深海钻井立管重入井作业运动特性及其优化研究

发布时间：2020-09-08 19:21

　　随着海洋油气开采走向深水,对深海钻探技术带来了更大的挑战。深海油气钻探经常受到恶劣海况的影响,钻井立管需要暂时离开探区,待海况平稳之后进行重新入井作业。作为海洋油气钻探开发中的一个典型工程问题,深海重入井作业难度随着工作水深增加而迅速增大。整个重入井作业过程中,立管主要经历两个阶段:水平运动阶段和下放运动阶段。受到波流和顶端船舶运动等多种外部激励作用,钻井立管会表现出响应迟滞、结构偏移和振荡等复杂的非线性运动,严重影响了立管重入井的作业效率和精度。目前针对重入井立管运动特性和运动优化方面的研究较少且不完善,运动控制参数的选取主要依靠经验,存在很多不确定因素,且研究主要集中在顶端船舶运动单一激励下的立管重入井水平运动阶段,而仅依靠水平运动钻井立管并不能实现精准重入井作业。因此,为提高深海钻井立管重入井的作业效率和精度,需要完整和深入研究海流、顶端水平和垂向运动等多重复合激励下的立管复杂非线性运动特性,并制定优化的运动策略。针对目前研究中存在的不足,本文进一步深入地对深海钻井立管重入井作业问题,特别是对多重复合激励下的重入井下放阶段立管复杂非线性运动特性及优化问题进行了研究,并从以下三个方面展开:(1)立管重入井水平运动阶段研究。采用刚性离散微段建立了自由悬垂立管的水动力模型,并对基本牛顿迭代法进行改进,用于模型求解。在此基础上,分析了预设海流和顶端水平运动下的立管形态、底端偏移及速度变化等动态响应。(2)立管重入井下放运动阶段研究。针对刚性离散微段的不足,基于柔性离散微段,通过固定微段数量、改变微段长度的方式体现立管总长度的时变特性,提出了一种变长度立管水动力模型,并给出了迭代求解方法。在此基础上,分析了预设海流和顶端垂向下放运动下的立管形态及底端偏移变化等动态响应。又预设顶端小范围的水平移动,配合垂向下放运动形成顶端复合下放运动,分析在此激励下的立管复杂非线性运动响应。(3)重入井立管复合运动的优化研究。根据立管重入井的复合运动特点,通过运动的等时间段离散,对蚁群算法进行了包括状态转移概率、优化对象的约束范围及选择机制、信息素更新策略等方面的针对性改进,并分别以顶端加速度和顶端速度为优化对象对重入井立管的复合运动进行优化研究,以抑制立管的底端偏移和振荡。通过上述研究得到了以下几个主要结果和结论:(1)自由悬垂立管水动力模型中选取六个未知变量,有效降低了非线性偏微分方程组的阶数,便于程序的编写和计算;迭代过程引入“亚松弛因子”有利于减小累计误差。(2)重入井水平运动阶段中立管底端运动存在明显的“迟滞现象”,且顶端运动对底端振荡的振幅和周期有很大影响;双侧剪切流中的立管形变呈现复杂的“S”形,且流速对底端偏移和振荡的影响明显。(3)基于柔性离散微段,通过固定微段数量和改变微段长度建立的变长度立管模型,有效解决微段长度变化对数值计算结果的不利影响,克服了刚性离散微段的不足,可以较准确模拟和计算立管重入井下放阶段的运动。(4)垂向下放运动中,顶端加速和减速阶段对立管形态和偏移的影响较明显,加速下放会增大立管的形变和横向偏移;剪切流和双侧剪切流中立管形态有明显拐点;且海流和顶端垂向下放运动会使立管底端产生较大偏移。(5)复合下放运动中,顶端水平运动对立管形态变化起决定作用,且主要体现在横向偏移的变化;顶端预设的复合运动可以降低立管底端横向偏移,但效果需要进一步优化,而且存在很多不确定因素。(6)改进的蚁群算法可以比较便捷有效地应用于重入井下放阶段的立管复杂非线性运动优化,且优化结果容易收敛于全局最优解;优化策略以顶端速度或加速度的形式体现,比较容易在实际工程作业中实现。(7)制定了两套相互独立的顶端复合运动加速度优化和速度优化策略。这两种优化策略都可以有效降低复合下放运动中立管底端偏移和振荡,提高立管重入井的作业效率和精度,但从优化效果及实施难度方面考虑,在海流作用下的深海钻井立管重入井实际作业中推荐采用顶端复合加速度的优化结果。本文的研究结果可为深海油气开发立管重入井这一典型的工程问题提供必要的作业参考,并为进一步的理论研究奠定基础。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE951
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