基于仿真的海底钻井液举升钻井返回系统.pdf

2 0 1 1 年第 3 9卷第 5期 石 油机械 C HI NA P ET ROL EUM MAC HI NERY ～23 一 ●设计 计算 基 于仿真 的海 底钻 井液举升钻 井返 回系统 张鹏飞 陈 国明 谢 丽婉 鞠少 栋 许 亮斌 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 ．中海油研 究总院 摘要 介绍 了一种适应于深海 的无隔水管式海底钻井液举 升钻井 的返 回系统，将其主要组件 海底泵模块和套管等效为不同属性 的管单元，运用 A B A Q U S软件建 立 1 5 0 0 m水深返 回管线系统 有限元分析模 型，计算顶部支撑力，进行静 态分 析与涡激疲 劳分析 ，运用 Ma t l a b处理结果文件， 得到 3种流况下返 回管线的应力、弯矩、偏 移及疲 劳损伤 曲线，计算结果验证 了返 回管线的安全 性 ，对钻井液举升钻井的返回系统设计有一定参考意义。 关键词 海底钻井液举升钻井 钻 井液返 回系统 有限元模型 性能分析 安全性评估 0 引 言 海底钻井液举升钻井技术是一种双梯度控压钻 井技术 ，钻井 时隔水管 内充满海水 或不使 用隔水 管 。利用吸入模块分离井眼钻井液与海水 ，利用小 尺寸管线将岩屑钻井液返 回钻 井平 台 。 自2 0 0 3 年以来 ，无隔水管式海底钻井液举升钻井 R MR 已在全世界超过 1 0 0口的油井 中得到商业应用 。 返 回管线系统是海底钻井液举升钻井的关键组成部 分 ，海流 、海浪和重力等载荷能对其可靠性产生较 大影响 ，有必要对其进行结构设计及仿真分析 。文 献[ 3 ]对返回管线 的圆盘泵结构设计 、返 回管路 传输性能进行 了研究 ，也有人对具有相似性的深水 采矿系统进行 了动力学和运动学研究 。。 ～ 。国内对 钻井液举升钻井返 回管线系统尚未有研究 ，因此有 必要建立返 回管线系统的分析模型 ，对系统水下空 间构形与力学杼 陛进行计算分析 ，给出安全I 生 评价。 l 深水 海底钻 井液举升钻 井的返 回管 线系统 S h e l l 、B P A me r i c a、D EMO 2 0 0 0以 及 AGR 组 成联合工业项 目开发 R MR深水 系统 ，应用连接钢 管返 回管线原理 ，提高了泵压与环境抵抗力 。2个 海底泵模块 ，一个位于海底 ，另一个位于水深中部 附近。系统分布如图 1所示 。 一 一一 一 一、、 一， 一＼ ； 习 ， 1 ■’ 一 4 ， 一 ／ s 铂 川 一 I 图 l RMR 深 水返 回 管 线 系统 1 一悬挂接头 ；2 一上部 海底 泵 ；3 一上 部对接 接 头 ； 4 一 钻井 液返 回管线 ； 5 一 下部 海底 泵 ； 6 一 下 部对 接接头 ； 7 一锚 ； 8钻杆 ； 9 一 钻 井平 台。 返 同管线 M R L 由 0 1 9 3 ． 7 I n n 7 ％ 英寸 套管和 H y d n l 5 6 3接头组成 ，为钻井液提供了从海 底返回平台的通道。MR L的一端被锚定系统锚 固在 海底 ，另一端被悬挂接头 H O J 悬挂在平台上。 海底 泵 S P M 采用 圆盘泵 ，泵 送返 回钻 井液 时能够将岩屑磨损最小化 。 锚定系统可将 MR L的底 端 固定到海底 ，保持 MR L与井 口的距离 ，并 防止与钻杆相撞。 对接接头的作用是方便在平 台上安装海底泵 ， 并提供连接 MR L的接头。下部 对接接头连接锚定 系统 、MR L、下部 S P M 及钻井液 吸入软管 。上部 基金项 目国家科技重大专项“ 深水油气 田开发钻完井工程配 套技术 ” 2 0 0 8 Z X 0 5 0 2 60 0 11 2 ；中央高校 基本科 研、 务费专 项资 金项 目 0 9 C X 0 5 0 0 8 A 。 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 5期 对接接头在水深中部附近连接上部 S P M及 MR L 。 系统采用 了多处锥形连接接头 图 2 以降低 涡激疲劳损 伤 ，返 回管线顶端采用悬挂 接头 图 3 包括 1个万 向接 头，用于降低钻井船纵摇 和 横晃引起的弯矩 ，1 个锥形接头 ，用于减少 由于弯 矩和涡激振动引起的疲劳积累。 图2下部 对接锥 形连接接 头 图 3悬挂 接 头 2 深水返 回管线计 算模 型 返回管线系统的构型和外部载荷比较复杂，是 几何非线性问题 ，采用有 限元对其进行力学分析是 一 种 十 分 有 效 的 方 法 。笔 者 采 用 有 限 元 软 件 A B A Q U S中的 P i p e 3 1 管单元对返回系统进行分析。 2 ． 1 有 限元模 型 设 计水 深为 1 5 0 0 m，返 回 系统 顶 端 高 出海 面 1 5 m，底端距离井 口 1 0 m。参考 国外 系统及 A P I 标准 ，选用 1 2 ． 7 0 ll l m壁厚的 1 9 3 ． 7 m m套管为返 回管线，由泵扬程与管路传输特性确定中间泵下放 深度 ，其他结构参数如下。 套管外径 1 9 3 ． 7 m m，套管带螺纹和接箍名义 质量 5 8 ． 0 4 k s ／ m，套管壁厚 l 2 ． 7 0 m m，泵组质量 5 5 0 0 k g ，对接接头质量 4 5 0 0 k g ，碳钢密度 7 ． 8 5 g ／ c m ，钻井 液密度 1 ． 5 g , “ c m 。 返回管线顶端采用悬挂系统 ，z方向自由度取 1 ，其他 自由度取 0 。底端 建立弹簧对锚单元进行 约束。返 回管线的有限元模型如图4所示。 1 o D B L H 4 一 】 A B A Q U S ／ S T A N D A R D V e r s i 。 。 6 ．5 - 】 2L一 1 St e p St e p - 3 l n c r e ne n t l J S t ep t i m e 】 0 0 0 图4钻井液返 回 系统有 限元模型 2 ． 2 外部 载荷 考虑系统所受的载荷有重力 、浮力、顶部支撑 力 、海浪海流力、拖曳力和惯性力等，分析如下。 根据 航次 调查 ，确 定我 国 中试 海域海 流- 4 J 浪高 2 ． 5 m，浪涌周期 1 0 S ，海面洋流速度 1 m ／ s ， 海底洋流速度 0 ． 1 5 m ／ s 。海 流的方 向和大小按稳 态流考虑 ，大小沿水深变化 ，根据式 1 计算流 剖面，即 0 ． 1 5 一 0 ． 1 5 1 式 中 不同水深海流速度 ； ， 给定的表面海流速度； 水深坐标 ，向下为负。 系统整体倾斜角度较小 ，顶端采用悬挂 ，假定 顶部支撑力为 F G G d 2 式中 水下泵组 、管线及钻井液的湿重 ； 海面以上管线及钻井液的干重。 3 静态分析 选 3 种海流流况进行分析 ，即正方向、负方 向 2 0 1 1年 第 3 9卷第 5期 张鹏 飞等 基于仿真的海底钻 井液举升钻井返 回系统 如图 1所示 及零 流速 ，施加 载荷 进行静 态分 析 ，运用 Ma t l a b处 理结果 文件 ，得到应 力 、弯 矩 与偏移曲线如图 5～图 8所示 。应力 与弯矩 的极值 如表 1 所 示 。 2 0 0 0 2 00 4 00 一 600 苗一8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 O 0 1 600 鲁 嫩一 *一 一 l 1 1 一 l 魂 ～ * 一 一 1 1 1 1 图 5等 效应 力 蹿 6铀 向 虚 力 2 0 0 0 -- 2 0 0 -- 4 0 0 暑 一6 0 0 聪--8 0 0 * 一 1 0 O O I 2 0 0 一 l 4 0 0 1 O 0 0 图 7 水 平偏 移 图 8弯矩 分析 3种流况下 4种曲线可知 I 正流向对等效应 力起促 进作用 ，等效应 力较大 ，负流向起阻碍作用 ，等效应力较小。 2 波流方 向对轴 向应力不产 生影响 ，应力 曲线上明显的突变是由海底泵组造成的。 3 海流正 流 向时 管线 偏移最 大，无波流次 之 ，负流向时偏移最小并出现 S形 ，偏移最大值均 出现在水深 8 0 01 0 0 0 m处。 4 正流 向时海平 面以上管线 的弯矩与波流 方向为负时相反 ，与无波流作用时一致 ，3种流况 都使返 回管线的上部和底部形成较大弯矩 。 表 1 应力与弯矩极值 考虑到返回钻井液 中可能存在 H S ，故选用抗 硫钢材 ，4种典型 的抗硫钢材强度如表 2所示 ，表 中最大抗弯能力根据式 3 式 4 计算 。 MD ／ ，2 3 ，订[ D 一 D 一2 t ] ／ 6 4 4 式 中D 套管外径 ； f 套管壁厚 ； 弯矩 ； ， 一 惯性矩 ； 许用应力。 表 2 抗 硫钢 材强度 套管强度校核参照如下规定 一 套管强度 ≥ 外载 安全系数 5 其 中，安全系数规定为抗外挤安全系数 1 ． 0 ，抗 内 安全系数 1 ． 1 ，套管抗挖力强度 抗滑扣安 全系数 1 ． 8 。 海底泵下放时应顺着流体运动方 向 网 1 ，负 方向流况 ，这样便于安装，并 防止等效应力过 大。海底钻井液举升钻井一般适用于浅层钻井 ，作 业期限短 ，流体转向的概率小 ，即便取正方向流速 的等效应力 最大值 ，采用 1 ． 8的抗拉安全系数 进行校核 ，发现模型满足以上 4种抗硫钢材的安全 要求 ，弯矩远小于最大抗弯能力 ，即系统设计满足 安全要求 0 0 O O O O 0 0 O O 如 ∞ ∞ 舳 ∞ 加 ∞ 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 5期 4 涡激疲 劳损伤分析 利用所建有限元模 型，进行 涡激振动 V I V 疲劳分析 ，步骤如下①基于返回管线系统有限元 整体模型特征值分析 ，提取系统 的前 4 0阶固有模 态振型 ，利用 P Y T HO N语 言通过有 限差分法计算 前 4 0阶模态斜率与模态 曲率 ；②将系统 的模态频 率 、振 型 、斜 率 与 曲 率 提 供 给 V I V 分 析 程 序 S H E A R 7 ，以它为分析平台进行 V I V疲劳分析。 疲劳损伤计算采用 的 5 一 Ⅳ曲线 为 D N V E曲线 阴极保护 ，绘制返 回管线 系统 的均方根位移和 均方根应力变化曲线 图 9 ，可知均方根应力及 均方根位移值的最大位置位于返回管线顶端 。 图 9返回管线 系统均方根 应力和均方根位移 曲线 返回管线 系统的 V I V疲 劳损伤 曲线见 图 1 0 。 典型部位疲劳损伤如表 3所示。分析可知 整体疲 劳损伤水平较低 ，系统整体是安全的。疲劳损伤最 大值出现在顶端 ，上部海底泵与其下部套管连接处 出现损伤突变 ，有必要采用涡激抑制措施减轻这 2 处 的疲劳损伤。 ＼ 蠼 辎 椒 { l醛 图 1 O 返 回管线 系统疲劳损伤 曲线 表 3 典型部位的疲劳损伤 位置 疲劳损伤 中间泵与管线连接处 返 回管线顶部 底部泵与管线连接处 3 ． 7 6 E 一0 2 5 ． 6 6 E O1 3 ． 8 2 E 一0 4 5 结 论 1 阐述 了一种适应于深水海底钻井液举升 钻井的返回管线。将海底泵组和套管等效为不同属 性 的管单元 ，运用 A B A Q U S软件建立 深水海底钻 井液举升返回管线有限元分析模型。 2 静态分析验证 了返 回管线 的安全性，并 发现，等效应力 和轴 向应力顶部支撑点达到最大 值 ，随水深递减而递减 ，在海底泵模块处 出现应力 突变，有必要采取风险控制措施提高顶端悬挂处的 安全性；3种 流况 下最大等效应力值 出现在正流 向；返 回管线的上部和底部形成较大弯矩 ，这是两 端受到约束引起的。 3 疲劳损伤分析表 明，返 回管线整体疲劳 损伤较小 ，安全可靠。疲劳损伤主要集 中在返 回管 线顶端 ，上部海底泵与其下部套管连接处出现一定 突变，可采取抑制措施减轻 2处的疲劳损伤。 4 海底钻井液举升钻井系统在下放海底泵 时 ，应使返 回管线的布放顺着流体运动方 向，这样 不仅便于安装 ，还可防止等效应力过大。 参考文献 许 亮斌 ，蒋世全 ，殷 志明 ，等 ．双梯度 钻井技术原 理研究[ J ]．中 国海 上 油 气 工 程 ，2 0 0 5，1 7 4 2 6 0 2 6 4 ． Smi t h D， W i n t e r s W ， Ta r r B， e t a 1 ．De e p wa t e r ris e r l e s s mud r e t u r n s y s t e m f o r du a l g r a di e n t t o p h o l e d ril l i ng [ R]． S P E ／ I A D C 1 3 0 3 0 8 ，2 0 1 0 ． 高本金 ． 海底泥浆举升 圆盘泵流场仿真与性 能研 究 [ D]．东营中国石油大学，2 0 0 9 ． 刘金书，禹宏云，马慧坤 ． 6 0 o o m深海扬矿系统仿真 分析 [ J ]． 计算机『 方 真，2 O O 9 ，2 6 7 3 3 3 3 3 6 ． 王刚，刘少军 ，李力 ．深海采 矿扬矿系统水下 构形与动力学特性数值仿真 [ J ]．计算机仿真， 2 0 0 5 ，2 2 1 0 2 9 5 2 9 8 ． API S p e c 5 CT 一2 0 07 S pe c i f i c a t i o n f o r Ca s i ng a n d Tu b i n g [ S ]． 2 0 0 7 ． 陈庭根，管志川 ．钻井工程理论与技术 [ M]．东 营 中国石 油大学出版社 ，2 0 0 0 2 5 7 2 6 4 ． 第一作者简介 张鹏 飞 ，生于 1 9 8 5年 ，在读硕 士研 究 生 ，研究方 向为 海底钻 井液举 升钻 井 的风险评 价 与控制 。 地址 2 5 7 0 6 1 山东省东营市。 收稿 日期 2 0 1 01 1 1 9 本文编辑刘锋 ] ] ] ] ] ] ]