深水钻井水下井口稳定性分析.pdf

2 0 1 2年第 4 0卷第 8期 石油机械 C HI NA P E TR0I J E UM MACHI NERY 一8 5 一 ●海洋石油装备 深水钻 井水下 井 口稳定性分 析 关 德 1 ．中海石油 中国有限公司上海分公司 闫 伟 2 ．中国石油大学 北京非常规天然气研究院 摘要为 了对深水钻 井水 下井 口稳定 性进 行分析，基于土力 学理论 ，利用大型有 限元软件 A N S Y S中管单元和非线性弹簧单元模拟管一 土受力与变形过程，对水下井 口的横 向位移、井 口转角 以及管身弯矩进行分析。建模 时将表层导管与海底浅层土横 向及竖向作用简化为管一 非线性弹簧模 型，导管视作线弹性管，用非线性弹簧来模拟土 层的变形特 性，通过共用节点实现管单元与非线 性弹簧单元连接。分析结果表 明，钻井船偏 移量相 同时，导管的横 向偏移、井 口转角、管身弯矩 都随顶部张力比的增加而增大；钻 井船偏移量增大后 ，高 的张力 比会 急剧增大井 口的横 向位移、 转角和管身最大弯矩，易造成井 口侧翻。当钻井船偏移量增大 时，建议适 当降低 隔水管顶部 的张 力，以降低井 口侧翻的风险。 关键词 深水钻井；水下井 口；稳定性分析 ；管． 土弹簧模 型；弹塑性模型；张力比 中图分类号 T E 9 5 2 文献标识码 A文章编号1 0 0 1 4 5 7 8 2 0 1 2 0 8 0 0 8 5 0 5 S t a b i l i t y Ana l y s i s o f Un de r wa t e r W e l l h e a d i n De e p wa t e r Dr i l l i ng Gu a n De Ya n W e i 1 ．C NO O C S h a n g h a i C o m p a n y 2 ．R e s e a r c h I n s t i t u t e o f U n c o n v e n t i o n a l N a t u r a l G a s ， C h i n a U n i v e r s i t y of P e t r o l e u m， B e ij i n g Abs t r a c t To a n a l y z e t h e u n de r wa t e r we l l h e a d s t a bi l i t y i n d e e p wa t e r d ril l i n g，t he p i p e u n i t a n d n o n l i n e a r s p r i n g u n i t i n t h e ANS YS s o f t wa r e we r e u s e d t o s i mu l a t e t h e pi pe s o i l f o r c e a nd d e f o r ma t i o n p r o c e s s，u s i ng t he s o i l me c h a n i c a l t h e o r y．Th e l a t e r a l d i s p l a c e me n t ，we l l h e a d r o t a t i o n a n g l e a nd p i p e s h a f t b e n d i n g mo me nt o f u n d e r wa t e r we l l h e a d we r e a n a l y z e d．I n mo d e l i n g t h e l a t e r a l a n d v e i c a l e f f e c t o f s u r f a c e c o nd u c t o r a n d s e a flo o r s ha l l o w s o i l wa s s i mp l i fi e d a s t h e p i p e n o n l i ne a r s p r i ng mo d e 1 ． The c o nd u c t o r wa s v i e we d a s l i n e a r e l a s t i c pi p e． Th e n o n l i n e a r s p rin g wa s u s e d t o s i mu l a t e t h e d e f o r mi n g p r o p e r t y o f s o i l l a y e r ．Th e s h a r e d no d e wa s u s e d t o a c h i e v e t h e c o n n e c t i o n b e t we e n p i p e un i t a nd s p r i n g un i t ．Th e a n a l y s i s s ho ws t ha t wh e n t h e o f f s e t o f t h e d ril l i n g s h i p i s t h e s a me，t h e l a t e r a l di s p l a c e me n t ，we l l he a d a n g l e a n d p i p e mo me n t o f t h e c o n du c t o r i n c r e a s e wi t h t h e t o p t e n s i o n r a t i o ．Af t e r t h e o f f s e t o f t h e s hi p r i s e s ，h i g h t e n s i o n f o r c e wi l l r e ma r ka b l y i n c r e a s e t he l a t e r a l d i s p l a c e me n t a n d a n g l e o f we l l h e a d a s we l l a s t he ma x i mum mo me n t o f t h e p i pe b o d y ．Th i s wi l l c a u s e t he we l l he a d s i d e t umb l i n g ． Ke y wo r ds d e e p wa t e r d ril l i n g； u n d e rw a t e r we l l h e a d； s t a b i l i t y a n a l y s i s ； p i p e s o i l s p r i n g mo d e l ； e l a s t o p l a s t i c mo d e l ；t e n s i o n r a t i o 0 引 言 深水油气开发技术 日益成熟 ，海洋钻井逐渐 向 深水迈进。表层导管 、隔水管及水下井 口是深水钻 井的初始通道 ，它们的稳定与否直接关 系到整个海 洋钻井过程的推进 。目前 ，对深水钻井 隔水管系统 的研究主要集中在水中隔水稳定性、强度和振动特 性 以及表层导管的入泥深度计算上 ，少有 文献对水下井 口的稳定性进行研究。 随着海洋石油向深水领域的不断发展 ，隔水管 随水深增加而增长，由海流产生的横向载荷也随着 增大 ，横向载荷最终通 过底部 防喷器组传 递到井 口，对水下井 口及表层 导管产生 了巨大 的侧 向载 2 0 1 2年 第4 0卷第8期 关德等深水钻井水下井口稳定性分析 一 8 7一 图 3中的 ，根据之前得 出该层 弹簧 的刚度 ，得 2 ． 2 土弹簧刚度 的计算方法 “ 出 D ；最终得 出曲线 拐点 D ，F 。图 3中点P e n z i e n通过对半空间理论分析 ，认为 Wi n k l e r D ，F 与点 D ， ，F 。 互为相反数。令 F 和 假定是成立 的，因此可依据 明德林 M i n d l i n 公 的绝对值分别等于或者略大于 ，D 和 D 的 式求解单位水平力作用下不同深度处的桩平面平均 绝对值分别远大于 和 D 。通过上述方法可确定 位移 ，继而取倒数得到各土层桩土相互作用的水平 理想弹塑性土体的 D F曲线。 弹簧刚度。 的计算公式如下 8 E f ． h 一 ． ． h ． 2 『 R h 一 2 R h iz 一 2 ] E 丁 1 盯 n h ⋯h 【 ■ 一 卜 『 一 3 【 、 2 式 中E 第 i 层土的弹性模量 ，MP a ； 第 i 层土的厚度 ，m； z i 第 层土中心深度 ，m； 尺 管半径 ，m。 [ 翁斋 2 ． 3 不 同类型 土层 的极 限承 载力 计算 2 ． 3 ． 1 软 粘 土的横 向极 限抗 力 对任意深度 h 处 的软至半硬粘土 ，其横 向极 限抗力计算公式为 mi n[ 3 鲁 9 C I 式 中P 土壤的横 向极限抗力 ，k N ／ m ； C 未扰动土壤不排水抗剪强度 ，k N ／ m ； ．， 无因次经验常数 ，通过现场试验确定 ， 取值范围 自软粘土的0 ． 5 0到硬粘土的 0 ． 2 5 ； D 桩径 ，m； 土的有效重力 ，k N ／ m 。 2 ． 3 ． 2硬 粘 土的横 向极 限抗 力 硬粘土的极限抗力计算式为 mi n[ 2 9 C l ㈩ 式中符号 的意义同式 2 。 深水海底浅层 1 0 0 m以内很少钻遇砂土 ， 因此砂土的极限承载力不再列举。 土壤在短期静载荷作用下达到平衡后受周期载 荷作用 ，通常要引起横 向抗力退化 ，其横向抗力低 于静载抗力。根据马特洛夫的试验成果 ，在周期性 载荷作用 下 ，横 向土壤 极 限抗力 降低 到 0 ． 7 2 P 对于特殊场地 ，应通过试验确定退化系数。 3 实例分析 赤道几内亚湾某区块水深 1 1 0 0 m，表层导管 采用喷射方式下入 ，导管外径 0 ． 9 1 4 4 m，设计入 泥深度 8 2 m，井 口出泥高度 4 ． 5 m，表层 2根导管 一 R杀 ㈩ J f 壁厚 0 ． 0 3 8 1 m，下部导管壁厚 0 ． 0 2 5 4 13 3 。表层套 管外径 5 0 8 m m，壁厚 0 ． 0 1 2 7 m。套管弹性模量为 2 1 0 G P a ，密度为 7 8 5 0 k g ／ m 。忽略导管和 内层套 管间水泥的影响 ，耦合 内、外层管单元对应深度的 节 点 。 海底浅层土壤不排水抗剪强度曲线 图如图4所 示 。由图可以看出 ，浅层土的不排水抗剪强度随深 度变化基本符合线性规律 ，其拟合 函数如式 4 所示 图 4海 底 浅 层 土 不 排 水 抗 剪 强 度 曲线 Fi g． 4 Cu r v e o f n o n d r a i na g e s he a r s t r e n g t h o f s e a f l o o r s h a l l o w s o i l r 1 ． 6 2 7 h 2 ． 9 5 1 4 式 中 深度 h 处土壤的抗剪强度 ，k P a ； 泥面以下深度 ，i n 。 对于粘 土而言，若 只有不排 水抗剪强度 资料 时，可 以利用经验公式 E1 2 0 0 r确定土 的弹性模 量 。 E 1 ． 9 5 2 4 T 3 ． 5 4 1 2 5 式 中E 深度 h 处土壤 的弹性模量 ，M P a 。 土层深度增量设定为 1 i n ，将 式 5 和导管 半径带人式 1 可以得到弹簧刚度与深度的关系 曲线。将 表 1中 的土 壤参 数 、管 柱 外径 带 人 式 2 和式 3 ，可得极限承载力 随深度 的变化 曲 线 。又知单位长度导管的承载 面积为 0 ． 9 1 4 4 m ， 可 以计算出不同深度处土弹簧的最大承载力 ，除以 对应深度处 的弹簧 刚度 ，得到极 限载荷 对应的位 移 ，即确定 了任意深度处土弹簧的载荷位移曲线上 0 如 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 目＼ 赚 恒鼹 2 0 1 2年 第 4 0卷第 8期 关德等 深水钻 井水下井 口稳 定性 分析 一 8 9一 一 ＼ 娅 婢 口 张 力 比 图9钻 井船偏移 5 0 m 时井口转 角与 张力比的 关系曲线 Fi g ． 9 Re l a t i o n c u r v e o f we l l h e a d a ng l e a n d t e n s i o n r a t i o wi t h 5 0 m di s p l a c e me n t o f d r i l l i n g v e s s e l 上述分析表明，钻井船偏移量增大后 ，高的张 力比会急剧增大井 口的横向位移、转角及管身最大 弯矩 ，易造成井 口侧翻。因此 ，当钻井船偏移量增 大时，应适当降低隔水管顶部 的张力 ，以降低井 口 侧翻的风险。 4 结论及建议 1 利用 A N S Y S软件 中的 P i p e l 6单元模拟了 表 层 导 管 和 内 层 套 管 ，利 用 非 线 性 弹 簧 单 元 C o m b i n 3 9模拟海底浅层软泥地基 ，将浅层 土视为 理想的弹塑性材料 ，建立了水下井 口稳定性分析的 有限元模型。 2 钻井船偏移量相同时，导管的横向偏移 、 井 口转角、管身弯矩都随顶部张力 比的增加而增大 ； 当达到一定深度时，导管的偏移 、弯矩基本为 0 。 3 钻井船偏移量增大后 ，高的张力 比会急剧 增大井 口的横向位移、转角和管身最大弯矩，易造成 井 口侧翻。因此 ，当钻井船偏移量增大时，建议适当 降低隔水管顶部的张力，以降低井 口侧翻的风险。 参考文献 [ 1 ]H u S h u a n ，Wa n H ． C h a l l e n g e s i n d e e p w a t e r r i s e r s y s 一 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] t e n d e s i g n a n d a n a l y s i s p i p e s p i p e l i n e s [ J ] ． I n d ． ， 2 0 0 2， 3 3 2 ． 李中 ，杨进 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