CN111985167A - 考虑井筒内流体状态的深水闸板防喷器剪切力计算方法 - Google Patents

考虑井筒内流体状态的深水闸板防喷器剪切力计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种考虑井筒内流体状态的深水闸板防喷器剪切力计算方法，该方法首先确定井筒内流体处于下部流动隔断状态和井喷自由流体状态下的剪切增长系数以及运动闸板剪切高速流体时的闸板动态阻力，再计算比较两种流体状态下闸板防喷器剪切力，取最大值作为深水闸板防喷器剪切力。本发明在计算深水闸板防喷器剪切力时，基于API Spec 16A标准要求，借鉴Cameron公司EB 702 D Rev C2(2013)中剪切力计算方法原理，考虑井筒内流体流动状态的影响，从钻杆有效剪切力和闸板运动所受的流体阻力两个角度对原计算方法进行改进，从而弥补现行计算方法对剪切力预测的不足。

Description

考虑井筒内流体状态的深水闸板防喷器剪切力计算方法
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井装备技术领域，尤其涉及一种考虑井筒内流体状态的深水闸板防喷器剪切力计算方法。
背景技术
随着世界油气开发向深海海域迈进，防喷器组已成为深井、超深井钻井中及时发现和控制溢流、避免井喷和保护设备的最关键井控设备，作为保证钻井过程安全的最后屏障，其通过配置剪切闸板防喷器在紧急情况下剪断钻杆，以实现井口密封。然而，深水钻井具有水深大、井控环境恶劣、多使用高强度钻杆等特点，闸板剪切能力提出诸多考验，一旦剪切失败可能会造成井喷失控、火灾爆炸、平台沉没等灾难性事故。
目前，国内外对闸板防喷器的研究存在较为明显的缺陷，即深水作业闸板防喷器剪切能力设计不同于普通闸板防喷器，鉴于深水作业条件较陆地及近海浅水作业防喷器更加苛刻，更加恶劣，井筒内部存在着高压流体，在发生井喷时，环形防喷器率先动作，关闭井眼，抑制井喷，同时为闸板防喷器剪切动作提供稳定的工作环境，实现安全剪切钻杆。然而，现实条件与理想条件差距甚远，钻井作业中，闸板防喷器可能成为最后有效关井屏障，闸板剪切过程中极可能在井喷状态下进行，而高速流体对闸板的流体阻力将是影响剪切成功与否的关键性因素。然而，现行的两种深水闸板防喷器剪切力计算方法API Spec 16A 5th标准中规定的闸板防喷器剪切能力计算方法与Cameron公司关于闸板防喷器剪切能力计算方法，都没有对深水钻井作业条件进行全面深入的分析，考虑高速流体对闸板的流体阻力的影响，以致于现行闸板剪切力的计算方法并不完善，实际应用中存在安全隐患。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明基于API Spec 16A标准要求，借鉴Cameron公司EB702D Rev C2(2013)中剪切力计算方法原理，考虑井筒内流体流动状态的影响，从钻杆有效剪切力和闸板运动所受的流体阻力两个角度对原计算方法进行改进，提出一种考虑井筒内流体状态的深水闸板防喷器剪切力计算方法。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种考虑井筒内流体状态的深水闸板防喷器剪切力计算方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤一：根据闸板防喷器及钻杆的类型、井筒压力及井内流体状态，确定井筒内流体处于下部流动隔断状态和井喷自由流体状态下的剪切力增长系数，以及井喷自由流体状态下的运动闸板剪切高速流体时的阻力Fdynamic；所述的剪切力增长系数包括钻杆内外表面受法向压差载荷时的剪切力增长系数εin和钻杆受轴向压缩载荷时的剪切力增长系数εc，其中，0＜εin≤40％，0＜εc≤10％，0＜Fdynamic≤500kN；
步骤二：分别计算井筒内流体处于下部流动隔断状态和井喷自由流体状态下的深水闸板防喷器剪切力Fshear1、Fshear2
Fshear1＝Feff·(1+εc+εin)+PW·C2
Fshear2＝Feff·(1+εc)+Ffluid，Ffluid＝PW·C2+Fdynamic
Feff＝C3·ppf·σyield
其中，Feff为钻杆正常状态下的有效剪切力，kN；PW为剪切时刻的井筒压力；C2为剪切防喷器的动作活塞杆的横截面积，Ffluid为闸板运动所受的总流体阻力，kN；C3为从实验室测试获得的经验常数，其与钻杆强度等级和剪切闸板类型有关；σyield为钻杆材料的最小屈服强度，MPa；ppf为钻杆的公称质量，kg/m；
步骤三：取Fshear1、Fshear2的最大值作为深水闸板防喷器剪切力Fshear，依此计算用作剪切深水闸板防喷器的液压力，即
Fshear＝PshearC1＝max(Fshear1,Fshear2)
其中，Fshear为闸板防喷器提供的总剪切力，kN；Pshear为剪切钻杆所需的液压压力，MPa；C1为剪切防喷器的活塞闭合面积常数，m2。
进一步地，所述的εc的取值范围优选3.5％＜εc≤5％。
进一步地，所述的运动闸板剪切高速流体时的阻力Fdynamic的取值要综合考虑井筒压力、井内流体状态、井筒结构尺寸、闸板防喷器结构尺寸、钻杆几何结构。
本发明的有益效果如下：
本发明的剪切力的计算方法，基于API Spec 16A标准要求，借鉴Cameron公司EB702D Rev C2(2013)中剪切力计算方法原理，综合考虑井筒内流体流动状态的影响，从钻杆有效剪切力和闸板运动所受的流体阻力两个角度对原计算方法进行改进，剪切力预测更精确，更符合实际情况。
附图说明
图1是深水闸板防喷器剪切力计算流程图。
图2是深水地平线号防喷器组不同计算方法剪切力计算结果对比图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的考虑井筒内流体状态的深水闸板防喷器剪切力计算方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
步骤一：分别计算井筒内流体处于下部流动隔断状态和井喷自由流体状态下的深水闸板防喷器剪切力Fshear1、Fshear2
Fshear1＝Feff·(1+εc+εin)+PW·C2
Fshear2＝Feff·(1+εc)+Ffluid，Ffluid＝PW·C2+Fdynamic
Feff＝C3·ppf·σyield
其中，Feff为钻杆正常状态下的有效剪切力，kN；εc为钻杆受轴向压缩载荷时的剪切力增长系数，取值范围为0＜εc≤10％，优选3.5％＜εc≤5％；εin为钻杆内外表面受法向压差载荷时的剪切力增长系数，取值范围为0＜εin≤40％；PW为剪切时刻的井筒压力；C2为剪切防喷器的动作活塞杆的横截面积，Ffluid为闸板运动所受的总流体阻力，kN；Fdynamic为运动闸板剪切高速流体时的阻力，单位为kN，取值范围为0＜Fdynamic≤500kN，其取值要综合考虑井筒压力、井内流体状态、井筒结构尺寸、闸板防喷器结构尺寸、钻杆几何结构等因素；C3为从实验室测试获得的经验常数，其与钻杆强度等级和剪切闸板类型有关；σyield为钻杆材料的最小屈服强度，MPa；ppf为钻杆的公称质量，kg/m。
步骤二：取Fshear1、Fshear2的最大值作为深水闸板防喷器剪切力Fshear，依此计算用作剪切深水闸板防喷器的液压力，即
Fshear＝PshearC1＝max(Fshear1,Fshear2)
其中，Fshear为闸板防喷器提供的总液压力，kN；Pshear为剪切钻杆所需的液压压力，MPa；C1为剪切防喷器的活塞闭合面积常数，m2。
因剪切过程影响最大的下部流动隔断状态和井喷自由流体状态分别发生在环形防喷器故障而变径闸板防喷器成功关闭、环形防喷器故障而变径闸板防喷器故障两种失效情况下，故二者不可能同时发生。因此当流体状态为下部流动隔断时，Fdynamic＝0；当流体状态为井喷自由流体时，εin＝0。因此，得到步骤二的剪切力的计算公式。
下面通过对比，证明本发明的方法相对于现有方法的优势。
在深水地平线事故(2010)中，水下防喷器组配置型号为Cameron Type TL 183/4in15K single全封闸板防喷器，并对直径为139.7mm的S-135钻杆进行剪切，而在Cameron公司文件EB 702D Rev C2(2013)中钻杆有效剪切力计算基于畸变理论方程，为避免采用不同计算理论而产生的结果差异影响方法比较，本案例为使计算剪切力结果更接近实际剪切力，以2004年美国矿产管理局关于剪切闸板能力研究报为参考，确定以防喷器制造商所提供实际剪切力数据，并将此作为之后计算中钻杆的真实有效剪切力标准，其中在常规状态下截断直径为139.7mm、钢级为S135的钻杆所需的剪切力为1472kN。依据API Specification5D，水深地平线中记录的139.7mm钻杆最小屈服强度为930.79MPa，剪切闸板型防喷器中S-135钻杆对应常数值C3等于0.23。依据EB 702D Rev C2(2013)，Cameron Type TL 183/4 in15K single全封闸板防喷器对应C1＝0.1535m2，C2＝0.0245m2。
将上述深水地平线事故防喷器数据代入Cameron计算方法，得不同井筒压力情况下剪切钻杆时的剪切力计算结果见表1。
表1 Cameron方法计算结果
Figure BDA0002646605520000041
将上述深水地平线事故防喷器数据代入本发明提出的剪切力计算方法中，为保证充分考虑轴向压缩载荷影响，取最大可能压缩载荷440kN，对应εc＝3.5％，变径闸板密封后，钻杆外部压力等同于井筒压力，得流体状态为下部流动隔断时，不同井筒压力情况下剪切钻杆时的剪切力计算结果见表2。假设环形防喷器和变径闸板防喷器完全失效，井喷自由流体状态下剪切钻杆。得到在井喷流体流速为30m/s时的计算结果，如表3所示；以及不同井筒压力、不同流体速度情况下剪切钻杆时的剪切力计算结果见表4。
表2 本发明的方法在下部流动隔断状态时的计算结果
Figure BDA0002646605520000051
表3 本发明的方法在井喷自由流体状态时的计算结果(井喷流体流速为30m/s)
Figure BDA0002646605520000052
表4 不同井筒压力、不同流体速度情况下剪切钻杆时的剪切力计算结果
Figure BDA0002646605520000053
注释：“\”为假设条件与真实情况不符，不予计算。
根据表2～4的结果可知，因Cameron方法将防喷器剪切力计算分为钻杆有效剪切力与井筒压力对闸板的阻力两部分。其中钻杆有效剪切力为Feff＝C3·ppf·σyield，该公式依据钻杆属性及屈服强度计算剪切钻杆所需要的最大剪切力，而此公式中有效剪切力的计算未考虑钻杆偏移、钻杆轴向载荷和钻杆内压等钻杆自身状态。对深水钻井作业中钻杆状态的欠考虑，必将导致有效剪切力计算值偏小；井筒压力对闸板的阻力公式为Fp＝PwgC2，依据井底压力数据进行流体对闸板压力阻力，高速运动流体对运动闸板具有较高的阻力作用，此阻力作用对闸板实际剪切力的影响随着井内流体速度的增高而提升，而Cameron提出的闸板剪切力的计算公式方法在运动流体方面存在空缺，对于井喷流速较高的井口而言，此设计剪切力的缺陷将成为闸板防喷器剪切失效的重要原因；本发明提出的深水闸板防喷器剪切力计算公式明显更接近工程实际条件，计算结果也更加准确。
为准确显示两种计算方法的计算结果差异，将Cameron EB 702D Rev C2(2013)计算结果与本发明提出的深水闸板防喷器的剪切力计算方法相比较。由于流体状态为井喷状态时，流体速度与实际情况密切相关，故将此时的不同流速条件下的计算结果进行对比，其0m/s、0.5m/s低流速对闸板剪切力影响较小，故不予考虑。结果见图2。
图2反映了改进后的计算方法与Cameron EB 702D Rev C2(2013)计算方法在深水地平线剪切闸板闸板剪切力计算上的结果对比。由图2可知，无论是下部流动隔断状态还是井喷状态，深水闸板剪切力的计算值都要高于Cameron EB 702D Rev C2(2013)计算结果，这表明原Cameron EB 702D Rev C2(2013)计算结果低于闸板真实剪切力。在下部流动隔断状态时，随着井筒压力的升高，二者计算结果之间的差值不断增高，井筒压力至27.579MPa时，二者差值为482kN，相对于Cameron EB 702D Rev C2(2013)计算剪切力提高22.44％。在井喷状态时，不同井筒压力下不会导致闸板剪切力增幅的变化，但是不同的井内流体流速对闸板剪切力具有明显的影响，随着流速的增高，闸板剪切力不断增加，当流速为5m/s、10m/s、20m/s和30m/s时，对应的剪切力增值分别为7.72kN、31.8kN、126.2kN和282.5kN，具体增幅依据不同的井口压力有不同的变化。
计算闸板剪切力需确定剪切闸板所需的最高剪切力，故将下部流动隔断状态与井喷状态相比较，由深水地平线事故数据可知，深水地平线井喷最高流速位于10m/s～20m/s之间，深水地平线闸板剪切过程井筒压力13.790MPa～27.579MPa之间，故应采取27.579MPa井口压力时，下部流动隔断状态时的计算结果，最终确定为2630kN。而此计算结果与Cameron计算结果(2148kN)对比，二者相差482kN，实际所需剪切力对比设计剪切力高出22.4％。根据闸板剪切原理可知，原计算方法在剪切力的预测上存在较大不足，此剪切力无法保证防喷器异常井控条件下剪断钻杆，而本发明的计算方法在异常井控条件下展现出对剪切力预测的优越性，能够为剪切力设计提供全面和可靠的支撑。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种考虑井筒内流体状态的深水闸板防喷器剪切力计算方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
步骤一：根据闸板防喷器及钻杆的类型、井筒压力及井内流体状态，确定井筒内流体处于下部流动隔断状态和井喷自由流体状态下的剪切力增长系数，以及井喷自由流体状态下的运动闸板剪切高速流体时的阻力Fdynamic；所述的剪切力增长系数包括钻杆内外表面受法向压差载荷时的剪切力增长系数εin和钻杆受轴向压缩载荷时的剪切力增长系数εc，其中，0＜εin≤40％，0＜εc≤10％，0＜Fdynamic≤500kN。
步骤二：分别计算井筒内流体处于下部流动隔断状态和井喷自由流体状态下的深水闸板防喷器剪切力Fshear1、Fshear2
Fshear1＝Feff·(1+εc+εin)+PW·C2
Fshear2＝Feff·(1+εc)+Ffluid，Ffluid＝PW·C2+Fdynamic
Feff＝C3·ppf·σyield
其中，Feff为钻杆正常状态下的有效剪切力，kN；PW为剪切时刻的井筒压力；C2为剪切防喷器的动作活塞杆的横截面积，Ffluid为闸板运动所受的总流体阻力，kN；C3为从实验室测试获得的经验常数，其与钻杆强度等级和剪切闸板类型有关；σyield为钻杆材料的最小屈服强度，MPa；ppf为钻杆的公称质量，kg/m；
步骤三：取Fshear1、Fshear2的最大值作为深水闸板防喷器剪切力Fshear，依此计算用作剪切深水闸板防喷器的液压力，即
Fshear＝PshearC1＝max(Fshear1,Fshear2)
其中，Fshear为闸板防喷器提供的总剪切力，kN；Pshear为剪切钻杆所需的液压压力，MPa；C1为剪切防喷器的活塞闭合面积常数，m2。
2.根据权利要求1所述的考虑井筒内流体状态的深水闸板防喷器剪切力计算方法，其特征在于，所述的εc的取值范围优选3.5％＜εc≤5％。
3.根据根据权利要求1所述的考虑井筒内流体状态的深水闸板防喷器剪切力计算方法，其特征在于，所述的运动闸板剪切高速流体时的阻力Fdynamic的取值要综合考虑井筒压力、井内流体状态、井筒结构尺寸、闸板防喷器结构尺寸、钻杆几何结构。
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