海上钻井隔水导管导向孔位置优化研究.pdf

第 3 1 卷 第 3期 2 0 0 9年 6月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L LI NG PRODUCTI ON TECHN0L0GY V0 1 ． 3l No ． 3 J u n ．2 0 0 9 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 0 9 0 3 0 0 1 00 4 海上钻井隔水导管导向孔位置优化研究 黄 鑫 谢玉 洪 杨 进 谢 仁军‘李 中 黄 熠 宋 文 礼 1 ． 中国石油大学， 北京1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 中海石 油 中国 有限公 司湛江分公 司， 广 东湛江5 2 4 0 5 7 ； 3 ． 中海石油 中国 有限公司天津分公司， 天津3 0 0 4 5 2 摘要随着水深的增加， 强风浪流会对钻井隔水导管的稳定性产生巨大的影响， 因此需要设置和安装导向孔及扶正块以减 少隔水导管承受的疲劳应力和涡激应力， 延长隔水导管的使用寿命。文中在考虑隔水导管结构 自重及其他所有外界载荷的作 用的情况下， 建立了安装导向孔情况下的海上钻井隔水导管力学分析模型。利用ANS YS软件对工程实例进行了优化分析， 分 析结果表明， 文中所提 出的隔水导管及导向孔计算模型具备广泛的适用性， 能够为实际工程施工和管理提供可靠的理论保证， 并带来较好的经济效益。 关键词钻井隔水导管导向孔； A NS Y S ；优化计算 中图分类号 T E 5 2 文献标识码 A Op t i mi z a t i o n s t ud y o f d r i l l i n g r i s e r g ui d i ng h o l e s H U A NG X i n ， X I E Y u h 0 n g 2 ，Y A NG J i n ‘，X I E R e n j u n ， L I Z h o n g ， H U A N G Y i ， S O N G W e n li 1 ． C h i n a U n i v e r s i ty o f P e t r o l e u m， B e i i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2 ． Z h a n j ia n g B r a n c h o fC NO OC C h i n a L i mi t e d , Z h a n j i a n g 5 2 4 0 5 7 ， C h i n a ； 3 ． T i a n j i nB r a n c h o fC N OOCC h i n aL i mi t e d , T ia n j i n 3 0 0 4 5 2 ， C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e i n c r e a s e o f t h e wa t e r d e p t h ， s t r o n g wi n d ， c u r r e n t a n d wa v e ma y e x e r t g r e a t i mp a c t o n t h e s t a b i l i t y o f d r i l l i n g ris e r s ． I n o r d e r t o e x t e n d t h e s e r v i c e l i f e o f d ril l i n g ri s e r s ， g u i d i n g h o l e s m a y b e a d o p t e d t o d e c r e a s e t h e f a t i g u e s t r e s s a n d v o r t e x s t r e s s o f r i s e r s ． I n t h i s p a p e r , a me c h a n i c a l mo d e l o f d r i l l i n g ri s e r , t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e g u i d i n g h o l e s ， t h e s t r u c t u r e ’ S gra v i ty a n d a l l t h e o t h e r e x t e r n a l l o a d s ， i s e s tab l i s h e d ． An e n g i n e e ri n g e x a mp l e o f o p t i mi z e d a n a l y s i s h a s b e e n s o l v e d s u c c e s s f ul l y b y u s i n g ANS YS． And t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d d r i l l i n g ris e r s c o mp u t i n g mo d e l h a s b r o a d a p p l i c a b i l i t y , i t ma y p r o v i d e r e l i a b l e t h e o r y g u a r a n t e e f o r t h e e n g i n e e rin g p r a c t i c e a n d b ri n g c e r t a i n e c o n o mi c b e n e fi t s ． Ke y wo r d s d ril l i n g ris e r ； g u i d i n g h o l e s ； ANS YS ； o p t i m i z a t i o n 海上钻 井隔水导管是从海上钻 井平台下到海 底浅层的套管 ， 主要功能是 隔离海 水 、 形成钻井液 循环通道 ， 同时作 为海上井 口的持力结构 。在海上 石油的勘探 中， 钻井 隔水导管的稳定性对于整个石 油的勘探、 开采起着非常重要的作用。对于水深较 深的海域， 海浪流会对隔水导管的稳定性产生很大 的影 响。为了能够在恶 劣环境载荷下正常作业不 至于导管结构失效 ， 一般情况下需要沿着隔水导管 长度方 向在水面与水下一定位置安装导 向孔 ， 各层 导 向孔槽 口使用扶正块来补偿 隔水导管 和导管架 导向孔槽口之间的间隙， 以减少隔水导管承受的疲 劳应力和涡激应力， 延长隔水导管的使用寿命。但 基金项 目中国海洋石 油总公 司重点项 目 “ 海上 隔水导 管综合技术研 究 ” 部 分 内容 。项 目编号 C NO OC R C L T D- 2 0 0 7 一 K F G C一 0 1 5 。 作者简介 黄鑫， 1 9 7 9 - ff - _ 。现为中国石油大学 北京 石油与天然气工程学院在读博士研究生， 主要从事海上油田开发战略及国际化 战略研 究工作 。E ma i l h u a n g x i n c n o o c ． t o m． c n 。 黄鑫等海上钻井隔水导管导向孔位置优化研究 是随着水深的增加 ， 水下导 向孔及扶正块的安装越 来越 困难 ， 目前 国内公司可以实现扶正块安装作业 的水深能力有限。所以进行对 隔水导管导 向孔安 装位置及个数的优化研究显得尤为重要 ， 研究结果 能够更好地为海上钻井隔水导管导 向孔 的施工提 供科学依据和安全保 障， 进一步减少盲 目性和复杂 事故的发生。 1 理论计算模型 Th e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n mo d e l 1 ． 1 隔水导管力学分析模型 Dy na mi c me c h a n i c a l mo de l f o r d r i l l i ng r i s e r s 钻井隔水导管受到 的主要 载荷包括 上端 部 井 口载荷 、 结构 自重 、 浮力等轴 向载荷 ；另 外主要 受到海洋风浪流 等复杂环境载荷。对 于隔水导 管 下部边界条件的处理方法是根据有效桩长法 ， 将导 管泥面以下 6 倍桩径处看作固支端 ， 上部边界横向 位移受铰支约束 ， 轴向可以 自由滑动 。对于导向孔 采用以下假设处理 1 导向孔固定于导管架上 ， 看 作为固定构件 ， 为隔水导管提供稳定的横 向支撑 ； 2 导 向孑 L 与隔水导管 之间间 隙用 扶正块将 其 固 定， 隔水导管横向位移 自由度受到约束 ， 因此 ， 在分 析 中可对安装导向孔位置处 的导管模型约束其横 向位移 自由度 。隔水导管 力学 分析模型如 图 1所 示 图 1 隔水导管力学分析模型 Fi g． 1 Dy na mi c me c h a ni c a l mo de l f or d ril l i n g r i s e r s 隔水导管体系动力方程可表示为 [ ] { } [ C ] { U} [ 】 { } { F} 1 式 中， [ 是质量矩阵 ； [ C - ]是阻尼矩阵 ； [ 是刚度 矩阵；{ 是位移向量；{ F } 是动载荷向量。其中 [ q 采用瑞利阻尼， 其计算公式为 [ C 】 【 2 式中的 、 即为阻尼系数 ， 由振型阻尼 比和固有角 频率决定。 一 上丝 3 2 2 式中 ， 为振型阻尼 比， 对于隔水导管 ， C C S规范中 建议取 0 ． 0 2 ～ 0 ．0 5 ， 本计算中取 0 ．0 3 ； 0 9 ； 为导管第 i 阶的固有角频率， 由co 2 得到； ／即就是模态 分 析 中得 到的结构 自振频率 ， 因此 由前 2阶主频 率可计算得到阻尼系数 仅 、 ， 进而进行方程 1 的 求解 。 1 ． 2 环境载荷模型 Th em o de l f o r e nv i r o nme nt al 1 0 a d 1 ． 2 ． 1 风载计算模型海洋结构物的风荷载不仅与 基本风压有关， 还 与建筑物 的形状 、 高度 、 迎风面积 有关 ， 计算公式为 4 式中， F为风荷载， JV ； 为风荷载形状系数， 对梁及 建筑物侧壁取 1 ． 5 ， 对圆柱体侧壁取 0 ． 5 ； 为海 上 风压高度变化系数， 按规范取 1 ． 0 ； A为隔水导管受 风面积， m ； P o 为基本风压 ， 计算公式为 尸 0 6 c 5 式 中， 仅 为风压系数 ， 取 0 ． 6 1 3 N S ／ m ， 为设计风速 ， m／ s 。 1 ． 2 ． 2 海流载荷计算模型 { C D D 一 6 式中， 为单位长度上 的海流载荷， N；c D 为海水阻 力系数， 无因次；P w 为海水的密度 ， k g ／ m ；D为隔水 导管的直径 ， ； 为海流的最大可能速度， m／ s 。 1 ． 2 _ 3 波浪力计算模型采用 Mo r i s o n 方程， 即 三 。 一 ]』[ 一 ]I ．“ R D 4 2 [O U 一 窘 1 式 中， 为垂 直作 用于管柱上 的单位 长度的波浪 力， k N ／ m； 为管柱轴线处水质点的水平方向速度， m ／ s ；采用 S t o k e s 五阶波理论求得。C n 为阻力系数； C 『M为惯性力系数。 1 ． 3 有限元计算的实现 Re a l i z a t i o n o f fi ni t e e l e me n t c a l c u l a t i o n s 采用通用结构分析软件 A NS YS对承受复杂载 1 2 石油钻采工艺 2 0 0 9年 6月 第 3 1 卷 第 3期 荷工况下 的隔水导管进行计算 ， 模型 的杨氏模量取 2 ． 1 1 0“Pa ，泊松 比取 0 - 3 ， 密度取 7 ． 8 5 e d c m 。采用 的主要单元类型为 1 P I P E 5 9单元。是一种可承受拉 、 压 、 弯作用 的管单元 ， 能够模拟海洋波浪和水流的作用 ， 具有水 动力效应和浮力效应 ， 可进行线性静力 、 动力分析和 非线性静力、 动力分析。本模型中用此单元模 拟泥 线 以上部分的导管。拖曳力 系数 取 0 ． 7 ， 惯性力 系数 C M 取 2 ．0 ， 海水密度取 1 ．0 2 5 g ／ c m 3 ， 波浪计算 取司托克斯五阶波理论 ； 2 P I P E 2 0 单元。是一种单轴单元 ， 具有拉压 、 扭转 和弯曲性 能的管单元 ， 具有塑性 、 大变形 等性 能， 与 p i p e 5 9相 比， 此单元不能考虑流体的作用 ， 可 进行线性静力 、 动力分析和非线性静力、 动力分析。 本模型中用此单元模拟泥线以下至固支端部分的导 管。 2 实例分析 Ca s e s t u d y 以陆丰 1 3 2油 田为例 ， 原来设计隔水导管导 向 孔安装位置为 l } } 导 向孑 L E L 2 2 ． 5 0 m； 2 1毕 导 向 孑 L E L 5 ． 7 0 m； 3 j } 导 向孔 E L 一 l 7 ． 0 0 m； 4 {fi} 导 向孔 E L ． 4 5 ． 0 0 m； 5 { Ij} 导 向孔 E L 一 7 3 ． 0 0 m； 6 ≠ } 导 向孔 E L 一 1 0 2 ． 0 0 m。隔水导管顶部标高为 E L 2 3 ． 5 0 m。可 以看 出对 于处在 E L 一 1 0 2 ． 0 0 m 的 6 ≠ } 导向孔及扶正块的安装难度极大， 超过了 目前国 内公 司的作业能力。根据新建立 的计算模 型对不 同 海况条件下 的不同导向孔个数进行力学分析 ， 分析 结果可以为是否有必要安装 6 导向孔提供可靠的 理论依据。该海域水深 1 3 2 m， 上部井 口载荷 3 0 t 。 海况重现期 2 5 年的环境载荷条件为风速 3 6 ． 2 m／ s ， 有效波高 1 1 r l l ， 有效周期 1 2 S ， 海流表层 流速 1 ． 8 3 m／ s ， 中部 1 ． 1 2 m／ s ， 底部 0 ． 6 5 r n ／ s ； 海况重现期 5 0年 的环境载荷条件为风速 4 0 ． 4 m ／ s ， 有效波高 l 1 ． 9 m， 有效周期 l 2 ． 5 s ， 海流表层流速 2 ． 0 3 m／ s ， 中部 1 ． 2 3 m／ s ， 底 部 0 ． 7 0 m／ s ；海况重 现期 5 O年 的环境 载荷 条件为 风速4 5 ． 2 m ／ s ， 有效波高 l 2 ． 8 m， 有效周期 1 3 ． 1 s ， 海流表层 流速 2 ． 2 1 m／ s ， 中部 1 ． 3 2 m／ s ， 底部 0 ． 7 4 m／ s 。 分 别对 0 5 0 8 mm2 5 ．4ml n 、 0 7 6 2m m 2 5 ． 4m m 两种尺寸规格的隔水导管进行力学分析 ， 包括原导 向孔方案及去掉 6 撑 导向孔方案两种情况。分析结 果如表 1 、 2 、 3及图 2 。 表 1 海况重现期 2 5年计算结果 T a b l e 1 2 5 - y e a r c a l c u l a t i n g r e s u l t s o f t h e r e o c c u r r e n c e pe riodo fs e a s t a t e 表 2 海况重现期 5 0年计算结果 T a b l e 2 5 0 一 y e ar c a l c u l a t i n g r e s u l t s o f t h e r e o c c u r r e n c e p e ri o d o f s e a s t a t e 表 3 海况重现期 1 0 0年计算结果 T a b l e 3 1 0 0 一 y e ar c a l c u l a t i n g r e s u l t s o f t h e r e o c c u r r e n c e p e rio d o fs e a s t a t e 黄鑫等海上钻井隔水导管导向孔位置优化研究 1 3 g 2 a 原方案 b 去掉6 } } 导向孔方案 图 2 海况 5 0 年重现期下 137 6 2 mmx 2 5 ． 4 mm 导管 时程 一 位移 曲线 F i g ． 2 T h e t i me d i s p l a c e me n t c u r v e o f 137 6 2 mm x 13 2 5 ． 4 rai n d r i l l i n g ris e r d u r i n g t h e 5 0 - y e a r r e o c c u r r e n c e p e rio d o f s e a s t a t e 由表 1 、 2 、 3及图 2可知， 在不同的海况条件下 ， 随着风浪流极值及波流耦合作用夹角的不 同， 隔水 导管结构产生的最大水平位移及疲劳应力也存在着 较大的差异。在同一海况重现期下， 去掉 6 导 向孔 方案与原导 向孔方案相比， 结构产生的最大水平位 移增大较多， 而结构疲劳应力增大幅度很小。对 于 1 0 0年海况重现期条件下 ， 去掉 6 ≠ } 导 向孔后 0 5 0 8 m m2 5 ． 4 mm 的隔水 导 管结 构 最大 水 平 位移 为 0 ． 1 2 0 2 m， 为该海域水深的 0 ． 0 9 ％， 满足施工要求 ， 最 大疲劳应力为 8 8 ． 7 MP a ， 远小于钻井隔水导管常用 管材 X5 2钢的许用应力 ； 07 6 2 m m2 5 ． 4 mm 的隔 水导管结构最大水平位移 0 ． 0 6 8 5 r n ， 为该海域水深 的0 ．0 5 ％， 满足施工要求， 最大疲劳应力 7 1 ． 4 MP a 。 由此可见， 对于陆丰 1 3 2 油 田而言 ， 去掉 6 导向孔 是满足工程要求的。 3 结束语 Co n e l u s i o n 文中建立了安装导向孑 L 条件下海上钻井隔水导 管的力学分析模型 ， 该模型的建立能够为隔水导管 导向孔的安装优化提供可靠的理论依据。通过对实 例的分析计算， 确定了陆丰 1 3 ． 2油 田隔水导管导向 孔的安装布置， 由于原来最下端的导向孔位 于水深 1 0 2 m处 ， 在此水深条件下导向孑 L 扶正块的安装工作 非常困难。研究结果表明对于陆丰 1 3 0 m左右水深 条件下， 如果采用 05 0 8 mm 2 5 ． 4 m i l l 或 07 6 2 mi l l 2 5 ． 4 mm隔水导管 ， 从理论方面而言 ， 在水深 8 0 m 以上的部分可以不设置导向孔。提出的隔水导管导 向孔计算模型具备广泛的适用性 ， 能够为实际工程 施工和管理提供可靠的理论保证并带来一定的经济 效益。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 李茜， 杨树耕 ． 采用A NS YS程序的 自升式平台结构有 限元动力分析 [ J ]． 中国海洋平台， 2 0 0 3 ， 1 8 4 4 1 _ 4 6 ． L I Q i a n ， Y A N G S h u g e n g ． The fi n i t e e l e me n t d y n a m i c a a l y - s i s f o r s e l f - e l e v a t i n g p l a t f o r m b y ANS YS ／ mu l t i - p h y s i c s p r o g r a m 【 J J． C h in a O f f s h o r e P l a tf o r m , 2 0 0 3 ， l 8 4 4 1 _ 4 6 ． [ 2] 李耀庄， 管品武编著 ． 结构动力学及应用 [ M]． 安徽 科学技 术出版社 ， 2 0 0 5 ． L I Y a o z h u a n g ， GUAN P i n wu ． S t r u c t u r a l d y n a mi c s a n d i ts a p p l i c a t i o n l M J ． An h u i S c i e n c e T e c h n o l o g y P u b l i s h ing Ho u s e ， 2 0 05 ． [ 3 ] 朱伯芳 ． 有限单元法原理与应用 [ M]． 中国水利水电 出版 社 ． 2 0 0 0 ． ZH U B o f a n g ． Th e p ri n c i p l e o f fi n i t e e l e me n t me t h o d a n d i ts a p p l i cat i o n l M j． C h i n a Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r Pr e s s ， 20 0 0 ． 收稿 日期2 0 0 8 ． 1 2 ． 2 9 [ 编辑薛改珍 ] 长城钻探阿塞拜疆 K5 8 0 6井完井 5月 2 7日， 长城 钻探 阿塞 拜疆 K 5 8 0 6井 完井， 完 钻井深 4 2 8 4 m， 实际钻井周期 7 4 d 、 建井周期 8 4 d ， 机 械钻速 4 ． 6 4 m／ h ， 刷 新 了这个地 区各项钻井生产技 术指 标， 得到甲方高度评价。 K 5 8 0 6井位于阿塞拜疆 K K油田， 是世界著名的 复杂 区块之 一。原苏联 时期 ， 该 区块的钻 井成功率 只 有 2 0 ％， 最深井在 3 8 0 0 m 以内， 平均建井周期 2 0 0 d以 上。在 K 5 8 0 6井施工中， 项 目人员做好与各职能部门 之 间的沟通 ， 组 织工程和泥浆 专业人 员共 同制定各项 方案， 为钻井顺利进行提供 了有力保障。 项 目部经过 3 年 对该地 区的研 究 ， 形成 了一套适 用于该 区块的钻 井液体 系， 钻 井液 密度 高达 2 ． 3 e C c m 。 通过技术人 员严格、 科学和细致的设计， 钻井液工程 师精 心现 场施 工 ， 配合 多项工程技 术措 施 ， 顺 利 完成 K 5 8 0 6井施 工任务。 供稿石艺