浮力块对深水钻井隔水管主要性能的影响.docxVIP

浮力块对深水钻井隔水管主要性能的影响3许亮斌1蒋世全1畅元江2陈国明2孙有义2(11中海石油研究中心:21中国石油大学(华东))摘要采用ABAQUS软件对带浮力块的深水钻井隔水管的静态性能进行了分析,定量分析了浮力块直径和长度对隔水管的弯曲应力、横向变形、底部柔性接头转角和等效应力的影响;采用Shear7软件对裸隔水管、浮力块交错分布隔水管和全浮力块隔水管的涡激振动性能进行了分析,定量分析了不同浮力块分布方案下隔水管的固有频率、均方根位移、均方根应力响应以及疲劳损伤。通过增加浮力块的直径和长度增加隔水管的浮力,有助于改善隔水管的各种静态性能,降低对顶张力的要求,但是在下部安装浮力块对隔水管的悬挂、安装及回收不利,因此需要综合考虑。全浮力块分布方案会造成隔水管水动力外径增大,外部流体对隔水管的输入能量会大幅度提高,从而导致隔水管疲劳损伤进一步增加;浮力块交错分布方案可降低隔水管的疲劳损伤,但位移响应偏大;综合考虑推荐采取浮力块交错布置方案。关键词深水钻井隔水管浮力块静态性能涡激振动对于水深大于1000m的深水钻井而言,由于受张力器附近隔水管本体和接头强度的限制,隔水管可以承受的顶张力很有限,加上横向载荷特别是自身重量的作用,隔水管需有足够大的顶张力才能维持自身的稳定性,因此,必须增加浮力块来提供分布式浮力,以改善隔水管的局部力学性能,减小柔性接头转角,拓宽深水钻井作业窗口,降低对隔水管张力器张力的要求,进而降低对钻井装置性能的要求[1,2]。目前有关浮力块对深水钻井隔水管性能的影响分析还未见有文献报道。本文采用ABAQUS软件建立深水钻井隔水管有限元分析模型,定量分析了浮力块长度和直径对隔水导管弯曲应力、横向变形、底部柔性接头转角、等效应力的影响,并采用Shear7软件对裸隔水管、浮力块交错分布隔水管和全浮力块隔水管进行了涡激振动性能分析,所获得的研究成果对于认识浮力块对深水钻井隔水管性能的影响,以及现场合理使用浮力块具有一定的参考意义。1浮力块对深水钻井隔水管静态性能的影响采用ABAQUS软件[3]建立深水钻井隔水管的有限元分析模型,并通过以下假设考虑浮力块对隔水管静态性能的影响:(1)浮力块对隔水管刚度没有影响;(2)浮力块只提供净浮力;(3)通过修改水动力学直径考虑浮力块对隔水管静态性能的影响。111相同直径不同长度浮力块的影响选取直径(D)为1016mm,长度(L)分别为100、200、300、400m以及无浮力块的隔水管情况进行研究,浮力块安装起始位置均为海平面以下500m处。11111弯曲应力不同长度浮力块对隔水管弯曲应力的影响示于图1,可以看出,弯曲应力出现2个极值,上部弯曲应力极值位于海平面下方10～20m,下部弯曲应力极值出现在底部柔性接头上方30～45m;在浮力块直径相同的情况下,随着浮力块长度的增加,隔水管下部弯曲应力极值明显减小,说明浮力块长度越长对于改善隔水管底部弯曲效果越显著;而上部弯曲应力极值几乎不受浮力块长度的影响。11112横向变形3中国海洋石油总公司深水工程重点实验室课题“深水钻井隔水管技术研究及双梯度钻井技术先导性研究”部分研究成果。第一作者简介:许亮斌,男,2004年获中国石油大学(华东)机械设计与理论专业博士学位,现在中海石油研究中心从事深水钻井工程与钻井技术研究工作。地址:北京市东城区东直门外小街6号海油大厦15层(邮编:100027)。电话:010第19卷第5期许亮斌等:浮力块对深水钻井隔水管主要性能的影响339不同长度浮力块对隔水管横向变形的影响示于图2,可以看出,随着浮力块长度的增加,横向变形减小,说明浮力块对隔水管的横向变形有较大影响。隔水管底部柔性接头的转角显著减小,无浮力块隔水管底部柔性接头的转角为4154°,而长度为400m的浮力块可使隔水管底部柔性接头转角减小至2134°。11114等效应力不同长度浮力块对隔水管等效应力的影响示于图4,可以看出,随着浮力块长度的增加,安装浮力块处及其以下部分的等效应力增大(这是由于浮力块产生的分布式浮力增加了隔水管壁的轴向应力,从而增大了等效应力),而安装浮力块以上部分等效应力几乎没有变化,隔水管最大等效应力仍然出现在隔水管上部,这说明浮力块对等效应力的影响与浮力块的布置位置有很大关系。图1不同长度浮力块(直径1016mm)对隔水管弯曲应力的影响图4不同长度浮力块(直径1016mm)对隔水管等效应力的影响112相同长度不同直径浮力块的影响选取长度为400m,直径分别为101610、图2不同长度浮力块(直径1016mm)对隔水管横向变形的影响111716、121912、132018mm以及无浮力块情况进行研究,浮力块安装起始位置均为海平面下500m。11211弯曲应力不同直径浮力块对隔水管弯曲应力的影响示于图5,可以看