深水隔水管-防喷器组耦合系统动力学建模与仿真验证

在深水钻井过程中,隔水管与防喷器组系统是整个作业环节的重要一环。由于在作业过程中面临着诸多风险,因此,建立精确的隔水管-防喷器组耦合系统力学分析模型,准确分析其力学行为和性能,对指导钻井作业安全进行具有重要意义。目前大多只关注于对隔水管的独立建模而忽视防喷器组的潜在影响,这将导致所建模型与实际情况存在差异,使得隔水管系统的力学特性无法得到精确分析。提出了隔水管与防喷器组刚柔耦合概念,推导耦合系统动能、势能,采用拉格朗日方法建立理论模型,用Newmark-β直接积分法对动力学模型进行数值计算。采用ADAMS软件进行了仿真建模,开展不同工况条件下的动态响应对比分析。结果表明,理论模型得到的隔水管横向位移包络线、弯矩包络线、隔水管中部节点横向位移时程曲线和底部弯矩时程曲线与ADAMS仿真结果吻合良好,从而表明了该理论模型的重要性,可为我国隔水管的设计和分析提供参考和支持。

修井船运动激励下修井隔水管-修井工具系统动力学特性

考虑修井工具的影响,开展修井船运动激励下修井隔水管系统动力学特性研究。基于梁理论建立了修井隔水管与修井工具的力学模型,施加了修井船运动、张紧系统及土壤等边界约束;使用间隙单元法建立了修井隔水管与修井工具的接触模型;基于有限元法与Newmark-β法建立了数值模型,对修井船不同运动下的修井隔水管系统动态响应进行了分析。结果表明:当修井船升沉运动时,修井隔水管轴向位移与修井工具轴向位移差异显著;当修井船纵荡时,修井隔水管与修井工具易发生规律性接触;当修井船纵摇运动时,修井隔水管与修井工具运动几乎一致。

考虑“筒中筒”耦合作用的深水隔水管柱与钻柱碰摩运动规律

深水钻井时,旋转钻柱与海洋环境力作用下发生振动的隔水管柱易发生接触,造成钻柱与隔水管柱的碰撞或者摩擦。为了解隔水管柱与钻柱间的运动状态,减轻两者间碰摩,保证作业安全性,提出了一种模拟深水隔水管柱-钻柱组成的“筒中筒”耦合系统模型,通过分析二者间的位移与接触力,实现海洋深水钻井作业时隔水管柱与钻柱的耦合动力学模拟的建立。模拟结果表明,考虑隔水管柱与钻柱接触的情况下,海流作用和涡激作用对钻柱的动力学特征具有较大影响;海流速度增加,隔水管柱弯曲程度变大,隔水管柱的振动特征会限制钻柱运动;井口转速增加对钻柱的涡动特征影响小,但会增大钻柱与隔水管柱内壁的接触力,增大钻柱与隔水管柱的失效风险。该理论为海洋深水钻井摩阻分析提供了新的借鉴。

深水控压钻井隔水管系统连接作业窗口分析

深水控压钻井(managed pressure drilling,MPD)技术是深水钻井解决钻井液密度窗口较窄问题的重要钻井技术,但目前对于深水MPD隔水管系统连接作业窗口研究较少。基于欧拉-伯努利梁理论,在常规钻井隔水管数学模型的基础上,考虑管内高压及钻井液流速的影响,采用直接刚度矩阵法建立深水MPD隔水管系统理论模型,采用有限元法对理论模型进行离散并采用MATLAB软件开发MPD隔水管数值计算求解器。以南海某1600 m深水井为例,在同样的计算参数下,分别使用本文求解器与ABAQUS软件计算MPD隔水管系统的力学响应,结果表明本文求解器与ABAQUS软件计算结果吻合良好。在此基础上,开展深水MPD隔水管系统连接作业窗口分析,并研究管内高压和钻井液流速对作业窗口的影响。研究结果表明,管内高压对MPD隔水管连接作业窗口影响较大,而钻井液流速对作业窗口影响较小,MPD隔水管连接作业窗口稍大于常规隔水管连接作业窗口,从而可提高深水钻井时效。

隔水管重置技术在海上老油田挖潜中的应用与前景

随着海上油田的不断开采,油田储量逐渐减少,无法长期向社会提供石油资源。在这一背景下,老油田挖潜成为油田开采的重点内容。然而,通过大量实践表明,老油田挖潜时仍存在井槽资源紧张等问题,不利于老油田的挖潜。为了提升老油田挖潜效率,应加强对老槽口的改造,其中隔水管重置技术是一种较为良好的技术手段。文章介绍了隔水管重置技术,并以某海上油田项目为例,分析了该技术在老油田挖潜中的首次应用,探讨了其应用前景与意义,为隔水管重置技术的推广提供支持。

深水钻井隔水管横向振动振型分析

为了分析深水钻井隔水管的横向振动固有频率和振型,综合考虑深水隔水管受到的顶部张紧力、海洋环境载荷、钻井平台漂移等作用力,借助微元法建立受力分析模型。根据连续梁理论和隔水管单元的动力学微分方程,确定其无阻尼自然振动基本方程,并进一步剖析建立隔水管横向振动固有频率微分方程和模态振型基本方程,然后进行数值求解。使用控制变量法逐步分析隔水管长度、张力比、自身材质对隔水管固有频率的影响和变化规律。通过MATLAB软件表现出不同阶数的振动振型,结果表明:控制张力比、合理选择隔水管类型能够有效提高固有频率,避免与波流力形成共振,进而保证深水钻井作业安全。此外,隔水管的振型并不是标准正弦曲线,振型会受时间的影响不断变化。

深水钻井隔水管系统反冲时滞鲁棒控制

隔水管紧急解脱后的反冲响应是一个复杂且危险的过程,张紧器液压系统调控及信号传输又存在一定的时滞效应,因此如何在可变有界时滞作用下控制反冲是一个难题。为解决输入时滞作用下的反冲控制问题,提出采用时滞状态反馈鲁棒H∞控制方法进行反冲控制。根据隔水管反冲动力学模型构建考虑输入时滞的反冲状态空间表达式,引入无记忆状态反馈,得到闭环控制系统并采用矩阵不等式求解稳定条件。引入可调参数将矩阵不等式线性化,针对调整参数选取不当易导致线性矩阵不等式不可解与最优解难寻的问题,采用差分进化(DE)算法寻找可行的最优调整参数。通过结合多段数有限元模型验证了方法的正确性与可行性。结果表明:方法可有效完成固定与可变输入时滞的隔水管反冲控制,比常规不考虑时滞的控制方法的控制效果更佳;DE可有效寻找最优调整参数,优化控制性能;时滞作用会降低反冲响应及控制性能,应当尽量减小时滞。

随机波浪及平台运动下控压钻井隔水管端部轴向位置预测方法

控压钻井(managed pressure drilling,MPD)技术是深水钻探时解决泥浆密度窗口较窄问题的重要技术。MPD隔水管端部为旋转控制头(rotating control device,RCD),其轴向位置的变化会直接影响井底压力。目前关于深水MPD隔水管端部轴向位置预测方法的文献较少。本文基于欧拉-伯努利梁理论,考虑管内高压和钻井液流速的影响,采用直接刚度矩阵法建立MPD隔水管系统动力学理论模型,采用Newmark-β积分法对MPD隔水管系统的动力学方程进行求解,并进一步开展随机波浪及平台运动下隔水管端部轴向位置的动态预测研究。以南海某1600 m水深隔水管为例进行分析,算例表明,一年一遇随机海况、管内高压为12 MPa,钻井液流速为2 m/s,钻井液密度为1600 kg/m^(3)时,隔水管端部轴向位置改变量在0.5~0.6 m之间波动;当进一步考虑平台慢漂运动时,隔水管端部轴向位置改变量在0.2~0.7 m之间波动。据此可计算得到井底压力的波动范围,从而可为控压钻井作业时井底压力的精确调控提供参考。

基于LAGRANGE方程的深水钻井隔水管–水下井口系统动力分析

为了探究大质量、大刚度防喷器组(blowout preventers,BOPs)对深水钻井隔水管系统动态相应预测精度的影响,根据细长钻井隔水管与刚性防喷器组的结构特点,提出两者刚柔耦合的概念,采用能量法推导隔水管–防喷器组–水下井口系统的动能和势能,采用LAGRANGE方法建立耦合系统动力学理论模型,采用科学计算软件和Newmark-β直接积分法对动力学模型进行数值计算。以南海某深水钻井隔水管为例,开展基于耦合动力学模型的隔水管系统动态响应分析。结果表明,采用本文理论模型得到的隔水管不同位置的节点位移、单元弯矩、上部和下部挠性接头转角时程曲线、整体侧向位移包络线和弯矩包络线等与ABAQUS仿真结果均吻合良好,最大误差为8.8%。此方法可为深水钻井隔水管和水下井口系统动态分析提供参考。

基于系统弱点与平台漂移分析的深水钻井隔水管作业窗口分析方法——以陵水17-2气田为例

深水钻井隔水管是连接浮式钻井平台与防喷器的关键设备,在服役过程中面临着复杂多变的海洋环境,承受着恶劣的作业载荷,力学行为复杂,其安全可靠运行是深海油气资源高效开发的前提。为获取不同工况下深水钻井隔水管的作业窗口,以我国南海自主开发的深水陵水17-2气田为研究对象,在考虑海洋环境、浮式平台及隔水管系统的基础上,通过隔水管系统弱点分析、平台漂移分析以及不同工况下隔水管作业窗口评估,制订了隔水管配置方案,形成了深水钻井隔水管作业窗口分析方法,并在陵水17-2-A7井得到成功应用。研究结果表明:①导管接头处是隔水管系统的最薄弱点,上、下球铰转角、导管应力和张紧器冲程都是影响隔水管作业窗口的主要因素。②正常钻进工况作业窗口主要受上、下球铰转角限制,连接非钻进及生存工况主要受张紧器冲程和导管接头能力限制。③在一年一遇的海流条件下,风速分别为33.4 m/s与17.5 m/s时,平台最大偏移量为水深的1.6%与3.2%;当平台漂移24.0 m与46.0 m时,平台应急解脱(EDS)必须启动以保证平台漂移距离不超过允许漂移距离的最大值。结论认为,形成的深水钻井隔水管作业窗口分析方法为陵水17-2气田的安全高效钻井提供了技术支撑,对南海复杂海洋环境下深水钻井隔水管设计与工程应用具有重要指导意义。

基于模糊控制理论的修井隔水管系统反冲控制

修井隔水管系统是修井作业的关键装备,修井隔水管系统紧急解脱后的反冲过程极易发生事故。为解决修井隔水管系统反冲控制问题,降低反冲过程中发生风险的可能,基于模糊控制理论提出了一种修井隔水管系统反冲控制方法。基于液压动力学建立了分体式张紧系统模型,采用集中质量法将修井隔水管柱离散成弹簧-质量-阻尼单元,建立了修井隔水管系统动力学模型。根据模糊控制理论并结合修井隔水管系统反冲控制规律,设计了模糊控制器,采用Matlab/Simulink开发修井隔水管系统仿真模型并进行仿真计算。研究结果表明,模糊控制能较好地实现修井隔水管系统反冲过程控制,相比于无控制器和PID控制,模糊控制下的反冲过程修井隔水管系统的轴向位移波峰值更低,波谷值更高,所设计的模糊控制器在不同张力比和平台运动幅值下具有较好的适应性。

半潜式钻井平台隔水管破裂的预防与处理

半潜式平台的隔水管在联通海底油气资源方面发挥着重要作用,但也面临破裂事故的风险,会对平台作业和海洋环境造成严重威胁。分析表明,外部环境、材料缺陷以及操作维护不当是导致破裂的主要原因。为预防隔水管破裂事故,必须从多个层面入手,比如选择优良抗腐材料,建立严格的制造和质检流程,加强环境监测预警系统,以及完善定期检查和维护制度等。一旦发生破裂,平台必须启动事故应急预案,快速有序地进行人员撤离和泄漏控制。同时,还需持续开展培训与演练,夯实作业团队的应急处置能力。本文通过深入分析隔水管破裂的成因并提出针对性的预防与应急措施,为推动半潜式平台的安全运营提供了借鉴参考。

深水隔水管-水下井口耦合系统双向涡激振动特性

深水隔水管-水下井口系统极易受外部海流影响产生涡激振动(VIV),其VIV分析通常将底端水下井口简化为固支约束.考虑水下井口下部非线性管-土耦合建立深水隔水管-水下井口耦合系统顺流(IL)及横流(CF)向VIV三维分析模型.基于胡克定律将管-土相互作用产生的时变非线性土壤抗力转化为时变土壤等效刚度并与系统结构刚度叠加.采用有限单元法进行分析模型离散,采用Newmark-β法与4阶龙格库塔法进行VIV数值求解.随后分别研究了管-土耦合作用及环境因素如海流流速、土壤硬度等对深水隔水管-水下井口系统CF及IL方向VIV特性的影响.结果表明,考虑管-土耦合的深水隔水管-水下井口系统约束弱化,系统整体刚度减小,固有频率降低,深水隔水管-水下井口系统CF及IL方向的均方根(RMS)位移及振幅增大,振动频率减小.深水隔水管-水下井口系统VIV对土壤硬度的敏感度较低,原因是系统结构刚度与土壤初始附加的等效刚度较大,而土壤硬度变化额外附加的土壤等效刚度在系统总刚度中的占比较低.

隔水管挠性连接结构专利现状

隔水管挠性连接结构(也称挠性接头,英文flex joint)是海上钻井隔水管系统中的关键设备之一,能够有效补偿隔水管系统在海浪、水下暗流等环境载荷作用及船体运动时产生的偏转角度,有效减少隔水管系统的弯曲应力。目前,国内现有浮式钻井平台使用的海洋钻井隔水管系统用挠性装置基本上依靠进口。隔水管挠性连接结构核心解决的技术问题是:为隔水管与其他设备部件间提供挠性连接;其要具备一定的强度和密封性能。该专利技术的主要技术点主要集中于隔水管挠性连接结构的结构设计。

半潜式平台隔水管张紧器现场应用分析

半潜式平台张紧器可以抵消平台升沉运动,为设备提供恒定的上提拉力。平台上主要采用两种形式的张紧器:滑轮钢丝绳式和油缸式。主要通过分析南海某平台张紧器的布置形式及其应用实例,提出滑轮钢丝绳式张紧器布置及设计的注意事项。

基于AMESim的隔水管下部总成液压控制系统仿真研究

基于对隔水管下部总成不同工况的分析,对其液压控制系统内的续油管剪切闸板、钢丝剪切阀及延时驱动装置等关键元器件进行AMESim建模后分析,并针对不同工况对液压控制系统进行仿真研究。利用AMESim平台进行机械、电器、液压联合仿真,分析研究匹配参数,从而验证液压控制系统配置能完整完成“首次脱离-回接-二次脱离”的工作任务,为隔水管下部总成液压控制系统的工程开发提供了理论指导。

深水半潜式钻井平台隔水管配置及控制系统研究

以半潜式钻井平台“海洋石油982”配置的隔水管为研究对象,对最大作业水深为1 500 m的半潜式钻井平台的隔水管配置及控制系统进行研究。根据不同应力校核准则确定隔水管所需最小壁厚,根据API 2RD规定的方法确定空管压溃水深,根据API 16Q推荐的顶张力稳定性算法确定顶张力设定值,得出张紧器张力设置与泥浆密度的关系和工作水深与泥浆密度的关系,并给出隔水管最优配置推荐值。将基于该方法设计的隔水管配置、顶张力设置和控制系统指导方案应用于“海洋石油982”隔水管系统设计中,结果表明该方法可行,能有效解决深水半潜式钻井平台在隔水管配置、顶张力设置和控制系统设计方面存在的关键问题。

超深水超浅层储层无隔水管钻井取心难点与对策

超深水超浅层(简称“双超”)储层钻井取心作业难度大,成功率低,作业费用高,可供参考经验少。对此,开展了无隔水管条件下的“双超”储层钻井取心难点分析,并提出了相应技术对策,形成了一套“双超”储层高效取心方案。研究结果表明,在“双超”环境下,储层以未胶结、松散泥质-粉砂岩为主,地层疏松,钻井取心作业面对着取心筒“堵心”、排量和钻压控制难度大、超深水作业费用高等难题与挑战。优选Rb-8100型全封闭式保形取心工具和HSC043-8100型取心钻头,配合小排量(200 L/min)、低转速(15~40 r/min)、阶梯式钻压(2~10 t)的小参数模式,自制网兜将钻头处海水进行分流并保护底部岩心。在南海“双超”气田开展了无隔水管钻井取心先导试验,取心收获率达100%。实现了“双超”储层高效钻井取心,同时为“双超”气田的后期开发奠定了重要的基础。

深水无隔水管钻井液回收钻井技术

为解决深水钻井作业中遇到的复杂问题,挪威AGR公司进行了无隔水管钻井液返回钻井技术(RMR)研究。RMR技术在钻井中不采用常规海洋隔水管,而是用海底吸入模块将从井眼环空中返回的岩屑和钻井液分流出来,在海底泵的作用下通过一条小直径回流管线由海底返回至钻井平台,从而实现无隔水管钻井液循环。分析了RMR技术原理,介绍了海底吸入模块、海底举升泵模块、钻井液返回管线、控制系统等关键装备,概述了RMR技术在国外应用现状。对RMR技术今后发展提出展望,对国内应用推广该技术有一定指导意义。

深水钻井隔水管耦合系统分析(英文)

对于深水系泊钻井系统而言,移动式海洋钻井装置与细长结构(系缆、钻井隔水管)之间的耦合效应在预测浮体运动及钻井隔水管响应时起决定性作用。文中建立了深水系泊钻井系统的全耦合有限元模型,考虑波频与低频环境载荷,对系统进行了非线性时域分析。分析表明,由低频浮体运动激励的低频隔水管动态响应可对深水钻井隔水管设计产生重要影响。常规方法将低频浮体运动作为准静态效应考虑,对于连接在锚泊钻井装置上的深水钻井隔水管而言是不精确的。