第13卷第3期2013年1月1671—1815（2013）03-0682-04科学技术与工程Science Technology and EngineeringVol.13No.3Jan．2013 2013Sci.Tech.Engrg.石油技术深水钻井中隔水管底部转角及载荷变化规律研究蔚宝华1袁俊亮1邓金根1闫伟1范白涛2刘小刚2许杰2（中国石油大学（北京）1，北京102249；中海石油（中国）有限公司天津分公司钻井部2，天津300450）摘要通过有限单元法建立隔水管模型，分析了三级风、八级风———两种不同风力条件下，顶部张力比和船体偏移率对隔水管稳定性的影响。
计算结果表明：隔水管底部横向载荷随张力比和偏移率呈线性变化。
在张力比增加的过程中，船体的偏移率越大，横向载荷的增加幅度也越大。
隔水管底部转角随偏移率的增加呈线性增长，但随着张力比的提高会迅速降低，然后趋于稳定。
在保证张力比的前提下，风力的增加对底部转角和载荷影响极为有限。
自然条件下，提高张力比是维持隔水管稳定性的有效手段。
本研究对分析深水钻井平台的海底井口稳定性有一定指导意义。
关键词深水钻井隔水导管底部转角横向载荷中图法分类号TE52；文献标志码A2012年9月11日收到国家自然科学基金（51174219）、国家科技重大专项（2011ZX05009—005）资助第一作者简介：蔚宝华（1973—），讲师。
研究方向：深水钻井与岩石力学。
E-mail ：yubaohua73@ 。
随着全球能源需求的不断增加，海洋油气勘探已经迈入深水海域，水深大于500m 即为深水钻井，大于1500m 则为超深水钻井。
据2000年统计，全世界水深500m 以下的深水油气田有162个，遍及世界各大海域。
深水油气田蕴含的探明储量占海上油气田探明总储量的12%，另据估计有超过90%的未探明储量潜伏在高风险的水深超过1000m 以下的海底深处［1］。
深水钻井中，作为连接钻井船与水下井口的重要通道［2］，隔水管的稳定性对保证安全快速钻井意义重大［3］。
同时隔水管所面临的挑战也越来越严峻，恶劣的气候条件会使隔水管严重变形或过载，由此引起钻井工期延长、费用增加［4］，甚至触发灾难性的事故［5］。
如北海油田由于隔水管事故引起的损失就达到350万美元/年。
在我国，因为隔水管故障造成的停工也时有发生［6］。
深水钻井作业中，一般只在海底井口安装一个球铰链，其转角被限制在2ʎ以内保证钻井过程中隔水管不受高速旋转的钻杆磨蚀［7］。
因此，为保证深水钻井的安全性，分析隔水管底部转角及横向载荷的变化规律是目前亟待解决的深水钻井问题之一。
1风、浪、流载荷确定深水钻井中隔水管受力情况极为复杂，主要包括：风、波浪、潮汐、海流、海冰、地震等。
为简化问题，进行受力分析时，假设隔水管只受风力、海流力，顶部张力、底部球铰链约束力，隔水管浮重等的作用，具体受力情况如图1所示。
图1深水钻井中隔水管受力情况结合深水钻井作业特点，在飓风来临前都会有相关预报，隔水管和水下井口将被转移到安全位置，无需考虑极端恶劣环境。
故本文设定三级风与八级风两种风力环境，探究隔水管在不同偏移率与张力比下，底部转角及横向载荷的变化规律。
表1不同环境工况对应参数确定风力最大风速/（m·s－1）最大波高/m平均周期/s最大流速（m·s－1）三级风 5.4180.33八级风20.7 6.1100.77根据以往的设计经验，在无实测流速资料的情况下，海面下深度h处的流速可采用美国船级社（ABS）推荐的下列公式计算［8］：V h =Vwh()H+VTh()H1/7（1）式（1）中：V h为距海底h米处的流速（m/s）；V w为海面的风生海流速度（m/s）；V T为海面的潮生海流速度（m/s）；h为距海底的距离（m）；H为海水深度（m）。
2模型建立以西非海域某钻井船为例，钻井船作业水深2460m，风力条件分别为三级风与八级风。
由于深水钻井中隔水管的受力十分复杂，在采用有限元模型模拟隔水管受力之前，有必要作以下简化假设：①隔水管上段存在横向位移；②钻井船与隔水管、隔水管底部的约束类型均为绞支约束；③忽略隔水管内钻井液流动引起的摩擦阻力；④视隔水管的变形问题为小应变—大位移问题。
利用ANSYS中的PIPE59水动力单元建立有限元模型，材料为线弹性体。
钻井船偏移量分别取0m、10m、20m、50m，涉及的其他参数如表2所示。
3计算结果与分析三级风和八级风环境下，保持顶部张力比1.4固定不变，船体分别偏移0m、10m、20m、50m时（即偏移率为0%、0.91%、1.82%、4.55%），隔水管底部转角（以下简称转角）与横向力的分布情况。
图2、图3表示：钻井船偏移量从0m、10m、20m逐步增加到50m，隔水管底部转角及横向力都表现出线性方式增长。
表2参数设定参数数值曳力系数 1.2惯性系数 2.0浮力系数0.87海水密度/（g·cm－3） 1.03隔水管长度/m2460隔水管外径/25.4m（in）21隔水管壁厚/mm12.7隔水管密度/（g·cm－3）7.85弹性模量/GPa211泊松比0.3钻井液密度/（g·cm3） 1.2顶部张力比 1.4浮力块分布/m400—1050浮力块密度/（g·cm－3）0.4对比图3与图4发现，风力由三级风上升到八级风后，对隔水管底部转角与横向载荷的影响并不大。
不同偏移量下隔水管底部转角平均增加0.28ʎ，横向载荷平均增加7.75kN。
图2三级风下转角与横向力随偏移率变化规律图3八级风下转角与横向力随偏移率变化规律图4和图5表示：钻井船偏移量分别为0m、10m、20m、50m，当顶部张力比按1.1、1.4、2顺序3863期蔚宝华，等：深水钻井中隔水管底部转角及载荷变化规律研究逐步增加时，隔水管底部横向力随之呈线性方式增加。
而且偏移量越大，横向力增加的幅度也越大。
图4三级风下底部横力随张力比变化规律图5八级风下底部横力随张力比变化规律图6三级风下底部转角随张力比变化规律图7八级风下底部转角随张力比变化规律图6和图7表示：钻井船偏移量分别为0m 、10m 、20m 、50m ，当顶部张力比按1.1、1.4、2.0顺序逐步增加时，隔水管底部转角的变化规律。
张力比在1.1至1.4范围内增加，转角会迅速降低。
而当张力比超过1.4以后，继续提高张力，转角降低趋势会减缓。
例如，在八级风条件下，钻井船顶部张力比为1.1时，船体偏移10m 后底部转角将逼近安全限额2ʎ，此时提高顶部张力比至1.4，隔水管转角会迅速降低至1ʎ以下，保证钻井安全。
4结语基于以上的建模分析过程，可以得到如下结论：（1）深水钻井中，随着钻井船偏移率的增加，隔水管底部转角及横向力均呈线性方式增长。
随着顶部张力比的增加，横向力也呈线性增长，但是转角会以先快后慢的形式降低；（2）对于深水钻井而言，正常气象条件下，风力由三级风上升到八级风，对隔水管底部转角与横向载荷的影响不大；（3）相比之下，顶部张力比对底部转角与横向载荷的影响较大，及时提高张力比是保证深水钻井安全的有效手段。
（下转第689页）486科学技术与工程13卷The Manufacturing Methods of Large Size Heterogeneity Artificial CoresLI Fang-fang 1，YANG Sheng-lai 1，GAO Wang-lai 1，GE Lin-wen 2，CHEN Hao 1，ZHANG Xing 1（MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering in China University of Petroleum 1，Beijing 102249，P．R．China ；Gudao Oil Production factory of Shengli Oil Field 2，Dongying 257000，P．R．China ）［Abstract ］Large size artificial cores can simulate not only reservoir heterogeneity ，well pattern ，but also waterand oil migration in horizontal and vertical directions ，so it ’s widely used in oil and gas development physical simu-lations.The large size artificial cores manufacturing technology is studied from the control of permeability ，porous structure and wettability and adding method of clay minerals.How do factors such as quartz sand median grain di-ameter ，pressuring strength ，usage of cementing agent and clay mineral content effect the permeability and porosity are also studied.Through the manufacturing method stated above some large size heterogeneity artificial cores are made to conduct some other experiments not included ，the physical property testing result show the artificial cores can represent real cores to conduct some laboratory study ，and provide new method and new technology to the de-velopment of reservoir physical simulation.［Key words ］large size artificial core permeability pore structure quartz sand epoxy cementing 檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸core manufacture method（上接第684页）参考文献1甘云雁，王星，李相方，等．深水近临界油藏动态分析及产能评价探索研究．科学技术与工程，2012；12（10）：49—552鞠少栋，畅元江，陈国明．超深水钻井作业隔水管顶张力确定方法．海洋工程．2011；29（1）：100—1043Deka D ，Campbell M．Gulf of Mexico wet tree deepwater riser concept with sour service．OTC ，2010：1—194王腾，张修占，朱为全．平台运动下深水钻井隔水管非线性动力响应研究．海洋工程，2008；26（3）：21—265Carter B A ，Ronalds B F．Deepwater riser technology．SPE ，1998：461—4706石晓兵，聂荣国，郭昭学，等．环境载荷对深水隔水管底部球接头的影响分析．石油机械，2004；32（5）：24—267Hariharan M ，Thethi R．Drilling riser management in deepwater envi-ronments．2H Offshore Inc ，Houstion ，Tx ，USA．2007：89—938方华灿．海洋石油钻采装备与结构，北京：石油工业出版社，1990：37—41Study on the Variation of Corner and Load on Bottom BallJoint of Deep-water Drilling RiserYU Bao-hua 1，YUAN Jun-liang 1，DENG Jin-gen 1，YAN Wei 1，FAN Bai-tao 2，LIU Xiao-gang 2，XU Jie 2（China University of Petroleum 1，Beijing 102249，P．R．China ；Drilling Department of CNOOC Tianjin Branch 2，Tianjin 300450P．R．China ）［Abstract ］A finite element model is established by ANSYS 8.0to imitate the force condition of riser in order toanalyze the influences of top tension and boat drift on riser stability in different wind conditions.This research shows that the load has a linear relation with the boat drift and top tension ，the greater the drift ，the more the in-creasing range.However ，the corner of bottom ball demonstrates a decreasing model as “fast followed by slow ”due to increasing top tension.This research plays a role in safety of sub-sea wellhead in deep-water drilling.［Key words ］deep-water drillingrisercornerload9863期李芳芳，等：大尺寸石英砂环氧树脂胶结人造岩心制备技术研究及应用。
