深水喷射钻井导管力学分析与强度校核.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 0 年 1 0 月第 3 2 卷第 5 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I O c t ． 2 0 1 0 V o 1 ． 3 2 N o ． 5 深水 喷射钻 井导管力学分析与强度校核 唐海雄 ， 盛磊祥 ，陈 彬 中海石油 中国有限公司深 圳分公司， 广东深圳fi l 8 0 6 7 陈维杰 ， 畅元江 ，陈国明 中国石油大学 华东 机电工程 学院， 山东东营2 5 7 0 8 1 [ 摘要]深水 喷射钻井作业 中导管强度是确保 井口稳定 以及后续钻 井作业顺利进 行 的有 力保 障。对最危 险 工况下 的导管柱横 向受力进行 了分析，并基 于有 限元技 术提 出一种 导管强度校 核 的方法。分别 建立 隔水 管和导管系统的力学分析模型 ，尤其针 对下 入有倾斜及 固井 有缺 陷的导管进 行 了强度 校核 ，求得钻 井船 最大许用偏移。算例 表明 ，钻井船偏移对导管强度 的影响 主要集 中在 泥线 下较短 一段管柱 ，导管 2 。 内倾 斜 与 固井 缺 陷对 其 横 向承 载 能 力 影 响 较 小 。 [ 关键词]喷射钻井 ；深水钻 井；导管 ；强度校核 [ 中图分类号]T E 5 2 [ 文献标识码]A [ 文章编 号] i 0 0 09 7 5 2 2 0 1 0 0 5 0 1 4 6 0 5 喷射下导管技术是为了解决海床不稳定 、破裂压裂梯度底 、气体水合物堵塞、浅层水流危害以及海 底低 温变化 等浅 层土地 质 风险难 题而 提 出的一种 新 的浅层 土钻井 工艺 ，已经成 功运 用 于我 国南 海深 水 区 域的油气田开发l 1 ～ 。导管是井身结构中最表层的套管 ，它为整个套管柱 、海底采油树以及井下防喷器组 提供重 要支撑 l 2 ] 。由于作 业环 境和操 作误 差等 影 响因素 ，导管 在喷 射下人 过 程 中可能偏 斜 ，导致 安装 结 束后 产生一定 斜度 。此 外 ，导管 在 固井 过程 中可 能 由于水 泥浆漏失 导致 固井 有 缺陷 。针对 以上 情况 ，在 极端 环境载荷 作用 下过 大 的钻井 船偏 移 可 能 引起 导 管 抗 弯失 效 或 变 形过 大 而 影 响 后 续 的钻 井 作 业 ，因 此，有必要对导管的横 向承载能力进行校核 ，以确保作业的安全性 。文献 [ 3 ，4 ]对导管的竖 向承载能 力进行过计算分析并给 出导管的下深确定方法；管志川等 ] 基于土力学和桩基理论对导管和表层套管横 向承载能力进行 了数值计算 ；AP I 标准 中对不同性质土 的侧 向承载力进行 了分 析_ 6 ] ，给 出载荷位 移 p - y 曲线 ；王 腾等 l 7 借鉴 AP I 中桩 基水 平承 载力 的设计方 法对 导 管水 平 承 载力 进行 了研究 ，但 导 管 强度 的分析 与校核 目前 尚未形 成 系统 的做法 。笔者 基于 有 限元 分析 方法 ，结 合南 海 区域性海 洋 环境 ，分 别建立隔水管系统和导管系统的整体有限元模型 ，利用非线性弹簧单元较好地模拟桩一 土耦合作用，通 过算例 对不 同钻井 船偏 移和 固井水 泥环 返高组 合工 况下 的导 管横 向承载 能力 进行 了分 析与校 核 ，旨在 为 南 海深水 喷射 钻井 导管强 度校 核提供 有用 参考 。 1 导管受力分析 与强度校核方法 导 管横 向受力最 大 的情况 出现 在防 喷器 与井 口相连之 后 。深水 钻井 系统受 力示 意 图如 图 1 所示 。 此 时隔水 管底端 与 防喷器 组相连 ，顶 端与钻 井船 相连 ，风 、浪 、流等 环境 载荷 及其 他外 部 因素 作用 引起 的钻 井船偏 移会 使 隔水管 对底部 防 喷器组产 生水 平分 力 ，并 最终 通过 井 口传递 到导 管之 上 。图 1中 泥线 以下 管 串最表层 的管 柱为 导管 ，里 面的管柱 为表 层套 管 ，导管 与表层 套管 的环 空为 固井水 泥环 。忽 略 土层对 导管底 端 的反力 。导 管承受 的作 用力 主要来 自隔 水管底 部挠 性接 头处 的竖 向和横 向反力 、防 喷 器组 与井 口重 量 、作 用 于 防 喷 器 组 及 井 口 的横 向波 流 力 、海 底 土 层 对 导 管 的 侧 向摩 擦 力 和 横 向土 反 力等 。 在建立 有 限元 模 型时 ，将 图 1中的钻井 系统 在底部 挠性 接头 处分 开 ，提取 隔水管 底部挠 性 接头横 向 [ 收稿 日期]2 0 1 0 0 71 0 [ 基金项 目]国家科技 重大专项 2 0 0 8 Z X0 5 0 2 6 0 0 1 。 [ 作者简介]唐海雄 I 9 6 2一 ，男 ，1 9 8 3 年江汉石油学院毕业 ，高级工程师 ，现主要从 事海洋石油钻 完井技 术研究 ，重点攻 关大位 移井和深水井等前沿钻完井技术。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷第 5期 唐海雄等 深水喷射钻井导管力学分 析与 强度校核 分力 、轴 向分 力 以及 弯 矩 作 为 边 界 条 件 ，通 过 平 移将 力与 弯矩 转 化 到 导 管 上 面 ，平 移 示 意 图 如 图 2 所 示 。图 2中 ， G井 为 井 口头 重量 ； G 为 防喷器 组 的重量 ； F 为 横 向分力 ； F 为轴 向分 力 ； M 为挠 性接 头处 产 生 弯矩 ； h为挠 性 接 头 到 导 管顶端 距 离 ； M 为平 移 到导 管 顶端 上 的 弯 矩 ； G为作用 在导 管上 的重 量 。 转移后 各变 量之 间有 以 下关系 G OB P G井口 一 F 1 M M 2 通过 以上 力 与 弯 矩 的转 换 ，对 导 管 系 统 进 行有 限元计 算分 析 ，可 求 得 不 同工 况 下 作 用 在 导管 上 的 最 大 应 力 ；根 据 导 管 应 力 控 制 标 准 ， 可对导 管 的强度 进 行 校 核 ，得 出最 大 应 力 对 应 的最大钻 井船 偏 移 ，求 得 钻 井 船 最 大 许 用 偏 移 值 。 2 算例分析与讨论 以南 海 某 超 深 水 井 为 例 ，水 深 为 2 4 6 1 m， 采用 喷射 钻井安 装导 管 ，导管 外径 为 3 6 i n 1 i n 一 2 ． 5 4 c m 、 壁 厚1 ． 5 i n ；表 层 套 管 外 径 为 2 0 i n ，壁厚 0 ． 8 1 2 i n 。导 管 和表 层 套 管 的材 料 为 X 5 6钢 。钻井 系 统 各 组 成 部 分 重 量 为 防喷 器 2 1 6 t ；L MRP线性 总成 1 0 7 t ； 隔水 管 3 0 0 t ； 隔水 管 内水 泥浆 5 0 t ；井 口 5 t 。水管 顶部 张 力取 极 端 风 暴潮 作用下 使用 的张 力 6 0 0 t 。 2 ． 1 校 核工 况与 标准 在 6 0 0 t 顶 张力 的情 况 下 ，考 虑钻 井 船 不 同 偏移 水 深 的 0 ～6 和 固井 水 泥 环 不 同 返 高 ，针对 导管 、水 泥环 、表 层套 管 组成 的管柱 ， 对导 管下人 无 倾 斜 以及 导 管 下 人 有 倾斜 且 倾 斜 角为 1 、1 ． 5 、2 。 等工况的横向承载能力进行分 析与强 度校 核 。 图 l 深 水 钻 井 系 统 受 力 示 意 图 头 ． 厂 一 ⋯ L _ _ 1 ／ 泥线 图 2力边界平移示意图 M 由于 目前 尚 未 有偏 移 、转 角 和 弯 矩 的控 制 标 准 ，因此 主要 依 据 强 度 准 则 进 行 校 核 。导 管 材 料 为 X 5 6钢 ，其 屈 服 强 度 为 3 8 6 MP a ，安 全 系 数 取 1 ． 5 ，导 管最 大等效 应力 不 能超过 2 5 7 MP a 。 2 ． 2边 界条 件转 化 利用 AB AQUS软件建立隔水管系统 图 3 。其中隔水管系统包括隔水管与水泥浆 。根据海底浅层 土壤数据 ，以 p - y曲线描述导管与土壤的相互作用 ，以非线性弹簧单元模拟导管承受的非线性土壤抗 力 ，以导 管倾 斜角 0 。 为例 即导管 无倾斜 ，建立 导管 系统 有 限元模 型 图 4 。导管 系统包 括 水 泥环 和 表层 套管 。 经计算分析后 ，提取的隔水管底部挠性接头转角、弯矩 、 x方 向支反力和z方向支反力如表 1 所示。 表 1中 的弯矩 M 是 根据 底 部 挠 性 接 头转 角 和 接头 抗 弯 刚度 计 算 得 来 的 ， 底 部 挠 性 接 头 的 抗 弯 刚度 为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油 天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 0年 1 O 月 5 2 8 3 6 0 0 N m／ r a d。 Z Z 图 3 隔水管 系统有 限元模型 2 3 I I ．．．．．． ．一 图 4导管系统有限元模型 表 1 隔水管底部挠性接头结果 偏移／ 转角／ 。 弯矩 M1 ／ l O Nm X方 向支反力／ t z方向支反力／ t 6 ． 1 4 1 O ． 1 6 1 4 ． 1 7 1 8 ． 2 1 2 2 ． 3 3 2 6 ． 5 2 3 0 ． 6 7 根据表 1中的结果数据 ，结合 图 2 所示的力边界平移示意图，其中 h一 1 4 ． 9 8 m， 求得作用在导管顶 端节点 的力 与弯矩 M 边 界 ，见 表 2 。 表 2 导管顶端节点力与弯矩边界 偏移／ x方 向支反力／ t z方向支反力／ t 弯矩 M ／ l O N m 通过观察比较表 1 和 2中的弯矩值发现 ， M值要远大于M 值， 说明由底部挠性接头处的横向力产生 的弯矩对导管的受力占绝对主导作用。 2 ． 3 导 管等效 应 力 以导管下入无倾斜为例，分固井良好与固井有缺陷 2种情况。对强度进行计算分析 ，提取导管最大 横向偏移和最大应力结果 ，对强度进行校核。倾斜导管的强度校核过程与此类似。 1 固井良好固井 良好指固井水泥浆能顺利上返到井 口。图 5为不同钻井船偏移下导管 的横向偏 移 、转角 、弯矩和等效应力图。从图 5可见 ，导管偏移和转角变化规律一致 ，导管弯矩和应力变化规 律一 致 。 由于该校核的标准主要依据导管应力 ，因此提取导管最大应力结果 ，见表 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷第 5期 唐海雄等 深水喷射钻井导管力学 分析与 强度校 核 1 4 9 一 啦 曲 ． _ ． ● E 9- a 一 一 瞄戮 ■ 墨 ； 一 F 一 十偏 移O ％ - 4 1 ． ． 偏移 1 ％ 偏移2 ％ 偏移3 ％ 偏移4 ％ 一偏移5 ％ 偏移6 ％ 一 0 ．1 O l O O ．1 O 目 2 O _ 3 o -4 0 扭 5 O 曲 一6 0 ．7 0 ．8 O ．9 0 1 0 0 ．1 O 鲁- 2O ’3 0 ．4 0 赳 皿 ． 5 O 曲 ．6 0 ．7 0 ．8 O ．9 0 0 ．1 0 ． 2 0 ． 3 0 ． 4 0 ． 5 0 ． 6 ．0． 5 0 导管横向偏移 ／ Ⅲ a 偏移 1 0 l 2 3 4 5 6 7 导管弯矩／1 0 6 N m c 弯矩 目 ＼ 扭 曲 0． 5 1 1 ． 5 导管转角／ 。 b 转角 2 ． 5 3 导管等效应力／ M P a d 应力 图 5 固井良好情 况下考虑 不同钻 井船偏 移对导管横向承载能力影响规律 表 3 固井 良好情况下导管最大应力值 2 固井有缺陷 有缺陷是指水泥环不能正常上返到井 口。根据水泥环返高距泥线高度不同，分以 下 4种工况对导管横 向承载力进行分析校核 。工况 l 水泥返高距离泥线 3 m；工况 2 水泥返高距离泥 线 6 m；工况 3 水泥 返高 距离 泥线 9 m；工 况 4 导管 和套 管 环 空 内无泥 浆 。不 同钻 井 船 偏移 下 导 管最 大应力 值见 表 4 。 表 4固井有缺陷情况下导管最大应力值 ∞ o 珊 瑚 栅 枷 郴 铷 踟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 O年 1 0月 对 不 同工 况 下 导 管 最 最 大 应 力 进 行 比较如 图 6 所 示 。 2 ． 4钻 井船最 大许 用偏 移 。 根据 强 度 校 核 准 则 中导 管 应 力 不 能 超 过 2 5 7 ． 3 MP a的规定 ，通 过线 性插值 计 算求 得 各 种 工 况 下 钻 井 船 最 大 许 用 偏 移 值见 表 5所 示 。表 中工 况 1 、2 、3 、4与 2 ． 3节 中的水 泥返 高一样 ，倾 斜 角为 o 。 表 示导 管无倾 斜 。 3结 论 1 导 管横 向偏移 在 导管 顶端 处 最大 ， 5 0 且随钻 井船 偏 移 增 大 而增 大 。算 例 表 明 ， 导管应 力在 泥线 下 7 m 处达 到 正方 向最 大 值 ，然 后 开 始 反 方 向减 小 。位 移 和 应 力 在泥线 以下 一 定 深 度 都 基 本 为 零 。钻 井 图 6不 同工况下最大应 力值 比较 船偏移 对导 管 的作 用 主要集 中在 泥线下 大约 3 0 m 这一段 管柱 ，对 此之下 的管 柱几 乎没 有影 响 。 表 5 不 同工况下钻井船最大许 用 移 倾斜角／ 。 固井 良好工况 许用偏移／ 固井有缺陷工况许用偏 移／ 工 况 1 工 况 2 工 况 3 工 况 4 4 ． 8 6 4 ． 7 6 4 ． 7 1 4 6 5 2 表层套管固井水泥环距泥线距离越小 ，导管抗弯能力越强 。尤其是靠近泥线 2 0 m这段水泥柱能 有 效地 提高导 管抗 弯能力 。与 钻井 船偏移 相 比 ，固井水泥 环返 高对 导管横 向承载力 影 响要小很 多 。 3 与无倾斜相 比，倾斜状态对导管抗弯能力和横 向承载能力影 响不大 ，但导管倾斜角过大 ，会 导 致钻杆磨损直至报废 ，影响后续钻井作业 。在水泥返高相同的情况下，导管倾斜角越大 ，钻井船最大许 用偏 移越 小 ，但变化 的 幅度较小 。 [ 参考文献] [ 1 ]徐荣强 ， 陈建兵 ， 刘正礼 ，等 ．喷射 导管技术在深水钻井作业 中的应用 L J ]．石油钻探技术 ，2 0 0 7 ， 3 5 3 1 9 2 2 ． [ 2 ]Ak e r s T J ．J e t t i n g o f s t r u c t u r a l c a s i n g i n d e e p wa t e r e n v i r o n me n t s j o b d e s i g n a n d o p e r a t i o n a l p r a c t i c e s E J ]．S P E 1 0 2 3 7 8 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ]P h i l i p p e J ．I n n o v a t i v e d e s i g n me t h o d f o r d e e p wa t e r s u r f a c e c a s i n g [ J ]．S P E 7 7 3 5 7 ， 2 0 0 2 ． [ 4 ]B e c k R D．Re l i a b l e d e e p w a t e r s t r u c t u r a l c a s i n g i n s t a l l a t i o n u s in g c o n t r o l l e d j e t t i n g[ J ]．S P E 2 2 5 4 2 ，1 9 9 1 ． [ 5 ]管志川，苏堪华 ， 苏义脑 ．深水钻井导管和表层套管横 向承载能力分析 [ J ]．石油学报，2 0 0 9 ， 3 O 2 2 8 5 2 9 0 ． [ 6 ]AP I RP 2 A ～ WS D - 2 0 0 0 ，R e c o mme n d e d p r a c t i c e f o r p l a n n i n g ，d e s i g n i n g a n d c o n s t r u c t i n g f i x e d o f f s h o r e p l a t f o r mswo r k i n g s t r e s s d e s ig n[ s ]． [ 7 ]王腾 ，孙宝江 ．深水喷射井 口结构套管水平承载力 [ J ]．中国石油大学学报 自然科学版 ，2 0 0 8 ， 3 2 s 5 0 5 3 ． [ 编辑] 苏开科 O O O O O O 如 加 2 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m