基于仿真的海底钻井液举升钻井返回系统

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1、石油机械2011年第39卷第5期CHINAPETROLEUMMACHINERY～23一●设计计算基于仿真的海底钻井液举升钻井返回系统张鹏飞陈国明谢丽婉鞠少栋许亮斌(1．中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心2．中海油研究总院)摘要介绍了一种适应于深海的无隔水管式海底钻井液举升钻井的返回系统，将其主要组件海底泵模块和套管等效为不同属性的管单元，运用ABAQUS软件建立1500m水深返回管线系统有限元分析模型，计算顶部支撑力，进行静态分析与涡激疲劳分析，运用Matlab处理结果文件，得到3种流况下返

2、回管线的应力、弯矩、偏移及疲劳损伤曲线，计算结果验证了返回管线的安全性，对钻井液举升钻井的返回系统设计有一定参考意义。关键词海底钻井液举升钻井钻井液返回系统有限元模型性能分析安全性评估海底泵模块，一个位于海底，另一个位于水深中部0引言附近。系统分布如图1所示。＼一一一一、、一，一一海底钻井液举升钻井技术是一种双梯度控压钻井技术，钻井时隔水管内充满海水或不使用隔水；习，1■’一管。利用吸入模块分离井眼钻井液与海水，利用小4，+—————一／尺寸管线将岩屑钻井液返回钻井平台¨。自2003铂川s年以来，无隔水管式

3、海底钻井液举升钻井(RMR)已在全世界超过100口的油井中得到商业应用。一返回管线系统是海底钻井液举升钻井的关键组成部I分，海流、海浪和重力等载荷能对其可靠性产生较图lRMR深水返回管线系统大影响，有必要对其进行结构设计及仿真分析。文1一悬挂接头；2一上部海底泵；3一上部对接接献[3]对返回管线的圆盘泵结构设计、返回管路头；4一钻井液返回管线；5一下部海底泵；6一传输性能进行了研究，也有人对具有相似性的深水下部对接接头；7一锚；8钻杆；9一钻井平台。采矿系统进行了动力学和运动学研究。～。国内对返同管线(MR

4、L)由0193．7Inn(7％英寸)钻井液举升钻井返回管线系统尚未有研究，因此有套管和Hydnl563接头组成，为钻井液提供了从海必要建立返回管线系统的分析模型，对系统水下空底返回平台的通道。MRL的一端被锚定系统锚固在间构形与力学杼陛进行计算分析，给出安全I生评价。海底，另一端被悬挂接头(HOJ)悬挂在平台上。海底泵(SPM)采用圆盘泵，泵送返回钻井液l深水海底钻井液举升钻井的返回管时能够将岩屑磨损最小化。线系统锚定系统可将MRL的底端固定到海底，保持MRL与井口的距离，并防止与钻杆相撞。Shell、BP

5、America、DEMO2000以及AGR组对接接头的作用是方便在平台上安装海底泵，成联合工业项目开发RMR深水系统，应用连接钢并提供连接MRL的接头。下部对接接头连接锚定管返回管线原理，提高了泵压与环境抵抗力。2个系统、MRL、下部SPM及钻井液吸入软管。上部基金项目：国家科技重大专项“深水油气田开发钻完井工程配套技术”(2008ZX05026—001—12)；中央高校基本科研、务费专项资金项目(09CX05008A)。石油机械2011年第39卷第5期对接接头在水深中部附近连接上部SPM及MRL。套管外径

6、193．7mm，套管带螺纹和接箍名义系统采用了多处锥形连接接头(图2)以降低质量58．04ks／m，套管壁厚l2．70mm，泵组质量涡激疲劳损伤，返回管线顶端采用悬挂接头(图5500kg，对接接头质量4500kg，碳钢密度7．853)：包括1个万向接头，用于降低钻井船纵摇和g／cm，钻井液密度1．5g,"cm。横晃引起的弯矩，1个锥形接头，用于减少由于弯返回管线顶端采用悬挂系统，z方向自由度取矩和涡激振动引起的疲劳积累。1，其他自由度取0。底端建立弹簧对锚单元进行约束。返回管线的有限元模型如图4所示。1oD

7、B：LH4一】ABAQUS／STANDARDVersi。。6．5-】图2下部对接锥形连接接头2L——一1Step：Step-3lncrenentlJSteptime=】000图4钻井液返回系统有限元模型2．2外部载荷考虑系统所受的载荷有重力、浮力、顶部支撑力、海浪海流力、拖曳力和惯性力等，分析如下。根据航次调查，确定我国中试海域海流-4J：浪高2．5m，浪涌周期10S，海面洋流速度1m／s，海底洋流速度0．15m／s。海流的方向和大小按稳态流考虑，大小沿水深变化，根据式(1)计算流剖面，即图3悬挂接头0．1

8、5+(一0．15)()(1)2深水返回管线计算模型式中——不同水深海流速度；，——给定的表面海流速度；返回管线系统的构型和外部载荷比较复杂，是——水深坐标，向下为负。几何非线性问题，采用有限元对其进行力学分析是系统整体倾斜角度较小，顶端采用悬挂，假定一种十分有效的方法。笔者采用有限元软件顶部支撑力为：ABAQUS中的Pipe31管单元对返回系统进行分析。F=G+Gd(2)2．1有限元模型式中——水下泵组、管线及钻