深水钻井管柱力学与设计控制技术研究新进展-中国石油大学(北京)
中国石油大学(北京)油气井工程系介绍
2、钻柱力学与井眼轨迹控制技术
2.1 管柱屈曲理论与复合 管柱优化设计
通过建立和求解井下管柱在压 扭作用下的非线性屈曲微分控 制方程，综合考虑管柱自重、 约束井眼的形状,以及摩擦阻 力的耦合影响，得到了管柱正 弦屈曲和螺旋屈曲构型的系列 解析解及相应的接触力计算公 式；所得解析解与数值解均有 良好的一致性。同时，确定了 管柱保持初始平衡段、弦屈曲 构型段和螺旋屈曲构型段等所 对应的临界载荷及载荷范围, 从而确定了受井眼约束管柱的 后屈曲路径及其内力分布。 在此基础上，提出了油气井复 合管柱的优化设计。
研究队伍和师资力量
• • • • • • • • 中国工程院士1人（2001年） “长江学者奖励计划”特聘教授1人（2001年） “国家杰出青年基金”获得者2人次（1998、2001） 中国青年科技奖获得者2人次（第四届、第六届） 入选国家“百千万人才工程”（第一、二层次）2人次（首批 1人、第二批1人） 1994年入选“国家教委跨世纪优秀人才计划”1人次 有1人兼任国务院学位委员会学科评议组成员及全国政协委 员等职 另有1人兼任中国科协委员等职
1、钻井地下压力评价技术
地应力测试与解释技术 • • • • • 深层地应力测试 小型压裂解释地应力技术 偶极测井解释地应力技术 分层地应力预测技术 区域地应力数值模拟技术 岩石力学参数测试与解释 • • • • • 应力应变特性测试 弹性与强度测试 蠕变特性测试 断裂韧性测试 测井解释技术
塔中68 塔中31 塔中12 塔中30 塔中50 塔中62 塔中15 塔中58 塔中69 塔中70 塔中169 塔中4-7-38 塔中52 塔中53
中国石油大学（北京）
油气井工程系
（钻井）
中国石油大学（北京） 石油天然气工程学院 2005年10月
深水海底举升钻井系统U型管效应研究
深水海底举升钻井系统U型管效应研究李基伟;柳贡慧;李军;李玉梅【摘要】对于深水海底举升钻井系统,由于钻杆内和环空内的液柱压力不平衡会产生U型管效应,因此精确地预测U型管效应发生时的井筒流动特性和U型管效应持续时间对于钻井操作和井控安全具有重要意义.基于流体力学理论,建立了U型管效应数学模型,并将计算值与实验测量值进行对比,验证了所建模型的准确性.分析了发生U型管效应时钻杆内液面深度、环空排量、泥浆池增量和井底压力随时间的变化规律,在此基础上提出了U型管效应过程中的溢流监测方法,同时分析了钻井液黏度和喷嘴直径对U型管效应的影响规律.本文研究结果可为深水海底举升钻井系统发生U型管效应时的安全作业提供指导.【期刊名称】《中国海上油气》【年(卷),期】2016(028)002【总页数】8页(P120-127)【关键词】深水;海底举升钻井;U型管效应;数学模型【作者】李基伟;柳贡慧;李军;李玉梅【作者单位】中国石油大学(北京)石油工程学院北京 102249;中国石油大学(北京)石油工程学院北京 102249;北京工业大学北京 100124;中国石油大学(北京)石油工程学院北京 102249;中国石油大学(北京)石油工程学院北京 102249【正文语种】中文【中图分类】TE242深水窄安全密度窗口地层钻进时容易引起井涌、井漏等复杂问题，需要精确预测并控制井筒压力[1]。
一些学者认为，海底举升钻井系统适用于深水窄安全密度窗口地层的钻井操作[2-3]。
海底泵举升钻井是控压钻井技术之一，该技术依靠海底泵和小直径上返管线把钻井液和钻屑从海底循环到海面，在整个钻井液返回回路中保持2个压力梯度，其中海底泥线以上为海水密度，泥线以下为钻井液密度。
该技术可以使地层破裂压力和孔隙压力之间的余量相对增大，有效控制井眼环空压力和井底压力，克服深水钻井中遇到的问题，实现钻井安全、经济[4-5]。
与常规钻井相比，海底举升钻井具有减少井涌、井喷、井漏和套管层次，缩短建井周期，节省钻井成本等优点。
井下管柱受力分析设计软件的研制及应用
44C HINAPE T ROLE UMANDCHEM ICALINDUSTRY中国石油和化工45C HINAPE T ROLE UMANDCHEM ICALINDUSTRY 中国石油和化工作业工况的管柱摩阻系数反演计算等。
２．３ 管柱组合设计考虑了三维井眼轨迹下的井下管柱与套管的摩擦力、弯曲所产生的附加力、管内流体与管相对运动时产生的摩阻力以及振动载荷等［３］。
通过在空间上对管柱进行受力分析，建立了计算任意井眼中管柱轴向载荷的通用模型，可以用来设计任意井眼轨迹井中的生产与作业管柱，分别采用了等安全系数和等应力范围比两种设计方法。
本模块的目的在于事前防止井下故障的发生。
充分考虑井下管柱各种受力情况，考虑完井、井下作业或修井可行性，设计安全的管柱组合，保证井下作业的安全，避免管柱发生强度破坏而造成井下复杂事故。
２．４ 管柱校核对油田提出的管柱组合方案进行校核。
软件基于三维井眼轨迹，同样考虑了管柱与套管的摩擦力、弯曲所产生的附加力、管内流体与管相对运动时产生的摩阻力以及振动载荷等。
分上提、下放、注入、采出四种工况对管柱进行校核，通过求出管柱危险点的安全系数，来判断管柱是否安全。
２．５ 封隔器管柱系统计算封隔器管柱系统在井下工作时，温度和压力的变化，往往会引起系统的受力和管柱长度发生改变［４］，导致封隔器过早解封、错封或窜封，乃至无法起出封隔器及其他更为严重的恶性故障。
（１）软件能够准确计算在完井和作业过程中油管和环空内的温度变化和压力变化；（２）准确计算油管由于压力和温度的变化引起的油管柱长度的变化（包括活塞效应，温度效应，膨胀效应，螺弯效应）以及所产生的附加应力；（３）封隔器在实际使用中，为了使封隔器避开套管接箍并达到工艺设计要求，准确确定封隔器坐封位置显得尤为重要，软件可以准确确定封隔器坐封位置；（４）初始油管压缩量计算，是封隔器管柱受力分析计算的重要参数，它不仅能够对封隔器坐封时现场施工提供指导，而且还是后续施工或完井过程中计算管柱的受力和变形的基础；（５）对于自由移动封隔器管柱受力分析要解决的问题主要有：确定密封段的最小长度，以保证管柱下端的插管密封段在上下移动过程中不能移出密封腔；校核管柱能否出现永久性螺旋弯曲或因张力过大而损坏的情况；（６）对于不可移动封隔器确定封隔器对油管的作用力；校核管柱能否出现永久性螺旋弯曲或因张力过大而损坏的情况；（７）求出中和点的位置，提示中和点是在管内还是在管外；（８）求出在压力和温度变化后封隔器对油管的作用力，进而求出管柱危险点（包括井口）的拉力，计算出管柱危险点的安全系数，校核封隔器管柱的安全性。
《石油科学通报》2016年第1卷总目录
石油机械
143(1)
我国高钢级管线钢和钢管应用基础研究进展及 展望
II
总目录
154(1) 257(2)
冯耀荣，霍春勇，吉玲康，李鹤林 基于可靠性的含蜡原油管道停输再启动安全性 评价方法 张劲军，宇波，于鹏飞，韩东旭 天然气凝析液管道水合物堵管风险研究 阮超宇，史博会，宋尚飞，丁麟，柳扬，黄启 玉，宫敬
石油经济
175(1) 286(2) 293(2) 306(2) 512(3)
基于博弈分析的我国天然气储气库开发策略及 运营模式研究 陈思源，张奇，王歌，李彦 油气资源禀赋与产油国经济增长关系的实证研 究 刘明明，王震，潘燕妮 美国 Haynesville 页岩气井产量递减规律 郭克强，张宝生，Mikael HÖÖK，Kjell ALEKLETT 经济转型下政策环境对中国能源上市公司经营 表现影响的实证研究 李启明，程棵，王文欢，娄一苹，杨晓光 我国石油企业海外投资项目经济风险分析研究 姜洪殿，董康银，孙仁金，邱坤
61(1) 81(1) 91(1) 128(1) 225(2) 233(2)
241(2) 353(3) 363(3)
深水钻井管柱力学与设计控制技术研究新进展 高德利，王宴滨 连续管钻井完井技术研究进展及发展趋势 李根生，宋先知，黄中伟，田守嶒，史怀忠，王 海柱，盛茂 页岩气纳米孔气体传输综述 吴克柳，陈掌星 非常规油气藏开采中的工程科学问题及其发展 趋势 姚军，孙致学，张凯，曾青冬，严侠，张敏 基于预防井涌的水平井最大长度设计方法 连吉弘，杨彩凤，田艺，孙宝江，孙小辉，高 永海 低渗透非均质油藏WAG注入参数优化实验及提高 采收率机理研究 郝宏达，赵凤兰，侯吉瑞，宋兆杰，侯利斌，王 志兴，李文峰，付忠凤 苏里格气田泡沫和井下工具类排水采气工艺研 究现状 王瑞，张宁生，刘晓娟，陈洁，窦亮彬 含裂缝混合岩性致密油储层压裂裂缝起裂与扩 展实验研究 张然，李根生，郭建春 注采压差对双水平井 SAGD 开发的影响 刘昊，程林松，熊浩，黄世军，余恒，兰翔，黄 潇
复杂结构井技术新进展中国石油大学北京吴晓东
2 lDs
1
1
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基本理论研究及其在复杂井中的应用—完井研究
（三）多分支井完井表皮计算模型研究流程 —射孔完井表皮因子计算模型
水平井射孔的几何参数
不同相位角射孔图
射孔完井孔眼周围流动简化图
射孔完井孔眼未穿透污染层
孔眼周围压实区域
射孔完井孔眼穿透污染层
基本理论研究及其在复杂井中的应用—完井研究
（三）多分支井完井表皮计算模型研究流程
基本理论研究及其在复杂井中的应用—PEBI网格
（三） PEBI网格生成方法
针对不规则的油藏边界、断层以及复杂井的结构特点， 提出一种新的PEBI网格生成方法，分为以下三步：
(1)分布网格节点
在整个模拟区域内分布规则的六边形PEBI网格作为背景网格， 在直井位置和复杂井主井筒位置分别布置径向网格和笛卡儿网格， 以断层线为对称线，在断层两端分布均匀的网格节点。分别成的非 背景网格节点同每一个背景网格节点之间的距离，如果小于限定的 最小距离，则剔除相应的背景网格节点。
（一）多分支井完井类型分类-应用实例
3级筛管完井(加拿大)
3级筛管完井(委内瑞拉)
基本理论研究及其在复杂井中的应用—完井研究
（二）多分支井完井方式选择
裸眼完井
割缝衬管完井
带眼衬管完井
射孔完井
裸眼砾石填充完井
射孔砾石填充完井
基本理论研究及其在复杂井中的应用—完井研究
（二）多分支井完井方式选择
井筒半径
一、复杂结构井技术应用概况
世界水平井的应用 截止到2007年全世界共钻水平井45000多口，分布在世 界60多个国家和地区，这其中大多数都属于美国和加拿 大两国，中国的钻进数量为2600多口，预计到2010年， 全世界的水平井年钻井数量将超过5万口。
深水钻井技术现状及发展趋势分析
深水钻井技术现状及发展趋势分析摘要:海洋中有着大量的石油天然气资源，在全球油气资源总储量中占比高达70%左右，而500m以上的深水海域油气田在其中所占比例极高。
因此对于海洋油气特别是深海油气全球已达成共识，其将是未来世界油气资源来源的重要区域。
深海油气开采是高风险、高投资、高技术、高回报的行业。
本文就对深水钻井技术现状与发展进行了探讨。
关键词：深水钻井；钻井技术；海底钻井1 当前我国深水开发所面临的现状与挑战1.1在环境方面的挑战1.1.1浅层地质灾害主要包括三类:浅层气、浅层水流动(ShallowWaterFlow，简称SWF)、天然气水合物。
此类灾害一般在钻完井作业时泥线下约1500m的地层内有发生，影响井的安全性。
浅层气和浅层流具有高压力，容易高速井喷、要求压力波动低和处理困难的特点，易造成井塌，井喷。
而在我国南海，浅层气主要分布于大陆架区，而且甚为广泛。
SWF存在使得高质量的套管尾管无法建立，影响井壁稳定。
天然气水合物分解将引起地层承载力的不均匀，对海洋工程的安全有影响。
而且，突然释放的气体会对运输管道产生破坏作用，特别是在高压浅层气体释放的时候，轻则侵蚀套管，重则引起井喷。
除此之外合物的形成还会堵塞管线，钻进器具。
1.1.2恶劣的海洋环境(1)海底高压、低温环境;深水海底温度一般在3～5℃，海水的低温可影响到海底泥线以下450m处的岩层，使该区域岩层具有低于正常地温梯度的温度。
(2)波浪流:浮式平台和钻井船是在深水钻井作业中主要使用的工具，会因波、浪、流以及风吹产生摇晃，这会对其锚泊系统以及动力定为造成影响，使结果产生误差。
(3)台风:台风破坏力极强，当海上钻井平台或者钻采设备碰上台风时会被严重破坏。
(4)内波流:部分流体发生密度变化使流体内部不连续的现象，会导致大幅震荡。
较大的内波会严重缩小钻井作业窗口使钻井作业无法正常开展开。
并且如果钻井平台的立柱或着隔水管等结构遇到内波流时会受到较大的作用力使平台发生一定距离的偏移。
2016年度中国石油和化学工业联合会科学技术奖授奖项目
沈阳化工大学,铁岭尔凡橡塑 研发有限公司
1. 陈 尔 凡 ,2. 陈 雷 ,3. 陈 永 ,4. 张 娜,5.付耕瑜,6.王金
19
16F091
甜高粱秆连续固体发 酵高效生产乙醇技术 与工业化应用
清华大学,东营市弘力生物科 技有限责任公司
1.李十中 ,2. 仉磊 ,3. 李纪红 ,4.祖旭 ,5.杜 斌,6.张元成
5
16F045
基于物质形态原位调 控的难降解有机废水 低耗处理与资源化技 术
中国科学院生态环境研究中 心,上海伟业环保工程有限公 司,北京中科国益环保工程有 限公司
1.杨敏,2.张昱,3.高迎 新,4.丁然,5.丁伟,6.李 开明
6
16F051
磷酸铁锂电池储能系 统关键技术及产业化
上海交通大学,比亚迪汽车工 业有限公司,上海中聚佳华电 池科技有限公司
2
16F011
深水钻完井双层管柱 动力学行为与井控安 全控制技术研究及应 用
西南石油大学,中海油研究 总院,西华大学,中海石油 （中国）有限公司深圳分公 司,中海油田服务股份有限 公司
1. 刘 清 友 ,2. 刘 正 礼 ,3. 付 强 ,4. 何 玉 发 ,5. 王 国 荣 ,6. 杨 秀 夫 ,7. 柳 军 ,8. 毛 良 杰 ,9. 黎 伟,10.朱海燕
刘 虹 ,4. 韩 宇 ,5. 张 德 伟 ,6. 李 绍 明 ,7. 林 广
义,8.边慧光
11 16F094 油气成藏全过程物理 中国石油天然气股份有限公 1.赵孟军,2.雷永良,3.
模拟技术及应用
司勘探开发研究院
米敬奎,4.高志勇,5.姜 林,6.何坤,7.鲁雪松,8. 陈竹新
技术发明三等奖
序 评审 号 编号
博士论文：深水油气钻探井筒多相流动与井控的研究
中国石油大学（华东）博士学位论文深水油气钻探井筒多相流动与井控的研究姓名：***申请学位级别：博士专业：油气井工程指导教师：***20071001中国石油大学（华东）博士学位论文图３－ｌ模拟深水钻井条件的水合物实验装置矾ｇ．３－１Ｅｘｐｅｒｉｍ蛐协Ｉａｐｐａｒａｔｕｓ确咂ｕＩａ伍培恤ｅｄ∞ｐｗａｔｅｒｄｒｎｌｉｎｇｃ仰ｄｉ廿ｏｎｓ水合物分解实验在恒温恒压下进行，压力由回压压力控制系统进行控制，回压压力控制系统由中间容器、回压阀以及控制管路组成，中间容器的压力由高压空气瓶提供。
通过该系统，可以使分解压力与对应的相平衡压力在一定压差下进行。
分解得到的气体由一中间容器采集，并对该容器的在实验过程中的压力变化实时采集，通过测得的压力可以求得分解气的量。
３．４．２实验方法在实验前用蒸馏水把反应釜清洗两次，并用实验气体进行吹扫，然后抽真空。
在反应釜中注入６００９左右的蒸馏水，水量用精度为士０．０１９的电子天平称量。
开启缓冲罐，调节压力调节阀，给反应釜充气，使反应釜中压力达到实验设定压力。
在水合物生成实验过程中关闭进气阀，由ＰＶＴ方程可以知道参与生成的甲烷气体的量，从而可以确定生成水合物的量。
开启水浴，调节恒温水浴的温度，使反应釜中的温度达到实验温度预设值，当反应釜温度达到设定值并稳定后，保持恒温水浴的温度不变。
实验过程中水合物形成时，反应釜中压力明显降低。
水合物形成过程中利用数据采集系统记录流量及反应釜内的温度、压力值。
生成完成后进行分解实验，分解过程中利用回压控制系统和水浴保持反应釜内恒温恒压，实时测量气体收集容器中采集分解气的压力，通过计算转化３１中国石油大学（华东）博士学位论文为物质的量，从而可以确定分解气生成速度，并得到水合物分解速度。
３．４．３实验过程每次实验主要包括水合物的生成和分解两个过程。
水合物生成实验阶段主要是加入药品后，把体系升温２５℃稳定，开始降温，同时利用数据采集器采集降温过程中温度和压力值的变化情况，观察水合物的生成情况。
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深水钻井特点与关键问题
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引言
深水钻井工程是深水条件下海洋油气工程作业的
学预测分析并形成相应的控制方法，对确保深水钻井 安全高效作业具有重要的实际意义。 本文介绍包括深水导管、送入管柱、钻井隔水管、 水下井口在内的主要深水钻井管柱的力学研究进展及 其存在的问题，以及今后的发展方向，以期为深水钻 井管柱力学深入研究与深水钻井技术发展提供有益参 考。
关键环节之一。与近海浅水钻井不同，深水钻井必须 面对更为复杂的海洋深水环境和地层条件，面临“入 地、下海”的双重挑战，需要采用浮式钻井作业平台， 建立安全稳定的水下井口与钻井系统，使用特殊的深 水管柱 ( 包括导管、钻井隔水管、套管柱及送入管柱 等 )、水下智能控制系统等，是一项复杂的系统工程， 具有高科技、高投入及高风险等基本特征。 随着世界能源需求的增长及海洋油气勘探开发技 术的不断进步，人们越来越重视海洋油气资源的勘探 开发
摘要
深水钻井作业主要包括导管喷射安装、表层管井段钻井、水下防喷器组和深水钻井隔水管安装及后续
钻井等 4 个主要作业环节，涉及导管、钻井隔水管、送入管柱等 3 类管柱系统。与陆地及浅水近海钻井不同， 由于深水钻井工况的独特性，管柱在作业过程中产生复杂的力学行为，严重影响深水钻井的安全高效作业。因 此，开展深水钻井管柱力学与设计控制技术研究，对于推动深水钻井科技进步具有重要意义。 深水导管喷射安装技术是适应深水钻井的特殊要求而发展起来的一种浅层作业技术，也是深水钻井作业程 序的第一步。作业过程涉及导管和送入管柱 2 类管柱系统，主要目的在于建立安全稳定的水下井口，为后续的 钻井作业奠定基础。例如送入管柱的力学行为分析与优化设计研究、水下井口的管土相互作用与导管承载能力 研究等，对实现水下井口安全稳定的目标具有重要意义。本文从工程应用与技术研发 2 个方面，对涉及其中的 送入管柱强度设计与校核、导管喷射安装工艺和导管承载能力等 3 个方面的研究进展进行了综述与展望。认为 深水导管喷射安装的未来研究将侧重于极限工况下导管的入泥深度与承载力计算、喷射钻进参数优化、导管喷 射安装风险评估与可靠性预测，以及深水导管喷射安装模拟实验等内容。 深水钻井隔水管是连接浮式钻井平台与水下井口的重要设备，可提供钻井液循环通道、支持辅助管线、引 导钻具、下放与回收防喷器组等。深水钻井隔水管在整个钻井作业过程中涉及安装、正常钻进、回收与紧急撤离 等作业过程。由于波流联合作用力的动态效应，深水钻井隔水管在服役期间会产生轴向拉伸、横向弯曲、耦合振 动等一系列复杂力学行为，给深水钻井安全作业带来巨大挑战。因此，对深水钻井隔水管力学行为进行研究，确 保其安全可靠性，是深水钻井研究的关键问题之一。本文着眼于深水钻井隔水管的顶张力控制、纵横弯曲变形、 横向振动特性、纵向振动特性、耦合振动特性及涡激振动特性等主要力学问题，从载荷计算、控制方程、边界条 件及求解方法等方面入手，总结了深水钻井隔水管系统在力学与设计控制技术方面取得的新进展，对目前研究 中仍然存在的问题进行了剖析和探讨。研究认为在以后的工作中，应在深水钻井隔水管安装作业窗口分析预测、 隔水管涡激振动响应与抑制、隔水管疲劳寿命计算与评估，以及隔水管力学行为模拟实验等方面加强研究。 在深水井筒整个寿命期间，最大限度地使井筒中地层流体处于有效控制的安全运行状态，防止浅层气和浅 水流入侵，提高固井质量，避免水下套管柱变形甚至挤毁等，对于提高深水油气井筒的完整性具有重要的实际 意义。本文以深水井筒的温度分布规律、套管环空压力变化及套管应力分布等研究为主，对深水井筒完整性预 测和预防研究进行了综述，主要内容包括地层非稳态传热、套管环空循环温度分布、密闭环空内流体升温膨胀 引起的附加载荷和预防措施、多层套管柱环空压力计算、套管—水泥环—地层系统热力耦合响应等。分析认为 充分考虑深水钻井特殊工艺与环境约束条件、建立适用于深水井身结构与套管柱优化设计方法、开展深水井筒 完整性风险评估与设计控制技术研发将是未来关注的重点。 开展深水钻井管柱力学模拟实验研究，获取相关的有效数据，对于提高深水管柱力学与设计控制研究水平
石油科学通报
2016 年 6 月
第 1 卷第 1 期
创刊号：61-80
深水钻井管柱力学与设计控制技术研究新进展
高德利 *，王宴滨 *
中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京 102249 * 通信作者, gaodeli@, wyb576219861@ 收稿日期 : 2016-02-24 国家自然科学基金创新研究群体项目和重点项目 ( 项目批准号：51521063 和 U1262201)
引用格式：高德利 , 王宴滨 . 深水钻井管柱力学与设计控制技术研究新进展 . 石油科学通报 , 2016, 01: 61-80 GAO Deli, WANG Yanbin. Progress in tubular mechanics and design control techniques for deep-water drilling. Petroleum Science Bulletin, 2016, 01: 61-80. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2016.01.005 ©2016 中国石油大学 ( 北京 ) 清华大学出版社有限公司
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石油科学通报
2016 年 6 月
第 1 卷第 1 期
创刊号
具有必要性。本文建立了“深水管柱力学模拟实验系统” ，并对其结构组成、操作方法、技术参数及主要功能等 进行了详细说明，介绍了深水钻井隔水管力学行为模拟实验与疲劳寿命测试方面取得的新进展。 本文对深水导管喷射安装技术、深水钻井隔水管系统力学与设计控制技术以及深水井筒完整性预测和预防 研究等方面的新进展进行了综述和展望，对指导今后的深水钻井管柱力学与设计控制技术研究具有参考价值。 关键词 深水钻井；管柱力学；设计控制技术；深水导管；海洋钻井隔水管