深水鉆井井口力學分析及導管承載能力研究.pdf

1、深水鉆井水下井口上部連接防噴器組及隔水管，下部連接套管串，在鉆井作業(yè)過程中承受復雜的作用力，一旦發(fā)生井口失穩(wěn)，將會帶來嚴重后果。但是目前并沒有針對該問題的系統(tǒng)的理論分析方法，因此有必要對水下井口的力學穩(wěn)定性和導管及表層套管承載能力開展研究，為我國深水鉆井設計及施工提供一定的理論依據(jù)。 針對深水鉆井特點，在綜合分析井口橫向彎矩及豎向力的共同作用、管柱抗彎剛度的變化、管柱與海底淺部地層間的非線性響應等特征的基礎上，根據(jù)樁基和材料力學

2、理論，建立了適于深水鉆井的導管和表層套管承載能力分析模型及相應求解方法。結(jié)果表明，導管的側(cè)阻力占到豎向承載力的絕大部分比例，隨著導管入泥長度的增加，其豎向承載力迅速增大：橫向作用力對管柱的作用集中在其上部較短的一段區(qū)域內(nèi)，隨著隔水管頂部張緊力、鉆井船漂移量、海流流速的增加，管柱最大橫向位移、偏移角度、彎矩、剪力及地基反力都逐漸增大，同時對管柱的作用深度逐漸增加。 綜合考慮海洋環(huán)境載荷、鉆井船漂移、隔水管擾動等因素對套管柱與地層之

3、間的相互作用的影響，提出了深水鉆井水下井口力學穩(wěn)定性分析方法，并建立了相應的力學分析模型及數(shù)值化求解方法。分析結(jié)果表明，水下井口的橫向偏移及彎矩隨張力比和海流流速的增加而大幅增大；隨著鉆井船漂移量的增加，井口的橫向位移和彎矩近似線性增加；導管的下入深度必須超過海底淺部松軟土層，超過該深度后下入深度再大對井口的橫向穩(wěn)定性也幾乎沒有影響；提高泥線以下一定深度的導管抗彎強度、控制合理的井口高度及沖刷深度、獲取淺部地層的取樣數(shù)據(jù)等措施可以增強水

4、下井口的穩(wěn)定性。 針對隔水管擺動對井口穩(wěn)定性及管柱承載能力的動態(tài)影響問題，依據(jù)土動力學基本理論，考慮土體非線性、管柱截面變化以及井口承擔豎向載荷的特點，建立了管柱與海底淺部地層相互作用的動力分析模型，推導了線性模型中管柱的橫向位移、偏移角度、彎矩、剪力的解析表達式，同時建立了非線性模型的數(shù)值化求解方法。分析結(jié)果表明，在較低頻率區(qū)域管柱的變形及內(nèi)力與靜力情況下相差不大，只有接近管柱的自振頻率時，變形及內(nèi)力才急劇增加：導管外徑和壁厚

5、對管柱自振頻率影響不大：不考慮井口豎向力對管柱的動力橫向承載能力幾乎沒有影響：采用靜力方法對井口穩(wěn)定性及導管表層套管的承載能力進行分析可以滿足工程要求。 針對深水鉆井噴射下入導管的工藝特點，依據(jù)所建立的井口力學穩(wěn)定性和管柱承載能力分析理論，重點考慮時間效應對導管承載力的影響，建立了深水鉆井導管下入深度確定方法，并提出了確定導管下深的必要條件。分析表明，隨著恢復時間的增加，所需下入的導管深度可以相應減小，但是過大的時間間隔將增加鉆

6、井日費；承載力增長系數(shù)的選取對設計結(jié)果有較大影響，應根據(jù)區(qū)域試驗數(shù)據(jù)確定；深水環(huán)境下隔水管傳遞到井口上的作用力對導管下入深度確定幾乎沒有影響。 針對深水鉆井SBOP系統(tǒng)的特點，利用所建立的常規(guī)深水鉆井系統(tǒng)的井口穩(wěn)定性分析理論對SBOP系統(tǒng)的水下井口穩(wěn)定性及導管承載能力進行了分析。結(jié)果表明，SBOP系統(tǒng)的導管下入深度可以比常規(guī)系統(tǒng)淺很多，隔水管尺寸變小使其水下井口承受的載荷較常規(guī)系統(tǒng)大大降低，但是過小的導管尺寸仍然存在使井口失穩(wěn)的