天然气水合物井口头系统力学行为分析

天然气水合物井口头系统力学行为分析

摘要:天然气水合物钻井过程中,水下井口头系统处于关键节点位置,但对其力学影响探讨较少。文章结合水下井口头系统实际钻井工况下的受载,对其进行力学分析。研究结果表明在井口头的头部和尾部,位移和应力变化较小;而在井口台阶处,由于受力面积发生变化,变形较大。

关键词:水合物;井口头系统;力学行为

2017年度的泥质粉砂型天然气水合物资源试采主要借鉴常规海洋深水油气勘探开发,被称为“大马拉小车”的技术,试采成本高、系统复杂、风险大、经济效益差,试采过程中遇到了一系列技术难题。当前情况下,智能化为世界各国的主要发展方向,一套智能化的天然气水合物开发生产系统是必需且十分迫切的,经济型小井口系统则是这套系统中重要组成部分和重要开端。水下井口头系统是天然气水合物钻井过程中的关键设备,下端连接套管,上端连接井下防喷器和采气树。在井口头系统运行过程中,受到系统内部和外部多种载荷的作用,其受力状态随着载荷的变化而发生变化,如果关键承压部分的受力强度超过设计极限,就可能对井口头系统的结构产生破坏,引起结构性失稳或者密封失效,严重时可能损坏整套水下井口设备。目前对于其力学行为研究相对较少,为此有必要研究经济型井口头系统在多种载荷下的力学行为。

1井口头系统受力分析

天然气水合物开发过程中水下井口头系统受力主要包括4个部分:井口头系统的重力、作用于井口头系统的波流力、井口头系统内部的流体作用力以及来自连接装置的作用力。小井口系统受到这些共同作用力的作用,当承受的力超过设计极限时,就可能造成零部件局部的破坏。水下井口头系统钻井作业时的受力模型如图1所示。

2井口头力学模型

水下井口头系统的核心部件和承力部件是高压井口头,其强度是否满足设计要求关系到井口头系统的安全。天然气水合物经济型井口头系统如图2所示,主要包括套管挂、油管挂、井口头、抗磨补心、密封部件等。天然气水合物经济型井口头系统在钻井作业过程中,受到的载荷主要包括轴向载荷、径向载荷、温度载荷以及环境载荷等,各种载荷的共同作用影响井口头的力学行为,为了具体分析井口头系统内部的强度和应力变化,设定不同的所受外载的数值并进行模拟分析,主要载荷数据见表1。

3模拟分析

3.1变形结果分析。作用下井口头系统的位移变形。从图中可以看出,在井口头的头部和尾部,位移和应力变化较小;而在井口台阶处,由于受力面积发生变化,变形较大,整体分析结果与实际情况吻合。

3.2应力分析。图4是高压井口头应力云图,反映力学作用下井口头系统的应力变化。从图中可以看出,应力变化趋势与位移变化保持一致,在端部结构所受应力较大,最大为375MPa,需要分析是否满足应用工况条件。改变不同参数进行多次计算,可以分析得出在不同载荷中,压力载荷影响效果最为明显。在钻井作业或者采气过程中的需要采取工艺措施监控井下压力,处于可控范围之内,否则会给井口头系统安全运行带来风险。

4结论

(1)经济型井口头系统受力主要包括系统自身重力、横向波流力、内部的流体作用力以及来自连接装置的作用力。(2)在井口头的头部和尾部,位移和应力变化较小;而在井口台阶处,由于受力面积发生变化,变形较大,与实际情况比较符合。

作者:边培明 刘丽娟 王地川 敬凤 赵锦栋 单位:深圳市百勤石油技术有限公司