考慮“筒中筒”耦合作用的深水隔水管柱與鉆柱碰摩運動規(guī)律

狄勤豐 駱大坤 秦墾 王文昌 陳鋒

摘要：深水鉆井時，旋轉(zhuǎn)鉆柱與海洋環(huán)境力作用下發(fā)生振動的隔水管柱易發(fā)生接觸，造成鉆柱與隔水管柱的碰撞或者摩擦。為了解隔水管柱與鉆柱間的運動狀態(tài)，減輕兩者間碰摩，保證作業(yè)安全性，提出了一種模擬深水隔水管柱-鉆柱組成的“筒中筒”耦合系統(tǒng)模型，通過分析二者間的位移與接觸力，實現(xiàn)海洋深水鉆井作業(yè)時隔水管柱與鉆柱的耦合動力學模擬的建立。模擬結(jié)果表明，考慮隔水管柱與鉆柱接觸的情況下，海流作用和渦激作用對鉆柱的動力學特征具有較大影響；海流速度增加，隔水管柱彎曲程度變大，隔水管柱的振動特征會限制鉆柱運動；井口轉(zhuǎn)速增加對鉆柱的渦動特征影響小，但會增大鉆柱與隔水管柱內(nèi)壁的接觸力，增大鉆柱與隔水管柱的失效風險。該理論為海洋深水鉆井摩阻分析提供了新的借鑒。

關(guān)鍵詞：深水鉆井；鉆柱動力學；“筒中筒”耦合結(jié)構(gòu)；隔水管柱-鉆柱耦合振動；接觸碰撞

中圖分類號：TE52；TE243 文獻標識碼： A

0 引言

深水油氣已成為我國重要的油氣接替能源，但其鉆井施工難度大、風險高，是當今油氣鉆探領(lǐng)域聚焦的技術(shù)難點之一。尤其在我國南海，海洋環(huán)境惡劣、淺層地質(zhì)災(zāi)害復(fù)雜［1］，導(dǎo)致南海深部油氣鉆采風險較高［2］。目前我國已形成了相對完善的深水、深層海洋油氣勘探開發(fā)理論體系［3］，為南海油氣資源開發(fā)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

深水鉆井的鉆柱動力學特性復(fù)雜，振動影響因素眾多，鉆柱易出現(xiàn)跳鉆、黏滑等不穩(wěn)定振動［4］，鉆柱系統(tǒng)的有害振動對控制井身質(zhì)量及安全高效鉆進造成了不利影響［5］。因此，探明深水鉆井鉆柱的動態(tài)運動特征對確保鉆柱安全十分重要。深水鉆井鉆柱動力學分析難度極大，需要考慮鉆柱軸向-橫向-扭轉(zhuǎn)振動的耦合［6］、鉆柱與井筒內(nèi)壁的接觸碰撞［7］、井眼軌跡形態(tài)對鉆柱振動［8］及受力特征［9］的影響、提速工具（包括預(yù)彎曲短節(jié)［10］、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具［11］等） 對鉆柱的激勵、鉆頭破巖過程中產(chǎn)生的鉆頭激勵［12］等多方面因素，且要考慮深水隔水管振動對上部鉆柱振動規(guī)律［13］及受力特征的影響［14］，利用實驗方法和解析分析無法實現(xiàn)。

在深水環(huán)境下，隔水管柱在波浪力、海流力等海洋環(huán)境力作用下發(fā)生振動，鉆柱繞軸線自轉(zhuǎn)并發(fā)生渦動，隔水管柱與鉆柱在不同深度處均有發(fā)生接觸的可能［15］，兩者在各自激勵作用下同時振動且相互影響［16］，一些學者將這種相互影響歸納為“耦合作用”［17］，并認為隔水管與內(nèi)部鉆柱構(gòu)成耦合系統(tǒng)［18］，還有學者針對內(nèi)外雙層筒結(jié)構(gòu)的耦合動力學特征進行了模擬與研究［19］，驗證了其耦合模型的準確性。這些研究均證明了隔水管柱與鉆柱之間存在耦合關(guān)系。

目前，深水鉆井隔水管柱動力學特征研究主要關(guān)注其渦激振動特征［20］及由共振導(dǎo)致的“鎖定”效應(yīng)［21］，大多忽略了內(nèi)部鉆柱運動的影響，可見隔水管柱-鉆柱耦合系統(tǒng)的振動并沒有引起足夠的重視。事實上，在大鉤拉力作用下鉆柱的非線性剛度增加，在彎曲的隔水管柱內(nèi)向一側(cè)貼靠，產(chǎn)生較大的側(cè)向接觸力，進而影響其振動特征；從隔水管柱的角度看，來自鉆柱的接觸或碰撞會導(dǎo)致隔水管柱空間構(gòu)形發(fā)生變化，這又會影響隔水管柱的振動特性。

在深水條件下，隔水管柱的振動特性是否對超深井（井深介于6 000～9 000 m） 鉆柱的振動產(chǎn)生影響至今不明。文獻［13］中提及了隔水管柱與鉆柱存在耦合的情況，而文獻［15］利用商業(yè)有限元軟件進行了相關(guān)的分析，但對耦合系統(tǒng)動力學特征的研究范圍有限。在考慮這種耦合作用情況下，本文建立了深水隔水管柱-超深井鉆柱耦合系統(tǒng)動力學模型，結(jié)合節(jié)點迭代法和整體矩陣法，實現(xiàn)了深水隔水管柱-超深井鉆柱耦合系統(tǒng)動力學特性的求解，分析不同海流速度、井口鉆柱轉(zhuǎn)速等參數(shù)對深水鉆井管柱動態(tài)響應(yīng)的影響，為雙深（深水、超深井） 鉆井情況下鉆柱動態(tài)安全性分析提供有用方法。

1 方法過程

1.1 模型建立

對隔水管柱在空間上進行離散，沿縱向劃分為一系列Euler 梁單元。按照隔水管柱配置，對不同位置處梁單元參數(shù)進行賦值，得到一個非均勻的簡支梁模型。簡化的隔水管柱模型如圖1 所示，管柱離散為具有n 個節(jié)點的n?1 個梁單元。

對隔水管柱進行動力學計算時，采用海洋結(jié)構(gòu)動力分析中普遍使用的模型，計算海洋環(huán)境引起的作用力，包括波浪力、海流力等。根據(jù)無限水深的Airy 波浪理論［22］，可得到任意時刻、任意水深處波浪沿水平方向的速度及加速度。