深水噴射鉆井導(dǎo)管力學(xué)分析與強(qiáng)度校核

唐海雄，盛磊祥，陳 彬（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳518067）

陳維杰，暢元江，陳國明（中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 東營257061）

深水噴射鉆井導(dǎo)管力學(xué)分析與強(qiáng)度校核

唐海雄，盛磊祥，陳 彬（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳518067）

陳維杰，暢元江，陳國明（中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 東營257061）

深水噴射鉆井作業(yè)中導(dǎo)管強(qiáng)度是確保井口穩(wěn)定以及后續(xù)鉆井作業(yè)順利進(jìn)行的有力保障。對最危險(xiǎn)工況下的導(dǎo)管柱橫向受力進(jìn)行了分析，并基于有限元技術(shù)提出一種導(dǎo)管強(qiáng)度校核的方法。分別建立隔水管和導(dǎo)管系統(tǒng)的力學(xué)分析模型，尤其針對下入有傾斜及固井有缺陷的導(dǎo)管進(jìn)行了強(qiáng)度校核，求得鉆井船最大許用偏移。算例表明，鉆井船偏移對導(dǎo)管強(qiáng)度的影響主要集中在泥線下較短一段管柱，導(dǎo)管2°內(nèi)傾斜與固井缺陷對其橫向承載能力影響較小。

噴射鉆井；深水鉆井；導(dǎo)管；強(qiáng)度校核

噴射下導(dǎo)管技術(shù)是為了解決海床不穩(wěn)定、破裂壓裂梯度底、氣體水合物堵塞、淺層水流危害以及海底低溫變化等淺層土地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)難題而提出的一種新的淺層土鉆井工藝，已經(jīng)成功運(yùn)用于我國南海深水區(qū)域的油氣田開發(fā)［1］。導(dǎo)管是井身結(jié)構(gòu)中最表層的套管，它為整個(gè)套管柱、海底采油樹以及井下防噴器組提供重要支撐［2］。由于作業(yè)環(huán)境和操作誤差等影響因素，導(dǎo)管在噴射下入過程中可能偏斜，導(dǎo)致安裝結(jié)束后產(chǎn)生一定斜度。此外，導(dǎo)管在固井過程中可能由于水泥漿漏失導(dǎo)致固井有缺陷。針對以上情況，在極端環(huán)境載荷作用下過大的鉆井船偏移可能引起導(dǎo)管抗彎失效或變形過大而影響后續(xù)的鉆井作業(yè)，因此，有必要對導(dǎo)管的橫向承載能力進(jìn)行校核，以確保作業(yè)的安全性。文獻(xiàn)［3，4］對導(dǎo)管的豎向承載能力進(jìn)行過計(jì)算分析并給出導(dǎo)管的下深確定方法；管志川等［5］基于土力學(xué)和樁基理論對導(dǎo)管和表層套管橫向承載能力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算；API標(biāo)準(zhǔn)中對不同性質(zhì)土的側(cè)向承載力進(jìn)行了分析［6］，給出載荷位移（p－y）曲線；王騰等［7］借鑒API中樁基水平承載力的設(shè)計(jì)方法對導(dǎo)管水平承載力進(jìn)行了研究，但導(dǎo)管強(qiáng)度的分析與校核目前尚未形成系統(tǒng)的做法。筆者基于有限元分析方法，結(jié)合南海區(qū)域性海洋環(huán)境，分別建立隔水管系統(tǒng)和導(dǎo)管系統(tǒng)的整體有限元模型，利用非線性彈簧單元較好地模擬樁－土耦合作用，通過算例對不同鉆井船偏移和固井水泥環(huán)返高組合工況下的導(dǎo)管橫向承載能力進(jìn)行了分析與校核，旨在為南海深水噴射鉆井導(dǎo)管強(qiáng)度校核提供有用參考。

1 導(dǎo)管受力分析與強(qiáng)度校核方法

導(dǎo)管橫向受力最大的情況出現(xiàn)在防噴器與井口相連之后。深水鉆井系統(tǒng)受力示意圖如圖1所示。

此時(shí)隔水管底端與防噴器組相連，頂端與鉆井船相連，風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷及其他外部因素作用引起的鉆井船偏移會(huì)使隔水管對底部防噴器組產(chǎn)生水平分力，并最終通過井口傳遞到導(dǎo)管之上。圖1中泥線以下管串最表層的管柱為導(dǎo)管，里面的管柱為表層套管，導(dǎo)管與表層套管的環(huán)空為固井水泥環(huán)。忽略土層對導(dǎo)管底端的反力。導(dǎo)管承受的作用力主要來自隔水管底部撓性接頭處的豎向和橫向反力、防噴器組與井口重量、作用于防噴器組及井口的橫向波流力、海底土層對導(dǎo)管的側(cè)向摩擦力和橫向土反力等。

在建立有限元模型時(shí)，將圖1中的鉆井系統(tǒng)在底部撓性接頭處分開，提取隔水管底部撓性接頭橫向分力、軸向分力以及彎矩作為邊界條件，通過平移將力與彎矩轉(zhuǎn)化到導(dǎo)管上面，平移示意圖如圖2所示。圖2中，G井口為井口頭重量；GBOP為防噴器組的重量；Fx為橫向分力；Fz為軸向分力；M1為撓性接頭處產(chǎn)生彎矩；h為撓性接頭到導(dǎo)管頂端距離；M為平移到導(dǎo)管頂端上的彎矩；G為作用在導(dǎo)管上的重量。

圖1 深水鉆井系統(tǒng)受力示意圖

圖2 力邊界平移示意圖

轉(zhuǎn)移后各變量之間有以下關(guān)系：

通過以上力與彎矩的轉(zhuǎn)換，對導(dǎo)管系統(tǒng)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，可求得不同工況下作用在導(dǎo)管上的最大應(yīng)力；根據(jù)導(dǎo)管應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，可對導(dǎo)管的強(qiáng)度進(jìn)行校核，得出最大應(yīng)力對應(yīng)的最大鉆井船偏移，求得鉆井船最大許用偏移值。

2 算例分析與討論

以南海某超深水井為例，水深為2461m，采用噴射鉆井安裝導(dǎo)管，導(dǎo)管外徑為36in（1in＝2.54cm）、 壁厚 1.5in；表層套管外徑 為20in，壁厚0.812in。導(dǎo)管和表層套管的材料為X56鋼。鉆井系統(tǒng)各組成部分重量為：防噴器216t；LMRP線性總成107t；隔水管300t；隔水管內(nèi)水泥漿50t；井口5t。水管頂部張力取極端風(fēng)暴潮作用下使用的張力600t。

2.1 校核工況與標(biāo)準(zhǔn)

在600t頂張力的情況下，考慮鉆井船不同偏移（水深的0%～6%）和固井水泥環(huán)不同返高，針對導(dǎo)管、水泥環(huán)、表層套管組成的管柱，對導(dǎo)管下入無傾斜以及導(dǎo)管下入有傾斜且傾斜角為1、1.5、2°等工況的橫向承載能力進(jìn)行分析與強(qiáng)度校核。

由于目前尚未有偏移、轉(zhuǎn)角和彎矩的控制標(biāo)準(zhǔn)，因此主要依據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行校核。導(dǎo)管材料為X56鋼，其屈服強(qiáng)度為386MPa，安全系數(shù)取1.5，導(dǎo)管最大等效應(yīng)力不能超過257MPa。

2.2 邊界條件轉(zhuǎn)化

利用ABAQUS軟件建立隔水管系統(tǒng)（圖3）。其中隔水管系統(tǒng)包括隔水管與水泥漿。根據(jù)海底淺層土壤數(shù)據(jù)，以p－y曲線描述導(dǎo)管與土壤的相互作用，以非線性彈簧單元模擬導(dǎo)管承受的非線性土壤抗力，以導(dǎo)管傾斜角0°為例（即導(dǎo)管無傾斜），建立導(dǎo)管系統(tǒng)有限元模型（圖4）。導(dǎo)管系統(tǒng)包括水泥環(huán)和表層套管。

經(jīng)計(jì)算分析后，提取的隔水管底部撓性接頭轉(zhuǎn)角、彎矩、X方向支反力和Z方向支反力如表1所示。表1中的彎矩M1是根據(jù)底部撓性接頭轉(zhuǎn)角和接頭抗彎剛度計(jì)算得來的，底部撓性接頭的抗彎剛度為5283600N·m/rad。

圖3 隔水管系統(tǒng)有限元模型

圖4 導(dǎo)管系統(tǒng)有限元模型

表1 隔水管底部撓性接頭結(jié)果

根據(jù)表1中的結(jié)果數(shù)據(jù)，結(jié)合圖2所示的力邊界平移示意圖，其中h＝14.98m，求得作用在導(dǎo)管頂端節(jié)點(diǎn)的力與彎矩（M）邊界，見表2。

表2 導(dǎo)管頂端節(jié)點(diǎn)力與彎矩邊界

通過觀察比較表1和2中的彎矩值發(fā)現(xiàn)，M值要遠(yuǎn)大于M1值，說明由底部撓性接頭處的橫向力產(chǎn)生的彎矩對導(dǎo)管的受力占絕對主導(dǎo)作用。

2.3 導(dǎo)管等效應(yīng)力

以導(dǎo)管下入無傾斜為例，分固井良好與固井有缺陷2種情況。對強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，提取導(dǎo)管最大橫向偏移和最大應(yīng)力結(jié)果，對強(qiáng)度進(jìn)行校核。傾斜導(dǎo)管的強(qiáng)度校核過程與此類似。

1）固井良好 固井良好指固井水泥漿能順利上返到井口。圖5為不同鉆井船偏移下導(dǎo)管的橫向偏移、轉(zhuǎn)角、彎矩和等效應(yīng)力圖。從圖5可見，導(dǎo)管偏移和轉(zhuǎn)角變化規(guī)律一致，導(dǎo)管彎矩和應(yīng)力變化規(guī)律一致。

由于該校核的標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)導(dǎo)管應(yīng)力，因此提取導(dǎo)管最大應(yīng)力結(jié)果，見表3。

圖5 固井良好情況下考慮不同鉆井船偏移對導(dǎo)管橫向承載能力影響規(guī)律

表3 固井良好情況下導(dǎo)管最大應(yīng)力值

2）固井有缺陷 有缺陷是指水泥環(huán)不能正常上返到井口。根據(jù)水泥環(huán)返高距泥線高度不同，分以下4種工況對導(dǎo)管橫向承載力進(jìn)行分析校核。工況1：水泥返高距離泥線3m；工況2：水泥返高距離泥線6m；工況3：水泥返高距離泥線9m；工況4：導(dǎo)管和套管環(huán)空內(nèi)無泥漿。不同鉆井船偏移下導(dǎo)管最大應(yīng)力值見表4。

表4 固井有缺陷情況下導(dǎo)管最大應(yīng)力值

對不同工況下導(dǎo)管最最大應(yīng)力進(jìn)行比較如圖6所示。

圖6 不同工況下最大應(yīng)力值比較

2.4 鉆井船最大許用偏移

根據(jù)強(qiáng)度校核準(zhǔn)則中導(dǎo)管應(yīng)力不能超過257.3MPa的規(guī)定，通過線性插值計(jì)算求得各種工況下鉆井船最大許用偏移值見表5所示。表中工況1、2、3、4與2.3節(jié)中的水泥返高一樣，傾斜角為0°表示導(dǎo)管無傾斜。

3 結(jié) 論

1）導(dǎo)管橫向偏移在導(dǎo)管頂端處最大，且隨鉆井船偏移增大而增大。算例表明，導(dǎo)管應(yīng)力在泥線下7m處達(dá)到正方向最大值，然后開始反方向減小。位移和應(yīng)力在泥線以下一定深度都基本為零。鉆井船偏移對導(dǎo)管的作用主要集中在泥線下大約30m這一段管柱，對此之下的管柱幾乎沒有影響。

表5 不同工況下鉆井船最大許用偏移

2）表層套管固井水泥環(huán)距泥線距離越小，導(dǎo)管抗彎能力越強(qiáng)。尤其是靠近泥線20m這段水泥柱能有效地提高導(dǎo)管抗彎能力。與鉆井船偏移相比，固井水泥環(huán)返高對導(dǎo)管橫向承載力影響要小很多。

3）與無傾斜相比，傾斜狀態(tài)對導(dǎo)管抗彎能力和橫向承載能力影響不大，但導(dǎo)管傾斜角過大，會(huì)導(dǎo)致鉆桿磨損直至報(bào)廢，影響后續(xù)鉆井作業(yè)。在水泥返高相同的情況下，導(dǎo)管傾斜角越大，鉆井船最大許用偏移越小，但變化的幅度較小。

［1］徐榮強(qiáng)，陳建兵，劉正禮，等.噴射導(dǎo)管技術(shù)在深水鉆井作業(yè)中的應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，2007，35（3）：19～22.

［2］Akers T J.Jetting of structural casing in deepwater environments：job design and operational practices［J］.SPE 102378，2008.

［3］Philippe J.Innovative design method for deepwater surface casing［J］.SPE 77357，2002.

［4］Beck R D.Reliable deepwater structural casing installation using controlled jetting［J］.SPE 22542，1991.

［5］管志川，蘇堪華，蘇義腦.深水鉆井導(dǎo)管和表層套管橫向承載能力分析［J］.石油學(xué)報(bào)，2009，30（2）：285～290.

［6］API RP2A－WSD－2000，Recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platforms －working stress design［S］.

［7］王騰，孫寶江.深水噴射井口結(jié)構(gòu)套管水平承載力［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，32（5）：50～53.

Mechanical Analysis and Strength Calibration of Conductor for Deepwater Jetting Drilling

TANG Hai－xiong，SHENG Lei－xiang，CHEN Bin（（Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.，Shenzhen518067，Guangdong，China）
CHEN Wei－jie，CHANG Yuan－jiang，CHEN Guo－min（College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Dongying257061，Shandong，China）

Strength of conductor was a strong guarantee for wellhead stability and successful subsequent drilling operation in deepwater jetting drilling.The mechanical force applied on a lateral position of conductor was analyzed in the most dangerous condition，a method for conductor strength correction was put forward based on finite element technique.The mechanical analysis model was built respectively for riser and conductor systems.Strength correction was made especially for conductors with inclination and cementing defects，and the maximum allowable offset of drilling vessels was given finally.The example indicates that the influence of drilling vessel offset to conductor strength concentrates mainly on a short pipe string below mudline，and the inclination is less than 2degree and cementing defect has little influence on conductor lateral bearing capacity.

jetting drilling；conductor；strength calibration；deepwater drilling

TE52

A

1000－9752（2010）05－0146－05

2010－07－10

國家科技重大專項(xiàng)（2008ZX05026－001）。

唐海雄（1962－），男，1983年江漢石油學(xué)院畢業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事海洋石油鉆完井技術(shù)研究，重點(diǎn)攻關(guān)大位移井和深水井等前沿鉆完井技術(shù)。

［編輯］ 蘇開科