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.     

横流向涡激-参激耦合振动下深水钻井隔水管疲劳损伤预测

考虑深水钻井过程中浮式平台的升沉运动,基于Vander Pol尾流振子模型,建立深水钻井隔水管横流向涡激-参激耦合振动力学分析模型和控制方程,采用Galerkin法和Newmark-β方法对控制方程进行求解,获得涡激-参激耦合振动下深水钻井隔水管的应力时程曲线;采用雨流计数法和Palmgren-Miner线性累积损伤准则,获得深水钻井隔水管的疲劳损伤热点,在此基础上讨论波高、波浪周期、海面海流流速、顶张力对隔水管疲劳热点处疲劳损伤的影响。结果表明：隔水管横流向涡激-参激耦合振动疲劳损热点位于隔水管底部;波高主要通过影响隔水管参激振动特性影响隔水管的疲劳损伤,波高越大,疲劳损伤越大;波浪周期主要通过改变参激振动中隔水管的轴向力影响其疲劳损伤,波浪周期越小,疲劳损伤越大;海面海流流速主要通过改变隔水管横流向的涡激振动特性影响其疲劳损伤,海面海流流速越大,疲劳损伤越大;顶张力主要通过改变隔水管的轴向力分布影响隔水管的横流向涡激振动,进而对其疲劳损伤产生影响,顶张力系数越小,疲劳损伤越大。     

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。     

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。     

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。     

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。     

深水钻井隔水管段携岩规律研究

岩屑运移机理的研究对钻井作业来说至关重要,尽管前人做过许多相关工作,但仅仅停留在理论研究和物理实验的层面上。本文应用CFD软件Fluent,对岩屑在深水井隔水管段的运移规律进行研究,模拟条件更加接近实际情况,结果更加精确,可以为深水钻井井眼清洁工作提供科学参考。     

钻井液流动速度对钻柱横向振动影响的理论分析

本文从理论上研究了钻井液流动速度对钻柱横向振动的影响问题.建立了一个考虑比较全面的钻柱横向振动微分方程,给出了钻柱横向振动固有频率与钻井液流速之间的关系式,讨论了钻井液流动速度变化引起钻柱振动直到失稳的发展过程,并分析和探讨了其影响的力学机理.     

防台钻井隔水管脱离状态下振动响应模型试验

防台钻井隔水管近海面脱离后的振动特性关系到实际的生产安全。通过模型试验对其脱离状态下的振动特性进行研究。试验结果表明:脱离后,由于隔水管上端自由度得到释放,雷诺数较低时,其振动形态表现为刚性体自激振动的振型;随着雷诺数的增大,其振动响应中同时存在弹性支撑刚性体的自激振动和两端连接柔性管的模态振动,体现为主次频的关系;随着雷诺数的进一步增大,主次关系发生转变,对应于振型的转变;顺流向与横流向上的振型转变并不同步,顺流向上的振型转变需要更大的流速;相比于正常连接状态,脱离后的振型分布有向隔水管上端移动的趋势。     

水平井钻柱横向振动有限元分析

钻柱横向振动是引发钻井事故的主要原因之一,水平井由于井眼弯曲严重,钻柱偏心,容易发生钻柱横向振动。以水平井钻柱单元为研究对象,应用有限元法建立了考虑钻井液影响的钻柱横向振动方程,得出了钻柱横向振动频率数学模型,分析了钻井液和钻井液密度对钻柱横向振动频率的影响规律。编制频率计算程序,结果比较符合现场实际,为计算钻柱共振转速提供依据,减少钻柱剧烈横向振动发生。     

套管柱-钻井液-水泥浆耦合系统横向振动特性分析

振动固井工程中利用激振器对套管柱进行激励使其达到共振效果,以此来提高固井质量,这就需要对套管柱-钻井液-水泥浆耦合系统进行模态和振动特性分析。针对这一问题,建立了套管柱-钻井液-水泥浆流固耦合模型,利用有限元分析软件ANSYS Workbench进行模态分析和振动响应分析,采用单因素分析法对其固有频率影响因素进行仿真分析。结果表明,套管柱在流固耦合状态下各阶固有频率低于无耦合时的情况,相同阶数下,模态振型基本相似;耦合系统横向振动频率随长度的增加而减小,随钻井液密度和水泥浆密度的变化较小,随温度的升高而降低;在较大激振力下,底端振幅较大。实际固井作业中,可以发挥大激振力和低频组合方式产生的共振效果,来提高固井质量。     

深水钻井隔水导管挠曲方程和固有频率的计算及其研究

从深水钻井应用的隔水导管的使用实际情况出发,应用弹塑性力学中的位移复分原理的Ritz法,考虑了隔水导管所受到的轴向张力T和隔水导管受力产生的倾角α以及由于自重q所产生的自重横向分力qsin α和轴向分力qcos α,建立了较为合理的挠曲方程,并且由此得到隔水导管的固有振动频率的简易计算求解方法。由于该挠曲方程结合了钻具的实际情况,其挠曲方程的约束条件采用的是一端铰支、一端自由的形式,因此其研究更接近实际情况,研究旨在为深水钻井隔水导管的合理使用设计和选择,提供一种更快捷实用的方法,对深水钻井作业有一定的指导意义。     

深水钻井平台运动对无隔水管环境下钻柱的影响

深水无隔水管钻井环境下,裸露在海水中的钻柱受到复杂动力作用。在考虑深水钻井平台运动、波流共同作用情况下,建立了深水无隔水管环境下钻柱受力理论模型。算例分析表明,钻井平台的慢漂运动对裸露在海水中的钻柱变形和受力有一定的影响。在满足强度要求的情况下,尽量选用直径较小的钻柱。无隔水管环境下,裸露在海水中的钻柱在泥线以下的长度越长,则钻柱上部所受拉力越大,从而可使泥线附近钻柱段的变形和受力情况得到改善。     

深水浅层导管喷射参数优化

目前深水表层导管下入施工大多数采用喷射法进行,钻井参数的合理选择对于深水表层导管喷射钻进起着至关重要的作用。基于室内模拟实验、现场模拟实验和现场应用试验数据分析,建立了钻压和排量参数与喷射下入速度之间的关系模型,得出了钻压和排量参数是影响导管喷射下入速度和等候时间的关键因素。研究成果已经在西非深水JDZ-2-1井进行了现场的应用,取得了很好的应用效果,能够为今后深水钻井设计和现场施工提供科学依据和技术指导。