用于预防次生水合物生成风险的井筒结构及井筒下放方法

1.本发明是关于海洋钻井领域，尤其涉及一种用于预防次生水合物生成风险的井筒结构及井筒下放方法。


背景技术：

2.相对于浅层气和浅水流，天然气水合物的分解速率很慢，经计算进入井筒后的最大瞬时速度不超过20m3/min，不足浅层气、浅水流喷发瞬时速度的1/10，对井筒完整性不构成威胁，但是由于深水、超深水、极地冷海等海域的温度较低，如果在水深超过300m的冷海海底作业，泥线处的温度在0℃附近，如果有浅层气或者浅部水合物分解后产生的天然气渗透到泥面以上，有可能在井口附近形成次生水合物，损坏防喷器和水下井口设备等。上述生成的次生水合物的主要风险包括：
3.一、极地冷海钻井水下防喷器系统(bop)是水下最为关键的井控装备，其安装在高压井口头上。钻井作业过程中，一旦发生井喷或在台风等紧急情况下临时撤离，bop若不能安全有效地控制住井口及井内流体，对海洋环境和油气及生态资源的不良影响将不可估量，因此确保bop的安全可靠非常重要。bop主要包括防喷器组和控制单元，防喷器组通过连接器与水下井口相连，控制单元的管线通过防喷器组合框架和各个防喷器组相连接，当出现意外事故而导致防喷器主要控制系统失灵时，水下机器人(rov)作为防喷器辅助控制系统成为防止井喷最后的保护措施，rov通过bop组合框架上安装的操作面板，能够关闭一套盲板或者剪切闸板防喷器、关闭一套密封防喷器和锁住闸板防喷器。但是水合物一旦在bop外部生长，有可能会覆盖控制面板、控制阀及工作插口，从而导致rov难以识别控制面板、控制阀及工作插口的位置，即使rov能够辨识出控制阀和工作插口，控制阀和工作插口也很可能因为水合物的存在而被封固，无法扳动和插入。因此，一旦发生紧急情况，rov无法操控bop实现关井，这将为极地冷海钻井安全带来极大的风险和隐患。
4.二、控制管汇将控制液通过管线从平台输送到海底，实现水上控制设备单元和水下控制设备单元的连接。为了克服极地冷海低温的影响，控制液防冻性能一般按照海水环境极限温度为0℃进行考虑，但并没有考虑如果管线外部被水合物完全包裹，管线内防冻液被冻住的风险增加，进而有可能导致平台控制系统无法正常操作bop的风险增加。
5.三、bop通过井口连接器坐到高压井口头上，一旦为井口连接器位置上形成水合物，将会锁死bop，导致bop与井口无法分离，为下一步作业造成极大影响。
6.针对相关技术中低温状态下次生水合物会对井筒造成损坏的问题，目前尚未给出有效的解决方案。
7.由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种用于预防次生水合物生成风险的井筒结构及井筒下放方法，以克服现有技术的缺陷。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种用于预防次生水合物生成风险的井筒结构及井筒下
放方法，加装水下导流罩于井口处，改造井口处井筒的外形，能够对上窜气体引导并使其扩散至海水中，避免井筒外壁上次生水合物的生成，避免井筒及水下井口装置的损坏，保证正常钻井作业。
9.本发明的另一目的在于提供一种用于预防次生水合物生成风险的井筒结构及井筒下放方法，通过控制井筒下放速度、确定导流罩的倾斜角度以及导流罩在井筒上的安装高度，最大限度保护次生水合物生成的高风险区域，而且能够有效提高井筒整体的下放速度，确保作业工期。
10.本发明的目的可采用下列技术方案来实现：
11.本发明提供了一种用于预防次生水合物生成风险的井筒结构，包括导流罩，所述导流罩为沿竖直方向设置且由下至上半径逐渐增大的筒状结构，所述导流罩随表层套管下入至海底；所述表层套管上由下至上顺序连接有井口连接器和防喷器组，并在所述防喷器组的下方靠近所述表层套管以及所述井口连接器的位置形成有水合物易生成区域，所述导流罩位于所述井口连接器的下方，通过所述导流罩引导由下至上流动的水流和气体分散至所述水合物易生成区域的外侧。
12.在本发明的一较佳实施方式中，所述导流罩套设于所述表层套管的外部，且所述导流罩的底部与所述表层套管的外壁连接。
13.在本发明的一较佳实施方式中，所述表层套管的底部设置有水下基板，所述导流罩套设于所述表层套管的外部，且所述导流罩的底部与所述水下基板的顶部连接。
14.在本发明的一较佳实施方式中，所述导流罩的侧壁的倾斜角度为40
°
至60
°
。
15.在本发明的一较佳实施方式中，所述导流罩的高度为1m至1.2m。
16.本发明提供了一种井筒下放方法，将导流罩随表层套管下入至海底，并控制所述表层套管的下放速度，所述表层套管的下放速度同时满足：
17.井筒的冲击载荷不会造成井口下沉、所述表层套管不会发生屈服破坏、所述表层套管不会发生失稳以及所述表层套管下放所产生的激动压力不压漏地层。
18.在本发明的一较佳实施方式中，所述表层套管的下放速度v1为：
[0019][0020]
其中：v1为保证井口不会下沉的表层套管最大下放速度；f
地层总承载力
为地层的总承载力；w
自重
为表层套管、防喷器组、导流罩以及水下井口装置的总重力；δ为表层套管在下放过程中产生的轴向位移；m
套管
为表层套管以及导流罩在水中的重量；cd为阻力系数；ρ为气体密度；a为导流罩的表面积；θ为导流罩的侧壁与水平面的夹角。
[0021]
在本发明的一较佳实施方式中，所述表层套管的下放速度v2为：
[0022][0023]
其中：v2为保证表层套管不会发生屈服破坏的表层套管最大下放速度；[σ]
max
为表层套管与导流罩组合体的最大许用应力；δ为表层套管在下放过程中产生的轴向位移；a
套管
为表层套管的横截面积；m
套管
为表层套管以及导流罩在水中的重量。
[0024]
在本发明的一较佳实施方式中，所述表层套管的下放速度v3为：
[0025][0026]
其中：v3为表层套管不会发生失稳的表层套管最大下放速度；δ为表层套管在下放过程中产生的轴向位移；a
套管
为表层套管的横截面积；i为表层套管横截面的惯性矩；e为表层套管的弹性模量；m
套管
为表层套管以及导流罩在水中的重量；μ为表层套管的长度系数；l为表层套管的长度。
[0027]
在本发明的一较佳实施方式中，所述表层套管的下放速度v4为：
[0028][0029]
其中：v4为下放所产生的激动压力不压漏地层的表层套管最大下放速度；p
地层破裂压力
为作业井段地层破裂压力；ρ
钻井液
为井段作业时选用钻井液的密度；h为作业井段深度；d为井眼的直径；d为表层套管的直径；λ为流性指数；k为黏附力系数。
[0030]
由上所述，本发明的用于预防次生水合物生成风险的井筒结构及井筒下放方法的特点及优点是：
[0031]
通过导流罩的设置能够引导海水中由下至上流动的水流和气体分散至水合物易生成区域的外侧，有效防止水合物易生成区域内次生水合物的生成，避免次生水合物对井口连接器、防喷器组、井口连接器与防喷器组的连接位置以及井筒上其它水下井口装置的损坏，保证正常钻井作业。
[0032]
通过控制井筒下放速度、确定导流罩的倾斜角度以及导流罩在井筒上的安装高度，确保井筒的冲击载荷不会造成井口下沉、表层套管不会发生屈服破坏、表层套管不会发生失稳以及表层套管下放所产生的激动压力不压漏地层的四个条件同时满足，最大限度保护次生水合物生成的高风险区域，而且能够有效提高井筒整体的下放速度，保证作业工期。
附图说明
[0033]
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
[0034]
图1：为本发明用于预防次生水合物生成风险的井筒结构的结构示意图之一。
[0035]
图2：为本发明用于预防次生水合物生成风险的井筒结构中导流罩的安装位置示意图之一。
[0036]
图3：为本发明用于预防次生水合物生成风险的井筒结构的结构示意图之二。
[0037]
图4：为本发明用于预防次生水合物生成风险的井筒结构中导流罩的安装位置示意图之二。
[0038]
图5：为本发明用于预防次生水合物生成风险的井筒结构中各区域的高度以及直径的示意图。
[0039]
图6：为本发明井筒下放方法中表层套管下放过程中的受力示意图。
[0040]
图7：为本发明井筒下放方法中表层套管与井底地层之间的受力示意图。
[0041]
本发明中的附图标号为：
[0042]
1、导流罩；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2、表层套管；
[0043]
3、水下井口装置；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
4、井口连接器；
[0044]
5、防喷器组；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6、水下基板；
[0045]
7、水合物易生成区域。
具体实施方式
[0046]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
[0047]
实施方式一
[0048]
如图1至图4所示，本发明提供了一种用于预防次生水合物生成风险的井筒结构，该用于预防次生水合物生成风险的井筒结构包括导流罩1，导流罩1为沿竖直方向设置且由下至上半径逐渐增大的圆筒状结构，导流罩1随表层套管2下入至海底；表层套管2上由下至上顺序连接有井口连接器4和防喷器组5，并在防喷器组5的下方靠近所表层套管2以及所述井口连接器4的位置形成有水合物易生成区域7，导流罩1位于井口连接器4的下方，一旦表层套管2周围的泥面出现气体上窜，可通过导流罩1引导水流和气体分散至所述水合物易生成区域7的外侧并扩散于海水中，避免上窜的气体和水流进入至水合物易生成区域7内。由于固体表面对次生水合物的形成有重要的作用，因此，导流罩1的设置可确保气体和水流沿导流罩1的周向(360
°
)分散，从而有效防止水合物易生成区域7内次生水合物的生成，避免次生水合物对井口连接器4、防喷器组5、井口连接器4与防喷器组5的连接位置以及井筒上其它水下井口装置的损坏，保证正常钻井作业。
[0049]
在本发明的一个可选实施例中，如图1、图2所示，导流罩1固定套设于表层套管2的外部，且导流罩1的底部与表层套管2的外壁连接。
[0050]
在本发明的另一可选实施例中，如图3、图4所示，表层套管2的底部沿水平方向设置有水下基板6，导流罩1固定套设于表层套管2的外部，且导流罩1的底部与水下基板6的顶部连接，水下基板6的底部与海底的泥面相接触。
[0051]
进一步的，水下基板6的长度大于5.5m，从而确保上窜的气体不会粘附于防喷器组5的表面，使其所形成的防护区域覆盖整个水合物易生成区域7。
[0052]
在本发明的一个可选实施例中，如图1、图3所示，表层套管2上连接有水下井口装置3，水下井口装置3位于水合物易生成区域7内，从而对水下井口装置3起到防护作用，放置次生水合物在水下井口装置3的表面生成。其中，水下井口装置3可为连接于表层套管2上的任意水下功能器件，在此不做限定。
[0053]
在本发明的一个可选实施例中，导流罩1的侧壁的倾斜角度(即：与水平面之间的夹角)的适宜范围为40
°
至50
°
，导流罩1的高度的适宜范围为1m至1.2m，能够起到预防次生水合物生成的同时，方便导流罩1的安装以及降低成本。另外，需要注意导流罩1的高度避开表层套管2上的牛眼位置，避免对牛眼遮挡，保证井筒的正常工作
[0054]
进一步的，导流罩1的侧壁的倾斜角度最大值可为50.9
°
，导流罩1的高度的最小值为1m。
[0055]
进一步的，导流罩1的底端直径可为但不限于0.914m，保证其稳定安装即可。
[0056]
在本发明的一个可选实施例中，导流罩1可采用但不限于钢材制成。
[0057]
进一步的，导流罩1可选用仿生钢材料制成，在自然条件下，固体表面在水合物的形成中起着重要作用。由于常规的海上平台常用的钢材作为工具材料(如api 2h gr50钢材或者api 2w gr50钢材等)容易促进次生水合物的形成，导致导流罩1的表面容易固化结冰，影响导流罩1的工作性能，因此需要通过优选导流罩1的外表材料，使其具备良好的防冰冻结能力。
[0058]
在实际钻井作业过程中，当在现场观察到有上窜气泡并且存在次生水合物生成风险时，可在钻井平台上对导流罩1进行加工，再通过水下机器人将导流罩1送入至海底并将其与表层套管2或者水下基板6固定安装，以使导流罩1具有安装方便、灵活的特点。
[0059]
本发明的用于预防次生水合物生成风险的井筒结构的特点及优点是：
[0060]
该用于预防次生水合物生成风险的井筒结构通过导流罩1的设置能够引导海水中由下至上流动的水流和气体分散至水合物易生成区域7的外侧，有效防止水合物易生成区域7内次生水合物的生成，避免次生水合物对井口连接器4、防喷器组5、井口连接器4与防喷器组5的连接位置以及井筒上其它水下井口装置3的损坏，保证正常钻井作业。
[0061]
实施方式二
[0062]
如图5至图7所示，本发明提供了一种井筒下放方法，该井筒下放方法将导流罩1随表层套管2下入至海底，并控制表层套管2的下放速度，表层套管2的下放速度应同时满足以下四个条件：
[0063]
一、井筒的冲击载荷不会造成井口下沉；
[0064]
二、表层套管2不会发生屈服破坏；
[0065]
三、表层套管2不会发生失稳；
[0066]
四、表层套管2下放所产生的激动压力不压漏地层。
[0067]
本发明由于安装了导流罩1，不仅会影响表层套管2的下放速度，影响作业工期，而且需要确定导流罩1的侧壁的最佳倾斜角度以及导流罩1的安装高度，能够最大限度的保护次生水合物生产的高风险区域。本发明通过控制井筒下放速度、确定导流罩1的倾斜角度以及导流罩1在井筒上的安装高度，确保井筒的冲击载荷不会造成井口下沉、表层套管2不会发生屈服破坏、表层套管2不会发生失稳以及表层套管2下放所产生的激动压力不压漏地层的四个条件同时满足，最大限度保护次生水合物生成的高风险区域，而且能够有效提高井筒整体的下放速度，保证作业工期。
[0068]
在本发明的一个可选实施例中，如图6所示，下放过程中对井筒整体的受力进行分析：下放表层套管2时，井口不仅需要承受静载荷以及井筒的重量，还要承受由表层套管2的下放速度在井口所产生的额外冲击载荷。为了保证井口在冲击载荷下不会发生井口下沉，需要满足以下条件：
[0069]f冲击载荷
+w
自重-f
阻力
≤f
地层总承载力
ꢀꢀ
(1)
[0070]
其中：f
冲击载荷
(n)为表层套管下放过程中所产生的冲击载荷；f
阻力
(n)为导流罩下放过程中所产生的阻力；w
自重
(n)为井筒整体的重力；f
地层总承载力
(n)为地层的总承载力。
[0071]
在本实施例中，不考虑表层套管2下放过程中流体的可压缩性(导流罩1周边流体绕流应当满足连续性方程、动量方程)，其下放过程的阻力计算如下：
[0072][0073]
其中：f
阻力
(n)为下放阻力；cd为阻力系数；ρ为气体密度，取10225kg/m3；v
套管
(m/s)为
表层套管的下放速度；a(m2)为导流罩的表面积；θ为导流罩的侧壁与水平面的夹角。
[0074]
进一步的，w
自重
通过表层套管2、防喷器组5、导流罩1以及水下井口装置3的总重力，计算公式为：
[0075]w自重
＝w
表层导管
+w
井口
+w
防喷器
+w
导流罩
ꢀꢀ
(3)
[0076]
当表层套管2以速度v
套管
下放时，由能量守恒定律可知，表层套管2动能的减小量等于其冲击载荷在轴向做的功(忽略冲击过程中的能量损耗)，平衡关系式为：
[0077][0078]
其中：m
套管
(kg)为表层套管以及导流罩的湿重(即：在水中的重量)；v
套管
(m/s)为表层套管的下放速度；f
冲击载荷
(n)为表层套管下放过程中所产生的冲击载荷；δ(m)为表层套管在下放过程中产生的轴向位移。
[0079]
将公式(4)带入至公式(2)中，可得到表层套管2的下放速度、表层套管2的重量以及地层的总承载力的关系为：
[0080][0081]
则，此时刻表层套管2应满足的下放速度v1为：
[0082][0083]
其中：v1(m/s)为保证井口不会下沉的表层套管最大下放速度；f
地层总承载力
(n)为地层的总承载力；w
自重
(n)为表层套管、防喷器组、导流罩以及水下井口装置的总重力；δ(m)为表层套管在下放过程中产生的轴向位移；m
套管
(kg)为表层套管以及导流罩在水中的重量；cd为阻力系数；ρ为气体密度；a(m2)为导流罩的表面积；θ为导流罩的侧壁与水平面的夹角。
[0084]
在本发明的一个可选实施例中，下放过程中对表层套管2的强度进行分析：为了保证表层套管2下放时不发生强度破坏，冲击载荷最大应力应小于表层套管2以及导流罩1组合体的屈服强度，即：
[0085]
σ
冲击载荷
≤[σ]
max
ꢀꢀ
(7)
[0086]
其中：σ
冲击载荷
(pa)为表层套管下放过程中冲击载荷所产生的最大应力；[σ]
max
(pa)为表层套管与导流罩组合体的最大许用应力。
[0087]
进一步的，σ
冲击载荷
的计算公式如下：
[0088][0089]
其中：σ
冲击载荷
(pa)为表层套管下放过程中冲击载荷所产生的最大应力；f
冲击载荷
(n)为表层套管下放过程中冲击力；a
套管
(m2)为表层套管的横截面积。
[0090]
将公式(4)和公式(8)带入公式(7)中，得到表层套管2下放时需要满足的平衡关系为：
[0091]
[0092]
则，此时刻表层套管2应满足的下放速度v2为：
[0093][0094]
其中：v2(m/s)为保证表层套管不会发生屈服破坏的表层套管最大下放速度；[σ]
max
(pa)为表层套管与导流罩组合体的最大许用应力；δ(m)为表层套管在下放过程中产生的轴向位移；a
套管
(m2)为表层套管的横截面积；m
套管
(kg)为表层套管以及导流罩在水中的重量。
[0095]
在本发明的一个可选实施例中，下放过程中对表层套管2的失稳情况进行分析：位于泥线以上的表层套管2部分无水平扶正约束，当施加在上部井口载荷过大时，表层套管2可能会发生失稳破坏的情况。为了保证表层套管2以及导流罩1在冲击载荷下不发生失稳破坏，根据压杆稳定性理论，冲击载荷需要满足以下条件：
[0096]f冲击载荷
≤f
临界力
ꢀꢀ
(11)
[0097]
其中：f
冲击载荷
(n)为表层套管下放过程中冲击力；f
临界力
(n)为表层套管失稳的临界力。
[0098]
可通过以下公式计算：
[0099][0100]
其中：i(m4)为表层套管横截面的惯性矩；l(m)为表层套管的长度；μ为表层套管的长度系数(其根据表层套管两端的约束情况而定)；e(pa)为表层套管的弹性模量。
[0101]
进一步的，将公式(4)和公式(12)带入公式(11)中，可得到表层套管2应满足的下放速度v3为：
[0102][0103]
其中：v3(m/s)为表层套管不会发生失稳的表层套管最大下放速度；δ(m)为表层套管在下放过程中产生的轴向位移；a
套管
(m2)为表层套管的横截面积；i(m4)为表层套管横截面的惯性矩；e(pa)为表层套管的弹性模量；m
套管
(kg)为表层套管以及导流罩在水中的重量；μ为表层套管的长度系数；l(m)为表层套管的长度。
[0104]
在本发明的一个可选实施例中，下放过程中对井底地层的承压能力进行分析：在下放表层套管2过程中，由于井筒内充满钻井液，表层套管2在井内的运动相当于一个堵口柱塞排出流体的过程，因此下放过程中会产生激动压力，造成井筒内钻井液液柱压力的增加，其受力分析如图7所示。为了防止下放表层套管2过程中发生井漏事故，应保证井底压力小于地层破裂压力，即：
[0105]
p
液柱静压力
+p
激动压力
≤p
地层破裂压力
ꢀꢀ
(14)
[0106]
其中：p
液柱静压力
(pa)为井筒内液柱静压力；p
激动压力
(pa)为下放表层套管过程中在井底引起的激动压力；p
地层破裂压力
(pa)为作业井段地层破裂压力。
[0107]
进一步的，下放表层套管2过程中在井底引起的激动压力可由以下公式计算：
[0108][0109]
其中：p
激动压力
(pa)为下放表层套管过程中在井底引起的激动压力；λ为流性指数；ρ
钻井液
(kg/m3)为井段作业时选用钻井液的密度；为考虑钻井液黏附作用下因管柱运动而引起的环空流速。
[0110]
则，考虑钻井液黏附作用下因管柱运动而引起的环空流速的计算公式为：
[0111][0112]
其中：为考虑钻井液黏附作用下因管柱运动而引起的环空流速；k为黏附力系数；d(m)为井眼的直径；d(m)为表层套管的直径。
[0113]
结合公式(14)、(15)、(16)可得，防止钻井液压漏地层的表层套管2应满足的下放速度v4为：
[0114][0115]
其中：v4(m/s)为下放所产生的激动压力不压漏地层的表层套管最大下放速度；p
地层破裂压力
(pa)为作业井段地层破裂压力；ρ
钻井液
(kg/m3)为井段作业时选用钻井液的密度；h(m)为作业井段深度；d(m)为井眼的直径；d(m)为表层套管的直径；λ为流性指数；k为黏附力系数。
[0116]
本发明中表层套管2最大下放速度需同时满足上述各实施例中的四个条件(即：井筒的冲击载荷不会造成井口下沉、表层套管2不会发生屈服破坏、表层套管2不会发生失稳以及表层套管2下放所产生的激动压力不压漏地层)。因此，表层套管2下放速度应满足：v
套管
≤min(v1，v2，v3，v4)。
[0117]
具体的，根据现场测试以及上述理论计算结果可知，导流罩1的侧壁与水平面的夹角的适宜范围为40
°
至50
°
，导流罩1的侧壁与水平面的夹角的最大值可为50.9
°
。
[0118]
在本发明的一个可选实施例中，表层套管2的整体高度h为：
[0119]
h≥h1+h2+h3+h4；
[0120]
其中：h(m)为表层套管的整体长度；h1为位于导流罩下方的表层套管的长度；h2(m)为导流罩的高度；h3(m)为为水合物易生成区域在竖直方向上的高度；h4(m)为防喷器组的高度。
[0121]
在本发明的一个可选实施例中，导流罩1需覆盖水合物易生成区域7，应满足：
[0122][0123]
其中：h2(m)为导流罩的高度；d1(m)为水合物易生成区域的直径；d2(m)为表层套管的直径。
[0124]
具体的，根据现场测试以及上述理论计算结果可知，导流罩1的高度要大于1m；优
选的，导流罩1的高度的适宜范围为1m至1.2m。
[0125]
本发明的井筒下放方法的特点及优点是：
[0126]
该井筒下放通过控制井筒下放速度、确定导流罩1的倾斜角度以及导流罩1在井筒上的安装高度，确保井筒的冲击载荷不会造成井口下沉、表层套管2不会发生屈服破坏、表层套管2不会发生失稳以及表层套管2下放所产生的激动压力不压漏地层的四个条件同时满足，最大限度保护次生水合物生成的高风险区域，而且能够有效提高井筒整体的下放速度，保证作业工期。
[0127]
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。