井口头系统密封总成关键部件设计与分析

制约我国海洋油气开采发展的主要瓶颈就是深水井口头设备,而密封总成又是水下井口头系统的关键组件。为此,设计了井口头系统多级金属密封结构的密封总成,主要包括上下2个密封圈、锁紧套筒和驱动套筒。利用有限元分析软件对密封关键部件进行了强度分析,同时提出判断密封总成密封效果的理论依据,并对锁紧套筒进行了结构强度分析,对驱动套筒和密封环做了接触应力分析。分析结果表明,密封总成的结构和材料符合作业要求。该密封总成的结构设计和分析为水下金属密封技术的进一步研究奠定了基础。

海洋深水钻井井口头系统下放工具研究

介绍了Vetco和Dril-Quip公司的几种典型水下井口头系统下放工具,即临时导向基座(TGB)下放工具、762 mm导管头下放工具以及套管挂和密封总成下放工具。对这几种下放工具的结构特点和作用过程进行分析和总结,提出了改进意见和改进方案———应采用反推的原则设计井口头系统下放工具,明确下放工具与要下放的原件之间的配合方式,确定配合方式后,对下放工具中间部件的连接方式进行设计。这对我国自主开发井口头系统下放工具具有参考价值。

水下井口头疲劳寿命分析

在海洋钻井和生产过程中,水下井口头系统作为钻井和生产设施的基础装备,其疲劳寿命相当重要。以"勘探三号"平台为假设作业平台,以南海某油田海域作为工程实例取值,应用MOSES软件建立隔水管力学计算MOSES模型,得到求解出隔水管下端挠性接头受到的作用力;然后应用ABAQUS有限元分析软件ABAQUS建立水下井口头的有限元模型,根据研究海域土壤P-y曲线线性化,采用ABAQUS非线性弹簧模拟了土壤与水下井口头的相互作用,对水下井口头进行了疲劳寿命计算。计算结果表明,其疲劳寿命满足相关规范和DNV有关水下井口头的设计和使用要求。

深水水下井口头系统紧锁机构分析

锁紧机构作为连接高低压井口头的重要部件,决定了深水井口头系统在多种外载条件下工作的稳定性和可靠性,对深水油气田作业安全至关重要。介绍了国内外几种典型水下高低压井口头系统及锁紧机构类型,对比分析了不同类型水下高低压井口头系统采用的锁紧机构及其锁紧原理和特点,并对Dril-Quip公司SS-15型井口头系统采用有限元进行了力学分析。结论表明,采取较大预紧力的锁紧机构,可以有效地提高低压水下井口头系统的抗疲劳能力。对深水作业时选择高低压井口头具有一定的指导意义。

深水水下井口头系统研究

分析了国外VETCO、DRIL-QUIP、FMC 3家公司水下井口头系统的特点及密封原理,并对3家公司的密封结构进行综合比较。现场操作表明,VETCO公司的旋转压入式密封用于深海钻井存在一定问题,插入式密封将是未来发展的主流。对VETCO公司和DRIL-QUIP公司的井口头系统装备进行简单对比,给出对比分析结论。根据分析提出水下井口头系统的设计建议和拉封式新型密封的概念,指出亟待解决的几个关键问题。

水下井口头系统下放工具关键部件设计与分析

水下井口头系统是深海油气钻采必不可少的设备,常规套管挂和密封总成下放工具不能满足现场需要。建立了套管挂和密封总成下放工具力学模型,采用该模型可以直观地描述下放工具受力情况,根据力学模型和分析结果对下放工具进行结构设计。利用ANSYS有限元分析软件对下放工具套管挂携带单元和驱动单元进行接触分析和强度分析。分析结果显示,套管挂携带锁块、挡环和芯轴等关键部件最大应力值小于材料屈服强度,其变形量很小亦可忽略;该下放工具结构满足设计要求,材料选择符合作业标准,可为套管挂和密封总成下放工具的研究提供设计经验。

水下井口头密封总成系列化设计与分析

我国的密封总成仅局限于浅海和低压密封,不能实现不同海水深度和不同压力的钻井需求。鉴于此,通过对系列化设计方法和金属密封机理的研究,对影响密封总成密封性能和压力等级的关键因素进行了分析,确定了密封总成系列化设计原则和评价标准,得到密封总成的系列化设计方法,验证了103.4 MPa井口头系统密封总成作为系列化设计的基型能够达到预定的密封效果并能安全回收,完成了34.5、68.9和137.9MPa 3个压力等级密封总成的结构参数设计,形成了密封总成的系列化。利用ANSYS Workbench对基型密封总成的密封性能做了详细的力学分析。提出的密封总成设计方法可以为整套井口头系统的系列化设计提供理论依据和指导。

水下井口头系统用8630钢焊接接头性能研究

采用药芯焊丝气体保护焊对厚32 mm的8630钢进行焊接试验。通过测试和分析焊接接头的金相组织、拉伸性能、冲击性能、导向弯曲性能、硬度等性能,结果表明,采用E100T5-D2焊材在焊前200℃预热、焊后640℃×2 h回火的工艺条件下,合理控制焊接热输入,可以获得性能和组织优良的焊接接头。焊缝区和热影响区硬度均低于22 HRC,焊接接头导向弯曲性能合格,抗拉强度和冲击功均高于母材最低要求。焊接接头性能符合API 6A井口头产品规范。

基于ABAQUS和MOSES软件的水下井口头强度分析

根据江汉石油钻头股份有限公司水下井口头本体的结构特点,以南海某油田作为工程实例,应用MOSES软件计算水下BOP组顶部挠性接头球铰处所受最大载荷,应用ABAQUS软件对其本体进行强度分析。通过分析验证了江钻水下井口头的安全性和可靠性,可为今后类似的分析提供一定的借鉴作用。

水下高压井口头静水压测试装置的研制与应用

高压井口头作为水下井口头系统中最关键的承压部件,出厂前必须通进行静水压测试,但国内前期对此研究较少,亟待深入。鉴于此,在参考相关标准及工程调研的基础上,结合待测高压井口头结构,兼顾测试操作安全性及经济性,设计了一套高压井口头地面测试装置,顺利完成了测试并通过了DNV船级社现场认证,由此得出高压测试装置设计的几点建议:须考虑密封冗余,提高密封可靠性;须设计密封泄漏检测点,方便判断密封失效部位;尽量减小密封腔体积,以提高测试效率及测试安全;兼顾装配因素,须容易对中和调平,避免组装引起的密封损伤。该套测试装置的研制成功可为其他类似测试工装的设计提供借鉴与参考。

水下井口头在张力腿平台顶张式立管作用下的疲劳分析和参数比较

张力腿平台(TLP)通过顶张式立管和水下井口头的结合使用,实现了干式采油在深水浮式平台中的应用。其中水下井口头将会受到顶张式立管给井口头施加的持续荷载,需要对其抗疲劳性能进行校核。以南海某TLP项目为基础,在对该项目井口头系统进行简要介绍后,从长期疲劳分析和单个极端事件疲劳分析两个方面,对疲劳分析进行阐述。然后对影响疲劳分析的几个关键要素进行对比与分析,包括导管头尺寸和焊接疲劳曲线选择等。该研究可为其他深水油气田的开发提供参考与借鉴。

天然气水合物经济型井口头系统力学行为模拟分析

天然气水合物钻井过程中,水下井口头系统处于关键节点位置,但对其力学影响探讨较少。文章结合水下井口头系统实际钻井工况下的受载,对其进行力学分析。研究结果表明在井口头的头部和尾部,位移和应力变化较小;而在井口台阶处,由于受力面积发生变化,变形较大。

一体式水下井口系统海试应用成功

近日,中国自主研发的一体式水下井口系统在海南文昌海域海试应用成功,该系统可使水下钻井时的表层建井阶段提速超40%,推动海上油田更加经济有效开发。水下井口系统是深水油气勘探开发的关键设备,被安装在海底海床附近,向下与油井的油气生产管道连接,形成一个密闭的油气生产通道,向上与水下采油树、水下防喷器组等大型设备连接并支撑它们的重量,在海洋石油钻探和油气生产流程中起到承上启下的作用。据悉,传统的海底水下井口需要先打一个承载重量的海底“地基”,然后建立一个可承受高温高压的油气生产通道,这个过程被称为海上钻完井表层建井作业。传统的表层建井作业需要“钻两次井眼,下入两次套管和两种井口头”,工程难度大、施工程序多、耗时长、经济性差。中国海油自主研发的一体式水下井口系统,攻克了井口稳定性研究、一体式井口头结构设计等多项技术难题,将两种不同尺寸功能的井口头和套管分别“合二为一”。

外悬挂深水水下井口切割回收工艺现场应用

水深800 m以内的井,在永久弃井时必须把水下井口头系统从泥线以下约4 m切割回收,这是永久弃井作业的关键一环。在介绍坐压旋转式切割工艺及工具在现场应用中存在问题的基础上,以MOST配套螺杆马达的动力切割回收工具为例,分析了外悬挂深水水下井口头系统切割回收工具的优点。同时以南海某口井为例,对外悬挂深水水下井口头系统切割回收工具进行了现场应用。现场应用结果表明:外悬挂深水水下井口头系统切割回收工艺技术解决了坐压旋转式切割工艺及工具的诸多问题,保证了切割回收工艺技术的安全性和有效性。所得结论可为我国深水套管切割技术的进一步发展提供参考。

环空带压对深水水下井口疲劳损伤的影响规律

海洋深水油气井测试过程中,高温产液上返时会加热周围套管及多层套管环空内的液体,引起液体在密闭井筒环空中膨胀,产生环空带压。环空带压的存在会改变水下井口疲劳热点处的应力状态,进而对水下井口疲劳损伤产生不利影响,制约了深水油气井长期安全高效运行。为了给深水油气井的长期安全运行提供更加科学的指导,考虑环空液体物性参数、井筒环空液体热膨胀和环空体积变化的耦合影响,建立了水下井筒环空带压计算模型,采用迭代法对环空带压进行了求解,将获得的环空带压施加到水下井口有限元模型上,然后以高压井口头与表层套管的焊缝为研究对象,研究了环空带压条件下水下井口疲劳热点处的应力状态;在此基础上,分析了环空带压、水泥浆返高和高压井口头出泥高度对水下井口疲劳损伤的影响规律。研究结果表明:①环空带压的存在会加剧水下井口的疲劳损伤,压力越高,疲劳损伤越严重;②表层套管外水泥浆返高与泥线的距离越大,水下井口的疲劳损伤越小;③高压井口头出泥高度越大,水下井口疲劳损伤越大。结论认为,有效地控制水下井口的环空带压与合理地设计井身结构,有助于减少水下井口的疲劳损伤。

环形金属密封总成密封机制及性能分析

环形金属密封总成是水下井口头系统重要组成部分,其性能直接影响到水下井口头系统的安全性,甚至整个水下油气系统的可靠性。分析环形金属密封总成的密封机制和工作原理,结合有限元分析结果,从密封环在密封过程中的变形情况来分析其密封性能。结果表明:密封环在弹性变形阶段可以实现密封,但对密封环的表面粗糙度和表面质量有很高的要求,在环形密封总成工况条件下无法保证,应避免在此阶段实现密封;密封环在塑性变形阶段能够填补环表面存在的缺陷,实现良好的密封;在塑性变形阶段,密封环接触面的变形情况成为影响密封性能的唯一因素。

俄罗斯萨哈林-3号V区块优快钻井技术

在分析研究俄罗斯萨哈林-3号V区块钻井资料的基础上,结合设计井位的地质地震资料,提出了钻井技术优化方案,包括优化井身结构、在领眼无浅层气情况下加工简易喇叭口替代导流器、选用辐向螺栓型井口头、311.1和215.9 mm井段使用螺杆钻具配合优选的PDC钻头、测试阶段用钻杆下入EZSV桥塞封隔射孔段、339.7和244.5 mm套管串中使用PDC钻头可钻的套管附件及非旋转固井胶塞、调整钻井液性能、基地预先配置KCl基浆等钻井技术措施,并加强生产组织管理及全方位生产协调。该优快钻井技术在2009年度部署的2口探井中的应用结果表明,平均机械钻速均成倍提高,钻井周期大大缩短,明显降低了钻井成本。

深水尾管回接工艺技术应用及发展

由于深水水下井口系统及井身结构设计套管层次多的特点,尾管悬挂工艺和尾管回接工艺是深水井的一项重要工艺技术。对目前国内外深水使用的常规尾管回接工艺技术进行了分析的基础上,详细阐述了其整个的工艺过程、相应工具的工作原理和特点以及现场应用情况,提出了存在的常见问题,并针对存在的问题结合目前常用的尾管回接工艺技术、使用情况以及国外行业的发展情况,介绍了2种不同思路的深水尾管回接工艺技术的发展方向,对后续深水尾管回接作业具有重要的借鉴意义。

?406.4mm尾管悬挂技术在深水钻井中的应用

针对深水钻井水下井口系统的表层套管尺寸限制后续套管层次的问题,介绍了?406.4 mm超大尺寸尾管悬挂技术以及与其对应的注水泥工艺。悬挂装置由承载环和配套的悬挂器组成,承载环最大外径508 mm,最小内径445.8 mm,出厂前预制在?508 mm套管上;配套的悬挂器上卡环坐入?508 mm套管承载环上的对应卡槽内,连接?406.4 mm尾管串。对作业过程中可能出现的一些问题进行了分析总结,提出了建议。该技术有助于优化井身结构,从而更好地应对复杂地层钻井难题,对今后类似井的作业具有很好的借鉴作用。

密封总成内凸缘接触应力影响因素研究

为研究水下井口头系统密封总成与套管悬挂器外壁接触应力的变化规律,以密封体内凸缘为研究对象,在密封机理分析的基础上,建立了密封总成安装力学模型,分析了驱动套筒位移载荷、环槽宽度和过盈量对接触应力的影响规律。分析结果表明:在内凸缘半径一定时,内凸缘与套管悬挂器外壁的接触应力与挤压力有关,驱动套筒位移载荷、环槽宽度和过盈量都会对挤压力产生影响,通过调整三者参数的大小,内凸缘接触应力也会随之发生变化;在环槽宽度为定值的条件下,内凸缘与套管悬挂器外壁的接触应力随着位移载荷的增大而增大;位移载荷在10~22 mm时,接触应力随着过盈量的增大而逐渐增大;在过盈量为定值的条件下,内凸缘与套管悬挂器外壁的接触应力随位移载荷的增大而增大,但增幅逐渐减小。所得结果可为水下井口头系统密封总成的结构设计与研究提供理论依据。