深水钻井隔水管连接作业窗口分析.pdf

2 0 1 2年 2月 石油勘探与开发 PETR0LEUM EXPL0RATI oN AND DEVEL0PM ENT VO 1 ． 3 9 No ． 1 l 0 5 文章编号1 0 0 0 ． 0 7 4 7 2 0 1 2 0 1 0 1 0 5 0 6 深水钻井隔水管连接作业窗 口分析 鞠少栋 ，畅元江 ，陈国明 ，刘秀全 ，许亮斌 2 ，王荣耀 1 ．中国石油大学 华东 海洋油气装备与安全技术研究中心；2 ．中国海洋石油总公司研 究总院 基金项 目国家科技重大专项课题 “ 深水油气田开发钻完井工程配套技术” 2 0 0 8 Z X0 5 0 2 6 ． 0 0 1 ． 0 7 ；国家自然科学基金项 目 5 0 9 0 4 0 7 8 ；国家高技术研究发展计划 “ 8 6 3计划”课题 “ 深水钻井隔水管系统技术研究” 2 0 0 8 AA 0 9 A1 0 6 摘要采用通用组合确定准则和非线性搜索方法研究深水钻井隔水管连接作业窗口，建立隔水管． 井 口一 导管整体有限 元分析模型，并 以钻井平台偏移值 、表 面海流流速和伸缩节冲程组合参数形式确定隔水管连接作业窗 口。研究表明， 隔水管钻井窗口总体上呈倒锥形 表面海流流速较小时 小于 1 ． 0 r r d s ，钻井窗 口主要受底部挠性接头转角的影响， 顺流方向海流流速增加会增大底部挠性接头转角，减小允许的平 台最大偏移值，逆流方向相反；当表面海流流速超 过 1 ． 0 m／ s 时，钻井窗口主要受顶部挠性接头转角的影响，此时在逆流方向海流流速增加会显著增大顶部挠性接头转 角，导致钻 井窗 口迅速缩小。隔水管连接非钻井和启动脱离程序窗口主要受导管最大等效应力限制，随海流流速增 大向逆流方向偏移 。另外，通过对隔水管连接作业窗 口影响因素进行分析，可知适当提高顶张力和降低钻井液密度 可有效扩展隔水管 的钻井窗口。图 7表 3参 1 3 关键词深水钻井；隔水管；钻井窗口；连接非钻井窗口；启动脱离程序窗 口 中图分类号T E 5 2 文献标识码A En v e l o pe s f o r c o n ne c t e d o p e r a t i o n o f t h e d e e p wa t e r dr i l l i n g r i s e r J u S h a o d o n g ， C h a n g Y u a n j i a n g ， C h e n G u o mi n g ， L i u X i u q u a n ， Xu L i a n g b i n ， Wa n g R o n g y a o 1 ． C e n t r e f o r O ffs h o r e E n g i n e e r i n g a n dS a f e ty T e c h n o l o g y ， 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， Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ， C h i n a 2 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o fC h i n a N a t i o n a l O f f s h o r e O i l C o r p o r a t i o n ， B e ij i n g 1 0 0 0 2 7 ， C h i n a Abs t ra c t The c o mmon c r i t i c a l c r i t e rio n a nd n o nl i ne a r s e a r c h me t ho d we r e a d o p t e d f o r t he s t u d y o f c o n ne c t e d o pe r a t i o n e n ve l o p e s o f de e p wa t e r d r i l l i ng pl a t f o r m a n d a ris e r - we l l h e a d c o n d uc t o r i n t e g r a l fin i t e e l e me n t mo d e l wa s e s t a bl i s he d ． The c o mbi n a t i o n pa r a me t e r s o f d r i l l i n g p l a t f o r m o ff s e t ， c u rr e n t s p e e d and s l i p j o i n t s tr o k e we r e u s e d t o d e t e rm i n e t h e ri s e r o p e r a b i l i t y e n v e l o p e s ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d ri l l i n g e n v e l o p e h a s a n u p c o n i n g s h a p e a n d i s l i mi t e d b y l o we r fl e x j o i n t a n g l e w h e n t h e s u r f a c e c u r r e n t s p e e d i s l o w 1 e s s t h a n 1 ．0 n V s ． I n d o w n s t r e a m d i r e c t i o n ， w h e n t h e c u r r e n t s p e e d i n c r e a s e s ， t h e r o t a t i o n a n g l e o f t h e l o w e r fl e x j o i n t i n c r e a s e s a n d t h e a l l o wa b l e ma xi mum o ffs e t of t h e pl a t f o rm r e d uc e s ， b ut i n u p s t r e a m d i r e c t i o n， t h e c o nd i t i o ns wi l l b e o p po s i t e ．W h e n s u r f a c e c u rre n t s pe e d e x c e e ds 1 ．0 r n ／ s ， t h e d r i l l i n g e n v e l o p e i s l i mi t e d b y u p p e r fl e x j o i n t a n g l e ． Wh e n i t i s i n u p s tr e am d i r e c t i o n ， t h e i n c r e a s e o f c u rr e n t fl o w wi l l i n c r e a s e t h e r o t o r ang l e o f t h e u p p e r fl e x i b l e j o i n t and r e d u c e t h e d r i l l i n g e n v e l o p e r a p i d l y ． T h e n o n d ri l l i n g e n v e l o p e a n d e me r g e n c y d i s c o nne c t s e q u e n c e E DS a c tu a t i o n e n v e l o p e a r e m a i n l y s u b j e c t t o the ma x i ma l e q u i v a l e n t s t r e s s o f t h e c o n d u c t o r a n d t h e y w i l l dri f t t o wa r ds t h e u ps t r e a m d i r e c t i on wi t h the i n c r e a s e of c u r r e n t s p e e d ．I n a d d i t i on ，t h r ou g h t h e a na l y s i s o n i n flue nc e f a c t o r s of c o n ne c t i o n wi nd o w o pe r a t i o n o f r i s e r ,t he t e n s i l e f o r c e a t t he t o p c o ul d b e i n c r e a s e d a n d dri l l i n g flui d d e n s i t y c o u l d b e r e d uc e d p r o pe r l y, S O t ha t t he d r i l l i ng e n ve l o p e c o ul d be e x pa nd e d． Ke y wor ds d e e p wa t e r d ril l i n g ； r i s e r ； d r i l l i n g e n ve l o pe ； n o n dr i l l i n g e nv e l o pe ； EDS a c t u a t i o n e n ve l o pe 0 引言 鉴于石油资源特别是陆上资源的 日渐枯竭 ，具有 高投入 、高技术和高风险特点的深水油气勘探开发领 域已成为全球热点领域L 1 。 J 。深水钻井隔水管是深海石 油勘探开发的重要装备 ， 是决定钻井成败的关键因素 ] 。 随着 中国石油开采 向深海发展 ，南海复杂的海况条件 将给钻井隔水管的作业管理带来严峻挑战。作业窗 口 能有效地确定隔水管正常钻井 、连接非钻井和启动脱 离程序 的界限，为隔水管不 同作业阶段的实时决策提 供指导。分析不同模式下隔水管作业窗 口是构建隔水 管作业管理体系的基础 ，国外常规做法是采用钻井船 偏移值与水深比值建立水圈形成作业包络线[ 5 l ， 或利用 隔水管最大等效应力和挠性接头转角划分作业界限 ， 或 将伸缩节冲程 的极限长度作为隔水管作业窗 口的制定 依据 ，由此得到的隔水管连接作业窗口主要有钻井平 1 0 6 石油勘探 与开发 石油工程 V l0 1 ． 3 9 NO ． 1 台偏移形式 、隔水管挠性接头转角形式和风浪流组合 载荷形式等[ 6 】 。上述隔水管作业窗口确定准则及其表 现形 式都 比较单 一 ，由此确 定 的作 业窗 口具有很 大 的 应 用局 限性 。 本文采用钻井平 台偏移值 、表面海流流速和伸缩 节冲程的组合参数确定隔水管连接作业窗 口，建立隔 水管 、井 口和导管整体有限元分析模型 ，确定隔水管 不同作业模式划分的极限准则 ，分析不 同工况下隔水 管的作业窗 口，研究顶张力和钻井液密度对隔水管连 接作业窗 口的影响 ，提出改善作业窗 口的措施。 l隔水管连接作业窗 口分析模型 图 1为深水钻井隔水管系统连接作业示意图。由 图可见 ，整个系统包括钻井平台 、顶部挠性接头、伸 缩节 、隔水管 、 底部挠性接头 、 隔水管底部总成 L o w e r Ma r i n e R i s e r P a c k a g e ，简 称 L MR P 、防喷 器 Bl o wo u t P r e v e n t o r ，简称 B O P 、井 口以及导管等。 图 1 钻井隔水管系统连接作业示意图 图 2为钻 井 隔水管 静态 分析示 意 图 。在 进行波 流 联合作用下的隔水管静态分析时，需要忽略波浪的动 力效应 ，按准静力方法处理波浪载荷 的作用 。隔水管 图 2 钻井隔水管静态分析示意图 数学模型是位于垂直平面内的隔水管在横 向载荷作用 下变形的常微分方程 ，其弯 曲变形的四阶常微分方程 为 。 _ ] 参 J叫 z l川 z dy z ㈩ 由于 沿着隔水管长度方向线性变化 ，任一高度 处的轴向力为 r z r t 0 p I W z d z 2 波与流的联合作用非常复杂 ，不能认为波流联合 作用就是简单 的将波和流各 自作用的拖曳力分别计算 然后线性相加。采用修改形式 的 Mo r i s o n方程近似计 算作用于单位长度隔水管上的波流联合作用力 f z U p f i 0 ． 5 c D p D u w c w c J 孚C M 口 w “ 3 图 3为考虑大变形影响的导管弯矩分析示意 图。 用于计算导管变形的挠曲线微分方程为 E 一 一 l “h z ‰ 4 C 一 用于计算导管弯矩的方程为 MEId 2 y ．二 生 丝 5 ． r v c o s h k d h f 其中 k r v ／ E I 基于隔水管与导管数学模型 ，建立隔水管一 井 口一 导管整体有限元分析模型，模型的上部边界终止于顶 部挠性接头与张紧器 ，下部边界终止于导管 ，导管下 2 0 1 2年 2月 鞠少栋等 深水钻井隔水管连接作业窗 口分析 1 O 7 海 固定 图 3 考虑大变形的导管弯矩分析示意图 端采用 固支约束。 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零 ，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 [ 1 们 。 2 隔水管连接作业窗 口确定准则与流程 隔水管连接状态下不 同作业模式的限制因素主要 包括顶部 、底部挠性接头转角 ，隔水管和导管最大等 效应力 ，伸缩节冲程长度等[ 1 1 - 1 2 ] ，由此得到的隔水 管 连接作业窗 口确定准则见表 1 。 表 1 不同作业模式下隔水管连接作业窗口确定准则 ⋯式 霎 篡 作 业 模 式 接 头 最 大 接 头 最 大 等 效 应 力 与 等 效 应 力 与 ． ，。 转 角 转 角 ／。 屈 服 强 度 比 值 屈 服 强 度 比 值 ⋯ ⋯ ‘ 连接钻井模式 2 2 0 ． 6 7 0 ．6 7 ≤1 9 ． 8 连接非钻井模式 9 9 0 ． 6 7 O ． 8 0 ≤1 9 ． 8 启动脱离模式 9 9 O 6 7 1 0 0 ≤1 9 8 为了快速得到各种作业模式下 的临界钻井平台偏 移值和海流流速值 ，笔者设计了作业窗 口临界值搜索 方法 。该方法先按不同的作业极限准则划分工况 ，然 后采用一维非线性搜索求 出不同海流流速下的临界钻 井平 台偏移值 ，计算完一种工况后 ，进行极限准则和 海流流速的更新 ，直至完成所有工况的分析 。图 4为 连接工况下隔水管作业窗 口确定流程示意图。 上述深水钻井隔水管连接作业窗 口确定方法与 国 外一般方法相 比，在分析模型、确定准则 、搜索方法 以及作业窗口表现形式等方面均有明显不同 见表 2 。 本文方法采用 隔水管一 井 口～ 导管整体有 限元模型 ，充 分考虑了导管对隔水管响应的影响 ， 更符合现场实际。 本文方法提出了通用的组合确定准则并采用非线性搜 索方法 ，相对于单一确定准则和线性搜索方法得到的 窗 口更可靠 ；窗 口表现形式为多参数组合形式 ，比单 一 参数形式更直观。尽管国外方法 已被海洋钻井实践 证明行之有效 ，但对于中国南海海域恶劣的环境和多 变的海况条件 ，采用本文方法获得的作业窗 口更加精 确 ，对 于安全 作业 更有 利 ，且 通过 自主研 发 获得 了隔 水管作业窗 口分析核心技术 ，打破了国外在这一领域 的技术垄断。 增 大 海 流 流 速 值 设定海流流速初始值和最大值 设定平台偏移值范围 基于表1 中给出的3 种作业模式限制 准则设定挠性接头转角、隔水管和 导管等效应力 、伸缩节长度极限值 静态分析 改 变 平 台 偏 移 值 否 结果与不同作业模’ 式极限值偏差小于5 ％ 日l 把平台偏移临界值与海流流速参数值写人文件 否 当前海流流速为 设定的最大值 读取文件，绘制作业窗口 图 4 隔 水管连接 作业 窗 口确定 流程 表 2隔水 管连接作 业窗 口分析 方法对 比 分析方法 分析模型 确定准则 搜索方法 窗 口表现形式 国外方法 隔水管单一模型 单 定线性搜索 单 一 参数形式 本 文 方 法 隔 喜 薹 铷 鸳 藉 霎 放弃该偏移数据 l 1 O 石油勘探 与开发 石油工程 V b 1 ． 3 9 No ． 1 符 号注释 E 隔水管弹性模量 ，P a ；卜俩水管截面惯性矩 ， 1T I ； z 沿隔水管轴向的垂直距离，i3 1 ； 隔水管水平位 移 ，1 2 1 ；卜隔水管轴向力 ，N； 单位长度隔水管重 量 ，N ／ m； 沿水平方向作用于单位长度隔水管上的波流 联合作用力 ，N／ m； 。 。 隔水管承受 的顶张力 ，N； 隔水管全长 ，1 2 1 ；日 -_一隔水管作业水深 ，n l ； f f s t 隔水 管顶部水平位移 ，m；“ w 波浪引起的水质点速度 ，m／ s ； u c 海流引起的水质点速度 ，m／ s ； 波流产生的拖曳 力 由水质点 的水平速度引起 ，N／ r n ； 波流产生的惯 性力 由水质点的水平加速度引起 ，N／ m；C D 拖曳力系 数 ；p 海水密度 ，k g ／ m ；D 隔水管外径 ，m；c M 惯性力系数；a w 波浪引起的水质点加速度，r n ／ s ； Y m a x 底部挠性接头处最大水平位移 ，I n；T b 底部挠性接头处 沿隔水管轴向残余张力，N； 死的水平分量 ，N； 的垂直分量，N； 导管任一部位 的弯矩 ，MN r n ； 隔水管底部总成和防喷器组高度 ，I n ； 井 口出泥高 度 ，r n ； 一 海底泥线至导管固定端距离 ，m。 参考文 献 [ 1 】 李小地，赵拮，温志新 ，等．世界石油工业上游发展趋 势[ J ] ．石油 勘探与开发， 2 0 1 0 ， 3 7 5 6 2 3 - 6 2 7 ． L i Xi a o d i ， Zh a o Zh e ， W e n Zh i x i n ， e t a 1 ． De v e l o pme n t t r e n d s o f wo r l d u p s t r e a m o i l a n d g a s i n d u s t r i e s [ J ] ．P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 01 0 ，3 7 5 6 2 3 6 2 7 ． 【 2 ] 邹 才能，张光亚，陶士振，等．全球油气勘探领域地质特 征 、重大 发现及非常规石油地质[ J ] ．石油勘探与开发， 2 0 1 0 ， 3 7 2 1 2 9 1 4 5 ． Z o u Ca i n e n g ， Z ha n g Gu a n g y a ， T a o S h i z h e n ， e t a 1 ． Ge o l o g i c a l f e a t u r e s ， ma j o r d i s c o v e r i e s a n d u n c o n v e n t i o n a l p e t r o l e u m g e o l o g y i n t h e g l o b a l p e t r o l e u m e x p l o r a t i o n [ J ] ．P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 0 1 0 ， 3 7 2 1 29 - 1 4 5 ． [ 3 1 岳吉祥，綦耀光，肖文生，等 ．深水半潜式钻 井平 台钻机选型 [ J ] l 石油勘探与开发， 2 0 0 9 ， 3 6 6 7 7 6 - 7 8 3 ． Y u e J i x i a n g ， Q i Y a o g u a n g ， Xi a o We n s h e n g ， e t a 1 ． R i g mo d e o p t i o n f o r s e mi s u b me r s i b l e d r i l l i n g p l a t f o r m[ J ] ． P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 0 0 9 ， 3 6 6 7 7 6 - 7 8 3 [ 4 】 畅元 江，陈国 明，许亮斌 ，等 ．超深水钻井 隔水管 系统设计影 响 因素分析[ J ] l石油勘探 与开发， 2 0 0 9 ， 3 6 4 5 2 3 - 5 2 8 ． C h a n g Y u a n j i a n g ，C h e n G u o mi n g ，X u L i a n g b i n ，e t a 1 ．I n fl u e n t i a l f a c t o r s f o r t h e d e s i g n o f u l t r a d e e p wa t e r d r i l l i n g r i s e r s [ J ] ． P e t r o l e u m [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 】 [ 1 0 ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p me n t ， 2 0 0 9 ， 3 6 4 5 2 3 - 5 2 8 ． Ro b i n s o n E． Dr i l l i n g f u n d a me n t a l s DP o p e r a t i o n s d r i l l i n g wi t h r i s e r [ C ] ／ ／Ma r i n e T e c h n o l o g y S o c i e t y ．R e v i e w o f DP a p p l i c a t i o n s ， c o n s e q u e n c e s a n d c o s t o f f a i l u r e s ．Ho u s t o n Dy na mi c P o s i t i o n i n g Co mmi t t e e ， 1 9 9 7 1 - 6 ， Ge L， Bha l l a K， S t a hl M ． Op e r a t i o n i n t e g r i t y e v a l u a t i o n s fo r d e e p w a t e r d r i l l i n g r i s e r s y s t e m[ R] ． OMA E 2 0 4 0 0 ， 2 0 1 0 ． W i l l i a m s D．Op t i mi z a t i o n o f d r i l l i ng r i s e r o pe r a b i l i t y e n v e l o pe s fo r h a r s h e n v i r o n me n t s [ R] ． OT C 2 0 7 7 5 ， 2 0 1 0 ． 畅元 江，陈 国明，孙友 义，等 ．深水钻 井隔水管 的准静态非 线性 分析[ J 】 ．中国石油大学学报自然科学版， 2 0 0 8 ， 3 2 3 1 1 4 1 1 8 ． C h a n g Y u a n j i a n g ，C h e n Gu o mi n g ，S u n Y o u y i ，e t a 1 ．Qu a s i s t a t i c n o n l i n e a r a n a l y s i s o f d e e p wa t e r d r i l l i n g r i s e r s [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u mN a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ，2 0 0 8 ，3 2 3 1 l 4 ． 1 1 8 ． S p a r k e C P F u n d a me n t a l s o f ma r i n e r i s e r s me c h a n i c s [ M] ． T u l s a Pe n n W e l l Co r p， 2 0 0 7 2 5 3 - 2 5 8 ． 孙友义 ．深水钻井隔水管强度评价方法及应用研究[ D 】 ．东营中 国石油大学， 2 0 0 9 ． S u n Yo u y i ．Ap p r o a c h a n d a p p l i c a t i o n o f s t r e n g t h a s s e s s me n t for d e e p w a t e r d r i l l i n g r i s e r [ D] ． Do n g y i n g C h i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， 2 0 0 9． I n t e r n a t i o n a l Or g a n i z a t i o n for S t a n d a r d i z a t i o n．I S 0 1 3 6 2 4 1 2 0 0 9 Pe t r o l e u m a n d n a t u r a l g a s i nd u s t r i e s Dr i l l i n g a n d p r o d u c t i o n e q uipme n t -- Pa r t 1 De s i g n a n d o p e r a t i o n o f ma r i n e d r i l l i n g r i s e r e q u i p me n t [ S ] ． G e n e v a I n t e r n a t i o n a l O r g a n i z a t i o n f o r S t a n d a r d i z a t i o n ， 2 0 0 9 ． B a i Y o n g ， Ba i Q i a n g ． S u b s e a p i p e l i n e s a n d r i s e r s [ M] ． Ams t e r d a m El s e v i e r S c i e n c e Lt d ． ， 2 0 0 5 5 3 6 - 5 4 8 ． Ame r i c a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e ．AP I R P 1 6 Q 一 1 9 9 3 Re c o mme n d e d p r a c t i c e fo r d e s i g n s e l e c t i o n o p e r a t i o n a n d ma i n t e n a n c e o f ma r i n e d r i l l i n g r i s e r s y s t e m[ S ] ． Wa s h i n g t o n Ame r i c a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e ， 1 9 9 3． 第一作者简介鞠少栋 1 9 8 4 ． ，男，山东高密人，中国石油大学 华 东 机电工程学院博士研究生，主要从事深水钻井技术与装备方面的研 究。 地址山东省东营市北一路 7 3 9号，中国石油大学 华东 机电工程学院 机电工程 系，邮政编码2 5 7 0 6 1 。E m a i l j s d 1 9 8 4 1 2 6 ．t o m 收稿 日期2 0 1 1 ． 0 5 2 5 修回 日期2 0 1 1 1 1 - 0 1 编辑唐金华 绘图 刘方方