超深水钻井简化井身结构安全性分析.pdf

1 62 石油天然 气学报 江汉 石油学院学报 2 0 1 0 年 1 2 月第 3 2 卷第6 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J p 1 D e c ． 2 0 1 0 V o 1 ． 3 2 N o ． 6 超深水钻 井简化 井身结构 安全性分析 唐海雄 ， 叶吉华 ， 鞠少栋 ， 罗俊丰 彭作如 畅元江 中海石油 q n 国有 限公 司深圳分公司荔湾超深水项 目， 厂东 深 i J l l 5 1 8 0 6 7 中 国石油大学 华东机电工程学院 ，山东 东营 2 5 7 0 6 1 [ 摘要]建 立 了超深水简化井身结构的井 口系统力学分析模 型，研 究 了简 化井身结构 安全性分析 流程，分 析 了简化 井身结构承载能力并与常规井身结构进 行对 比，研 究 了导管 和套管环 空 内固井水 泥返高 变化对 井 口安全 性的影响；结果表 明简化井身结构不满足极 限工况 井 口强度 要求，上部 需配置 2根 2 0 i n套管 单根 ，仅有上部环 空 内的固井质量对井 口安全 性具 有显著 性影响 ，极 限工况 下 固井水泥返 高的最低 要求 为 3 m。 [ 关键 词]超深水 ；深水钻井；井身结构；结构简化 ；安全性 [ 中图分类号]T E 2 4 2 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 0 0 6 0 1 6 2 0 4 喷 射下 导管 技术 是一 种能 有效 解决 深水 浅层 钻井难 题 的新方 法 ，该技 术在 墨西 哥湾 和我 国南海 得 到 了成功 应用 口 ] 。与常 规钻井 作业 相 比 ，喷射钻 井省 去 了表层 导管 固井作 业 ，避 免 了固井 时 因井 漏导 致井 口失稳 ，减 少 了作业 风 险并提 高 了作业 效率 ～ 。喷 射钻 井一 般采 用常 规井 身结 构 3 6 i n ／ 2 0 i n ／ 1 3 ％ i n／ 9 sAi n 以确保 井 口强度及 安 全性 j 。为减 少套 管 数 目并 节 约 时 间 和节 省 成 本 ， 国外提 出一 种新 的简 化 井身设计方案 3 6 i n ／ 1 3 ％i n／ 9 ％i n_ 5 ] ，作业时应用 1 7 i n钻头喷射下入 3 6 i n导管并直接下放高压井 口和 1 3 i n套管组合。常规和简化井身结构对 比如图 1 所示。若采用简化井身结构 ，由于去掉 2 O i n套 管后 井 口强度 可能 不足 ，则 可在 高压 井 口头下 部 焊 接 2 0 i n应 力单 根 以提 高安 全 性 l 6 ] 。由于 简 化井 身 设 计 的表层套 管 为 1 3 i n套 管 ，相 对 于常规 井身 设计 的 2 0 i n表 层套 管 ，可 能会 引 起 井 口强 度 问题 ，且 对 固井 质量 提 出更高 要求 。为 此需 分析研 究 简化井 身结 构安 全性 分析 方法 ，建 立其 分析 模 型和流 程 ，校 核 其 强度 和承 载能力 ，以保证 钻井 作业 过程 中井 口系统 的安 全性 。 图 1 常 规 和 简 化 井 身 结构 对 比 笔者 建立 了超 深水 简化 井身 设计 的井 口力学 分析 模 型 ，提 出了简化 井身 结构 安全 性分 析流 程并 根据 该流 程进 行极 限工 况下 井 口安全 性 分 析 ，确 定 2 0 i n套 管长 度 配 置 和 环 空 内 固井 水 泥 返 高 的最 低 要 求 。 [ 收稿日期]2 0 1 00 81 8 [ 基金项目]国家科技重大 专项 2 0 0 8 Z X0 5 0 2 6 0 0 1 。 [ 作者简介]唐海雄 1 9 6 2 一 ，男 ，1 9 8 3 年江汉石油学院毕业 ，高级工程师 ，现主要从 事海洋石 油钻完 井技术 方面的研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷第 6 期 唐海雄等 超深水钻井简化井身结构 安全性分析 该 研究 的相关 结论 可 为超深 水简 化井 身结 构 的设 计 与应 用安 全提 供依 据 。 1 井身结构安全性分析模型与流程 1 ． 1 分 析模 型 钻井 作业 时 ，钻井平 台与海 底 井 口之 问 由钻 井 隔水 管 、 隔水 管 底 部 总 成 I o we r Ma r i n e Ri s e r Pa c k a g e ，I MRP 和 防 喷 器 B P 相 连 。 隔 水 管 通 过 底 部 挠 性 接 头 与 I MRP 相连 ，L MR P与 B OP由液 压连 接器 连 接 ，B OP通 过 井 口连接器 与高 压井 口头 相 连 ，低 压 井 口头 与 3 6 i n导 管 焊 接在一 起 采 用 喷射 下 入 。根 据 简 化 井 身 结 构 设 计 方 案 ，高 压井 口头 与 1 3 i n表层 套管组 合 后直接 坐 于低 压井 口头 上 。 简化井 身 结 构 的井 口系 统 受力 如 图 2示 意所 示 。 超 深水钻 井 时水下 井 口系 统 所 承 受 的作 用 力 主 要 包 括 隔 水 管 底部挠 性接 头 处 产 生 横 向 和 竖 向 作 用 力 ，防 喷 器 及 套 管 柱 的重力 ，防喷 器 与 井 口所 受 横 向 海 流力 ，海 底 地 层 对 套 管 的竖 向和横 向抗 力 等 。对 简 化 井 身 结 构 进 行 井 口安 全 性 分 析 ，即对井 口头 、导 管 、表 层套 管及 表 层 套 管 固 井水 泥 环 组 成 的整体 进 行 承 载 能力 分 析 ，计 算 井 口偏 移 、倾 角 、弯 矩 是否 满足 现场作 业要 求 ，并对 导 管和套 管 柱进行 强 度校 核 。 图 2简 化 井 身 结 构 的 井 口 系统 受 力 示 意 图 井 口以下 的组 合套 管柱 在 隔水管 底部 传递 的外 力作 用下 将发 生挠 曲 ，通过 力 学平衡 关 系得 到简 化井 身结构 组合 管柱 在横 向弯 矩和 竖 向力共 同作 用下 的挠 曲线微 分 方程 为 一 j E 1 j I N z _d y lD z ， y 一0 1 d L 0 J dj r L C I ．T J 式 中 ， E 1 z 为组 合套 管抗 弯 刚度 ； N 为 方 向轴 向力 ； D 为 可变 化 的套管 柱外径 ； ， j ， 为 单位 面积 上 的地基 反力 ， 对 于泥线 之上 的部分不 受 地基反 力的作用 ， 即 p x， 0 。 作用 于组 合管 柱上 的轴 向力 N z 包括 隔水 管 底部挠 性 接头处 的竖 向作 用 力 T ， I MP R、 B O P和井 口头的 自重力 ， 井 口连接的套管柱重力 ， 导管外壁受到的地层竖 向摩擦力 P 。 作用于组合管柱上 的 横 向弯矩 M 包 括 为隔 水管 底部 挠 性接 头处 的横 向作用 力 T ， L MR P、 B O P及井 口头上 受 的海 流力 F 导 管外壁 受 到的地 层横 向抗 力 P 。 地 基 反力 p x， 采用 曲线法 计算 。 曲线 法是评 估 结构 与土 相互 作用 的一 种 比较精 细 的方 法 ， 曲线通 常是 非线 性 的 ， 它 与深 度 、 土壤 抗 剪强 度 及 载荷 的循 环 次 数有 关 ， 将 泥线 下 不 同深度 和 土 壤抵 抗 结构 变形 的 能力联 系起 来 。 这 种 方法 广泛 应用 于评 估海 洋结 构与 土 的相互 作用 ] 。 1 ． 2分 析流 程 简 化井 身结 构安全 性 分析 即是 其所 在 的整个井 口系统 安全 性分 析 ，校核 准 则为 井 口偏移 、倾 角在 允 许 的范 围 内 ，井 口头 弯矩小 于井 口极 限抗 弯 能力 ，而导管 和表 层套 管满 足强 度要 求 。提 出 的简化 井身结 构安 全性 分析 流程 如 图 3所 示 。 具体 步骤 为 1 根 据 隔水管 作业 窗 口和作 业海 况 条件 确定 正常 钻井 的极 限作 业 工况 。 2 根 据 井 口系统力 学模 型 ，建立 简 化井 身 结 构 的井 口系 统 有 限元 模 型 ，分 析 极 限工 况 下 井 口系统 承载力 是否 满 足井 口强度 要求 。 3 若简化井身结构不满足极限工况井 口强度要求 ，则需修改井身结构设计方案 ，在原 1 3 i n表层 套管上部配置一定数量的 2 0 i n套管 ，并重新计算计算和强度校核 ，直到满足井 口系统安全性要求。 4 同时需 进行 固井 水 泥返 高要求 分 析 以确保 井 口系统 的安 全性 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 0年 1 2月 2 算例分析与讨论 以南海某超深水井为例 ， 极 限 作 业 工 况 为 顶 张 力 6 0 0 t ，平 台 偏 移 达 到 水 深 6 。采 用喷 射作 业方 式下 入 导 管 ，导 管 外 径 为 3 6 i n ，壁 厚 1 ． 5 i n ，材料 X5 6钢 。2 0 i n 套管 壁厚 0 ． 8 1 2 i n ，材料 X 5 6 钢 ； 1 3 i n 套管 壁厚 0 ． 5 1 4 i n ，材 料 L 8 0钢 。井 口 极 限抗 弯弯矩 5 ． 4 MN m， 导 管 屈服 强 度 3 8 6 ． 1 2 MP a 安 全 系 数1 ． 5 ， 许 用 应 力 2 57 ． 4 M Pa。 2 ． 1井 口系统安 全性 分析 图 3简化 井身结构安全性分析 流程 修 改 井 身 设 计 采 用前 述 的分析 模型 与分 析流程 进行 井 口系统 安全 性分 析 ，对其进 行 简化并 与 常规井 身结 构 的井 口 系统安 全性 指标 对 比 。 极 限工 况下 简化 与常 规井 身结 构 的井 口安全性 指标 对 比如表 1 所示 。 由表 1 可 知 ，简化井 身结 构 的 井 口头偏移 、倾角、导管最大等效应力等均增加 ，简化井身结构井 口整体性能指标明显下降 ，但简化井 身 结构 对井 口弯 矩影 响较 小 。特别 是导 管最 大等效 应力 达到 2 6 9 ． 4 0 MP a ，超 过许用 应力 2 5 7 ． 4 MP a ，简 化井身结构不满足井 口强度要求。 表 1简化 与 常 规 井 身 结构 井 口安 全 性 指标 对 比 2 ． 2 2 0 i n套管 配置 长度 要求 由上 述分 析可 知 ，在极 限工 况条 件下 简化井 身结 构不 满足 井 口强度 与安 全性 要求 。为 此 ，提 出一 种 新 的井身 结构设 计 方案 ，即 1 3 ％i n套 管 的 上部 位 于井 口附近 接一 定 长 度 的 2 0 i n套 管 以提 高 井 口强 度 。 采用 这种 新 的井身 结构 设计 方案 后重 新进 行井 口系统 安全 性 分 析 ，计 算 得 到 的 2 0 i n套 管长 度 对井 口安 全性指 标 的影 响规 律如 表 2所示 。由表 2可知 ，随着 2 0 i n套管 长 度 的 不断 增 大 ，井 口头偏 移 、倾 角 和 导管 最大 等效 应力 逐渐 减小 ，但 井 口弯矩 和套 管最大 等效 应力 逐渐 增大 。 表 2 2 0 i n套管长度变化对井 口安全性指标的影响 o ． 6 0 6 5 0 ．6 0 5 9 0 ．6 03 9 0 ．5 9 9 9 0 ．5 9 4l o ． 5 9 o 9 3 ． 0 6 0 5 3 ． O 3 5 3 3 ． 01 2 5 2 ． 9 8 6 2 2 ． 9 5 9 2 2 ． 9 4 6 8 1 0 3 ． 3 8 2 3 1 2 3 ． 4 5 4 8 1 2 5 ． 7 5 4 4 1 3 9 ． 1 9 8 4 1 41 ． 8 2 0 3 1 41 ． 9 O1 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷第 6期 唐海 雄等 超深水钻井简化井身结构安全, re分析 计 算表 明 ，若 2 0 i n套 管 长度增 加 到 1 3 ． 5 m 时 ，简化 井身 结 构 的井 口安全 性 指标 可 达 到 与 常规 井 12 1 同样 的水平 。根 据钻 井需 要 ，可建 议上 部下 入 2根 4 0 f t 长 的 2 0 i n套管 ，以确保 简化 井 身结 构 的安 全 性 。 2 ． 3 固井水 泥 返高 要求 下 面研究 导 管和套 管 环空 内未 固井 长度 固井 水 泥浆 返 回不充 分 引起 对 井 口安全 性 的影响 。采 用 与上述 计算 同样 的计算 模 型与方 法 ，极 限工 况下 导管 与套 管环 空 内未 固井长 度对 井 口安 全性 指标 影 响如 表 3所示 。研 究表 明 ，随着 环空 内未 固井 长 度增加 ，井 口偏 移 、倾 角 、导管 最 大等效 应 力和套 管 最大 等 效应 力 逐渐变 大 ，而井 口弯矩逐 渐 减小 ；当环空 内未 固井长 度 超 过 7 ． 5 m 导 管最 大 等 效应 力 发 生 位 置 处 时 ，井 口头偏 移 、倾角 和导 管最 大等 效应 力变 化不 明显 。 表 3环 空 内 未 固 井 长 度 对 井 口安 全 性 指 标 的 影 响 另据 表 3表 明 ，若 环空 内未 同井 长度 超过 3 m，则导 管 最 大等 效 应 力 已经 超 过 其许 用 应 力 ，此 时井 口安 全性 不满 足要 求 ，故极 限工 况条 件 下导管 与套 管环 空 内 固井 水 泥返 高 的最低 要求 为 3 m。 3结 论 1 提 出了超深 水简 化井 身结 构 安全性 分 析 的力 学模 型 与 相 应 的分 析 方 法 。研 究 表 明 ，相 对 于 常规 井 身结 构 ，简化 井身 结构 显著 增 大井 El头偏 移 、倾 角和 导管 最大 等效 应力 ，极 限工 况 条件 下简 化井 身结 构 不满 足井 口强 度要 求 。 2 提 出 了一 种新 的提高 简化 井身 结构 安全 性 的设计 方案 ，即 1 3 i n套管 上 部接一 定 长度 的 2 0 i n套 管 以提 高简 化井身 结 构 的井 口安全性 。计算 表 明 ，在 1 3 ％i n套 管 上部 接 2根 4 0 f t 长 的 2 0 i n套 管 可达 到 常 规井 口设计 的安 全性 水平 。 3 研究 表 明 ，导 管和 表层 套管 环 空 内固井 质 量 对 简化 井 身 结 构 的井 口安 全 性 指标 影 响 显 著 ，随着 环空 内未 固井 长度 增加 ，井 口偏 移 、倾 角 、导 管最 大 等效应 力 和套 管最 大等 效应 力逐 渐 变大 ，而 井 口弯 矩逐 渐减 小 ，当环 空 内未 固井长 度 超过 7 ． 5 m 时 ，井 口头 偏 移 、倾 角 和导 管 最 大 等效 应 力 变 化 不 明显 。 而极 限工 况条件 下 导管 与套 管环 空 内固井水 泥 返高 的最 低要 求为 3 m。 [ 参考文献] [ 1 ]张辉 ，高德 利， 唐海 雄 ．喷射安装导管作业中喷射管串力学分析 E J ]．西南石油大学学报 自然科学版 ，2 0 0 9 ， 3 1 6 1 4 8 --1 5 1 [ 2 3 P h i l i p p e J J ．I n n o v a t i v e d e s ig n me t h o d f o r d e e p wa t e r s u r f a c e c a s i n g E J ]．S P E 7 7 3 5 7 ，2 0 0 2 ． [ 3 ]Ak e r s T J ．J e t t i n g o f s t r u c t u r a l c a s i n g in d e e p w a t e r e n v i r o n me n t s j o b d e s i g n a n d o p e r a t i o n a l p r a c t i c e s[ J ]．S P E 1 0 2 3 7 8 ，2 0 0 8 ． [ 4 3 F a b i o S N， Lu i s C B， P a u l o A．Ne w we l l d e s ig n u s i n g e x p a n d a b l e s c r e e n r e d u c e s r i g t i me a n d i mp r o v e s d e e p wa t e r o i l p r o d u c t i o n i n B r a z i l E J ]．S P E 7 9 7 9 1 ．2 0 0 3 ． E s ]Cu n h a J C ．I n n o v a t i v e d e s i g n f o r d e e p wa t e r e x p l o r a t o r y we l l s[ J ]．S P E 8 7 1 5 4 ，2 0 0 4 ． [ 6 ]S a l i e s J B，N o g u e i r a E F ．E v o l u t i o n o f we l l d e s i g n i n t h e c a mp o s b a s i n d e e p wa t e r[ J ]．S P E 5 2 7 8 5 ，1 9 9 9 ． [ 7 ] 畅元江 ，陈国明 ， 许亮斌 ．导向架隔水管在波流联合作用下的非线 性动力响应 [ J ]．石油 大学学报 自然科学版 ，2 0 0 6 ，3 0 5 7 4 ～7 7 ． [ 编辑] 苏 开科 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m