深水钻井隔水管及井口作业分析与决策研究机械设计及理论专业论文.docxVIP

中国石油大学（华东） 博士学位论文 深水钻井隔水管及井口作业分析与决策研究 姓名：鞠少栋 申请学位级别：博士 专业：机械设计及理论 指导教师：陈国明 201205 ·摘要本文以十二五国家科技重大专项课题“深水钻完井工程技术子课题“深水钻井 ·摘要 本文以十二五国家科技重大专项课题“深水钻完井工程技术子课题“深水钻井 隔水管作业管理及安全评价技术研究”和国家自然科学基金项目“南海超深水钻井隔 水管单根设计与作业管理关键问题研究”为依托，面向南海环境条件，系统开展深水 钻井隔水管及井口作业分析与决策研究，在隔水管及井口系统耦合分析模型建立、隔 水管系统配置与顶张力设计、隔水管作业窗口确定、水下井口与导管系统钻前配置、 隔水管及井口应急技术方面取得重要研究进展和技术创新，部分研究成果填补国内空 白，可为我国南海深水钻完井隔水管与井口作业技术发展提供技术支持。主要研究进 展总结如下： 1深水钻井隔水管及井口系统分析模型研究 针对深水钻井隔水管及井1：3系统关键作业模式，分别建立隔水管连接作业静态与 动态分析模型、悬挂作业轴向动态分析模型以及井口与导管分析模型，以上述理论模 型为基础研究平台，重点解决了隔水管．井口．导管耦合分析模型建模问题。通过隔水管 与井口系统解耦和耦合模型对比分析表明，隔水管．导管．土壤模型结果最精确且最符合 现场作业实际，若钻井前已获得土壤剖面详细参数，应采用此模型进行隔水管与井口 响应分析；隔水管．导管模型分析结果接近隔水管．导管．土壤模型，若暂时无法获得土 壤详细剖面资料，推荐采用此模型进行分析以获得较可靠的隔水管与井口响应数据。 2深水钻井隔水管系统配置与顶张力设计 以隔水管长度确定、隔水管单根壁厚校核、浮力块选型配置以及隔水管单根布置 分析为研究基础，研究出深水钻井隔水管系统配置方法，以此确定1500m水深目标井 的隔水管系统配置方案，作为后续隔水管．井口系统作业分析与决策的基础数据。研究 隔水管系统顶张力的稳定性算法、底部残余张力算法和最大钩载算法，采用确定的隔 水管系统配置方案进行顶张力适用性分析。研究认为，稳定性算法可考虑多个因素的 影响，适应范围较广但计算繁琐；底部残余张力算法计算简单但适用性较差；最大钩 载算法简单实用，推荐作为现场作业顶张力确定首选方法。 3深水钻井隔水管作业窗口确定方法研究 作为隔水管作业分析与决策的核心内容，隔水管作业窗口对于指导隔水管作业至 关重要。基于隔水管．井口系统分析模型和隔水管系统配置及顶张力研究成果，建立隔 水管与井口系统耦合分析有限元模型，确定隔水管关键作业工况的组合极限准则，采 用钻井平台偏移、波浪波高周期和表面海流流速等组合参数形式，研究出隔水管下放／ 回收作业、钻完井作业及悬挂作业对应的钻井平台偏移与环境载荷极值条件，从而在 深水钻井隔水管关键作业工况作业窗口分析方法研究上取得突破。以此确定隔水管下 放／回收作业最危险工况和采用软悬挂模式进行隔水管台风自存作业，并通过隔水管钻 放／回收作业最危险工况和采用软悬挂模式进行隔水管台风自存作业，并通过隔水管钻 井窗口实时调控方法研究及完井窗口影响因素分析，推荐改善隔水管钻完井作业窗口 的措施。 4水下井口与导管系统钻前配置研究 井口出泥高度与导管入泥深度设计为水下井口系统钻前配置的重要组成部分。以 三种井口出泥高度算法为研究基础，提出井口钻前设计最适用方法。基于土壤初始、 实时和极限承载能力分析，明确土壤不排水抗剪强度和平均抗剪强度关系及土壤承载 力随时间的恢复规律，研究出导管最小和最大入泥深度设计方法，确定出井口导管喷 射下入作业、表层套管固井作业与安装BOP作业等危险工况导管所需的最小入泥深度 以及连续喷射和上提／下放导管方式下导管能下入的最大入泥深度，并分析了不同因素 对导管最小和最大入泥深度的影响。通过进行井口与导管作业分析，研究了井口抗弯 能力、导管承载能力及井口导管喷射下入参数设计方法，以保证后续钻井作业的连续 和井口系统的安全。 5深水钻井隔水管与井口应急技术研究 深水钻井隔水管与井口应急技术可有效减小作业风险并防止恶劣事故的发生。以 隔水管防台快速撤离为目的，研究近海面脱离装置与空气罐功能原理及基本结构，设 计隔水管防台近海面脱离方案，进行紧急脱离设置点分析和隔水管近海面脱离位置分 析。研究井喷救援井口应急策略，分析LMRP帽子法和简易BOP法对应的井口与导管 承载能力安全性。以井口与导管下入作业决策、基于监测的隔水管钻井作业决策、作 业中设备故障决策、隔水管紧急脱离以及避台撤离决策为基础，建立隔水管与井口不 同工况关键作业应急决策方法流程，为实时快速作业调整提供指导。 关键词：深水钻并隔水管，水下井口，作业分析，决策 Abstract111is Abstract 111is dissert