲劳特性.结果表明,AAR的涡致疲劳损伤依赖于流动剖面的形状,且在不同位置处差别较大.长度增加导致隔水管模态频率与模态曲率降低,使得隔水管具有更好的VIV疲劳特性.与常规钢制隔水管(SR)相比,铝合金隔水管具有较好的VIV疲劳特性.     

深水铝合金隔水管涡激振动疲劳特性

铝合金隔水管(AAR)具有高比强度,在减轻重量的同时还可承受恶劣的海洋环境.涡激振动(VIV)是引起隔水管屈服失效与疲劳失效的主要因素,也是隔水管设计过程中需要考虑的主要问题.基于一种模态叠加方法预测隔水管的VIV响应,通过大量分析,系统研究了铝合金隔水管在不同流动剖面下的VIV响应与疲劳特性.结果表明,AAR的涡致疲劳损伤依赖于流动剖面的形状,且在不同位置处差别较大.长度增加导致隔水管模态频率与模态曲率降低,使得隔水管具有更好的VIV疲劳特性.与常规钢制隔水管(SR)相比,铝合金隔水管具有较好的VIV疲劳特性.