一种深水钻井隔水管应急解脱启动时机的确定方法

摘要

本发明涉及一种深水钻井隔水管应急解脱启动时机的确定方法，包括以下步骤：确定海上钻井平台的弱点部件和海上钻井平台解脱位置D1；确定海上钻井平台的钻井隔水管完成解脱的时间点t1；确定表面波流载荷传递到弱点部件所用的时间t2；确定海上钻井平台紧急解脱动作完成的执行时间t3，计算海上钻井平台发生漂移后的时间点t1+t2‑t3和对应的海上钻井平台的漂移距离D2；确定海上钻井平台启动解脱准备的时间点t4，计算海上钻井平台发生漂移后的时间点t1+t2‑t3‑t4及对应的海上钻井平台的漂移距离D3，同时计算海上钻井平台发生漂移后的时间点t1‑t4及对应的海上钻井平台的漂移距离D4；最终确定海上钻井平台的钻井隔水管解脱的启动时机。

说明书

技术领域

本发明属于海上油气钻完井和油气开采领域，尤其涉及一种深水钻井隔水管应急解脱启动时机的确定方法。

背景技术

如图1所示，海上钻井通过钻井隔水管建立深水钻井平台和水下井口的联系，钻井隔水管承担着隔离海水、循环钻井液的作用。对于海上钻井，钻井船会随着海流和波浪发生横向的位移。由于水下井口的位置是相对静止的，当位移超过一定值时，连接在上面的隔水管将会发生弯曲，并导致井口随之弯曲。对于深水钻井，目前最常用的钻井平台都是通过动力定位实现自动控制的，当遇到类似台风或者强的波流作用时，或者平台动力定位系统失效时，钻井平台会在海流作用下短时间内发生大的位置偏移，导致钻井隔水管系统部件参数超标，或者使泥线附近处隔水管的下部转角和井口弯曲，如果不能及时解脱，可能导致隔水管或者井口系统损坏，破坏井筒的完整性，导致钻井作业无法进行。因此，必须进行隔水管解脱。

一般情况下，在钻井之前需要根据海况条件，对钻井平台-隔水管系统-井口系统进行动态响应分析，校核隔水管系统部件参数(伸缩节冲程、隔水管应力等)、井口参数(弯矩、应力、下部挠性接头转角)等参数，一旦有某一个参数超出设备的额定值，就认为钻井船的偏移到了极限位置；根据动态分析的结果确定钻井平台允许的偏移距离及偏移到此距离的时间，确定启动解脱作业的时机。还有一种简化的确定方法，即假定钻井平台的偏移量，根据简单的几何关系，静态校核隔水管系统部件参数(伸缩节冲程、隔水管应力等)、井口参数(弯矩、应力、下部挠性接头转角)等参数，一旦有某一个参数超出设备的额定值，就认为钻井船的偏移到了极限位置，平台需要启动隔水管从井口处解脱的程序。这两种方法需要基于同样假设条件，即钻井平台的偏移和隔水管井口系统的载荷响应达到峰值的时间是一致的，但是因为实际海况条件下，钻井平台和水下井口距离可能超过上千米，钻井平台在表面波和海流载荷的作用下发生大的偏移，再通过上千米的隔水管将载荷传递到海底井口需要一定的时间，水越深需要的传递时间越长，因此水下井口载荷响应与钻井平台偏移之间存在时间的滞后性。常规的钻井隔水管解脱启动机制没有考虑传递时间的滞后性，尤其当整个系统的弱点落在井口系统上时，往往会造成提前启动隔水管解脱，后续需要进行隔水管和井口的再连接，严重影响钻井时效。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种深水钻井隔水管应急解脱启动时机的确定方法，指导操作人员合理确定钻井隔水管应急解脱启动的时机。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种深水钻井隔水管应急解脱启动时机的确定方法，包括以下步骤：

1)建立目标海上钻井平台的运动分析模型，并计算目标海上钻井平台在发生漂移时的运动轨迹；绘制目标海上钻井平台的漂移距离随漂移时间变化的漂移曲线；

2)建立隔水管井口系统分析模型；将目标海上钻井平台上部偏移作为隔水管井口系统分析模型的上部边界条件，确定目标海上钻井平台的弱点部件和目标海上钻井平台解脱位置D1；根据目标海上钻井平台解脱位置D1，结合目标海上钻井平台的漂移曲线，确定目标海上钻井平台的钻井隔水管完成解脱的时间点t1；

3)以目标海上钻井平台解脱位置D1为边界条件，求解步骤2)中的隔水管井口系统分析模型，确定表面波流载荷传递到弱点部件所用的时间t2；

4)根据目标海上钻井平台的设备能力，确定目标海上钻井平台紧急解脱动作完成的执行时间t3，计算目标海上钻井平台发生漂移后的时间点t1+t2-t3和其对应的目标海上钻井平台的漂移距离D2；进一步确定启动钻井隔水管解脱的时间点和对应的目标海上钻井平台漂移距离；

5)确定目标海上钻井平台启动解脱准备的时间点t4，计算目标海上钻井平台发生漂移后的时间点t1+t2-t3-t4及其对应的目标海上钻井平台的漂移距离D3，同时计算目标海上钻井平台发生漂移后的时间点t1-t4及其对应的目标海上钻井平台的漂移距离D4；确定目标海上钻井平台启动钻井隔水管应急解脱准备工作的时间点和对应的目标海上钻井平台的漂移距离；

6)最终确定目标海上钻井平台的钻井隔水管解脱的启动时机。

所述步骤1)中利用经典的浮体运动响应方法，建立目标海上钻井平台的运动分析模型；所述步骤2)中利用经典的隔水管井口系统动态分析方法，建立隔水管井口系统分析模型。

所述步骤2)中的弱点部件是指：将目标海上钻井平台上部偏移作为隔水管井口系统分析模型的上部边界条件，计算在不同的目标海上钻井平台偏移条件下，隔水管-井口系统各参数的响应值；当某一个目标海上钻井平台偏移条件下，隔水管系统或者井口系统某个部件的响应值超过部件的额定数值时，则确定目标海上钻井平台在该位置时需要考虑完成解脱，该位置为目标海上钻井平台解脱位置D1，将该部件称为弱点部件。

所述步骤4)中确定启动钻井隔水管解脱的时间点和对应的目标海上钻井平台漂移距离，分为三种情况：

如果t1+t2-t3＜t1，确定目标海上钻井平台启动隔水管解脱的时间点为t1+t2-t3，对应的目标海上钻井平台的漂移距离为D2；

如果t1+t2-t3＝t1，确定目标海上钻井平台启动隔水管解脱的时间点为t1，对应的目标海上钻井平台的漂移距离为D1；

如果t1+t2-t3＞t1，确定目标海上钻井平台启动隔水管解脱的时间点为t1，对应的目标海上钻井平台的漂移距离为D1。

所述步骤5)中确定目标海上钻井平台启动钻井隔水管应急解脱准备工作的时间点和对应的目标海上钻井平台的漂移距离，分为三种情况：

如果t1+t2-t3＜t1，确定目标海上钻井平台启动钻井隔水管应急解脱准备工作的时间点为t1+t2-t3-t4，对应的目标海上钻井平台的漂移距离为D3；

如果t1+t2-t3＝t1，确定目标海上钻井平台启动钻井隔水管应急解脱准备工作的时间点为t1-t4，对应的目标海上钻井平台的漂移距离为D4；

如果t1+t2-t3＞t1，确定目标海上钻井平台启动钻井隔水管应急解脱准备工作的时间点为t1-t4，对应的目标海上钻井平台的漂移距离为D4。

所述步骤6)中最终确定目标海上钻井平台的钻井隔水管解脱的启动时机，分为两种情况：

如果t2＜t3，目标海上钻井平台发生漂移后t1+t2-t3-t4秒，或者目标海上钻井平台的漂移距离达到D3时，目标海上钻井平台操作人员启动钻井隔水管应急解脱的准备工作；目标海上钻井平台发生漂移后t1+t2-t3时间点，或者目标海上钻井平台的漂移距离达到D2时，目标海上钻井平台操作人员发出指令，启动钻井隔水管的应急解脱工作；

如果t2≥t3，目标海上钻井平台发生漂移后t1-t4秒，或者目标海上钻井平台的漂移距离达到D4时，目标海上钻井平台操作人员启动钻井隔水管应急解脱的准备工作；目标海上钻井平台发生漂移后t1时间点，或者目标海上钻井平台的漂移距离达到D1时，目标海上钻井平台操作人员发出指令，启动钻井隔水管的应急解脱工作。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的一种深水钻井隔水管应急解脱启动时机的确定方法，可以结合具体水深的差异，精确给出钻井隔水管应急解脱启动的时机。2、本发明的一种深水钻井隔水管应急解脱启动时机的确定方法，延长了平台启动钻井隔水管应急解脱的准备时间，有助于平台人员做好相关的准备工作，确保安全解脱。

附图说明

图1是钻井隔水管与水下井口连接的结构示意图；

图2是t2＜t3情况下的钻井隔水管解脱启动时机示意图；

图3是t2≥t3情况下的钻井隔水管解脱启动时机示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供的一种深水钻井隔水管应急解脱启动时机的确定方法，具体包括以下步骤：

1)利用经典的浮体运动响应方法，建立目标海上钻井平台的运动分析模型，并利用经典的浮体运动响应方法计算目标海上钻井平台在发生漂移时的运动轨迹；绘制目标海上钻井平台的漂移距离随漂移时间变化的漂移曲线。如图2和图3所示，横坐标为漂移的时间，纵坐标为漂移的距离，漂移曲线表示目标海上钻井平台的偏移轨迹。

2)利用经典的隔水管井口系统动态分析方法，建立隔水管井口系统分析模型；将目标海上钻井平台上部偏移作为隔水管井口系统分析模型的上部边界条件，利用经典的隔水管井口系统动态分析方法计算在不同的目标海上钻井平台偏移条件下，隔水管井口系统各参数的响应值；当在某一个目标海上钻井平台偏移条件下，隔水管系统或者井口系统某个部件的响应值超过该部件的额定数值时，例如隔水管伸缩节冲程达到设备额定值或者井口弯矩达到额定值等，则确定目标海上钻井平台在该位置时需要考虑完成解脱，并将该位置标为目标海上钻井平台解脱位置D1，将该部件称为弱点部件。根据目标海上钻井平台解脱位置D1，结合目标海上钻井平台的漂移曲线，确定与目标海上钻井平台的漂移距离D1相对应的横坐标位置，即为钻井隔水管完成解脱的时间点t1。

3)以目标海上钻井平台的漂移距离D1为边界条件，利用经典的隔水管井口系统动态分析方法求解步骤2)中的隔水管井口系统分析模型，确定表面波流载荷传递到弱点部件所用的时间t2。

4)根据目标海上钻井平台的设备能力，确定目标海上钻井平台从发出解脱指令到钻井隔水管解脱动作完成的时间t3，即目标海上钻井平台紧急解脱动作完成的执行时间，从而计算得到目标海上钻井平台发生漂移后的时间点t1+t2-t3。

如果t1+t2-t3＜t1，说明水深较浅，表面波流载荷传递到弱点部件所用的时间t2较短，小于钻井隔水管解脱动作的完成时间t3，多发生在弱点部件为隔水管系统的情况，因隔水管系统比较靠近目标海上钻井平台，因此传递时间较短，则确定目标海上钻井平台启动隔水管解脱的时间点为t1+t2-t3，对应的目标海上钻井平台的漂移距离为D2。如图2所示，在漂移曲线上标示出启动钻井隔水管解脱的时间点和对应的目标海上钻井平台漂移距离t1+t2-t3和D2；横坐标t1+t2-t3在t1的左侧位置，此时，启动解脱动作的时间点为t1+t2-t3时间点。

如果t1+t2-t3＝t1，说明表面波流载荷传递到弱点部件所用的时间t2恰好等于钻井隔水管解脱动作的完成时间t3，因此在t1时间点启动隔水管解脱即可确保弱点部件在达到额定值之前完成解脱。确定目标海上钻井平台启动隔水管解脱的时间点为t1，对应的目标海上钻井平台的漂移距离为D1。如图3所示，此时横坐标t1+t2-t3与t1的位置重合，此时，启动解脱动作的时间点为t1时间点。

如果t1+t2-t3＞t1，说明表面波流载荷传递到弱点部件所用的时间t2较长，大于钻井隔水管解脱动作的完成时间t3，多发生在弱点部件为井口系统的情况，因井口系统距离目标海上钻井平台比较远，因此传递时间较长。则确定目标海上钻井平台启动隔水管解脱的时间点为t1，即可确保弱点部件在达到额定值之前完成解脱，对应的目标海上钻井平台的漂移距离为D1。此时横坐标t1+t2-t3在t1的右侧位置，出于系统的保守设计，此时启动解脱动作的时间点为t1时间点，如图3所示。

5)目标海上钻井平台由正常作业状态切换到紧急解脱启动状态的准备时间为t4，即目标海上钻井平台启动解脱准备的时间点，例如钻井隔水管张紧器系统由作业状态切换到应急解脱状态的时间、处理井筒钻具的时间等，从而计算得到目标海上钻井平台发生漂移后的时间点t1+t2-t3-t4。

如果t1+t2-t3＜t1，如图2所示，横坐标t1+t2-t3在t1的左侧位置，因此t1+t2-t3-t4也在t1+t2-t3的左侧位置；从目标海上钻井平台的漂移曲线上确定对应的漂移距离D3，则确定目标海上钻井平台启动钻井隔水管应急解脱准备工作的时间点为t1+t2-t3-t4，对应的目标海上钻井平台的漂移距离为D3。

如果t1+t2-t3＝t1，如图3所示，横坐标t1+t2-t3与t1的位置重合，t1和D1分别为目标海上钻井平台启动隔水管解脱的时间点和对应的目标海上钻井平台的漂移距离；则确定目标海上钻井平台启动钻井隔水管应急解脱准备工作的时间点为t1-t4，对应的目标海上钻井平台的漂移距离为D4。

如果t1+t2-t3＞t1，如图3所示，t1和D1分别为目标海上钻井平台启动隔水管解脱的时间点和对应的目标海上钻井平台的漂移距离；则确定目标海上钻井平台启动钻井隔水管应急解脱准备工作的时间点为t1-t4，对应的目标海上钻井平台的漂移距离为D4。

6)最终确定目标海上钻井平台的钻井隔水管解脱的启动时机，分为两种情况：

如图2所示，如果t2＜t3，目标海上钻井平台发生漂移后t1+t2-t3-t4秒，或者目标海上钻井平台的漂移距离达到D3时，目标海上钻井平台操作人员启动钻井隔水管应急解脱的准备工作；目标海上钻井平台发生漂移后t1+t2-t3时间点，或者目标海上钻井平台的漂移距离达到D2时，目标海上钻井平台操作人员发出指令，启动钻井隔水管的应急解脱工作。

如图3所示，如果t2≥t3，目标海上钻井平台发生漂移后t1-t4秒，或者目标海上钻井平台的漂移距离达到D4时，目标海上钻井平台操作人员启动钻井隔水管应急解脱的准备工作；目标海上钻井平台发生漂移后t1时间点，或者目标海上钻井平台的漂移距离达到D1时，目标海上钻井平台操作人员发出指令，启动钻井隔水管的应急解脱工作。

上述各个时间点的确定方法如下表1所示。

表1钻井隔水管解脱启动不同阶段的启动时间确定方法

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及其连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。