考慮“筒中筒”耦合作用的深水隔水管柱與鉆柱碰摩運(yùn)動(dòng)規(guī)律

狄勤豐 駱大坤 秦墾 王文昌 陳鋒

摘要：深水鉆井時(shí)，旋轉(zhuǎn)鉆柱與海洋環(huán)境力作用下發(fā)生振動(dòng)的隔水管柱易發(fā)生接觸，造成鉆柱與隔水管柱的碰撞或者摩擦。為了解隔水管柱與鉆柱間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，減輕兩者間碰摩，保證作業(yè)安全性，提出了一種模擬深水隔水管柱-鉆柱組成的“筒中筒”耦合系統(tǒng)模型，通過(guò)分析二者間的位移與接觸力，實(shí)現(xiàn)海洋深水鉆井作業(yè)時(shí)隔水管柱與鉆柱的耦合動(dòng)力學(xué)模擬的建立。模擬結(jié)果表明，考慮隔水管柱與鉆柱接觸的情況下，海流作用和渦激作用對(duì)鉆柱的動(dòng)力學(xué)特征具有較大影響；海流速度增加，隔水管柱彎曲程度變大，隔水管柱的振動(dòng)特征會(huì)限制鉆柱運(yùn)動(dòng)；井口轉(zhuǎn)速增加對(duì)鉆柱的渦動(dòng)特征影響小，但會(huì)增大鉆柱與隔水管柱內(nèi)壁的接觸力，增大鉆柱與隔水管柱的失效風(fēng)險(xiǎn)。該理論為海洋深水鉆井摩阻分析提供了新的借鑒。

關(guān)鍵詞：深水鉆井；鉆柱動(dòng)力學(xué)；“筒中筒”耦合結(jié)構(gòu)；隔水管柱-鉆柱耦合振動(dòng)；接觸碰撞

中圖分類(lèi)號(hào)：TE52；TE243 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

0 引言

深水油氣已成為我國(guó)重要的油氣接替能源，但其鉆井施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，是當(dāng)今油氣鉆探領(lǐng)域聚焦的技術(shù)難點(diǎn)之一。尤其在我國(guó)南海，海洋環(huán)境惡劣、淺層地質(zhì)災(zāi)害復(fù)雜［1］，導(dǎo)致南海深部油氣鉆采風(fēng)險(xiǎn)較高［2］。目前我國(guó)已形成了相對(duì)完善的深水、深層海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)理論體系［3］，為南海油氣資源開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

深水鉆井的鉆柱動(dòng)力學(xué)特性復(fù)雜，振動(dòng)影響因素眾多，鉆柱易出現(xiàn)跳鉆、黏滑等不穩(wěn)定振動(dòng)［4］，鉆柱系統(tǒng)的有害振動(dòng)對(duì)控制井身質(zhì)量及安全高效鉆進(jìn)造成了不利影響［5］。因此，探明深水鉆井鉆柱的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)特征對(duì)確保鉆柱安全十分重要。深水鉆井鉆柱動(dòng)力學(xué)分析難度極大，需要考慮鉆柱軸向-橫向-扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的耦合［6］、鉆柱與井筒內(nèi)壁的接觸碰撞［7］、井眼軌跡形態(tài)對(duì)鉆柱振動(dòng)［8］及受力特征［9］的影響、提速工具（包括預(yù)彎曲短節(jié)［10］、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具［11］等） 對(duì)鉆柱的激勵(lì)、鉆頭破巖過(guò)程中產(chǎn)生的鉆頭激勵(lì)［12］等多方面因素，且要考慮深水隔水管振動(dòng)對(duì)上部鉆柱振動(dòng)規(guī)律［13］及受力特征的影響［14］，利用實(shí)驗(yàn)方法和解析分析無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

在深水環(huán)境下，隔水管柱在波浪力、海流力等海洋環(huán)境力作用下發(fā)生振動(dòng)，鉆柱繞軸線自轉(zhuǎn)并發(fā)生渦動(dòng)，隔水管柱與鉆柱在不同深度處均有發(fā)生接觸的可能［15］，兩者在各自激勵(lì)作用下同時(shí)振動(dòng)且相互影響［16］，一些學(xué)者將這種相互影響歸納為“耦合作用”［17］，并認(rèn)為隔水管與內(nèi)部鉆柱構(gòu)成耦合系統(tǒng)［18］，還有學(xué)者針對(duì)內(nèi)外雙層筒結(jié)構(gòu)的耦合動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了模擬與研究［19］，驗(yàn)證了其耦合模型的準(zhǔn)確性。這些研究均證明了隔水管柱與鉆柱之間存在耦合關(guān)系。

目前，深水鉆井隔水管柱動(dòng)力學(xué)特征研究主要關(guān)注其渦激振動(dòng)特征［20］及由共振導(dǎo)致的“鎖定”效應(yīng)［21］，大多忽略了內(nèi)部鉆柱運(yùn)動(dòng)的影響，可見(jiàn)隔水管柱-鉆柱耦合系統(tǒng)的振動(dòng)并沒(méi)有引起足夠的重視。事實(shí)上，在大鉤拉力作用下鉆柱的非線性剛度增加，在彎曲的隔水管柱內(nèi)向一側(cè)貼靠，產(chǎn)生較大的側(cè)向接觸力，進(jìn)而影響其振動(dòng)特征；從隔水管柱的角度看，來(lái)自鉆柱的接觸或碰撞會(huì)導(dǎo)致隔水管柱空間構(gòu)形發(fā)生變化，這又會(huì)影響隔水管柱的振動(dòng)特性。

在深水條件下，隔水管柱的振動(dòng)特性是否對(duì)超深井（井深介于6 000～9 000 m） 鉆柱的振動(dòng)產(chǎn)生影響至今不明。文獻(xiàn)［13］中提及了隔水管柱與鉆柱存在耦合的情況，而文獻(xiàn)［15］利用商業(yè)有限元軟件進(jìn)行了相關(guān)的分析，但對(duì)耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特征的研究范圍有限。在考慮這種耦合作用情況下，本文建立了深水隔水管柱-超深井鉆柱耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合節(jié)點(diǎn)迭代法和整體矩陣法，實(shí)現(xiàn)了深水隔水管柱-超深井鉆柱耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的求解，分析不同海流速度、井口鉆柱轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)深水鉆井管柱動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，為雙深（深水、超深井） 鉆井情況下鉆柱動(dòng)態(tài)安全性分析提供有用方法。

1 方法過(guò)程

1.1 模型建立

對(duì)隔水管柱在空間上進(jìn)行離散，沿縱向劃分為一系列Euler 梁?jiǎn)卧?。按照隔水管柱配置，?duì)不同位置處梁?jiǎn)卧獏?shù)進(jìn)行賦值，得到一個(gè)非均勻的簡(jiǎn)支梁模型。簡(jiǎn)化的隔水管柱模型如圖1 所示，管柱離散為具有n 個(gè)節(jié)點(diǎn)的n?1 個(gè)梁?jiǎn)卧?/p>

對(duì)隔水管柱進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)，采用海洋結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中普遍使用的模型，計(jì)算海洋環(huán)境引起的作用力，包括波浪力、海流力等。根據(jù)無(wú)限水深的Airy 波浪理論［22］，可得到任意時(shí)刻、任意水深處波浪沿水平方向的速度及加速度。