深水钻井喷射下导管关键参数确定方法研究

摘要

由于陆地和浅海石油天然气资源不能满足世界经济对能源的需求，很多国家石油的勘探开发已经向深水进军，而深水浅表层钻井是整个深水钻井中最容易出现问题的环节，可以说浅表层钻井的安全关系到整个钻井的成败与效率。本文重点针对深水浅表层钻井中关键参数的确定问题，通过理论分析、数值模拟和试验研究的方法，对深水浅表层钻井过程中导管竖向和横向承载力、导管入泥深度和喷射下导管段排量和钻头伸出量的确定方法，以及表层套管段水力参数的优化设计等进行了研究，以期为我国南海深水浅表层钻井的设计和施工提供一定理论参考。 针对导管竖向承载力随时间变化规律确定的问题，根据岩土力学和桩基理论，结合喷射下导管工艺特点，进行了模拟喷射下导管试验。在数据分析的基础上，建立了考虑时间效应的导管竖向承载力计算模型，得到了导管在沙土和粘土中承载力随时间增长的方程式。针对南海某深水井的导管实时承载力进行了计算分析，结果显示沙土中导管承载力恢复较快，粘土中恢复较慢。 根据深水浅表层钻井的特点，通过理论分析建立了导管组合结构横向承载力计算模型。模型将上部隔水管系统对下部的力学作用等效为对导管组合结构的横向力和弯矩，模型中考虑了导管组合结构受横向力、弯矩和地基反力的共同作用。通过理论推导，基于Glesser法推导得到了导管组合结构横向承载力计算模型的数值求解方法，并编制了程序求解。在模型求解的基础上，分析了导管直径和壁厚、上部等效横向力和弯矩、入泥深度因素对导管组合结构横向承载能力的影响规律。 针对导管入泥深度的确定问题，在导管竖向承载力时间效应试验的基础上，给出了喷射导管最小入泥深度确定方法。在导管组合结构横向承载力计算模型的基础上，以导管最大允许转角为标准，给出了由横向承载力确定导管最小入泥深度的方法。综合考虑竖向和横向承载力来确定导管最小入泥深度，为在风浪流较大的环境恶劣海域中导管的安全设计提供了多一层保障。 针对喷射下导管过程中排量和钻头伸出量确定问题，根据管土相互作用理论，结合导管下入工艺，建立了喷射导管破土的有限元分析模型，模拟计算了不同排量、钻头伸出量等参数对土体应力场的影响规律。在此基础上，提出了考虑岩土应力特性的喷射排量确定方法，该方法通过增加部分现场试验的方式减少对探井和周边参考井的依赖。 针对表层套管段钻进时水力参数确定问题，从模拟钻开地层的环境条件下的岩石抗压强度试验研究出发，通过试验数据分析得到了不同温度、压力和浸泡时间条件下岩石抗压强度的变化规律，引入“岩石抗压强度改变系数”，基于试验数据拟合得到了岩石抗压强度改变系数的综合表达式。在此基础上，提出了一种考虑时间效应的深水“表层钻井液安全密度窗口”的计算方法。最后，建立了考虑“表层钻井液安全密度窗口”影响的深水表层段钻进时关键水力参数优化方法，对排量进行了优化设计。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及进展

1.2.1 深水浅表层钻井导管承载力研究现状及进展

1.2.2 深水浅表层钻井导管入泥深度确定方法研究现状

1.2.3 深水浅表层钻井水力参数确定方法研究现状

1.3 存在的问题

1.4 本文主要研究内容

(1) 喷射导管竖向承载力计算模型

(2)导管 和表层套管横向承载力计算模型

(3)导管入泥深度 的确定

(4) 喷射下导管段钻进时关键参数 确定

(5) 考虑时间效应的表层 套管 段钻进 时关键水力参数优化设计

第二章 喷射导管竖向承载力时间效应试验及计算模型

2.1 导管承载力时间效应形成机制

2.1.1 导管承载力变化与超孔压关系

2.1.2 超孔压计算

2.2 导管竖向承载力时间效应试验

2.2.1 试验原理

2.2.2 试验设备及材料

2.2.3 试验方法

2.3 承载力时间效应定量描述

2.3.1 实验数据处理

2.3.2 承载力时间效应定量描述

2.4 导管竖向承载力计算模型

2.4.1 喷射导管竖向受力分析

2.4.2 导管竖向承载力计算模型

2.4.3 算例分析

2.5 本章小结

第三章 导管和表层套管横向承载力确定方法及敏感性分析

3.1 导管组合结构受力确定

3.1.1 海流作用力

3.1.2 隔水管系统底部反力

3.1.3 土壤反力确定

3.2导管组合结构横向承载力计算模型及求解

3.2.1 导管组合结构横向承载力计算模型

3.2.2 模型求解

3.3敏感性分析

3.3.1 横向承载能力分析

3.3.2 导管直径和壁厚对导管组合结构横向承载力的影响规律

3.3.3 上部等效横向力和弯矩对导管组合结构横向承载力的影响规律

3.3.4 入泥深度对导管组合结构横向承载力的影响规律

3.4 本章小结

第四章 深水浅层钻井导管入泥深度确定方法

4.1 竖向承载力确定导管最小入泥深度

4.1.1 导管最小入泥深度模型

4.1.2 实时承载力恢复系数

4.1.3 考虑时间效应的导管入泥深度确定

4.1.4 南海深水井导管最小入泥深度计算

4.2 横向承载力确定导管最小入泥深度

4.2.1 入泥深度对转角的影响规律

4.2.2 最大转角确定导管最小入泥深度

4.2.3入泥深度对导管弯矩的影响规律

4.2.4最大弯矩确定导管最小入泥深度

4.2.5 综合考虑纵向和横向承载力确定导管入泥深度的方法

4.3 本章小结

第五章 深水浅层钻井喷射下导管关键参数确定方法

5.1 喷射下导管过程中井底岩土应力特性分析

5.1.1 数学方程

5.1.2 有限元模型

5.1.3 井底岩土应力应变特性分析

5.2 考虑岩土应力特性的喷射下导管排量参数确定方法

5.2.1 导管无因次下入速度

5.2.2 承载力无因次恢复速率

5.2.3 试验验证

5.2.4 考虑岩土应力特性的排量参数确定方法

5.3 钻头伸出量参数确定方法

5.4 本章小结

第六章 考虑时间效应的深水表层套管段钻进关键参数优化设计

6.1 海水/膨润土浆/瓜胶体系浸泡对岩石抗压强度的影响规律

6.1.1 海水/膨润土浆/瓜胶体系浸泡条件下岩石抗压强度试验

6.1.2 海水/膨润土浆/瓜胶体系浸泡对岩石抗压强度的影响规律分析

6.1.3 岩石抗压强度改变系数变化规律

6.2 考虑时间效应的深水表层钻井液安全密度窗口计算方法

（1）坍塌压力对应钻井液当量密度确定方法

（2）破裂压力对应钻井液当量密度确定方法

（3）深水“表层钻井液安全密度窗口”计算方法

6.3 深水表层钻井关键水力参数优化设计

6.3.1 考虑表层钻井液安全密度窗口影响的水力参数优化设计方法

6.3.2 深水表层钻井关键水力参数优化

6.4 本章小结

结论及建议

本文结论

本文建议

参考文献

攻读博士期间取得的研究成果

致谢

作者简历