深水钻井隔水管顶张力计算方法.pdf

2 0 1 5年 2月 石油勘探与开发 PETR0LEUM EXPL0RATI oN AND DEVEL0PM ENT VO1 ． 4 2 No． 1 1 0 7 文章编号 1 0 0 0 0 7 4 7 2 0 1 5 0 1 0 1 0 7 0 4 DO I 1 0 ． 1 1 6 9 8 ／ P E D． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 1 4 深水钻井隔水管顶张力计算方法 杨进，孟炜，姚梦彪，高德利，周波，许云锦 中国石油大学 北京 石油工程教育部重点实验 室 基金项目国家自然科学基金 “ 海洋深水浅层钻井关键技术基础理论研究 5 1 4 3 4 0 0 9 ” ；国家自然科学基金 “ 深水钻井表层 导管喷射钻进机理研究” 5 1 2 7 4 2 1 5 ；国家自然科学创新研究群体项目 “ 复杂油气井钻井与完井基础研究” 5 1 2 2 1 0 0 3 摘要 通过隔水管受力分析，提 出了既能保证隔水管稳定性又能满足底部过提力要求的深水钻井隔水管顶张力计算 方法，以南中国海某超深水井为例对其进行验证，并与两种常用计算方法进行 了对 比。基于管柱力学原理，分析 了 真实轴向力与有效轴向力对隔水管力学行为的影响，结果表明真实轴向力决定 隔水管底部对隔水管总成的拉力， 有效轴向力决定隔水管稳定性。通过隔水管在 内、外压作用下的受力分析，建立相应的力学模型，推导出新的顶张 力计算方法，弥补 了美国石油协会 A P I 算法和法国石油学院算法的不足。现场应用实例分析结果表 明采用该方 法计算的顶张力设置值与现场实际作业时顶张力值基本一致，且计算结果优于 A P I算法及法国石油学院算法的计算 结果，可以用于指导隔水管设计及施工。图 5表 1参 1 1 关键词 深水钻井；隔水管；项张力 中图分类号 T E 2 2 文献标识码 A Ca l c ul a t i o n me t h o d o f r i s e r t o p t e ns i o n i n de e p wa t e r dr i l l i n g Y a n g J i n ， Me n g We i ， Y a o Me n g b i a o ， Ga o De l i ， Z h o u B o ， x u Y lu n j i n K e y L a b o r a t o r y f o r P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g o f t h e Mi n i s t ry o fE d u c a t i o n ， C h i n a U n i v e r s i t y o fP e t r o l e u m， B e O i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a Abs t r ac t Th r o ug h me c ha ni c a l a n a l ys i s ，a c a l c u l a t i o n me t ho d whi c h me e t s t h e r e q u i r e me nt s of bo t h t h e ris e r s t a bi l i t y a nd t he bo tto m o ve r p ul l ma r gi n wa s de d uc e d．I t wa s ve rifie d by a n e xa mpl e of u l t r a de e p wa t e r we l l i n So u t h Ch i n a S e a ，a nd c o mpa r e d wi t h t wo o the r c o mmo n me t h o ds ．Ba s e d o n t h e r e l a t e d t h e o r i e s of p i pe s t r i n g me c h a n i c s ，t he e ffe c t s of t r u e a x i a l f o r c e a nd e ffe c t i v e a xi a l f o r c e o n t h e ris e r me c h a n i c a l b e h a v i o r we r e a na l y z e d ． The r e s u l t s s ho w t h a t ， t h e b o t t o m t e ns i l e f o r c e t o Lo we r Ma r i n e Ri s e r P a c k a g e i s d e t e r mi n e d b y t r u e a x i a l f o r c e ， a n d t h e r i s e r ’ S s t a b i l i ty d e p e n d s o n e ffe c t i v e a x i a l f o r c e ． T h r o u g h t h e f o r c e ana l y s i s o f r i s e r wh i c h s i mu l t ane o u s ly b e ars t he i n t e r n a l a nd e x t e r na l pr e s s u r e s ， t h e c o r r e s po n de nt me c ha ni c a l mod e l wa s e s t a bl i s h e d ，a n d a ne w c a l c u l a t i o n me t ho d of t op t e ns i o n wa s d e ri v e d ， wh i c h r e me d i e s t h e d e fi c i e n c i e s o f a l g o r i t h ms p r o p o s e d b y Ame r i c a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e a n d I n s t i t u t e o f F r e n c h Pe t r o l e u m． Fi e l d a p pl i c a t i o n s h ows t ha t ， t h e va l u e o f t o p t e n s i o n c a l c ul a t e d b y t hi s me t h od i s ba s i c a l l y t h e s a me a s the va l ue s e t b y fie l d o pe r a t i o n， a n d mo r e ov e r ,i t i s mo r e a c c u r a t e t ha n t he v a l ue o b t a i n e d b y t he a l g o r i t h ms of Ame r i c a n P e tro l e u m I n s t i tut e a n d I ns t i t u t e o f Fr e nc h Pe t r ol e um． Th i s me t h od c a n b e us e d t o g u i d e t he d e s i gn an d o pe r a t i o n o f c o nd u c t o r ． K e y wor ds de e p wa t e r d r i l l i ng ； ris e r ； t o p t e ns i o n 0引言 隔水管张力器通过为隔水管提供恒定 的轴向拉力 来控 制 其 在水 中的应 力与 位 移 ，随着 顶 张力 的增 大 ， 隔水管的弯矩与位移都会 明显减少 ，但是应力会相应 变大[ 1 l 。 顶张力不足可能会使隔水管发生屈 曲失稳 ， 而 顶张力过大则可能导致下部挠性接头失效 ，因此 ，准 确计算隔水管顶张力对深水钻井作业有重要意义。 目前国内外就隔水管顶张力的认识并不统一 ，从 而产生了不同的计算方法【 2 】 。基于 S p a r k s C P J 提出的 有效张力理论 ，形成 了两种主流顶张力计算方法 ，即 A P I 美 国石油协会 算法和基于底部残余张力的算法。 A P I算法规定 ，顶张力的设置应保证隔水管在水中的 稳定性 ，即保证隔水管各部分的有效张力不小于零【 4 】 。 法 国石油学院的 P e r s e n t E等 J 贝 0 认为隔水管底部的有 效张力 即为残余张力 。两种方法考虑均不全面，前者 仅考虑 了隔水管在水中的稳定性 ，而没有考虑现场作 业对 L MR P 下部隔水管总成 的过提要求 ；后者虽 然考虑了 L MR P的过提要求，但认为该过提力为有效 张力施加而非真实张力施加。 在管柱轴向力方面，高德利等[ 6 】 把管柱轴向力分 为有效轴 向力和真实轴向力 ，并给出详细计算方法 、