深水鉆井井口力學(xué)分析及導(dǎo)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(fù)雜的作用力，一旦發(fā)生井口失穩(wěn)，將會帶來嚴(yán)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(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)管及表層套管承載能力開展研究，為我國深水鉆井設(shè)計(jì)及施工提供一定的理論依據(jù)。 針對深水鉆井特點(diǎn)，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(yīng)等特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)樁基和材料力學(xué)

2、理論，建立了適于深水鉆井的導(dǎo)管和表層套管承載能力分析模型及相應(yīng)求解方法。結(jié)果表明，導(dǎo)管的側(cè)阻力占到豎向承載力的絕大部分比例，隨著導(dǎo)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(xué)穩(wěn)定性分析方法，并建立了相應(yīng)的力學(xué)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(dǎo)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(dǎo)管抗彎強(qiáng)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(qiáng)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(xué)基本理論，考慮土體非線性、管柱截面變化以及井口承擔(dān)豎向載荷的特點(diǎn)，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(dǎo)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(dá)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(dǎo)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(dǎo)管表層套管的承載能力進(jìn)行分析可以滿足工程要求。 針對深水鉆井噴射下入導(dǎo)管的工藝特點(diǎn)，依據(jù)所建立的井口力學(xué)穩(wěn)定性和管柱承載能力分析理論，重點(diǎn)考慮時間效應(yīng)對導(dǎo)管承載力的影響，建立了深水鉆井導(dǎo)管下入深度確定方法，并提出了確定導(dǎo)管下深的必要條件。分析表明，隨著恢復(fù)時間的增加，所需下入的導(dǎo)管深度可以相應(yīng)減小，但是過大的時間間隔將增加鉆

6、井日費(fèi)；承載力增長系數(shù)的選取對設(shè)計(jì)結(jié)果有較大影響，應(yīng)根據(jù)區(qū)域試驗(yàn)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(dǎo)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(diǎn)，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(dǎo)管承載能力進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，SBOP系統(tǒng)的導(dǎo)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(dǎo)管尺寸仍然存在使井口失穩(wěn)的