一种无隔水管钻井液回收管柱静态受力分析方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种无隔水管钻井液回收管柱静态受力分析方法及系统，属于深水石油钻井领域。所述方法通过分析海流力、轴向有效应力对钻井液回收管柱的影响，利用实时采集到的数据，实时获得钻井液回收管柱受到的纵向载荷和横向载荷，并利用纵向载荷和横向载荷判断钻井液回收管柱是否安全。本发明专利技术考虑了张力器拉力、管柱重力、管柱浮力、管柱摩擦阻力、上部泵、下部泵重力以及多种波浪流对钻井液回收管柱的影响，能够对无隔水管钻井系统中的钻井液回收管柱的静态受力情况进行精确的分析，对其受到的纵向载荷、横向载荷进行实时计算，且确保了钻井液回收管柱安全工作，为推广无隔水管钻井技术提供了技术支撑，有助于无隔水管钻井技术的推广应用。术的推广应用。术的推广应用。

【技术实现步骤摘要】
一种无隔水管钻井液回收管柱静态受力分析方法及系统


[0001]本专利技术属于深水石油钻井领域，具体涉及一种无隔水管钻井液回收管柱静态受力分析方法及系统，用于分析深水钻井过程中无隔水管钻井液回收管柱的受力情况。

技术介绍

[0002]近年来，深水石油钻井过程中为解决地层孔隙压力和破裂压力安全余量较小、钻井液安全密度窗口较窄的难题，提出了深水无隔水管钻井液回收钻井技术。如图6所示，该技术可以在钻井过程中不采用常规隔水管，钻杆直接暴露在海水中，依靠安装在海底井口的吸入模块实现井眼和海水之间的密封，岩屑和钻井液经一条小直径的钻井液回收管柱(又称为反排管线)返回钻井平台。具体的，在该系统中钻井液由海面泵送入钻杆中，经钻杆到达井底，冲击破碎岩石并携带岩屑由井眼环空上返，在环空顶部经海底吸入模块进入海底举升泵，岩屑和钻井液在海底举升泵的作用下通过钻井液回收管柱返回钻井平台，钻井液经海面钻井液处理系统处理后重新进入钻井液循环系统。但由于深水钻井过程中海况复杂多变，钻井液回收管柱受到深海海浪、海流等复杂载荷的影响，钻井液回收管柱会在海浪、海流的作用下发生不规则运动，其受力情况分析目前并不明确，对钻井过程产生极大风险，成为了制约深水无隔水管钻井液回收钻井技术发展的主要瓶颈。
[0003]目前在分析钻井液回收管柱受力过程中通常考虑海流对钻井液回收管柱的影响，主要分析横向载荷对钻井液回收管柱受力的影响，同时考虑纵向载荷和横向载荷耦合作用的钻井液回收管柱受力分析的研究基本没有。
[0004]中国专利公开文献CN102607787A公开了一种测试内流对海洋立管动力特性影响的试验方法，具体涉及一种在模拟研究海洋立管涡激振动规律时，能够有效施加内流和顶张力，并就内流对海洋立管动力特性的影响进行测试的试验方法及装置。在进行海洋立管涡激振动试验研究时，该专利施加内流和顶张力的试验装置和采用该装置的试验方法，通过不断施加已知大小的顶张力、分别改变内流和外流的大小，运用应变计和光栅光纤的测试方法，测定内流对海洋立管动力特性的影响，在模拟研究海洋立管涡激振动规律时，能就内流对海洋立管动力特性的影响进行测试，从而提高海洋立管涡激振动模型试验的准确性，得到较准确的试验结论。
[0005]中国公开文献《内孤立波与非均匀海流共同作用下顶张立管动力特性》(水动力学研究与进展A辑，2012年7月，第27卷，第4期)中主要研究了两层流体中的内孤立波和非均为海流共同作用下的深海顶张立管的非线性动力响应问题。研究结果表明，在海流非均匀性导致的多模态涡激力作用下，深海顶张立管会发生大振幅多模态横向组合涡激共振的现象。在深海立管发生多模态组合共振的过程中，当有内孤立波作用时，不仅会使立管横向组合共振幅值显著增大，同时还会使立管在顺流向产生突发性的大变形响应。
[0006]但是，上述两个公开文献仅仅考虑了一种或两种波浪流对管柱的影响，而无隔水管钻井液回收管柱不仅受到多种波浪流的影响，同时还受到沿其轴向的多种力的影响，目前没有任何用于分析钻井液回收管柱的静态受力情况的技术。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种无隔水管钻井液回收管柱静态受力分析方法及系统，基于纵横向载荷耦合进行分析，保证无隔水管钻井液回收管柱安全，防止出现管柱破坏的情况，进而保障深水安全钻井。
[0008]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0009]本专利技术的第一个方面，提供了一种无隔水管钻井液回收管柱静态受力分析方法，所述方法通过分析海流力、轴向有效应力对钻井液回收管柱的影响，利用实时采集到的数据，实时获得钻井液回收管柱受到的纵向载荷和横向载荷，并利用纵向载荷和横向载荷判断钻井液回收管柱是否安全。
[0010]本专利技术的进一步改进在于：
[0011]所述纵向载荷为轴向有效应力，所述轴向有效应力包括：张力器拉力、管柱重力、管柱浮力、管柱摩擦阻力、上部泵、下部泵重力产生的力；
[0012]所述横向载荷为海流力，所述海流力包括：潮汐流、风生流、波浪流和内孤立波产生的力。
[0013]本专利技术的进一步改进在于：
[0014]所述方法包括：
[0015]第一步，采集数据；
[0016]第二步，实时计算钻井液回收管柱受到的横向载荷；
[0017]第三步，实时计算钻井液回收管柱受到的纵向载荷；
[0018]第四步，根据钻井液回收管柱受到的横向载荷、纵向载荷获得钻井液回收管柱的弯曲正应力；
[0019]第五步，利用弯曲正应力判断钻井液回收管柱是否安全。
[0020]本专利技术的进一步改进在于：
[0021]所述第一步的操作包括：
[0022](11)利用声学多普勒流速剖面仪进行实时测量，获得海流参数；
[0023](12)利用天平烧杯测得海水密度ρ
f
和钻井液回收管柱内的流体密度ρ
m
；利用磁声传感器确定内孤立波中上层海水密度ρ1和下层海水密度ρ2；
[0024](13)利用游标卡尺测得钻井液回收管柱的外径D
o
、内径d
o
，然后计算得到钻井液回收管柱的外截面积A
ro
、内截面积A
ri
；
[0025](14)输入钻井液回收管柱的单位长度重量W
e
(z,t)，上部泵和下部泵的重力W
bumpup
和W
bumpdown
,钻井液回收管柱的弹性模量E；
[0026](15)从张力器上获得张力器拉力T
top
(t)；
[0027](16)计算出单位长度管柱的浮力F
buo
(z,t)、单位长度管柱的摩擦阻力F
mf
(z,t)；
[0028](17)利用固定在钻井液回收管柱上的水下定位传感器确定不同深度处钻井液回收管柱与重力垂线的夹角θ。
[0029]本专利技术的进一步改进在于：
[0030]所述第二步的操作包括：
[0031]利用Morison公式计算得到钻井液回收管柱受到的海流力P
f
，即横向载荷。
[0032]本专利技术的进一步改进在于：
[0033]所述第三步的操作包括：
[0034]利用下式计算得到轴向有效应力T
e
(z,t)，即纵向载荷：
[0035][0036]其中，z表示深度，t表示时刻，g是重力加速度。
[0037]本专利技术的进一步改进在于：
[0038]所述第四步的操作包括：
[0039](41)利用横向偏移控制方程获得钻井液回收管柱的横向偏移：
[0040]所述横向偏移控制方程如下：
[0041][0042]其中，
[0043]式中，y为钻井液回收管柱的横向偏移；I为截面惯性矩；
[0044](42)利用钻井液回收管柱的横向偏移获得管柱弯曲正应力σ：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无隔水管钻井液回收管柱静态受力分析方法，其特征在于：所述方法通过分析海流力、轴向有效应力对钻井液回收管柱的影响，利用实时采集到的数据，实时获得钻井液回收管柱受到的纵向载荷和横向载荷，并利用纵向载荷和横向载荷判断钻井液回收管柱是否安全。2.根据权利要求1所述的无隔水管钻井液回收管柱静态受力分析方法，其特征在于：所述纵向载荷为轴向有效应力，所述轴向有效应力包括：张力器拉力、管柱重力、管柱浮力、管柱摩擦阻力、上部泵、下部泵重力产生的力；所述横向载荷为海流力，所述海流力包括：潮汐流、风生流、波浪流和内孤立波产生的力。3.根据权利要求2所述的无隔水管钻井液回收管柱静态受力分析方法，其特征在于：所述方法包括：第一步，采集数据；第二步，实时计算钻井液回收管柱受到的横向载荷；第三步，实时计算钻井液回收管柱受到的纵向载荷；第四步，根据钻井液回收管柱受到的横向载荷、纵向载荷获得钻井液回收管柱的弯曲正应力；第五步，利用弯曲正应力判断钻井液回收管柱是否安全。4.根据权利要求3所述的无隔水管钻井液回收管柱静态受力分析方法，其特征在于：所述第一步的操作包括：(11)利用声学多普勒流速剖面仪进行实时测量，获得海流参数；(12)利用天平烧杯测得海水密度ρ
f
和钻井液回收管柱内的流体密度ρ
m
；利用磁声传感器确定内孤立波中上层海水密度ρ1和下层海水密度ρ2；(13)利用游标卡尺测得钻井液回收管柱的外径D
o
、内径d
o
，然后计算得到钻井液回收管柱的外截面积A
ro
、内截面积A
ri
；(14)输入钻井液回收管柱的单位长度重量W
e
(z,t)，上部泵和下部泵的重力W
bumpup
和W
bumpdown
,钻井液回收管柱的弹性模量E；(15)从张力器上获得张力器拉力T
top
(t)；(16)计算出单位长度管柱的浮力F
buo
(z,t)、单位长度管柱的摩擦阻力F
mf
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，张东清，张辉，张金龙，柯珂，张祯祥，张进双，胡志强，李莅临，许博越，
申请(专利权)人：中石化石油工程技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：