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深水高温高压钻井基础理论和关键技术研究取得重大进展

发布日期:2018年03月30日       编辑:gz2017       点击:[]

建立了快速评价海洋管柱涡激振动抑制成效的耦合数值分析方法,构建了高速摄像非介入捕捉管内段塞流流动特征与内外流耦合激发管道振动响应的实验测试方法,设计了逆转能耗、主被动结合的系列涡激振动抑制装置:突破现有实验孤立研究流致振动和管内多相流动特征的局限,探索无干扰同步采集管线振动和管内多相流特征的测试新方法提出了同步实现振动抑制与海流发电的理念,将海洋管柱变为潜在的发电厂,自主供给平台、浮体使用,大大降低作业能耗;为配合开展实验评价,设计发明了一种中浅水同向波流制造实验水槽于西南石油大学逸夫楼实训中心建造完成,为实验开展海底管道、立管涡激振动和海管内流动安全保障研究提供了物理平台,为海洋油气工程学科的发展做出了贡献。

深水表层动态压井钻井技术以及随钻环空温度压力监测方面取得新突破:针对深水浅表层钻井过程中易出现的浅层气、浅层流、井漏、井塌等复杂情况,提出了变排量、变密度的动态压井钻井井筒压力控制方法,结合随钻环空压力监测数据实时调整海水和加重钻井液排量来控制环空液柱压力,实现深水表层安全钻进;研制的深水表层钻井随钻环空温度压力监测装置突破了井下复杂工况下传感器和电气测试系统工作可靠性以及与MWD连接技术等难题,可对深水表层钻井井下溢流、井漏、井眼清洁等复杂情况进行实时监测。

深水钻井溢流条件下井筒多相流流动特征研究取得新认识:针对深水井控过程中面临的特殊海洋环境及地质特征的影响,开展了深水溢流条件下环空瞬态多相流流动规律精细描述,通过实验手段和分子模拟方法研究了溢流气体钻井液中的溶解特征,初步揭示了气体分子在钻井液中的溶解扩散微观机理,结合气泡动力学特征分析及其运移规律研究,预测了气侵条件下环空溶解气与自由气动态分布规律,建立了深水钻井环空瞬态多相流流动控制模型。考虑环空瞬态温度剖面、气体滑脱与气体膨胀、地层渗流等因素的影响,分析了溢流发生、发展过程以及关井过程中的井筒压力动态响应特征。针对海底泥线附近低温、高压易形成天然气水合物的风险,考虑水合物形成和分解特征,建立了深水钻井过程中不同工况(钻井、关井、压井)下的水合物预测模型,对水合物生成情况进行了预测分析,研究了其相态变化对井筒瞬态多相流动规律的影响。

深水井控压井技术以及管柱安全研究领域取得新进展:针对深水压井过程中节流管线摩阻大、地层安全密度窗口窄等特点,考虑井筒与地层耦合,建立了深水水平井压井计算模型,分析了节流管线长度、溢流强度(溢流量)、压井液排量、压井方法(司钻法、工程师法)等工程参数对深水压井施工的影响,对比分析了深水司钻法和等候加重法压井的立管压力和节流阀压力,建立了两种压井方法的井涌余量和临界泥浆增量数学模型。设计建造了井场钻井循环模拟实验系统和自循环冲蚀实验装置,剖析了相体积分数、流量、压力、流道结构等参数对管道冲蚀及振动的影响,发展了流动冲蚀与流致振动耦合分析数值方法,揭示了流动冲蚀与流致振动的交互激励机理。结合原有井控系统,将本质安全和井下内外一体防喷控制技术有机结合,形成海底与井下上下一体的两级新型井控安全控制新体系,为深水钻完井的井控安全提供了有力保障。在海底与井下上下一体的两级新型井控安全控制新体系的框架下,发明了新型的井下内外一体防喷器核心装备。

深水钻完井双层管柱动力学行为与井控安全控制技术研究取得重要进展。我国深水钻完井技术发展迅速,但在深水双层管柱及井控安全控制技术相关方面的研究还不够,迫切需要实现深水双层管柱与井控安全的突破。当前,国内外深水管柱的研究主要考虑海洋环境,以单层管柱的经典梁模型为基础,研究生产过程中的立管涡激振动,没有考筒中筒层管柱的互作用和钻完井工况的影响;现有的商业软件均为生产立管涡激振动分析软件,管串的组合、浮力块的配置和张紧力的调整等主要靠经验和图表,难以达到深水钻完井双层管柱设计及安全控制的要求。

建立了基于复杂海况与生产工况耦合作用下深水钻完井双层管柱动力学分析方法。本成果首次创立了基于海洋环境与钻完井工况耦合作用的双层管柱非线性动力学模型,并针对钻完井过程中容易出现安全事故的特殊工况,建立了解脱、悬挂、射孔冲击、开关井、涡激振动、温度效应等子模块。开发了具有自主知识产权的《深水钻完井双层管柱力学分析软件》。

建立了深水双层管柱力学行为模拟实验系统与实验方法。以海洋石油981平台结构为基础,结合真实的深水钻井和测试工况,发明了综合考虑海洋环境和钻完井工况耦合作用的深水钻完井双层管柱动力学行为实验装置及实验方法。实验系统主要包括四个部分:钻完井工况模拟系统,光纤光栅传感器监测系统,自动化控制与采集系统,海洋环境模拟系统,分别实现钻完井工况模拟、双层管柱力学特性的观察、力学参数的采集以及海洋环境的模拟。利用该套系统。基于模态分析法,编制了实验数据处理程序,分析了双层管柱在不同耦合工况下的应变、位移、响应频率、运动轨迹等力学行为特征,验证了理论模型的准确性。通过实验研究,揭示了双层管柱的涡激振动机理。

深水钻完井工况下双层管柱振动控制及磨损抑制方法。发明了针对双层管柱系统涡激振动的主动控制方法,即通过布置浮力块表面织构、优化双层管柱的配置、调整升沉补偿张紧力;基于磨损抑制效应,建立了确定双层管柱磨损位置以及磨损量预测方法,修订了隔水管与钻柱探伤的准则,研发了减磨接头,发明了通过优化张紧力与钻完井工艺参数组合的磨损抑制方法。基于振动控制磨损抑制原理,创建了深水钻完井双层管柱选配原则、安全控制方法与操作规程,提出了针对恶劣海况及复杂钻完井工况变化的双层管柱安全操作方法

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