深水钻井导管力学特性参数敏感性分析.pdf

2 0 1 4年第 4 2卷第 6期 石 油机械 C HI NA P ET R0L EUM MACHI NERY ，． 47 ． ． ． 海洋 石油装备 深水钻井导管力学特性参数敏感性分析 李 飞 陈国明 畅元江 刘秀全 刘 康 中国石油 大学 华 东海 洋油气工程与安全技术研 究中心 丰 摘要深水钻井导管受力复杂，影响 因素较 多，主要包括平 台偏移、海流流速 、土壤 强度、 固井质量和低压井 口出泥高度等，确定各影响因素的优先等级是深水钻井导管钻前设计和现场作 业急需解决的问题。建 立了深水钻井导管力学分析模 型，分析 了导管的力学特 性，采用正交试验 方法安排仿真试验方案，对仿真试验结果进行极差分 析和方差分析，从而确定备影响因素对深水 钻井导管力学特性的影响大小和 显著性。研 究结果表 明，导管最大应力值 出现在泥线以下 8 m左 右，影响导管最大 Mi s e s 应力的因素依 次为平 台偏移 、导管外径 、导管壁厚 、海流 、低压 井 口出 泥高度和 固井质量等，其 中平 台偏 移、导管几何参数和海流对最 大 Mi s e s应力的影响高度 显著 ， 出泥高度和固井质量对导管最大 Mi s e s应力影响相对较小。通过分析发现 ，平 台偏移和海流流速 增大是造成导管载荷增加的根本原因，增大导管外径和壁厚可以有效减小导管应力。 关键词 深水 ；导管；力学特性；正交试验 ；参数敏感性；极差分析 ；方差分析 中图分类号 T E 9 5 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 1 1 Pa r a m e t r i c S e ns i t i v i t y Ana l y s i s o f t he M e c ha n i c a l Be ha v i o r o f De e p wa t e r Dr i l l i ng Co nd uc t o r L i F e i C h e n G u o m i n g C h a n g Y n a n j i a n g L i u X i u q u a n L i u K a n g O ff s h o r e O i l a n d G a s E q u i p m e n t S a f e t y T e c h n i q u e R e s e a r c h C e n t e r ，C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m，Q i n g d a o Abs t r a c t Th e f o r c e s o n t he d e e p wa t e r d r i l l i ng c o nd u c t o r a r e c o mp l e x a nd i n fl ue n c e d b y ma n y f a c t o r s ，i n c l u d i n g p l a t f o r m o f f s e t ， o c e a n c u r r e n t v e l o c i t y， c l a y s t r e n g t h， c e me n t i n g q u a l i t y a n d we l l he a d e l e v a t i o n a b o v e t h e mu d l i n e ． De t e rm i n i n g t h e p rio ri t y l e v e l o f t h e f a c t o r s i s a n i s s u e t h a t n e e d s t o b e a d d r e s s e d u r g e n t l y f o r p r e d r i l l i n g d e s i g n a n d fie l d o p e r a t i o n ．A me c h a n i c s a n a l y s i s mo d e l o f d e e p wa t e r dr i l l i ng c o n d u c t o r i s e s t a b l i s he d ． a n d t h e C o n． d u c t o r me c h a n i c a l b e h a v i o r i s a n a l y z e d b a s e d o n t h e mo d e 1 ． T h e s i mu l a t i o n p r o g r a m i s c o n d u c t e d b a s e d o n o r t h o g o n a l t e s t me t h o d，a n d t e s t r e s u h s a r e a n a l y z e d t h r o u g h r a n g e a n a l y s i s a n d v a ria n c e a n a l y s i s ， t h u s， t h e i mp a c t a n d s i g n i fic a n c e o f e a c h f a c t o r i s d e t e rm i ne d． T he s t ud y r e s ul t s s ho w t h a t t he ma x i mu m s t r e s s o f t he c o nd u c t 0 r i s a b o u t 8 m be l o w t h e mud l i n e ． Th e f a c t o r s t h a t i n fl ue n c e ma x i mu m Mi s e s s t r e s s a r e，i n o r d e r o f s i g n i f ic a n c e， p l a t f o rm o f f - s e t ，t h e o u t e r d i a me t e r o f t h e c o n d u c t o r ，t h e wa l l t h i c k n e s s o f c o n d u c t o r ，o c e a n c u r r e n t ． we l l h e a d e l e v a t i o n a ． b o v e t he mud l i n e a nd c e me n t i ng q u a l i t y ． Th e p l a t f o r m o f f s e t ． t h e g e o me t r i c p a r a me t e r o f t h e c o n d u c t o r a n d o c e a n c ur r e n t h a v e h i g hl y s i g n i fi c a n t i mp a c t s o n ma x i mum Mi s e s s t r e s s ， wh i l e t he i mp a c t s o f we l l h e a d e l e v a t i o n a b o v e t h e mu d- l i n e a n d c e me n t i n g q u a l i t y o n t h e ma x i mu m Mi s e s s t r e s s i s r e l a t i v e l y s ma l 1 ．Th e a na l y s i s r e v e a l e d t h a t t h e p l a t ． o f f s e t a n d o c e a n c u r r e n t v e l o c i t y i n c r e me n t a r e t h e p r i ma r y c a u s e s o f c o n d u c t o r l o a d i n c r e me n t ， a nd i n c r e a s i n g t h e d i a me t e r a n d wa l l t h i c kn e s s o f c o n d u c t o r c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e t he s t r e s s o f t he c o n d u c t o r ． Ke y wor dsde e p wa t e r ； c o n d u c t o r； me c ha ni c a l b e ha v i o r； o r t h o g o n a l t e s t ； p a r a me t e r s e n s i t i v i t y； r a n g e a ． n a l y s i s； v a ria n c e a n a l y s i s 基金项目中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 “ 深水水下井口导管系统承载能力及耐久性研究” 1 3 C X 0 6 0 8 6 A 。 ． - 4 8-- 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 6期 0 引 言 深水钻井作业时，一般采用喷射法安装导管 ， 上部通过井 口与防喷器 简称 B O P和隔水管 系 统相连 ，下部直接与海底软土接触 ，组成一个完整 的钻井 管 柱 系 统。实 际工 作 中，隔水 管 系统 和 B O P受到海洋环境载荷 、钻井平 台偏 移、张紧力 和 自身重力等载荷的作用 ，上部载荷通过井 口传递 到导管 ，且导管受到地层土壤抗力的作用 。导管受 力 比较复杂 ，影响因素较多 ，极端情况下可能发生 屈服破坏 J 。国内外学者进行 了导管承载能力分 析 J ，文献 [ 6 ]详细介绍了井 L I 和导管力学分 析方法和数值化求解方法。文献 [ 7 ]认为海洋环 境载荷 、井 口载荷及钻井状态是导管稳定性主要影 响因素。文献 [ 8 ]通过建立水下 井 口 A N S Y S模 型，提出导管允许高度与井 口倾斜角相互关系的计 算方法 ，并针对番禺 3 52气田进行了导管 出泥高 度分析。文献 [ 9 ]和 [ 1 0 ]对国外成功喷射安装 导管技术进行总结 ，详细介绍了导管喷射安装作业 方法及作业影响参数 。 尽管上述文献对导管分析方法和结果开展了较 多的研究 ，但是各因素对导管力学特性的影n B J i 序 和显著性还需要深入研究 。有必要进行导管力学特 性参数敏感性分析 ，旨在揭示影响导管力学特性的 重要参数 ，为导管系统钻前设计 和现场作业提供 指导 。 笔者在前人的研究基础上 ，系统总结 了深水钻 井导管力学特性影响因素 ，主要包括平 台偏移、海 流流速 、土壤强度、导管几何参数和固井质量等， 采用正交试验方法确定仿真试验方案 ，基于仿真计 算的结果定量分析上述各个影响因素与导管力学特 性之间的关系。 1 深水钻井导管受力模型分析 水下井 口、导管及表层套管结构示意 图如图 1 所示。对导管而言，其所承受 的作用力主要包括隔 水管底 部挠性 接头处产 生 的横 向和竖 向作用力 、 B O P组及套管柱 的重力 、B O P组与井 口所受横 向 海流力 、海底土壤对导管的竖向摩擦力和横 向抗力 等，力学分析模型如图 2所示 。 图 2中， 表示深水钻井导管顶部受到的横 向力 ， 表示其受到 的轴 向力 。导管顶部受 到横 向力 、竖向力 、初始弯矩 和初始偏移 ， 0 需要通 过分析隔水管受力来求解。导管从泥线到固定端距 离为 d ，此段受到土壤抗力 p作用 ，导管伸出泥线 高度为 h 。 1 一高压井 口；2 一低压井 口；3 一导管 ；4 一表层套管 。 图 1 井 口和 导管示意图 Fi g ．1 Sc he ma t i c d i a g r a m o f we l l h e a d a nd c o n du c t o r 泥线 固定端 图 2导 管 受 力 简化 模 型 F i g ． 2 S i mp l i f i e d mo d e l o f f o r c e s o n c o n d u c t o r 通过受力分析可以得到导管在横 向弯矩和竖向 力共 同作用下的挠曲线微分方程为 E I o 芝 Ⅳ c D cp y 0 1 式中，E l s 为导管抗 弯刚度， 为导管轴 向力，D 为导管外径 ，P ， Y 为作用于导管单位面积上 的土 壤抗力 ，导管泥线以上的部分不受土壤抗力 的作用， 即p z ， Y 0 。 土壤抗力通常采用 P Y曲线法来计算 ，p - y曲 线法是评估导管与土相互作用的一种 比较精细的方 法。p - y曲线通常是非线性的 ，与深度 、土壤抗剪 强度及载荷 的循环次数有关 ，可以将泥面以下不同 深度和土壤抵抗结构变形 的能力联系起来 ，这种方 法广泛应用于评估海洋结构与土的相互作用 ，不同 性质土的p - y曲线不同l 2 J 。 粘土中的导管横 向承载力一 变形关 系是非 线性 2 0 1 4年 第4 2卷 第6期 李 飞等深水钻井导管力学特性参数敏感性分析 - 4 9-- 的，粘土的横 向承 载力一 变形 p - y 曲线可 依据 A P I 规范 进行绘制。 导管承受载荷情况复杂 ，笔者将借助有 限元方 法分析导管力学特性。首先需要建立隔水管一 井 口- 导管整体模型进行分析 ，模型主要包括浮式钻井装 置 、上部挠性接头 、伸缩节 、钻井隔水管 、L MR P ／ B O P 、井 口、导管以及土壤等。自伸缩节至导管 的 整个海洋钻井管柱系统采用管单元进行模拟 ；挠性 接头采用铰单元进行模 拟 ，铰单元 截面属性 为连 接 、可转 动 ，顶部挠 性接头 的抗转 刚度一般 设为 0 ，而底部挠性接头 的抗转刚度随水深 的增大而变 大。张紧器的模拟通过在隔水管顶部施加垂直张力 来实现 ，而导管与土壤的作用则通过非线性弹簧来 模拟 。 2 深水钻井导管力学特性分析 现以南海某 目标井为例分析深水钻井导管的力 学特性。该 目标井井位水深为 7 4 2 m，钻井基础数 据如下。 隔水管总长度 7 1 6 ． 8 m； 隔水管裸单根长度 1 8 ． 2 8 8 m； 一 1 螽 一 z 鬓 一 s 一 蹄 一 5 6 7 0 ． 1 0 0． 1 0 ． 2 0 ． 3 0 ．4 0 ． 5 位移／ m a位移 O 一 1 O 鑫一 2 0 鬟 一 3 0 _ 一 4 o 蹄 一 5 0 6 0 7 0 隔水管裸单根外径 5 3 3 ． 4 m m； 隔水管裸单根壁厚 1 5 ． 8 7 5 fi l m； 张紧力 1 5 0 0 k N； 防喷器组高度 1 2 ． 8 4 m； 防喷器质量 1 7 3 ． 2 7 t ； 导管人泥深度 6 8 m； 导管外径 7 6 2 mm； 导管壁厚 3 8 ． 1 2 2 5 ． 4 4 m m； 导管伸出泥线高度 2 ． 5 m； 表层套管外径 5 0 8 mm； 表层套管壁厚 2 5 ． 4 m m。 导管壁厚表示上部采用 2根 3 8 ． 1 m m壁厚导 管 ，其余为 2 5 ． 4 m m壁厚导管 。导管材料为 x一5 6 钢 ，其屈服强度为 3 8 6 MP a ，最大等效应力不能超 过 2 5 7 MP a 。通过有 限元计算 ，位移 、弯矩和 M i 一 e s 应力沿管身分布如图 3所示 。 由图可以看出，深水钻井导管最大弯矩和最大 应力值在泥线 以下 8 m左右 ，位移最大值在泥线位 置；应力受弯矩影响 ，变化规律与弯矩变化规律一 致 ；由于土抗力 的作用 ，导管受力随着深度的增加 迅速衰减 ；当入泥 深度 超过 3 0 m后 ，导 管受 力 很小 1 0 1 2 3 4 弯矩／ MN m1 b． 弯 矩 应 力／ MN c ． Mi s e s 应力 图3 位移、弯矩和应力沿导管管身的分布 F i g ． 3 Di s t r i b u t i o n o f d i s p l a c e me n t b e n d i n g a n d s t r e s s a l o n g t h e c o n d u c t o r b o d y 3 深水钻井导管力学特性敏感性分析 正交试验设计就是安排多因素试验 、寻求最优 水平组合的一种高效率试验设计方法 。正交试验设 计利用正交表来安排与分析多因素试验 ，从试验因 素的全部水平组合中挑选部分有代表性 的水平组合 进行试验 ，通过对这部分试验结果分析了解全面试 验的情况 ，找出最优 的水平组合 。 3 ． 1 正交试验方案与计算 影响深水钻井导管力学特性的因素主要包括张 紧力、平台偏移 、固井质量 、土壤强度 、海流、导 管外径 、导管壁厚和低压井 口出泥高度等。当入泥 深度超过 3 0 m后 ，导管受力较小 ，因此不强调导 管人泥深度对导管力学特性的影响。固井质量指的 是水泥返高距泥线的高度 ，土壤强度指 的是土壤抗 剪强度。 根据正交试验安排与导管分析的 8个参数 ，前 3个参数取 4水平 ，后 5个参数取 2水平。平 台偏 移表示平台横向偏移与水深的比值 ，固井质量表示 固井水泥返高与泥线之间的距离 ，土壤强度采用 2 种不 同抗剪强度的土壤剖面，海流分为 1 a一遇和 一 5 2一 石 油机械 2 0 1 4年 第 4 2卷 第6期 上接第 4 6页 [ 4 ] C o c h r a n S ． H y d r a t e c o n t r o l a n d r e m e d i a t i o n b e s t p r a c t i c e s i n d e e p w a t e r o i l d e v e l o p m e n t s[ R]． O T C 1 5 2 5 5 ． [ 5 ] 赵坤，刘茵，张鹏云，等 ．新型天然气水合物动力 学抑制剂的制备及性能 [ J ]．天然气化工 c 1化 学与化工 ，2 0 1 3 ，3 8 2 5 1 5 5 ． [ 6 ] 刘建仪，张婧，张广东 ，等 ．新型天然气水合物动 力学抑制剂评价及应用 [ J ]．天然气工业，2 0 1 1 ， 3 1 1 6 5 6 8 ． [ 7 ] 衣华磊，周晓红，朱海山，等 ．深水气田水下井 口 开发水合物抑制研究 [ J ]．中国海上油气，2 0 1 2 ， 2 4 5 5 45 7 ． [ 8 ]D a v a l a t h J ，S t e v e n s K ． C o o l d o w n t h e r m a l p e rf o rma n c e o f s u bs e a s y s t e ms b a s e d O U Gu l f o f Me x i c o F i e l d e x pe rt e n e e[ R ]． O T C 1 7 9 7 2 ． [ 9 ] 陈俊英，梁富浩 ．深水水下结构物保温材料的研究 与发展现状 [ J ]．船舶工程，2 0 1 2 ，3 4 1 8 7 9 1 ． [ 1 0 ] S w a n t o n B ． S u b s e a w e t i n s u l a t i o n s y s t e m a p p l i e s s o l i d s i l i c o n e s c i e n c e[ J ]． O f f s h o r e ，2 0 1 3 ，7 3 2 8 2 8 4． [ 1 1 ] A n o n ． T r e l l e b o r g s h o w c a s e s fl o w a s s u r a n c e s o l u t i o n s [ J ]． O f f s h o r e ，2 0 1 3 ，7 3 4 1 1 4 ． [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] J a n o f f D，D a v a l a t h J ． Ap p l i c a t i o n o f i n s u l a t i o n ma t e r i a 1 s f o r d e e p wa t e r s u b s e a c o mp l e t i o n a n d p r o d u c t i o n e q u i p m e n t[ R]． O T C 1 4 1 1 9 ． Sh u kl a M． No n c he mi c a l s o l u t i o n s e n ha n c e flo w a s s u r a n c e o p t i o n s[ J ]． O f f s h o r e ，2 0 1 2，7 2 4 1 1 8 1 21 ． Ba r d o n F， Hu d s o n W L，Vi g n e C， e t a 1 ． Hy d r a t e p r e v e n t i o n w i t h e l e c t r i c a l l y h e a t e d j u m p e r s [ R]． OTC l 8 77 3． Aa r n e s K A，L e s g e n t J ，Hfi b e a J C ． T h e r ma l d e s i g n o f a Da l i a S PS d e e p wa t e r c h r i s t ma s t r e e Ve r i f i e d b y us e o f f u l l s c a l e t e s t i n g a n d nu me r i c a l s i mu l a t i o n s [ R]． O T C 1 7 0 9 0 ． 第一作者简介赵旭东 ，工程师，生于 1 9 8 1年，2 0 1 0 年毕业于中国石油大学 北京机械设计及理论专业，获 硕士学位 ，现从事海洋石油装备研究工作。地址 6 1 0 0 9 1 四川省成都市。电话 0 2 8 6 1 6 7 0 2 3 2 。Em a i l s h a k e s w i n g ho t ma i l ．c o n 。 收稿 日期 2 0 1 31 2 0 5 本文编辑谢守平