新型抗冰隔水套管组合研究与应用

2011-01-23谢梅波邓建明马英文刘书杰

中国海上油气 2011年5期

谢梅波邓建明马英文刘书杰杨进吴怡

（1.中国海洋石油总公司； 2.中国石油大学（北京））

隔水套管是海上钻井作业的关键设施，也是油气井生产的重要通道。由于渤海冬季有海冰，因此隔水套管的抗冰能力对于该地区冬季油气井生产安全十分重要。目前提高隔水套管抗冰能力的常规方法是采用双层隔水套管，这种方法会大幅度增加隔水套管钢材用量，增加作业难度，延长海上施工作业时间，增大油气田开发成本。本文提出了一种新型抗冰隔水套管组合，该组合在思路上采用与钻井工艺相结合的方式，充分利用了内层技术套管结构和强度，在保证隔水套管力学性能条件下可以达到减少钢材用量、缩短施工时间和降低作业费用的目的。该项研究成果已应用于渤海A平台

1 新型抗冰隔水套管组合结构

新型抗冰隔水套管组合主要由外层隔水套管、中层加强管及内层技术套管等3部分组成。中层加强管对应冰层位置设置于外层隔水套管与内层技术套管之间，其长度小于外层隔水套管的长度但大于冰层厚度。外层隔水套管与中层加强管之间的环空部分以及中层加强管与内层技术套管之间的环空部分均用水泥浆充填。中层加强管上下两端与内层技术套管采用丝扣接头连接，接头内设计有多个加强筋和导流孔，导流孔满足水泥浆上返流动的需求。新型抗冰隔水套管组合与常规双层隔水套管组合结构对比如图1所示。

图1 新型抗冰隔水套管组合与常规双层隔水套管组合结构对比图

2 新型抗冰隔水套管组合抗冰能力分析与应用

2.1 计算模型的建立

根据新型抗冰隔水套管组合以及常规双层隔水套管组合结构建立抗冰能力计算模型时作了以下假设：①上端边界横向约束位移，轴向自由伸缩但承载井口和采油树载荷；②采用ANSYS软件进行结构分析，利用SOLID45单元模拟土层部分，定义材料为DP模型；SHELL43单元模拟各层套管结构，定义材料为理想弹塑性；③常规双层隔水套管计算校核时不考虑钻井技术套管的作用，但对于由钻井工艺和传统隔水套管相结合的新型隔水套管组合需考虑内层技术套管的作用。

在建模过程中，先建立各层套管模型，再建立连接接头模型，最后建立土层模型［1－2］。在模拟土层的过程中，考虑扰动半径为10倍桩径，影响深度为20 m，分为5层不同性质的土；外层隔水导管与土层的相互作用通过建立接触对模拟，定义接触对法向接触刚度因子10，初始渗透因子0.1。新型抗冰隔水套管组合与常规双层隔水套管组合抗冰能力计算模型如图2所示。

图2 新型抗冰隔水套管组合与常规双层隔水套管组合抗冰能力计算模型示意图

采用同样的工况条件：冰力（重叠冰）915.4 k N；顶部载荷300 k N。各层套管材质：外层隔水套管材质X52钢，屈服强度为358 MPa；中层加强管和表层套管材质K55钢，屈服强度为379 MPa；新型抗冰隔水套管内层技术套管材质N80钢，屈服强度为551 MPa。各种材料属性：钢材弹性模量210 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3；土层弹性模量200 MPa，采用 Drucker－Prager（DP）准则，泊松比0.4，密度为2 000 kg/m3。

各土层其它参数见表1。

2.2 计算结果对比分析

根据ANSYS计算结果，分析对比新型抗冰隔水套管组合与常规双层隔水套管组合结构的力学性能，两种隔水套管组合各层套管纵深方向的米赛斯应力和位移值对比如图3、4所示，两种隔水套管组合安全性能对比见表2。

表2 新型抗冰隔水套管组合与常规双层隔水套管组合力学性能对比

从图3可以看出：两种隔水套管组合的外层隔水套管受力大小相近，变化规律相同；新型抗冰隔水套管组合的中层加强管和双层隔水套管组合的表层套管在布置有中层加强管的范围内受力大小相近，变化规律近似；新型抗冰隔水套管组合的内层技术套管由于有通过连接接头连接的中层加强管的作用而改变了传递力的路径，因此图中出现了V字形的折线，且在除布置有中层加强管的范围技术套管受力变化规律与双层隔水套管组合的表层套管近似。从图4可以看出，新型抗冰隔水套管组合的各层套管和双层隔水套管组合的各层套管位移几乎相同，且两种隔水套管的位移值相近。由表2可知，新型抗冰隔水套管组合与常规双层隔水套管组合力学性能相近，能够满足海上钻完井施工安全需要。

2.3 在渤海A平台的应用

渤海A平台是一座6腿6桩的井口平台，布置了48个井槽，冬季有海冰覆盖。由于采用新型组块结构，隔水套管跨度大（24 m），所在区域冬季冰力大，因此必须考虑隔水套管抗冰问题。原设计采用双层隔水套管组合方式，后经反复研究论证，该平台隔水套管结构最终采用了新型抗冰隔水套管组合方案。相对双层隔水套管组合方案，新型抗冰隔水套管组合方案的钢材用量大大减少，施工时间大大缩短，经济效益明显。