超深水簡化井身結(jié)構(gòu)安全性分析

超深水簡化井身結(jié)構(gòu)安全性分析

射擊管技術(shù)是解決深水和淺層開挖問題的一種新方法。該技術(shù)已在墨西哥灣和中國南海得到成功應(yīng)用。與常規(guī)鉆井作業(yè)相比,噴射鉆井省去了表層導(dǎo)管固井作業(yè),避免了固井時(shí)因井漏導(dǎo)致井口失穩(wěn),減少了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)并提高了作業(yè)效率。噴射鉆井一般采用常規(guī)井身結(jié)構(gòu)以確保井口強(qiáng)度及安全性。為減少套管數(shù)目并節(jié)約時(shí)間和節(jié)省成本,國外提出一種新的簡化井身設(shè)計(jì)方案:,作業(yè)時(shí)應(yīng)用鉆頭噴射下入36in導(dǎo)管并直接下放高壓井口和套管組合。常規(guī)和簡化井身結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1所示。若采用簡化井身結(jié)構(gòu),由于去掉20in套管后井口強(qiáng)度可能不足,則可在高壓井口頭下部焊接20in應(yīng)力單根以提高安全性。由于簡化井身設(shè)計(jì)的表層套管為133⒐in套管,相對(duì)于常規(guī)井身設(shè)計(jì)的20in表層套管,可能會(huì)引起井口強(qiáng)度問題,且對(duì)固井質(zhì)量提出更高要求。為此需分析研究簡化井身結(jié)構(gòu)安全性分析方法,建立其分析模型和流程,校核其強(qiáng)度和承載能力,以保證鉆井作業(yè)過程中井口系統(tǒng)的安全性。筆者建立了超深水簡化井身設(shè)計(jì)的井口力學(xué)分析模型,提出了簡化井身結(jié)構(gòu)安全性分析流程并根據(jù)該流程進(jìn)行極限工況下井口安全性分析,確定20in套管長度配置和環(huán)空內(nèi)固井水泥返高的最低要求。該研究的相關(guān)結(jié)論可為超深水簡化井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用安全提供依據(jù)。1分析鉆孔結(jié)構(gòu)的安全性1.1井身結(jié)構(gòu)受的作用力鉆井作業(yè)時(shí),鉆井平臺(tái)與海底井口之間由鉆井隔水管、隔水管底部總成(LowerMarineRiserPackage,LMRP)和防噴器(BOP)相連。隔水管通過底部撓性接頭與LMRP相連,LMRP與BOP由液壓連接器連接,BOP通過井口連接器與高壓井口頭相連,低壓井口頭與36in導(dǎo)管焊接在一起采用噴射下入。根據(jù)簡化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,高壓井口頭與13■in表層套管組合后直接坐于低壓井口頭上。簡化井身結(jié)構(gòu)的井口系統(tǒng)受力如圖2示意所示。(超)深水鉆井時(shí)水下井口系統(tǒng)所承受的作用力主要包括隔水管底部撓性接頭處產(chǎn)生橫向和豎向作用力,防噴器及套管柱的重力,防噴器與井口所受橫向海流力,海底地層對(duì)套管的豎向和橫向抗力等。對(duì)簡化井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行井口安全性分析,即對(duì)井口頭、導(dǎo)管、表層套管及表層套管固井水泥環(huán)組成的整體進(jìn)行承載能力分析,計(jì)算井口偏移、傾角、彎矩是否滿足現(xiàn)場作業(yè)要求,并對(duì)導(dǎo)管和套管柱進(jìn)行強(qiáng)度校核。井口以下的組合套管柱在隔水管底部傳遞的外力作用下將發(fā)生撓曲,通過力學(xué)平衡關(guān)系得到簡化井身結(jié)構(gòu)組合管柱在橫向彎矩和豎向力共同作用下的撓曲線微分方程為:ddx2[EI(x)d2ydx2]+ddx[N(x)dydx]+D(x)p(x,Y)=0(1)ddx2[EΙ(x)d2ydx2]+ddx[Ν(x)dydx]+D(x)p(x,Y)=0(1)式中,EI(x)為組合套管抗彎剛度;N(x)為X方向軸向力;D(x)為可變化的套管柱外徑;p(x,y)為單位面積上的地基反力,對(duì)于泥線之上的部分不受地基反力的作用,即p(x,y)=0。作用于組合管柱上的軸向力N(x)包括:隔水管底部撓性接頭處的豎向作用力Tv,LMPR、BOP和井口頭的自重力Wb,井口連接的套管柱重力Ws,導(dǎo)管外壁受到的地層豎向摩擦力Pv。作用于組合管柱上的橫向彎矩M包括為隔水管底部撓性接頭處的橫向作用力Th,LMRP、BOP及井口頭上受的海流力Fc,導(dǎo)管外壁受到的地層橫向抗力Ph。地基反力p(x,y)采用p-y曲線法計(jì)算。p-y曲線法是評(píng)估結(jié)構(gòu)與土相互作用的一種比較精細(xì)的方法,p-y曲線通常是非線性的,它與深度、土壤抗剪強(qiáng)度及載荷的循環(huán)次數(shù)有關(guān),將泥線下不同深度和土壤抵抗結(jié)構(gòu)變形的能力聯(lián)系起來。這種方法廣泛應(yīng)用于評(píng)估海洋結(jié)構(gòu)與土的相互作用。1.2簡化井身結(jié)構(gòu)安全性分析簡化井身結(jié)構(gòu)安全性分析即是其所在的整個(gè)井口系統(tǒng)安全性分析,校核準(zhǔn)則為井口偏移、傾角在允許的范圍內(nèi),井口頭彎矩小于井口極限抗彎能力,而導(dǎo)管和表層套管滿足強(qiáng)度要求。提出的簡化井身結(jié)構(gòu)安全性分析流程如圖3所示。具體步驟為:1)根據(jù)隔水管作業(yè)窗口和作業(yè)海況條件確定正常鉆井的極限作業(yè)工況。2)根據(jù)井口系統(tǒng)力學(xué)模型,建立簡化井身結(jié)構(gòu)的井口系統(tǒng)有限元模型,分析極限工況下井口系統(tǒng)承載力是否滿足井口強(qiáng)度要求。3)若簡化井身結(jié)構(gòu)不滿足極限工況井口強(qiáng)度要求,則需修改井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,在原表層套管上部配置一定數(shù)量的20in套管,并重新計(jì)算計(jì)算和強(qiáng)度校核,直到滿足井口系統(tǒng)安全性要求。4)同時(shí)需進(jìn)行固井水泥返高要求分析以確保井口系統(tǒng)的安全性。2導(dǎo)管和管道鋼,5.1.3.3以南海某超深水井為例,極限作業(yè)工況為頂張力600t,平臺(tái)偏移達(dá)到水深6%。采用噴射作業(yè)方式下入導(dǎo)管,導(dǎo)管外徑為36in,壁厚1.5in,材料X56鋼。20in套管壁厚0.812in,材料X56鋼;套管壁厚0.514in,材料L80鋼。井口極限抗彎彎矩5.4MN·m,導(dǎo)管屈服強(qiáng)度386.12MPa(安全系數(shù)1.5),許用應(yīng)力257.4MPa。2.1不同極限工況下簡化與常規(guī)井身結(jié)構(gòu)的礦井安全性指標(biāo)對(duì)比采用前述的分析模型與分析流程進(jìn)行井口系統(tǒng)安全性分析,對(duì)其進(jìn)行簡化并與常規(guī)井身結(jié)構(gòu)的井口系統(tǒng)安全性指標(biāo)對(duì)比。極限工況下簡化與常規(guī)井身結(jié)構(gòu)的井口安全性指標(biāo)對(duì)比如表1所示。由表1可知,簡化井身結(jié)構(gòu)的井口頭偏移、傾角、導(dǎo)管最大等效應(yīng)力等均增加,簡化井身結(jié)構(gòu)井口整體性能指標(biāo)明顯下降,但簡化井身結(jié)構(gòu)對(duì)井口彎矩影響較小。特別是導(dǎo)管最大等效應(yīng)力達(dá)到269.40MPa,超過許用應(yīng)力257.4MPa,簡化井身結(jié)構(gòu)不滿足井口強(qiáng)度要求。2.22in套管長度對(duì)產(chǎn)品安全性的影響由上述分析可知,在極限工況條件下簡化井身結(jié)構(gòu)不滿足井口強(qiáng)度與安全性要求。為此,提出一種新的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,即套管的上部位于井口附近接一定長度的20in套管以提高井口強(qiáng)度。采用這種新的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案后重新進(jìn)行井口系統(tǒng)安全性分析,計(jì)算得到的20in套管長度對(duì)井口安全性指標(biāo)的影響規(guī)律如表2所示。由表2可知,隨著20in套管長度的不斷增大,井口頭偏移、傾角和導(dǎo)管最大等效應(yīng)力逐漸減小,但井口彎矩和套管最大等效應(yīng)力逐漸增大。計(jì)算表明,若20in套管長度增加到13.5m時(shí),簡化井身結(jié)構(gòu)的井口安全性指標(biāo)可達(dá)到與常規(guī)井口同樣的水平。根據(jù)鉆井需要,可建議上部下入2根40ft長的20in套管,以確保簡化井身結(jié)構(gòu)的安全性。2.3未固井長度對(duì)礦井安全性指標(biāo)的影響下面研究導(dǎo)管和套管環(huán)空內(nèi)未固井長度(固井水泥漿返回不充分引起)對(duì)井口安全性的影響。采用與上述計(jì)算同樣的計(jì)算模型與方法,極限工況下導(dǎo)管與套管環(huán)空內(nèi)未固井長度對(duì)井口安全性指標(biāo)影響如表3所示。研究表明,隨著環(huán)空內(nèi)未固井長度增加,井口偏移、傾角、導(dǎo)管最大等效應(yīng)力和套管最大等效應(yīng)力逐漸變大,而井口彎矩逐漸減小;當(dāng)環(huán)空內(nèi)未固井長度超過7.5m(導(dǎo)管最大等效應(yīng)力發(fā)生位置處)時(shí),井口頭偏移、傾角和導(dǎo)管最大等效應(yīng)力變化不明顯。另據(jù)表3表明,若環(huán)空內(nèi)未固井長度超過3m,則導(dǎo)管最大等效應(yīng)力已經(jīng)超過其許用應(yīng)力,此時(shí)井口安全性不滿足要求,故極限工況條件下導(dǎo)管與套管環(huán)空內(nèi)固井水泥返高的最低要求為3m。3提高簡化井身結(jié)構(gòu)安全性的研究1)提出了超深水簡化井身結(jié)構(gòu)安全性分析的力學(xué)模型與相應(yīng)的分析方法。研究表明,相對(duì)于常規(guī)井身結(jié)構(gòu),簡化井身結(jié)構(gòu)顯著增大井口頭偏移、傾角和導(dǎo)管最大等效應(yīng)力,極限工況條件下簡化井身結(jié)構(gòu)不滿足井口強(qiáng)度要求。2)提出了一種新的提高簡化井身結(jié)構(gòu)安全性的設(shè)計(jì)方案,即套管上部接一定長度的20in套管以提高簡化井身結(jié)構(gòu)的井口安全性。計(jì)算表明,在1套管上部接2根40ft長的20in套管可達(dá)到常規(guī)井口設(shè)計(jì)的安全性水平。3)