深水油气井表层导管稳定机理研究

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1、中图分类号：TE248单位代码：11414学号：2013312030题目深水油气井表层导管稳定机理研究学科专业油气井工程研究方向油气井力学与控制工程博士生周波指导教师杨进教授二○一六年五月StudyonStabilityMechanismofSurfaceConductorinDeepWaterWellDissertationsubmittedtoChinaUniversityofPetroleum,BeijinginpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofEngineering(OrDoctorofNatu

2、ralScience)ByZhouBo（Oil-GasWellEngineering）DissertationSupervisorProf.YangJinMay,2016博士学位论文独创性声明郑重声明：本博士律位论文是作者个人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除了文中特别力II以标沌手｜｜致剧的地方外，论文中不包含其他个人和集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。对本研究做出贡献的个人和集体，均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者和导师完全意识到本声明产生的法律后果并承担相应责任。作者签名：（哉？良、日期：]

3、ot6.6.I导师签名：二fy／♂LI期：y~－d、／博士学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学（北京）学位论文版权使用的有关规定，使用万式包括但不限于：学校有权保留并向有关部门和机构送交学位论文的复印件和电子版；允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。本学位论文属于保密范围，保密期限」一年，解密后适用本授权书。本学位论文作者如需公开出版学位论文的部分或全部内容，必须征得导师书面同意，且须以中国石油大学（北京〉为第一署名单

4、位。作者料：1｛＼如久门期：2orb·6.I导师签名：和ρr乡H期：-yvr/£_I摘要摘要表层导管是深水钻井安装的第一层管柱，是重要的持力结构和循环通道。表层导管失稳是深水喷射钻井面临的主要风险。表层导管喷射安装到位后如果出现下沉、倾斜等现象，将对后续安装水下防喷器组（BOP）、采油树等作业带来巨大困难，甚至造成井口报废。为防止表层导管失稳，降低深水钻井作业风险，亟需对深水油气井表层导管稳定机理开展研究。基于水射流理论，分析了喷射安装表层导管过程淹没水射流特征，结合海底黏性土体破坏准则，建立了喷射水射流最小破土排量计算模型；针对喷射安装表层导管过程水力扩孔直径小于导管直径和水力扩

5、孔直径大于导管直径两种情况，分别建立了基于小孔扩张理论的表层导管稳定分析模型和基于小孔收缩理论的表层导管稳定分析模型。基于岩土工程理论，分析了表层导管与海底土相互作用特征，建立了表层导管与海底土相互作用挠曲微分方程；基于桩基理论，确定了表层导管极限竖向承载力计算方法及软黏土、砂性土极限侧向抗力计算方法；提出了喷射排量、钻头伸出量与表层导管承载力降低系数之间的函数关系，建立了考虑喷射排量、钻头尺寸和时间效应影响的表层导管实时承载力计算模型。通过开展喷射模拟实验，分析了喷射安装表层导管过程表层导管周围土体应力变化规律及喷射参数（喷射排量、钻头伸出量）对表层导管承载力和表层导管下入效率的

6、影响规律，对表层导管稳定分析模型、表层导管实时承载力计算模型进行了验证。喷射安装表层导管过程，表层导管周围土体受水射流扰动发生侧阻软化现象，表层导管承载力急剧降低。表层导管承载力随着喷射排量、钻头伸出量的增加呈指数关系降低，当喷射排量值超过1.2倍最小破土排量时，表层导管承载力降低幅度达到最大，钻头喷嘴完全伸出表层导管外部后，钻头伸出量变化对表层导管承载力影响减小，表层导管下入速度随喷射排量、钻头伸出量增大呈幂函数增大；表层导管喷射安装到位后，表层导管承载力随静置时间呈对数关系恢复。利用有限元方法，建立了表层导管与海底土相互作用的有限元模型，利用有限元COMBIN39单元实现了土体

7、p-y曲线描述，实现了表层导管与周围土体相互作用过程土体弹塑性特征的准确表征；基于材料力学、虚功原理建立了表层导管刚度矩阵；利用ANSYS有限元分析软件对表层导管尺寸、井口倾斜角度、出泥高度、顶张力等表层导管稳定性的影响因素进行了敏感性分析。-II-摘要根据理论模型和模拟实验结果，综合考虑“喷射水力破土能力、表层导管承载力”双因素约束，建立了的喷射排量、钻头伸出量设计方法和表层导管安装深度与静置时间窗口设计方法。该设计方法在南海自营深水井得到成功应用，有效保证了表层导