海上隔水导管插接结构对钻井施工的影响.pdf

第 3 1 卷 第 1 期 2 0 0 9年 2月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LL I NG PRODUCT1 0N TECHNOLOGY Vo 1 ． 31 No ．1 F e b．2 0 09 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 0 9 0 l 一0 0 3 5 0 3 海上 隔水导管插接 结构对钻 井施工的影 响 李 中 赵全民 杨 进 谢仁军 刘书杰 王 平双 侯金林 1 ． 中国石油大学， 北京1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 江汉石油管理局 ， 湖北潜 江4 3 3 1 2 4 ； 3 ． 中海石油有限公 司北京研究 中心 ， 北京1 0 0 0 2 7 摘要 随着单筒三井技术在国内海上油田开发中的成功应用， 这项技术越来越广泛的应用于海洋石油开发领域。针对单 筒三井技术中外筒插接结构对内部套管管柱施工的影响进行 了研究， 建立了内部管柱下入过程的力学分析模型， 给出了在满足 内部管柱顺利下入情况下、 外筒接桩台肩厚度限制条件的计算方法。通过实例分析验证， 该研究结果对海上钻井施工具有较好 的指导意义， 可进 一步推广应用。 关键词 单筒三井； 插桩结构； 施工影响 中图分类号 T E 9 2 1 文献标识码 A I n flue nc e o f c o nv e x s t r uc t u r e o n dr i l l i ng r i s e r c o n s t r uc t i o n L I Z h 0 n g ,Z H A 0 Q u a n m in ， Y A N G J in ， X I E R e n j u n l, L I U S h u j i e ， W A N G P in g s h u a n g ， H O U J in lin 1 ． C h i n a U n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2J i a n g h a n P e t r o l e u mA d mi n i s t r a t i o n ， Qi a n j i a n g4 3 3 1 2 4 ， C h i n a ； 3 ． C NOOCC o ． ， L t d B e ij i n g1 0 0 0 1 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Wi t h t h e s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o f t h r e e - i n o n e t e c h n o l o g y i n t h e d o me s t i c o ff s h o r e o i l fi e l d ， T h i s s t y l e t e c h n o l o g y wi l l b e c o me mo r e a n d mo r e wi d e l y u s e d i n o f f s h o r e o i l d e v e l o p me n t ． T h i s p a p e r h a s s t u d i e d t h e d r i l l i n g r i s e r c o n s t r u c t i o n u n d e r t h e i n fl u e n c e o f c o n v e x s t r u c t u r e ． A me c h a n i c a l mo d e l f o r i n n e r ris e r c o n s tr u c t i o n h a s b e e n e s t a b l i s h e d ． T h e me t h o d o f s o l v i n g r e s t r i c t i v e t h i c k n e s s o f t h e c o n v e x s t r u c t u r e h a s b e e n g o t ． E x a m p l e s a r e a n a l y z e d t o v e r i f y t h e t h e o r y , a n d t h e r e s u l t s o f t h e p r o j e c t s h a s a c e r t a i n v a l u e i n t h e a ppl i c a t i on ． Ke y wor ds t h r e e i n- o ne t e c h nol og y； c o nve x s t r uc tur e； c o ns t r uc t i on i n flue n c e 单筒i井技术在具体实施过程 中， 内部隔水导 管的顺利下人是一项比较难以控制的工序 。主要是 由于外筒在接桩施工过程中会在内壁上产生凸起的 接头 台肩 ， 此凸起结构对 内管 的顺利下人造成一定 的影响。如果在下人过程 中内管下端与外管内壁凸 起结构相撞可能造成 内管端 部受阻 ， 从而影响内管 的继续下人。因此， 需要对 内管下入施工过程进行 优化 ， 并对 内管在下人过程 中的振动 问题进行力学 分析。根据钻井施工的具体要求， 研究插接结构尺 寸大小对钻井施 工的影响关 系， 确定合理的插接结 构尺寸范围。 目前对于接桩结构对内部导管的施工影响研究 很少 。在实际施工过程中， 一方 面通过一定技术的 倒角改善接桩 台肩结构 ， 从而减轻其对内管下人的 阻挂 ； 另一方面是通过增加导管下端部 的自重 悬 挂特殊加工的胶塞 ， 灌浆 减少导管下入过程中的摆 动幅度。笔者通过建立内部隔水导管下入过程的力 学分析模型， 从定量分析的角度给出了在满足内管 顺利下入的情况下外筒接桩 台肩厚度 的限制条件。 结合实例进行 了分析验证 ， 所得结果具有一定的工 攻关项 目中国海洋石油总公 司科技攻 关重点项 目部分研 究 内容 ， 项 目编号 Z 2 0 0 4 S L T J 0 2 8 2 。 作者简介 李中， 1 9 7 2年生。在读博士研 究生 ， 主要从 事海洋钻 井工程方 面的科研工作。E - ma i l l i z h o n g c n o o c ． t o m．c n 。 3 6 石油钻采工艺 2 0 0 9年 2月 第 3 1 卷 第 1 期 程实际价值 。 1 理论模型 Th e o r e t i c a l m o d e l 1 ． 1 导管下入过程力学模型 M o d e l o f r i s e r l a yi n g d o wn pr o c e s s 对于施 工过程 中的内部导管 ， 其上部可 以看做 是 固定的约束 ， 下入速度缓慢均匀 ， 因此可 以近似地 认为内管的下人为静态作业过程。整个施工过程 内 管 的振动主要是 由于受到外界横 向扰动 ， 引起结构 在 自身 固有振 动频率条件下的振动问题 。因此 ， 可 将此问题简化为求结构在 固有频率条件下 的振动问 题 。其力学分析模型如图 1 所示 。 图 1导 管 力 学 分析 模 型 F i g ． 1 M a r i n e r i s e r a n a l y s i s mo d e l 模 型中考虑 了结构的 自重及浮力 的影响， 其力 学振动方程可表示为 [ M] { } [ C] { [ K] { } { F} 1 式中 ， [ 为质量矩阵 ； [ q 为阻尼矩 阵； [ ／ q为刚度 矩阵； [ 为位移向量 ； [ 为动载荷 向量 ， 横 向单位 扰动力。 1 ． 2 导管施工步骤 Co ns t r uc t i o n s t e ps o f r i s e r 对于单筒三井结构 ， 其常用的内外筒 布置如 图 2所示 。 图中， d表示内管外径 ； L ． 表示 内管外壁与 外管 内壁距离 ； ， 表示两 内管外壁间距离 ； L 表示 外管 中心 与内管外壁距离 。根据图 2所示 ， 这些参数应满足以下几何关系 图 2 内外筒布置 Fi g． 2 La y ou t of i nt e r a n d o ut e r r i s e r s 厶 D ／ 2 L ] 2 ,／ S L , 丁 w ／-5 _2 根据 内外筒布置 图， 假定按照 以下步骤进行导 管下入施工 ⑧ a ． 1亏 施 工 图 b ． 2亏 施 x - ． 图 C ． 3亏 施 工 图 图 3 内部 隔水导管施工顺序 Fi g． 3 La yo ut o f i n t e r r i s e r s ’ c o ns t r uc t i on s t e ps 第 1 步 将 1 号导管按 图示位置下入到预定深 度之后移到整体布置图所示 1 号位置 为 1 号导 管外壁与外筒 内壁问距 ； 第 2步 将 2号 内管按 图示位置 一f ， 、 分别为 2号导管与 1 号导管间距及 2号导管与外 管间距 ， 为外管 内壁 凸起台肩厚度 下入到预定深 度之后移到整体布置图所示 2号管位置 ； 第 3步 按 图示位置下入 3号导管。 由上述施工顺序可知 ， 施工过程中 步 骤 1 ， 内管 与 外 管 之 间 空 隙 为 ， D／ 2一 d ／ 2一f ； 步骤 2 ， 内管与外管之 间空隙为 ， L _ D L 。 一 2 d f 步骤 3 ， 内管与外管之间最大空隙为 L 一t 。 由以上分析可 以看 出， 只要 能够使得 内管下入 过程中导管最下端横 向位移分别小于 三 、 ￡ 、 一t 就 可以保证 内管不会与外管 内壁凸起相撞 ， 从 而保证 施工的顺 利进行 。因此 ， 接桩 台肩对 内部隔水 导管 施工影响控制 因素可表示为 S m mi n D／ 2 一d／ 2 一， ， D一厶一2 一， ， 厶一 3 式 中， D为外管内径 ， 为导管下入过程 中端部最 大横 向位移 ， 表示 内管外壁与外 管内壁距离 ， t 表 示外筒接桩凸起 台肩厚度 。 2 实例分析 Ca s e s t u d y 根据所建立的导管下人过程 中的振动模型及施 X 李 中等 海上隔水导管插接结构对钻井施工的影响 3 7 工步骤， 利用通用分析软件 A NS YS对单筒三井结构 施T过程进行实例分析。 2 ． 1 01 2 1 9 ． 2 mm 壁厚 2 5 ． 4 mm 外管 3根 O 3 3 9 ． 7 mm内管 O1 2 1 9 ． 2 mm wa l l 2 5 ． 4 mm o u t e r r i s e r t hr e e 03 3 9． 7 m m i nt e r r i s e r s 对 于 常用 的 O 3 3 9 ． 7 m m 外 径 的套 管 ， 内径 有 1 2 ． 1 9 mm及 l 3 ． 0 6 mm 2种。结构同有振动时其最大 水平位移发生在下端位置 ， 壁厚 l 2 ． 1 9 mm横 向位移 最大值为 0 ． 0 2 6 0 2 m； 1 3 ． 0 6 mm横 向位移最大值 为 0 ． 0 2 5 1 7 m； 当满足式 3 时 ， 可得 壁厚为 1 2 ． 1 9 mm， 要求 t 0 ． 0 9 6 m； 壁厚为 1 3 ． 0 6 mm， 要求 t 0 ． 0 9 7 m。 2 ． 2 01 0 6 6 ． 8 mm 壁厚 2 5 ． 4 mm 外管 3根 0 3 3 9 ． 7 mm内管 01 0 6 6 ． 8 mm wa l l 2 5 ． 4 mm o u t e r r i s e rt h r e e 03 3 9 ． 7 mm i n t e r r i s e r s 与 2 ． 1 实例相同， O3 3 9 ． 7 mm内管固有振动时其 最大水平位移发生在下端位置 ， 壁厚 l 2 ． 1 9 mm横向 位移最大值为 0 ． 0 2 6 0 2 m； 1 3 ． 0 6 mm横 向位移最大 值为 0 ． 0 2 5 1 7 m； 当满足式 3 时， 可得 壁厚为 l 2 ． 1 9 mm， 要求t 0 ．0 5 8 1 m； 壁厚为1 3 ． 0 6 mm， 要求t 0 ． 0 5 9 0 m。 3 由于隔水导管在实际施工过程中受力状况 比 较复杂， 横向扰动力也存在一定的随机性 。因此 ， 本 文得出理论分析模型还需要得到大量现场资料的检 验和完善。 参考文献 Re f e r e nc e s [ 2 ] [ 3 ] 3 结论 一 Co n c l u s i o n s 1 建立了单筒i井结构内部导管下入过程的力 学分析模型， 模型考虑了结构 自重及浮力的影响。 2 提出了隔水导管接桩结构对钻井施工的影响 的定量分析方法。 黄熠， 萧林， 李炎军． 单筒三井技术在涠洲 6 ． 1油田的 应用 [ J ]． 石 油钻采工 艺， 2 0 0 7 ， 2 9 6 1 3 ． H UA NG Y i ， X I AO L i n ， L I Y a n j a n ．Ap p l i c a t i o n o f t h r e e i n o n e d ri l l i n g t e c h n o l o g y i n We i z h o u 6 1 o i l fi e l d l J j． O i l Dri l l i n gP r o d u c t i o n T e c h n o l o g y , 2 0 0 7 ． 2 9 6 1 - 3 ． 庞炳章， 徐荣强， 牟小军， 等 ． 非对称单筒双井技术在文 昌1 3 ． 2油田的应用[ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 0 7 ， 2 96 4 6 ． P A NG B i n g z h a n g ， XU R o n g q i a n g ， MOU Xi a o j u n ， e t a 1 ． Ap pl i c a t i o n o f a s ymme t r i c t wo - i n-on e t e c h no l og y i n W e n - c h a n g l 3 2 o i l fi e l d l J J． 0 i l Dri l l i n gP r odu c t i o n T e c h n o l o g y , 2 0 0 7 ． 2 9 6 4 6 ． 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 ． LI Ya oz hu a n g， GUAN Pi n wu S t r u c t u r a l dy na mi c s a n d a p pl i c a t i o n s l M j． A n 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 i n g Ho us e， 2 00 5． 朱伯芳著 ． 有限单元法原理与应用 [ M]． 北京中国水 利 水 电 出版 社 ． 1 9 9 8 ． 1 0 ． Z H U B o f a n g ． F i n i t e e l e me n t me t h o d a n d a p p l i c a t i o n s l M j ． B e i j i n g C h i n a Wa t e r P o we r P r e s s ， 1 9 9 8 1 0 ． 收稿 日期2 0 0 8 ． 1 0 ． 0 6 [ 编辑薛改珍 ] 2 0 0 9年 2季度钻井完井领域国际会议 2 会议名称 国际钻 井承包商协会税收国际研讨会 时 间 2 0 0 9年 6月 4 ～ 5日 地 点 美 国佛 罗里达 州迈阿密 联 系地 址 I n t e r n a t i o n a l As s o c i a t i o n o f Dr i l l i n g Co n t r a c t o r s I AD C ， R O． B o x 4 2 8 7 ， H o u s t o n ， T X 7 7 21 0 - 4 2 8 7 5 3 电 话 7 1 3 - 2 9 2 一 l 9 4 5 传 真 7 1 3 - 2 9 2 一 l 9 4 6 电子邮件 i n f o i a d c ． o r g 网 址 www． i a d c ． o r g 会议名称 时 地 国 际 钻 井承 包 商 协 会 2 0 0 9年世 界 钻 井 会议 暨 展览 间 2 0 0 9年 6月 l 7 ～ l 8日 点 爱 尔兰都柏林 主办单位 国际钻井承 包商协会 I A DC 联 系地址 I n t e r n a t i o n a l A s s o c i a t i o n o f D ri l l i n g C o n t r a c t o r s I A D C ， P 0 ． B o x 4 2 8 7 ， H o u s t o n ， T X 7 7 2 1 0 - 4 2 8 7 电 话 7 l 3 - 2 9 2 一 l 9 4 5 传 真 7 1 3 - 2 9 2 一 l 9 4 6 电子邮件 i n f o i a d c ． o r g 网 址 www． i a d c ． o r g 中国石油信息资源 网