深水钻井隔水管系统关键技术研究与发展建议

针对深水钻井隔水管系统特点,分析了隔水管接头设计、隔水管材料、隔水管焊接、挠性接头挠性元件制造、隔水管试验和隔水管系统管理等关键技术,重点阐述了国内在隔水管关键技术研究方面取得的进展和突破,包括具有自主知识产权的隔水管接头快速连接技术、深水隔水管法兰接头用材料X80J、隔水管用X80级埋弧焊直缝钢管、高承载耐疲劳挠性元件制造、大直径厚壁管体全熔透焊接、隔水管载荷装置开发、隔水管系统管理等,对相应关键技术进行总结,并从加快隔水管系统自主配套出发,提出了若干建议。

防台风钻井隔水管系统近海面脱离总成分析

在防台风钻井隔水管近海面脱离总成工作原理及结构研究的基础上,采用有限元软件ABAQUS对近海面脱离总成进行分析,利用应力线性化方法对近海面脱离总成的承载能力进行了评估。分析结果表明,上脱离器最危险截面为法兰辅助管线孔处,下脱离器最危险截面为下脱离器与卡块接触的支撑凸块处,卡块最危险截面为卡块圆弧段与长方体段接触截面。该项研究结果可为防台风钻井隔水管近海面脱离总成的设计、结构优化以及样机制造提供参考。

无隔水管钻井液回收钻井系统井筒压力分析

基于Beggs&Brill两相流计算模型,结合无隔水管钻井液回收钻井系统(RMR)钻井技术特点,建立了适用于RMR浅表层钻井的环空压力计算模型。该模型考虑了:岩屑对钻井液密度的影响;气体膨胀、井筒温度、井筒压力对两相流持液率和气体密度的影响;泥线处的定压边界条件。分别讨论了钻井液排量、机械钻速、气侵量等因素对环空压力的影响。计算结果表明,随着钻井液排量和机械钻速的增加,环空压力增加;随着气侵量的增加,环空压力减小,其中气侵量对环空压力的影响较大。

基于遗传算法的深水无隔水管钻井液举升系统锚泊定位方案优化

为了对深水钻井钻井液举升系统进行有效优化,本文根据遗传算法中求函数最大值优化问题建立有针对性的数学规划模型,以钻杆和返排管线不发生碰撞时返排管线底部位置和水下井口间的距离最小为最优化目标,以返排管线定位位置、顶部张力、返排管线的外径、返排管线壁厚为求解集合,并根据数学模型建立锚泊定位的遗传算法模型,确定了返排管线的顶部张力、返排管线的外径、返排管线的壁厚作为遗传算法的个体基因,并采用排名法即适应度的排名次序从未得到评判个体的最优解。最后采用该模型对1500 m水深的某低温钻井作业的无隔水管锚泊定位实例方案进行优化验证,在随机产生的10个个体中,确定个体7为最佳方案,得出个体7的水下井口间的距离302 m为最优定位距离。研究结果表明,本文提出的遗传算法可用于优化钻井液返排回流海底锚泊定位模型,该方法可使计算成本大幅减少,但在求解过程中要注意个体基因、遗传机理、最优化函数以及约束条件的合理运用。

深海钻探船-钻井液返回管线系统动力学分析

深水无隔水管钻井采用钢制管线,钻探船的运动会导致钻井液返回管线的受力情况发生变化,进而影响返回管线工作的可靠性。为了分析钻井液返回管线在钻探船运动下的力学特性,建立了深海钻探船-钻井液返回管线系统动力学模型,采用ABAQUS软件建立了钻井液返回管线有限元模型,并将钻探船的运动位移曲线施加于返回管线上端,分析了返回管线的动态特性。分析结果表明:返回管线在悬挂接头和下部海底泵处弯矩较大,但由于定位过程中出现弯矩突变,使得最大弯矩值出现在上部海底泵处;深海钻探船无隔水管钻井系统设计时,应该合理设计悬挂接头及对接接头结构,尽量减小弯矩。所得结论可为深海钻探船配备无隔水管钻井系统钻井液返回管线的安全设计提供参考。

平台运动对井下钻井液压力波动的影响分析

无隔水管钻井技术通过控制海底钻井液举升泵的转速和流量来控制旋转防喷器内的钻井液液面,进而达到控制井筒压力的目的。针对深水无隔水管钻井系统作业过程中钻井平台的运动响应对井下钻井液压力扰动的问题,建立了钻井平台-升沉补偿-钻柱纵向振动耦合模型和井下钻井液压力计算模型,分析了海洋环境因素对平台运动响应、钻柱升沉运动响应及井底压力的影响,并研究了升沉补偿系统、钻井液密度和钻井液举升泵对井下压力的影响。研究结果表明:无隔水管钻井系统作业过程中,钻井平台的运动响应会引起钻柱的升沉运动,钻柱的升沉运动会导致井筒内钻井液的不规则流动,从而引起井下钻井液压力的波动;海浪波高的增大会导致平台和钻柱升沉运动幅度上升,从而导致井下激动压力和抽吸压力增大;升沉补偿系统能够有效降低平台运动对钻柱升沉运动的影响,减小井下的压力波动幅度;随着钻井液密度的增大,井筒内的压力也随之增大,在钻井作业时,应在不同的钻井深度选择合适的钻井液,以保证钻井作业的安全性。所得结论可为无隔水管钻井系统作业时钻井液密度和钻井液举升泵扬程的选择提供参考。

吸入模块密封胶心唇部结构分析

为了解决无隔水管钻井液回收钻井系统中吸入模块的密封胶心寿命低的难题,利用ABAQUS软件对吸入模块密封胶心进行有限元分析,分析唇长和唇宽对胶心与钻具间的接触压力、胶心Mises应力峰值以及摩擦力的影响规律。胶心材料模型采用近似不可压缩弹性材料的两参数Mooney-Rivlin模型函数,采用罚函数法进行求解。研究结果表明,胶心与钻具间的接触压力大于海底泥线处井眼环空压力的节点数随着唇长的增加不断增加,胶心密封性能增强。因此,在胶心设计制造时,应适当增加胶心的唇长,可以根据需要减小胶心的唇宽。该项研究结果可为无隔水管钻井液回收钻井用密封胶心的结构优化和延寿提供参考。

液压力对吸入模块密封胶芯性能影响研究

以在我国南海深水服役的无隔水管钻井液回收钻井系统为对象,为了解决密封胶芯寿命低的难题,进行吸入模块密封胶芯有限元分析,研究胶芯在海底工作时单面受压和双面受压对胶芯与钻具间的接触压力、胶芯von Mises应力峰值的影响,分析不同液压力下胶芯与钻具间的接触压力、胶芯von Mises应力峰值的分布规律,以期为胶芯延寿提供技术参考。胶芯材料模型采用近似不可压缩弹性材料的两参数Mooney-Rivlin模型函数,采用罚函数法进行求解。研究表明,海水液压力对胶芯与钻具间的接触压力、胶芯von Mises应力峰值有着显著的改善作用,应在吸入模块两胶芯间设计压力调节装置。