新型抗冰隔水套管組合研究與應(yīng)用

謝梅波 鄧建明 馬英文 劉書杰 楊 進(jìn) 吳 怡

（1.中國海洋石油總公司； 2.中國石油大學(xué)（北京））

隔水套管是海上鉆井作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)施，也是油氣井生產(chǎn)的重要通道。由于渤海冬季有海冰，因此隔水套管的抗冰能力對于該地區(qū)冬季油氣井生產(chǎn)安全十分重要。目前提高隔水套管抗冰能力的常規(guī)方法是采用雙層隔水套管，這種方法會大幅度增加隔水套管鋼材用量，增加作業(yè)難度，延長海上施工作業(yè)時間，增大油氣田開發(fā)成本。本文提出了一種新型抗冰隔水套管組合，該組合在思路上采用與鉆井工藝相結(jié)合的方式，充分利用了內(nèi)層技術(shù)套管結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，在保證隔水套管力學(xué)性能條件下可以達(dá)到減少鋼材用量、縮短施工時間和降低作業(yè)費(fèi)用的目的。該項研究成果已應(yīng)用于渤海A平臺

1 新型抗冰隔水套管組合結(jié)構(gòu)

新型抗冰隔水套管組合主要由外層隔水套管、中層加強(qiáng)管及內(nèi)層技術(shù)套管等3部分組成。中層加強(qiáng)管對應(yīng)冰層位置設(shè)置于外層隔水套管與內(nèi)層技術(shù)套管之間，其長度小于外層隔水套管的長度但大于冰層厚度。外層隔水套管與中層加強(qiáng)管之間的環(huán)空部分以及中層加強(qiáng)管與內(nèi)層技術(shù)套管之間的環(huán)空部分均用水泥漿充填。中層加強(qiáng)管上下兩端與內(nèi)層技術(shù)套管采用絲扣接頭連接，接頭內(nèi)設(shè)計有多個加強(qiáng)筋和導(dǎo)流孔，導(dǎo)流孔滿足水泥漿上返流動的需求。新型抗冰隔水套管組合與常規(guī)雙層隔水套管組合結(jié)構(gòu)對比如圖1所示。

圖1 新型抗冰隔水套管組合與常規(guī)雙層隔水套管組合結(jié)構(gòu)對比圖

2 新型抗冰隔水套管組合抗冰能力分析與應(yīng)用

2.1 計算模型的建立

根據(jù)新型抗冰隔水套管組合以及常規(guī)雙層隔水套管組合結(jié)構(gòu)建立抗冰能力計算模型時作了以下假設(shè)：①上端邊界橫向約束位移，軸向自由伸縮但承載井口和采油樹載荷；②采用ANSYS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，利用SOLID45單元模擬土層部分，定義材料為DP模型；SHELL43單元模擬各層套管結(jié)構(gòu)，定義材料為理想彈塑性；③常規(guī)雙層隔水套管計算校核時不考慮鉆井技術(shù)套管的作用，但對于由鉆井工藝和傳統(tǒng)隔水套管相結(jié)合的新型隔水套管組合需考慮內(nèi)層技術(shù)套管的作用。

在建模過程中，先建立各層套管模型，再建立連接接頭模型，最后建立土層模型［1－2］。在模擬土層的過程中，考慮擾動半徑為10倍樁徑，影響深度為20 m，分為5層不同性質(zhì)的土；外層隔水導(dǎo)管與土層的相互作用通過建立接觸對模擬，定義接觸對法向接觸剛度因子10，初始滲透因子0.1。新型抗冰隔水套管組合與常規(guī)雙層隔水套管組合抗冰能力計算模型如圖2所示。

圖2 新型抗冰隔水套管組合與常規(guī)雙層隔水套管組合抗冰能力計算模型示意圖

采用同樣的工況條件：冰力（重疊冰）915.4 k N；頂部載荷300 k N。各層套管材質(zhì)：外層隔水套管材質(zhì)X52鋼，屈服強(qiáng)度為358 MPa；中層加強(qiáng)管和表層套管材質(zhì)K55鋼，屈服強(qiáng)度為379 MPa；新型抗冰隔水套管內(nèi)層技術(shù)套管材質(zhì)N80鋼，屈服強(qiáng)度為551 MPa。各種材料屬性：鋼材彈性模量210 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3；土層彈性模量200 MPa，采用 Drucker－Prager（DP）準(zhǔn)則，泊松比0.4，密度為2 000 kg/m3。

各土層其它參數(shù)見表1。

2.2 計算結(jié)果對比分析

根據(jù)ANSYS計算結(jié)果，分析對比新型抗冰隔水套管組合與常規(guī)雙層隔水套管組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，兩種隔水套管組合各層套管縱深方向的米賽斯應(yīng)力和位移值對比如圖3、4所示，兩種隔水套管組合安全性能對比見表2。

表2 新型抗冰隔水套管組合與常規(guī)雙層隔水套管組合力學(xué)性能對比

從圖3可以看出：兩種隔水套管組合的外層隔水套管受力大小相近，變化規(guī)律相同；新型抗冰隔水套管組合的中層加強(qiáng)管和雙層隔水套管組合的表層套管在布置有中層加強(qiáng)管的范圍內(nèi)受力大小相近，變化規(guī)律近似；新型抗冰隔水套管組合的內(nèi)層技術(shù)套管由于有通過連接接頭連接的中層加強(qiáng)管的作用而改變了傳遞力的路徑，因此圖中出現(xiàn)了V字形的折線，且在除布置有中層加強(qiáng)管的范圍技術(shù)套管受力變化規(guī)律與雙層隔水套管組合的表層套管近似。從圖4可以看出，新型抗冰隔水套管組合的各層套管和雙層隔水套管組合的各層套管位移幾乎相同，且兩種隔水套管的位移值相近。由表2可知，新型抗冰隔水套管組合與常規(guī)雙層隔水套管組合力學(xué)性能相近，能夠滿足海上鉆完井施工安全需要。

2.3 在渤海A平臺的應(yīng)用

渤海A平臺是一座6腿6樁的井口平臺，布置了48個井槽，冬季有海冰覆蓋。由于采用新型組塊結(jié)構(gòu)，隔水套管跨度大（24 m），所在區(qū)域冬季冰力大，因此必須考慮隔水套管抗冰問題。原設(shè)計采用雙層隔水套管組合方式，后經(jīng)反復(fù)研究論證，該平臺隔水套管結(jié)構(gòu)最終采用了新型抗冰隔水套管組合方案。相對雙層隔水套管組合方案，新型抗冰隔水套管組合方案的鋼材用量大大減少，施工時間大大縮短，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3 結(jié)論

新型抗冰隔水套管組合與常規(guī)雙層隔水套管組合的抗冰力學(xué)性能相近，能夠滿足海上鉆完井施工安全需要。新型抗冰隔水套管組合已應(yīng)用于渤海A平臺，與采用常規(guī)雙層隔水套管組合相比，減少了鋼材用量，縮短了施工時間，降低了作業(yè)費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

［1］ 朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用［M］.3版.北京：中國水利水電出版社，2009.

［2］ 楊進(jìn)，劉書杰，姜偉，等.ANSYS在海洋石油工程中的應(yīng)用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2010.