秦如雷 馮起贈(zèng) 陳浩文 許本沖 李昌平 盧秋平 王嘉瑞

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院 3.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局)

0 引 言

海洋油氣資源富集，但與陸地鉆井和淺水鉆井相比，深水鉆井存在較多技術(shù)難題[1-4]。雙梯度鉆井技術(shù)是一種非常規(guī)鉆井技術(shù)，通過(guò)利用泵或改變液體密度的途徑，改變隔水管環(huán)空壓力梯度以控制井眼環(huán)空壓力，可以解決深水鉆井中與地層壓力相關(guān)的一些問(wèn)題[5-10]。無(wú)隔水管鉆井液閉式循環(huán)鉆井 (Riserless Mud Recovery Drilling，RMR)技術(shù)是雙梯度鉆井的一種方案，該鉆井技術(shù)可形成封閉鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，使鉆井液可回收，大大減少鉆井液用量，同時(shí)避免鉆井液排入海水之中，以保護(hù)海洋環(huán)境，在深海大洋鉆探中有廣泛的應(yīng)用前景[11-15]。井口吸入模塊主要功能是隔離外部海水和井眼環(huán)空返回的鉆井液，在RMR系統(tǒng)中起關(guān)鍵性作用[16-18]。

國(guó)外井口吸入模塊的研制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第三代；國(guó)內(nèi)的井口吸入模塊目前處于關(guān)鍵件的仿真研究階段，對(duì)洋流條件下整體模態(tài)研究較少。為此，筆者利用三維建模軟件SolidWorks設(shè)計(jì)并建立了井口吸入模塊三維模型，利用ABAQUS仿真軟件對(duì)井口吸入模塊進(jìn)行了有限元分析，根據(jù)影響井口吸入模塊穩(wěn)定性的各種因素，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析以及模態(tài)分析，以總結(jié)井口吸入模塊的分析結(jié)果。

1 分析模型的建立

井口吸入模塊是無(wú)隔水管鉆井液返回鉆井系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部件，其主要功能是隔離外部海水和井眼環(huán)空返回的鉆井液，并將海水與井筒隔開(kāi)，起到類似隔水管和防噴器的作用[19-20]，其外形如圖1所示。

圖1 井口吸入模塊外形圖Fig.1 Outside view of the wellhead suction module

井口吸入模塊主要由井口功能模塊、井口功能模塊支撐、電子艙安裝板、泥墊、鎖定油缸、導(dǎo)管連接短節(jié)以及球閥與牛眼等井口常用工具組成，該結(jié)構(gòu)使得井口吸入模塊可與?914.4 mm導(dǎo)管及低壓井口頭耦合連接，可使用噴射下導(dǎo)管工藝與導(dǎo)管同時(shí)安放到位。國(guó)內(nèi)RMR總體設(shè)計(jì)技術(shù)路線較之國(guó)外有所不同，其吸入模塊未配備旋轉(zhuǎn)總成外筒體、旋轉(zhuǎn)總成內(nèi)筒體和旋轉(zhuǎn)軸承系統(tǒng)等組成內(nèi)部防噴總成的部件[21]。

井口吸入模塊能使由井眼環(huán)空上返的鉆井液和鉆屑改變方向進(jìn)入海底舉升系統(tǒng)，為鉆井液和巖屑返回管線提供接口，同時(shí)還起到扶正下入鉆具的作用[22]。

2 穩(wěn)定性分析

本文利用p-y曲線法模擬土壤抗力，利用Morison方程求解內(nèi)波流載荷，采用ABAQUS仿真軟件分析各種因素對(duì)井口吸入模塊穩(wěn)定性的影響，并分析其處于極限工況下的穩(wěn)定性。

2.1 土壤抗力的模擬方法

p-y曲線法是指在水平力F的作用下，土壤之下深度x處土壤反力P與該深度結(jié)構(gòu)物側(cè)向變形y之間的關(guān)系曲線[23]。它綜合反映了樁周土的非線性、樁的剛度和外載荷作用的性質(zhì)等特點(diǎn)，是一種彈塑性分析方法[24]。p-y曲線法不僅適用于靜載荷和循環(huán)載荷，而且也適用于結(jié)構(gòu)物的大位移和小位移，避免了單一參數(shù)法的缺點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋石油工程中[25]。所涉及到的黏土主要物理力學(xué)性能指標(biāo)包括土的不排水抗剪強(qiáng)度、重度和主應(yīng)力差[26-27]。

2.1.1 軟黏土中的p-y曲線

對(duì)于不排水抗剪強(qiáng)度Cu≤96 kPa的軟黏土，泥線x深度下單位樁長(zhǎng)的極限土阻力pu可由下式確定：

(1)

式中：pu為極限土阻力，kPa；γc為泥線下深度x處土的單位有效容重，kN/m3；Cu為土的不排水抗剪強(qiáng)度；kPa；x為深度，m；D為結(jié)構(gòu)物的直徑，m；ζ為無(wú)因次經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其值在0.25～0.50之間，土硬取小值；xr為極限水平承載力的轉(zhuǎn)折點(diǎn)深度，m，通常認(rèn)為xr范圍以內(nèi)的為淺層土，xr以下為深層土。

軟黏土在靜載荷下的p-y曲線可由下式確定：

(2)

式中：p為泥線下深度x處結(jié)構(gòu)物發(fā)生橫向位移y時(shí)結(jié)構(gòu)物橫向極限土阻力，kPa；y為泥線下深度x處構(gòu)物發(fā)生橫向位移，m；y50為土橫向土阻力為極限橫向土阻力時(shí)結(jié)構(gòu)物的橫向位移，m；ε50為原狀土不排水試驗(yàn)中處最大應(yīng)力發(fā)生的應(yīng)變。

2.1.2 硬黏土中的p-y曲線

對(duì)于不排水抗剪強(qiáng)度Cu>96 kPa的硬黏土，用式(1)分別計(jì)算，取小值作為單位結(jié)構(gòu)件上極限土阻力pu。硬黏土在靜載荷下的p-y曲線可由下式確定：

(3)

考慮到土壤特性對(duì)井口吸入模塊穩(wěn)定性的影響，采用非線性彈簧模擬土壤對(duì)井口吸入模塊的作用。將處于泥土之下的井口吸入模塊部分分區(qū)，在不同泥土深度的井口吸入模塊上添加相應(yīng)剛度的非線性彈簧單元，彈簧剛度由p-y曲線求得。井口吸入模塊在海底的受力情況如圖2所示。

圖2 井口吸入模塊受力情況示意圖Fig.2 Force diagram of the wellhead suction module

2.2 井口吸入模塊的穩(wěn)定性分析

井口吸入模塊的穩(wěn)定性會(huì)受到海況重現(xiàn)期、井口吸入模塊材質(zhì)、土壤類型的影響，為了對(duì)實(shí)際作業(yè)提供參考，分析以上各因素對(duì)井口吸入模塊穩(wěn)定性的影響。

分析所需的數(shù)據(jù)包括：水深為1 000 m，海水密度為1 034 kg/m3，拖曳力系數(shù)為0.7；Q235的彈性模量為210 GPa，不銹鋼的彈性模量為190 GPa，45鋼的彈性模量為200 GPa，銅鎳合金的彈性模量為150 GPa；Q235的泊松比為0.3，不銹綱的泊松比為0.3，45鋼的泊樺比為0.26，鋼鎳合金的泊松比為0.34；Q235的密度為7 930 kg/m3，不銹鋼的密度為7 850 kg/m3，45鋼的密度為7 850 kg/m3，銅鎳合金的密度為8 908 kg/m3；土壤K1等效剛度系數(shù)平均值為1.78×106，土壤K2等效剛度系數(shù)平均值為3.02×107，土壤K3等效剛度系數(shù)平均值為1.54×108，土壤K4等效剛度系數(shù)平均值為5.75×106。

2.2.1 海況重現(xiàn)期對(duì)穩(wěn)定性的影響分析

海況重現(xiàn)期反映海洋流速的大小，直接影響井口吸入模塊所受內(nèi)波流載荷的大小，對(duì)井口吸入模塊的穩(wěn)定性有著重要影響。取某工區(qū)海平面下深度1 000 m，分析井口吸入模塊在海況重現(xiàn)期為1、5、10和25 a的工況下的穩(wěn)定性。對(duì)工區(qū)進(jìn)行環(huán)境實(shí)測(cè)得到的海洋流速分布如表1所示，根據(jù)該流速表和井口吸入模塊尺寸，利用Morison方程計(jì)算內(nèi)波流載荷：

(4)

式中：fD為單位長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)件上的拖曳力，N/m；ρ為流體的密度，kg/m3；CD為水動(dòng)力系數(shù)，海平面以下0～150 m取1.2，海平面以下150 m至海底取0.7[28]；A為結(jié)構(gòu)件水力外徑，m；ux為流體在該點(diǎn)處垂直于結(jié)構(gòu)件的速度，m/s。

表1 海洋流速分布表Table 1 Distribution of current velocity

分析結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著海況重現(xiàn)期的增加，最大應(yīng)力、最大位移和最大應(yīng)變都增加，且海況重現(xiàn)期從1 a增加到5 a時(shí)，最大應(yīng)力、最大位移和最大應(yīng)變的增長(zhǎng)幅度相似。因此需要考慮強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)井口吸入模塊的影響，在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)來(lái)臨之前，應(yīng)采取必要措施提高井口吸入模塊的穩(wěn)定性。

圖3 海況重現(xiàn)期對(duì)井口吸入模塊穩(wěn)定性的影響Fig.3 Influences of the recurrence period on the wellhead suction module stability

2.2.2 模塊材質(zhì)對(duì)穩(wěn)定性的影響分析

井口吸入模塊的材質(zhì)對(duì)其穩(wěn)定性也有一定影響，常采用的材質(zhì)有Q235、不銹鋼、45鋼和銅鎳合金。對(duì)采用以上各種材質(zhì)的井口吸入模塊進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析，分析結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，各種材質(zhì)對(duì)井口吸入模塊靜力學(xué)強(qiáng)度的影響區(qū)別不大，井口吸入模塊材質(zhì)為銅鎳合金時(shí)強(qiáng)度略低，但相差很?。痪谖肽K前6階模態(tài)的固有頻率從高到低分別為Q235、45鋼、不銹鋼和銅鎳合金，井口吸入模塊的固有頻率隨著材料彈性模量的減小而降低，材質(zhì)為銅鎳合金時(shí)，井口吸入模塊前6階模態(tài)的固有頻率最低。

圖4 井口吸入模塊材質(zhì)對(duì)井口吸入模塊穩(wěn)定性的影響Fig.4 Influences of the wellhead suction module material on the wellhead suction module stability

2.2.3 土壤類型對(duì)穩(wěn)定性的影響分析

井口吸入模塊所處的土壤類型不同時(shí)，所受的土壤抗力也不同。硬質(zhì)土壤相較于軟質(zhì)土壤的土壤抗力更大，取土壤類型分別為K1、K2、K3和K4時(shí)對(duì)井口吸入模塊進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可得：當(dāng)土壤類型為K2時(shí)，井口吸入模塊最大應(yīng)力最大，最大位移最??；當(dāng)土壤類型為K4時(shí)則相反。因此對(duì)于軟質(zhì)土壤K4，井口吸入模塊的最大位移最大，必要時(shí)需采取保護(hù)措施減少位移量；而對(duì)于井口吸入模塊前3階模態(tài)的固有頻率，土壤對(duì)其影響很小。其中3～6階模態(tài)的固有頻率從大到小依次是K2、K3、K1和K4。

圖5 土壤類型對(duì)井口吸入模塊穩(wěn)定性的影響Fig.5 Influences of the soil type on the wellhead suction module stability

2.2.4 極限工況下穩(wěn)定性的影響分析

為了保證作業(yè)時(shí)的安全性，有必要分析井口吸入模塊在極限工況下的穩(wěn)定性。取各因素最危險(xiǎn)的情況作為工作時(shí)的極限工況，如表2所示。

表2 極限工況參數(shù)Table 2 Parameters of extreme condition

利用仿真分析軟件得到靜力學(xué)分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，極限工況下最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度170 MPa，安全系數(shù)高達(dá)24；最大位移和最大應(yīng)變也很小。前6階模態(tài)的固有頻率如圖6所示。由圖6可知，前6階模態(tài)的固有頻率分別為0.067、0.448、1.292、2.328、2.574和4.285 Hz?？梢?jiàn)井口吸入模塊穩(wěn)定性達(dá)到工作要求，但仍需避免極限工況的出現(xiàn)，應(yīng)創(chuàng)造最合適的工作條件。

表3 極限工況分析結(jié)果Table 3 Analysis results of extreme conditions

圖6 極限工況下井口吸入模塊固有頻率Fig.6 Natural frequency of the wellhead suction module under extreme conditions

3 結(jié) 論

根據(jù)工區(qū)環(huán)境條件、土壤條件及井口吸入模塊尺寸，通過(guò)以上分析可得出以下結(jié)論：

(1)內(nèi)波流載荷是影響井口吸入模塊穩(wěn)定性的主要因素，而海況重現(xiàn)期直接影響洋流流速，因此井口吸入模塊各項(xiàng)穩(wěn)定性參數(shù)均會(huì)隨海況重現(xiàn)期增大而增加。

(2)井口吸入模塊材質(zhì)對(duì)井口吸入模塊穩(wěn)定性影響非常小，故可考慮材質(zhì)的耐腐蝕和抗氧化等因素選取合適的材質(zhì)。井口吸入模塊前6階模態(tài)的固有頻率隨著材質(zhì)彈性模量減小而降低；土壤的軟硬程度會(huì)影響井口吸入模塊穩(wěn)定性，但相比于海況重現(xiàn)期，土壤影響較小。土壤硬度越小，井口吸入模塊位移越大，前6階模態(tài)的固有頻率越低。

(3)即使在極限工況下，井口吸入模塊的穩(wěn)定性也能達(dá)到安全工作要求，安全系數(shù)可達(dá)24。