（石油与天然气工程专业论文）崖城134气田水下井口强度和稳定性分析研究.pdf

一 膏 - a n a l y s i ss t u d y o fw e l lh e a ds t r e n g t ha n d s t a b i l i t yi ny a ch e n g1 3 - - 4g a sf i e l d a t h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fe n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：h ed e l e i s u p e r v i s o r ：z h a n gw e i d o n g c o l l e g eo f p e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) i 、 t、旗二一、一、 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：j ；陋 日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：! ；i 互鱼2 岔 白期：年月 日 指导教师签名：一字害z 军 日期：年月 日 ，7； 摘要 崖城1 3 4 气田位于海南省三亚市西南方约7 2 k i n 的南海北部海域上，海域水深约 9 2 m ，气候属热带海洋气候。崖城1 3 _ 4 气田开发方案设计中采用水下采油树，水下采油 树重量大，加上b o p 重量，井口受力较大，海流影响、跨接管侧向力影响，井口稳定 存在挑战。为了保证海上钻完井施工以及生产作业工况时的安全，本论文根据崖城1 3 _ 4 气田水下井口结构型式和井身结构，考虑崖城1 3 4 气田海域不同的风、浪、流等复杂 海况条件，对水下井口强度和稳定性开展研究。本论文主要确定了崖城1 3 4 气田水下 井口稳定性力学分析计算模型；确定了钻井隔水导管最小入泥深度计算模型，并确定 3 0 i n 钻井隔水导管最小入泥深度为7 8 0 m ；利用有限元软件对钻井、完井、生产作业下 水下井口强度和稳定性进行了校核；通过理论计算分析，结合现场施工条件下给出了崖 城1 3 - 4 气田水下井口建议方案。通过分析计算确定了喷射法下钻井导管的最小入泥深 度为8 2 0 m 。通过本论文的研究为崖城1 3 - 4 气田钻完井施工作业提供理论基础和依据。 关键词：崖城1 3 4 气田；水下井口强度；井口稳定性：隔水导管入泥深度；校核 伞， ： i “ 0 ： - 奄 i 吣 ： i ? 毫。 爱 t f ? ，f ， 枷 ： ： j i 霞 蠢 a n a l y s i ss t u d yo f w e l lh e a ds t r e n g t ha n d s t a b i l i t yi ny a c h e n g1 3 - - 4g a sf i e l d h ed e l e i ( p e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gw e i d o n g a b s t r a c t y a c h e n g 13 4g a sf i e l di sl o c a t e di ns a n y ac i t y , h a i n a np r o v i n c e ，a b o u t7 2 k ms o u t h w e s t o ft h en o r t h e r ns o u t hc h i n as e aw a t e r s ，w a t e rd e p t ho fa b o u t9 2 m ，t h ec l i m a t ei st r o p i c a l m a r i n ec l i m a t e y a c h e n g13 - 4g a sf i e l dd e v e l o p m e n tp r o g r a mu s e di nt h ed e s i g no fs u b s e a c h r i s t m a st r e e ，t h es u b s e ac h r i s t m a st r e ei sv e r yw e i g h t ，w i t hb o pw e i g h t ，w e l l h e a di si nl a r g e r f o r c e ，a d dt h ei m p a c to fo c e a nc u r r e n ta n dl a t e r a lf o r c eo fj u m p e rp i p e ，t h e r ea r ec h a l l e n g e s w i t ht h ew e l l h e a ds t a b i l i t y t oe n s u r et h ec o n s t r u c t i o no fo f f s h o r ed r i l l i n ga n dc o m p l e t i o na n d p r o d u c t i o no p e r a t i o n s t h es a f e t yc o n d i t i o n s ，i nt h i sp a p e r , b a s e do ny a c h e n g 13 - 4 g a s f i e l d s u b s e aw e l l h e a ds t r u c t u r et y p ea n dc a s i n gp r o g r a m ，c o n s i d e r a t i o no fy a c h e n g13 4g a s f i e l ea r e ac o p l e xs e ac o n d i t i o n s ，a sd i f f e r e n ts t y l e ，w a v e ，s t u d i e dt h es t r e n g t ha n ds t a b i l i t yo f t h es u b s e aw e l l h e a d t h ep a p e ri d e n t i f i e dy a c h e n g13 - 4g a ss u b s e aw e l l h e a ds t a b i l i t y m e c h a n i c a la n a l y s i sm o d e l ；i d e n t i f i e dt h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fm i n i m u md e p t hi n t ot h es o i lo f d r i l l i n gm a r i n er i s e ra n dd e t e r m i n e dt h em i n i m u md e p e t hi n t ot h e s o i lo f3 0 i nd r i l l i n gm a r i n e r i s e ri s7 8 m ；c h e c k e dt h es t r e n g t ha n ds t a b i l i t yo f s u b s e aw e l l h e a du n d e rd r i l l i n g ，c o m p l e t i o n ， p r o d u c t i o no p e r a t i o n s ，w i t hf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ；t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m b i n e d w i t hf i e l dc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n s ，g i v e ny a c h e n g13 4g a sf i e l ds u b s e aw e l l h e a dp r o p o s a l s t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dc a c u l a t i o n ，i d e n t i f i e dt h em i n i m u md e p t hi n t ot h em u do fd r i l l i n g c a s i n gi s8 2 0 m t h r o u g hr e s e a r c ho f t h i sp a p e r , p r o v i d eat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n db a s i sf o r y a c h e n g13 4g a sf i e l dd r i l l i n ga n dc o m p l e t i o no p e r a t i o n s k e yw o r d s ：y a c h e n g13 4g a sf i e l d ；w e l l h e a ds t r e n g t h ；w e l l h e a ds t a b i l i t y ；d e p t hi n t ot h es o i l 式“ o fm a r i n er i s r e ；c h e c k 参 ， 、0懈、_00。q耳 。 “、_； ；，簪影 o p ，。 、。l ，讳 fmil， 目录 第一章前言。1 1 1 课题研究目的和意义1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 钻井隔水管国外研究现状2 1 2 2 钻井隔水管系统国内研究现状2 1 3 论文主要工作4 第二章水下井口稳定性力学分析计算模型5 2 1 环境载荷计算模型确定5 2 1 1 海流载荷计算模型5 2 1 2 波浪载荷计算模型6 2 2 轴线载荷失稳模型确定6 2 3 有限元计算模型确定7 2 4 本章小结8 第三章崖城1 3 - 4 气田隔水导管入泥深度确定9 3 1 正常循环时隔水导管入泥深度的计算模型确定j 9 3 1 1 海上浅层地层的破裂压力计算模型确定9 3 1 2 钻井隔水导管导管鞋处的液柱压力计算模型确定1 0 3 1 3 钻井液正常循环时隔水导管最小入泥深度计算模型1 l 3 2 保证钻井隔水导管不下陷时最小入泥深度计算模型确定1 3 3 2 1 海底土的极限承载力计算模型确定1 3 3 2 2 钻井隔水导管外表面所受的摩擦力计算模型确定1 5 3 2 3 确定隔水导管不发生失稳时最小入泥深度计算模型1 6 3 3 通过比较确定钻井隔水管的最小入泥深度1 8 3 4 崖城1 3 - 4 气田井场地层调查参数及处理结果1 8 3 5 崖城1 3 - 4 气田隔水导管入泥深度分析计算2 0 3 5 1 崖城1 3 - 4 气田海底土承载能力分析计算2 0 参 t 0 。0 匕，产 1 3 5 2 崖城1 3 - 4 气田钻井隔水导管入泥深度分析计算2 1 3 6 本章小结2 2 第四章崖城1 3 - 4 气田水下井口稳定性分析。2 3 4 1 环境载荷数据确定2 3 4 2 水下井口轴向临界失稳载荷计算2 3 4 3 钻井作业工况下组合套管整体力学性能研究2 5 4 3 1 钻井作业时导管头所受合力与弯矩计算2 5 4 3 2 仅3 0 x1 i n 导管情况井口稳定性校核。2 6 4 3 33 0 1 i n + 1 3 - 3 8 i n 组合套管稳定性校核2 7 4 3 43 0 x1 i n + 2 0 0 5 i n + 1 3 - 3 8 i n 组合套管稳定性校核2 9 4 4 完井作业工况下组合套管整体力学性能研究3 l 4 4 1 完井作业时导管头所受上部结构合力和弯矩计算3 1 4 4 23 0xl i n + 1 3 - 3 8 i n 组合套管稳定性校核3 2 4 4 33 0 l i n + 2 0 x 0 5 i n + 1 3 - 3 8 i n 组合套管稳定性校核3 3 4 5 生产作业工况下组合套管整体力学性能研究。3 4 4 5 1 生产作业时导管头所受合力和弯矩计算3 4 4 5 23 0 1 i n + 1 3 - 3 8 i n 组合套管稳定性校核3 4 4 5 33 0 xl i n + 2 0 x 0 5 i n + 1 3 - 3 8 i n 组合套管稳定性校核3 5 4 6 本章小结3 6 第五章崖城1 3 - 4 气田水下井口方案建议。3 8 5 1 采用3 0 i n + 2 0x0 5 i n + 1 3 - 3 8 i n 组合套管3 8 5 2 改进3 0 i n + 1 3 - 3 8 i n 套管组合3 8 5 2 1 提高3 0 i n 导管的材质3 8 5 2 2 提高3 0 i n 导管的局部壁厚；3 9 5 2 3 提高3 0 i n 导管壁厚和材质对比分析3 9 5 3 采用3 0 1 5 i n + 2 0 xi i n + 1 3 - 3 8 套管组合方案4 0 5 3 1 钻井作业时仅3 0 1 5 i n 导管时稳定性校核4 0 5 3 2 钻井作业时3 0 x 1 5 i n + 2 0 1 i n 组合套管稳定性校核4 0 r ； 5 3 3 完并作业时3 0 x1 5 i n + 2 0 xl i n + 1 3 - 3 8 i n 组合套管校核4 1 5 4 本章小结4 2 第六章崖城1 3 - 4 气田喷射法下钻井导管入泥深度确定4 3 6 1 喷射过程中钻井导管载荷分析4 3 6 2 钻井导管下入深度计算模型j 。4 3 6 3 喷射法下入钻井导管海底土极限承载力计算4 4 6 3 1 喷射法下入钻井导管极限承载力计算模型确定4 4 6 3 2 崖城1 3 - 4 气田喷射法下入钻井导管海底土极限承载力计算4 5 6 4 崖城1 3 - 4 气田喷射法下钻井导管入泥深度确定4 6 6 5 本章小结4 7 结论4 8 参考文献4 9 。 致谢。51 一 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 1 1 课题研究目的和意义 第一章前言帚一旱刖百 崖城1 3 4 气田位于海南省三亚市西南方约7 2 k i n 的南海北部海域上，崖城1 3 1 气 田东北方向；崖城1 3 4 气田所处海域水深约9 2 m , 南高点所处海域水深约8 5 r m 气田 区域属热带海洋气候，受热带风暴、台风和季风的影响。 崖城1 3 4 气田开发方案设计中采用水下采油树，水下采油树重量大，可达3 5 吨， 加上b o p 重量，井口受力较大，海流影响、跨接管侧向力影响，井口稳定存在挑战。 所以为了保证海上钻完井施工安全，需要对崖城1 3 4 气田水下井口强度和稳定性开展 研究，以便为钻完井施工作业提供理论基础和依据。 本论文根据崖城1 3 4 气田水下井口结构型式和井身结构，考虑崖城1 3 4 海域不同 的风、浪、流等复杂海况条件，建立钻井和完井作业时水下井口的力学分析计算模型； 根据崖城1 3 4 气田海底土调查资料，考虑水下井口所受的不同载荷影响，确定崖城1 3 4 气田钻井隔水导管合理入泥深度；根据崖城1 3 4 气田油气生产过程中水下井口所受载 荷情况，考虑崖城1 3 4 海域不同的风、浪、流等复杂海况条件，利用有限元软件对钻 井作业、完井作业和生产作业工况下水下井口强度和稳定性进行校核，确定其危险作业 工况；通过理论计算分析，结合现场施工条件下给出了崖城1 3 4 气田水下井口建议方 案。通过分析喷射过程中钻井隔水导管所受的竖向载荷，建立了钻井隔水导管下入深度 计算模型、喷射法下入钻井导管极限承载力计算模型，最后确定出崖城1 3 - 4 气田喷射 法下钻井导管入泥深度。通过研究为崖城1 3 4 气田钻完井施工作业提供理论基础和依 据。、 1 2 国内外研究现状 由于世界各国对石油需求的不断增加，浅海油田和陆地油田的石油与天然气产量已 经不能满足人们的需求。因此，人们将目光转向了对深水和超深水油田。一般情况下， 深水或海洋钻井时，都安装水下井口，水下井口承受的载荷主要包括套管串、b o p 和隔 水导瞥1 2 1 。深水或海洋环境比较恶劣，海底浅层土强度较低，而且隔水管线比较长，防 喷器组比较重，都会给使水下井口面临严峻的挑战。钻井隔水管为海上石油勘探开发的 重要工具之一，水域较浅的地区，钻井隔水导管的连接主要靠法兰实现，但是，在海洋 第一章前言 中，水较深，有可能存在n g h ，以前的法兰连接无法保证水下井口的稳定性。为了解 决深海水下井口的稳定性问题，国内很多的公司投入大量的资金，开发适合复杂环境的 隔水导管，取得了一定的成效，在一定意义上保证了水下井口地安全。 1 2 1 钻井隔水管国外研究现状 国外研究隔水管系统的历史较长，目前为止，海洋钻井隔水管系统的研发主要集中 在几个发达国家，由于他们在技术上对外封锁，造成隔水管系统其他国家发展比较慢【3 】。 美国、法国、挪威和俄罗斯应经开发出了很多适合深水环境作业的钻井隔水管系统。 隔水管系统目前为止大部分还是靠法兰连接，因为法兰连接的连接强度较高，能够保证 水下钻井隔水管的连接强度。为了减轻对井口的载荷，很多公司还研发了铝合金钻井隔 水管系统，这种钻井隔水管一方面减轻了对井口的载荷，同时还保证了稳定性要求；为 了节约隔水管单根连接的时间，有几家公司研发了隔水管自动连接装置，大大提高了钻 井效率，节约了大量的人力、物力，节约了大量的成本。这些国家研发的不同类型的给 水管系统在深水作业中应经广泛应用，为海洋钻井提供了安全保障。 除了从材料和连接方式方面研究钻井隔水导管的稳定性之外，国外有很多学者进行 了大量的水下井口力学分析，为水下井口的稳定性提供了理论依据。研究初期，大多数 学者进行隔水导管力学分析时，主要从平面静力学角度出发，把钻井隔水导管的变形看 做是弹性变形处理，这种假设的前提条件是水下导管所受的载荷较小，受力不复杂的情 况【q 。对于受力复杂的深水，以上的假设就不成立，再用同样的方法进行隔水管的受力 分析就不能保证其稳定性。随后，有很多学者在三维空间条件下进行隔水导管力学分析， 取得了一定的成效。但是，由于深水钻井隔水管的受力相当的复杂，力学分析也就比较 麻烦，到目前为止也没有形成公认的适合海洋钻井隔水管力学分析的方法。 隔水管动力分析的基本方法有静态分析和动态分析两种，而动态分析又分为时域分 析和频域分析，在这个领域，国外许多科学家进行了大量的工作。例如b g b u r k e 建立了 隔水管的分析模型，a e r t a s 和t j k o 血概述了建立隔水导管模型的原理和方法，m f 一 z e d a n j g l a g a n g i c o n a c c h i 研究了在涡流力作用下隔水管响应的分析模型【2 5 瑚1 。 1 2 2 钻井隔水管系统国内研究现状 宝鸡石油机械有限责任公司研制出我国首台海洋钻井隔水管装置，这一装置的研制 成功，对于打破国外垄断、推进高端石油装备国产化具有重要意义。我国首台海洋钻井 隔水管装置为当前世界最高级别h 级型号，其主要参数为：长度5 0 r 到7 0 i t ，d s a w 焊 接，尺寸o d ( o d 指半径) 矽2 ”x w t o 8 7 5 ；设计水压为5 0 0 0 p s i ，破坏压力为4 4 4 5 p s i ， 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 测试水压为5 0 0 0 p s i ，材料要求为a p l 5 l x 8 0 。虽然钻井隔水管装置在我国才刚刚起步， 但是我国许多学者进行了隔水管系统力学分析研究，为水下井口的稳定性设计提供了理 论依据。 我国石晓兵、郭昭学、聂荣国、陈平、周俊昌、罗平亚等著名学者充分考虑了波浪 力、海流力等海洋环境载荷的作用，建立了深水钻井隔水导管三维静态力学分析模型， 该模型能够实现隔水管的静态分析和动态学分析。 李中、杨进等人认为在深水环境载荷下，水下井口受到风浪流的作用比较严重，要 想保证水下井口的稳定性和安全，必须合理分析海洋钻井隔水管的受力情况。为此，他 们建立了考虑海底种种复杂环境的有限元力学分析模型，模拟结果表明，环境载荷对井 口的稳定性是有周期性的，为水下井口稳定性分析提供了理论基础。 林秀娟等学者认为隔水导管承受巨大的井口装置和防喷器组的载荷，而海底地层土 的承载力是有限的，如果超过了地基土的极限载荷，钻井隔水管就会有下陷的危险，出 现水下井口失稳问题。为此，她充分考虑地基土的承载力，建立了钻井隔水管的极限承 载载荷的计算模型，计算结果表明，隔水管的入泥深度越大，井口出现失稳的可能性越 小，而且深层地层土对隔水管的承载力远远大于浅层土的承载极限。 中海石油研究中心姜伟高级工程师依据海上钻井的实际情况出发，基于隔水导管为 一端受铰支约束、一端为固定杆的基本假设，推导出了隔水导管的临界载荷的计算方法。 该方法的原理是弹塑性稳定性理论和能量守恒准则，考虑了自重和项部载荷的双重作 用。并分析了变刚度结构和不变刚度结构两种组合形式的临界载荷。通过现场应用证明， 该学者建立的变刚度结构隔水管组合形式的计算方法是符合实际情况的，能够满足钻井 过程中的稳定性要求。姜伟工程的研究成果为海上钻井作业的安全性提供了理论依据。 西南石油大学学者李华贵、吴竞择通过研究，描述了隔水管运动的四阶非线性偏微 分方程和边界条件进行了简化，并应用有限差分法对隔水管的受力情况进行数值分析， 作用在隔水管上的顶张力，使用四种海况进行研究，并编制了相应的计算程序。通过实 例计算，与美国应力工程服务公司的计算结果进行比较，结果完全一致。该项研究具有 提供的动态分析方法及计算程序具有方法简便、精确度高和机时省等优点，对于设计和 校核隔水管系统具有使用价值。 由中国海洋石油总公司资助一中国石油大学( 北京) 石油天然气工程学院杨进副教授 为首的课题组与中海石油研究中心联合完成的科技攻关项目海上钻井隔水导管入泥深 度确定技术，通过了教育部主持的科技成果鉴定会。该项研究成果与国内外同类技术相 3 第一章前言 比较，在海上钻井隔水导管群桩锤入法的入泥深度确定方面取得t o j 新性成果，其成果 实用性强，应用前景广阔，达到国际领先水平。 1 3 论文主要工作 根据崖城1 3 4 气田开发方案设计中的基本情况，即采用水下防喷器，水下采油树 重量大，加之b o p 的重量，井口受力较大，考虑气田所处海域的水深，海域受风暴、 台风和季风的影响，海流影响、跨接管侧向力影响，对崖城1 3 4 气田水下井口强度和 稳定性进行了研究，以便为钻完井施工作业提供理论基础和依据。具体研究工作主要包 括以下六个方面： 1 、根据崖城1 3 - 4 气田水下井口结构模型、井身结构和海况资料，计算分析风、浪、 流作用对隔水导管产生的水平载荷作用，通过有限元方法建立各种载荷作用下隔水导管 的稳定性分析模型，并通过数值模拟研究隔水导管在不同入泥深度下的稳定性。 2 、依据崖城1 3 - 4 气田现场钻井施工参数和工况条件，计算钻完井作业对隔水导管 的轴向作用力；依据对崖城1 3 - 4 气田海工土质调查信息，通过理论分析计算确定各海 底土层的极限承载力及其对隔水导管的轴向摩擦力，为隔水导管入泥深度计算提高技术 参数。 3 、根据崖城1 3 气田海底土调查资料，考虑水下井口所受的不同载荷影响，建立了 隔水导管入泥深度计算模型，并分析计算了保证水下井口不发生下陷条件下3 0 i n 钻井隔 水导管的合理入泥深度，以满足钻完井及后期生产过程中的承重要求。 4 、由于喷射法下入钻井导管时，海底土的极限承载力与导管下入后静止时间有很 大的关系，根据现场作业实际情况，确定出崖城1 3 4 气田喷射法下钻井导管后，静止 时间分别为2 h , 4 h 、6 h 、2 4 h 、3 6 h 、4 8 h 条件下钻井导管入泥深度范围。 5 、根据崖城1 3 4 气田钻井、完井、作业过程中水下井口所受载荷情况，考虑崖城 1 3 4 海域不同的风、浪、流等复杂海况条件，对钻井、完井、生产作业时水下井口强度 进行分析计算，并进行了校核，推荐出各套管合理尺寸范围。 6 、通过对水下井口在不同工况下( 钻完井、后期生产) 进行井口强度及稳定性进 行研究，给出满足井口稳定的套管程序及套管材质、壁厚等参数的推荐值，满足钻完井 施工要求。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第二章水下井口稳定性力学分析计算模型 深水钻井中，处于泥线以下的隔水管上端连接井口，再上面防喷器、浮力节和钻井 船或平台。水平方向上受到风浪流的作用，出现一定程度的变形。而且钻井船是漂浮在 水面上的，在海浪流的作用下，隔水导管出现一定程度的偏离垂直方向，给水下井口施 加而外的横向载荷，使水下井口和隔水管处于较复杂的受力状态。这无疑会带来深水钻 井中井1 3 和隔水管的稳定性和安全问题【l 刁。为防止钻完井作业过程中井口发生失稳破 坏，有必要建立一种水下井口力学稳定性分析计算模型，为深水钻井作业提供一定的理 论基础。 本章根据崖城1 3 _ 4 气田水下井口结构模型和井身结构，考虑崖城1 3 - 4 海域不同的 风、浪、流等复杂海况条件，进行了钻井、完井、作业时水下井口的力学分析计算模型 研究。通过研究确定海流力计算模型、轴线载荷失稳模型、导管及表层套管轴向承载能 力分析模型以及水下井口稳定性有限元分析计算模型。 2 1 环境载荷计算模型确定 下入钻井隔水导管的方法主要有打入和钻入两种。海底土以上的隔水导管受力比较 复杂，主要包括轴向载荷、横向载荷( 风、浪、流载荷) ，所以钻井隔水导管安全性和 强度将会受到严俊的挑战。 2 1 1 海流载荷计算模型 海流对海上物体的作用力非常大，与隔水管直径、海水密度成正比，与海流的最大 速度的2 次平方成正比。计算公式l t ( 2 - 2 ) 所示： z = 壶c d 风2 ( 2 - 1 ) 式中z 一作用在隔水管上的海流载荷，n m - 海水阻力系数，无因次； 几诲水的密度，k 矗； d 一隔水导管直径，m k 海流的最大可能速度，n 如。 5 第三章崖城1 3 - 4 气田隔水导管入泥深度确定 2 1 2 波浪载荷计算模型 海洋载荷中除了受海流载荷外，另一个较大的载荷是波浪载荷，波浪力计算模型采 由莫里森方程得： 厶= 三巳砷一新一钧- 4 - 矾孚 纠 式中厶一作用在隔水管上的波浪载荷，1 洱m ； “一海水水平方向的流速，m s ； c d 一海水阻力系数； 一波浪载荷的惯性力系数。 2 2 轴线载荷失稳模型确定 对于水下井口而言，由于其长细比较小，可以看作是下端固支，上端自由的欧拉压 杆稳定问题，由于井i = i 安装有防喷器，因此在隔水导管受力分析中除了要考虑自重均布 载荷口的作用外，还要考虑集中载荷p 的作用。轴向载荷由管体支承，可能引起两方面 变形，即轴向压缩和横向失稳。隔水导管受力与变形模型如图2 1 所示嘲。 l x p j 】o r 。 图2 - l 水下井口轴向失稳模型 n 9 2 - 1 a x i a li n s t a b i l i t ym o d e lo fs u b s e aw e l l h e a d 设导管变形弹性线方程近似选用只有一个集中力作用时的形式【9 】： y - - 8 缈= 万【( s i n 缸一幻c ) + 足砸一c o s | j b c 词。 ( 2 3 ) 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 式中y 一隔水导管横向位移，n l ； 万导管轴线最大横向位移，m ； 工一隔水导管轴向位移，m k 隔水导管从底部至项部长度，m ； fp 七计算系数，j 2 、亩 应用虚功原理，得出计算临界载荷的勃布诺夫伽辽金方程： j ：l y i - e id 万3 y + h 吣) 黜警 协4 ， 式中g 一隔水导管自重载荷，i d q ； 整理后得计算临界力的近似公式： 足：2 日( 羞j c 。牡 ( 2 - 5 ) 式中c 。折算系数，是k 、l 的函数，对于圆管可取c o = 0 3 3 7 ； 肛隔水导管钢材弹性模量，取e = 2 0 5 8 1 0 n n m 2 ； 。 ，一隔水导管惯性矩，m 4 ，j 一3 1 4 ( o d 4 - 分) 6 4 ，o d 为导管外径，m ； j 卜导管内径，m ； 户a ：产隔水导管的临界轴向载荷，n 。 2 3 有限元计算模型确定 有限元分析一般都是借助于现成的有限元分析软件进行的，a n s y s 就是一种功能 强大的有限元分析软件，计算步骤基本上都是程序内部自动完成，需要做的只是一些边 界条件的输入，a n s y s 分析问题的基本过程分为：前处理、求解计算及后处理。 采用结构分析软件a n s y s 对承受复杂载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 1 1 p a ，泊松比取0 3 ，密度取7 8 5 9 c = 。采用的基本单元类型如下： ( 1 ) s o l i d 4 5 单元：是一种可承受拉、压、弯作用的三维实体单元，能够模拟混 凝土的非线性结构，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 此单元模拟套管之间的混凝土部分。 一 ( 2 ) s h e l l 4 3 单元：是一种可承受拉、压、弯作用的三维板壳单元，能够模拟套 7 第三章崖城1 3 - 4 气田隔水导管入泥深度确定 管结构，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 各层套管，如图2 3 所示。 2 4 本章小结 图2 - 3 水下井口三维有限元模型 l 强9 2 - 3t h r e e - d m e n s i o n a lf m r ee l e m e n tm o d e lo fs u b s e aw e l l h e a d 1 、所确足明风载计算模型为：f = k k z p o a 一2 、所确定的海流力计算模型为：z = 吾户p 匕嗽2 3 、所确定的波浪力计算模型为： 厶= 吾“一江一讣譬 剥 4 、所确定的轴线载荷失稳模型为：已：= 日( 轰) 一c o q l 5 、所确定的管柱的竖向极限承载载荷模型为：q = q ，+ q p = 珥吼耐+ 4 郎。 i - o 6 、采用结构分析软件a n s y s 对承受复杂载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 1 1 p a ，泊松比取0 3 ，密度取7 8 5 9 e m ，确定利用有限元计算模型中 的s o l i d 4 5 单元模拟套管之间的混凝土部分；确定利用有限元计算模型中的s 印三l l 4 3 单元模拟各层套管。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第三章崖城1 3 - 4 气田隔水导管入泥深度确定 深水油气田在钻井过程中井下地层比较复杂，钻井作业程序多，施工时间长，这对 隔水导管的稳定性提出了更高的要求。为了保证在钻井作业中和后期油气开发过程中隔 水导管能够处于稳定状态，而不发生失稳现象，需要确定合理的隔水导管入泥深度。 确定钻井隔水导管的最小入泥深度时，应保证两方面的强度要求：一方面，隔水隔 水导管是钻井液的循环通道，由于导管鞋处比较薄弱，因此保证此处不要压漏；另一方 面，钻井隔水导管要承担防喷器、井口和管柱等的载荷，保证隔水导管的稳定性。本章 主要根据崖城1 3 4 气田的实际地质参数对隔水导管入泥深度进行了研究，主要包括： 在保证正常流体循环条件下，建立了隔水导管入泥深度的计算模型；根据地层性质建立 了隔水导管不发生失稳时的最小入泥深度模型；考虑综合条件，确定隔水导管最小入泥 深度；最后分析计算崖城1 3 4 气田导管承载力，确定3 0 英寸钻井隔水导管最小入泥深 度。 3 1 正常循环时隔水导管入泥深度的计算模型确定 为了保证在钻井过程中导管鞋处的地层不被压漏，当钻井隔水导管仅仅作为钻井液 的循环通道时，建立隔水导管最小入泥深度的计算模型。 3 1 1 海上浅层地层的破裂压力计算模型确定 海底下入钻井隔水导管时，遇到的地层主要是粘土、砂土和砂泥混合、淤泥。这些 地层的交界比较疏松，岩石固结程度比较差，因此，与深层的岩石相比，这种地层的破 裂压力比较小【2 0 l 。本节主要考虑了海底地层土的类型、性质和海底钻井的特点，建立 了海底浅部地层的破裂压力计算模型。 ( 1 ) 海底浅部地层土的抗剪强度计算模型确定 当施加在海底地层的载荷超过了地层土的破裂压力之后，海底地层土就会发生坍 塌，地层也就发生破裂，出现水下井口失稳的问题。由摩尔一库仑强度破坏准则，海底 浅部地层土的抗剪强度【2 3 】表示： r = c + p t a n q ( 3 1 ) 式中f 砘层土的承载力，m p a ： p 海底土承受的垂向应力，m p a ： 9 第三章崖城1 3 4 气田隔水导管入泥深度确定 c 一内粘聚力，m p a , 缈一内摩擦角，( o ) 。 ( 2 ) 海底浅部地层的破裂压力模型确定 当施加在钻井隔水管上的外力超过了地层的极限承载力，不但井口会下陷，地层还 会出现垮塌，导致钻井液漏失，影响钻井的正常进行，并带来进1 ：3 稳定性问题。由此可 以确定地层的破裂压力，即： 乃2 互臌2 c + p t a n 缈 ( 3 2 ) 式中p 厂地层的破裂压力，m p a 。 海底土承受的垂向应力可由下式计算： p = l o - 3 9 j ：n p t ( h ) d h + 见即 ( 3 3 ) 地层破裂压力梯度可以表示为： 1 0 p ， - l0 - 3 r 刀 ， 乃= 才2 丽丽 ( 3 _ 4 ) 式中p ，地层破裂压力梯度，g n ? , e 海底地层土的深度，m ； 皿海水深度，m ； q 海上钻井平台到海底的垂直高度，i n e 3 1 2 钻井隔水导管导管鞋处的液柱压力计算模型确定 隔水导管中钻井液的流动示意图如图3 1 所示。钻井隔水导管导管鞋处的钻井液液 柱压力& 【2 4 1 ，可由式3 - 5 计算： & 墨d ( j l + d + 吃 ( 3 5 ) 式中乓一隔水导管导管鞋处的液柱压力，a ； 气一井口至导管鞋处的环空压力降，a ； j 一钻井液密度，g c m 3 ； h 一钻井隔水导管的入泥深度，i n ； 一 l 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 三一海底至井口的垂直高度。一m ； 图3 - 1 隔水导管流体循：吓示惹图 f i 9 3 - 1 f l u i dd r c u l a f l o no fm a r i n er i s e r 3 1 3 钻井液正常循环时隔水导管最小入泥深度计算模型 钻井隔水导管支撑井口和防喷器的同时，还为钻井液同循环通道。如果隔水管的入 泥深度过大，会造成成本增加。如果入泥深度过小，一方面隔水管有可能会下陷，另一 方面，钻井液静液压力有可能会压漏地层。又由钻井工程知，套管鞋出的地层处于裸露 状态，承载力最小，因此，应该保证钻井液静液压力小于套管鞋出地层的破裂压力【堋。 即： 哆 ( 3 6 ) 式中户鞋一套管鞋处钻井液液柱压力，m p a ； 弓一套管鞋处地层的破裂压力，a n 一钻井安全系数，刀l 。 由乓= o 0 0 9 8 l p ( h + l ) + 展得 0 0 0 9 8 1 p 删d ( 矗+ d 4 - 壤- - - - - n 弓 ( 3 7 ) k = 型o 0 0 丘9 8 1 p 坠删a 一三 ( 3 8 ) 由上式可以看出，当，l = l 时，k 取得最小值。 式中一在满足正常流体循环条件下隔水导管的最d , x 泥深度，m ； 第三章崖城1 3 - 4 气田隔水导管入泥深度确定 三一井口到海底泥面的高度，m ； 儿d 一使用的流体密度，g c m 3 。 其中导管环空压耗尸耗的确定，可采用下述公式计算： ( 1 ) 对于层流来说，有下列对应公式计算： 牛顿流尊：p n = 6 1 11 5 5 面i 瓦l 了i 瓦t q 而 宾汉流体：p 耗= 6 1 1 1 5 5 面= 万l 了1 r 网l q+ 专昙竺爰宁 幂律流体： 磊= l 册( d 16 0 0 啡0 ( 2 ) n ：( d + 1 ) + q 啡) j 。2 5 0 j ( d l - d p ) 。 式中厶一计算段导管环空长度，m ； q 一流体排量，l s ； 尸耗一计算段层流的环空压力损耗，m p a ； d 一导管的内径，c m ； d p 一钻柱的外径，c m ； 一牛顿流体的粘度，p a s ； 刁一宾汉流体的塑性粘度，p a s ； f o 一宾汉流体的动切力，p a ； k 一幂律流体的稠度系数，p a s n ； 靠一幂律流体的流性指数。 ( 2 ) 对于紊流来说，压耗计算公式为： p 耗= 5 7 5 0 3 高茹岛 式中嚷计算段紊流的环空压力损耗，p a ； 工l 计算段的导管环空长度，m ； ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 n ) ( 3 1 2 ) 一 ， 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 q 流体排量，怕； p 锍体密度，c 矗。 3 2 保证钻井隔水导管不下陷时最小入泥深度计算模型确定 如图3 2 所示，海上钻井隔水导管所受的轴向受力主要包括：井口装置对井口施加 的载荷、泥土对隔水导管的摩擦阻力、隔水导管自身重量和泥土底部对隔水导管的支持 力【1 9 1 。如果海底土不能承担隔水管及上部井口防喷器的载荷，隔水管就会下陷，出现井 口稳定性问题。 h 上 l ，i ， 卜 泥面 l 1 l i t rr m i h f 1 1 ： l 卜 h 下 图孓2 钻井隔水导管所受的轴向应力 r 9 3 - 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ed r i l l i n gm a r i n er i s e rf o r c e 3 2 1 海底土的极限承