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RFMS系统掌握井口疲劳一举一动

RFMS系统掌握井口疲劳一举一动

Stress Engineering Services公司的RFMS系统在日本近海的应用中表现良好。

来自 | E&P
编译 | 白小明 影子

受洋流、风和海浪的影响,随着应用水深的不断加深,钻井隔水管受到的环境载荷越来越严重。此外,对于浅海中的钻井隔水管来说,第六代或第七代移动式钻井作业单元(MODU)上应用的较大BOP也会导致井口疲劳载荷较大,极有可能损害油井系统的完整性。

因此,需要预计和管理井口疲劳,以确保海上钻井作业期间的井筒完整性。除了在更严酷的海洋环境中进行钻井作业外,由于采用更大的防喷器和下部海上隔水管组件,井口载荷导致的疲劳需求在增加,最近这一话题(预计和管理井口疲劳)的关键性也在逐渐增加。

术语“井口疲劳”是指井口和套管系统中热点区的疲劳损坏。周期性载荷通过连接的隔水管(隔水管经历来自波浪的动态运动、船舶运动)和由洋流造成的涡流诱发振动传递到井口。井口/套管系统中热点区包括焊缝、连接器以及井口本身的几何特征。

由于所需的安全系数和建模过于保守,这些隔水管、井口和套管系统的分析模型通常预测过早失效。随着设计边界的扩展,现场测量数据对于评估与这些模型相关的精度变得必要。此外,随着定量结构完整性管理计划(如基于状态的维护)的正式化和强制性要求,此类测量数据预计将发挥突出作用。

Stress Engineering Services公司开发了一种实时疲劳监测系统(RFMS)和井口疲劳监测系统(WFMS),可实时测量钻井隔水管和井口的应力和疲劳。

系统设计

RFMS和WFMS通过安装在海底振动数据记录器(SVDL)模块内的加速度计和角速率传感器计算隔水管或井口系统中的应力,这些模块安装在沿隔水管和BOP长度的关键位置。SVDL模块通过光纤海底电缆连接到位于上部结构的中央数据采集系统。

RFMS和WFMS可为井队人员提供前所未有的可操作信息,包括钻井隔水管、井口和套管系统的工作状况。通过以时间同步的方式精确地记录钻井隔水管、井口和套管系统在离散点处的运动,可以确定这些部件的疲劳损坏。尽管测量的运动具有复杂性,但软件中的专用算法可以精确计算任何位置的疲劳损坏。通过将这些数据与过去的预计相结合,可以计算累积的疲劳损坏历史。

主要驱动因素是需要在海底环境中以高可靠性获得准确的同步动态测量数据。第二个重要的要求是最小化系统部署对隔水管下入作业的影响,即需要在最短的时间内方便地安装和回收。

案例分析

最初将RFMS部署在日本近海的两个井场,水深为1,180~1,939 m。该系统从2012年8月至11月成功收集并处理了数据,记录了由于天气、涡流诱发振动,以及与井口连接和断开时的操作引起的多起隔水管干扰事件。系统成功记录了隔水管的疲劳损坏。

在第六代半潜式MODU上设计并部署了使用WFMS的综合测量作业。测量作业在浅水区域(水深85~95 m)进行,处于恶劣的波浪环境。作业包括一个实时WFMS,通过同步加速度计和角速率传感器测量船只、隔水管和防喷器组的运动。同时测量包括波浪和洋流数据、泥浆密度、滑环张力、船只偏移和张紧器压力等附加数据。

目标是量化隔水管分析中的任何可能的保守性,从而量化井口载荷和疲劳预计数据。换句话说,重点是解决井口疲劳方程的“载荷”一边,“阻力”一边超出范围。由于海洋环境条件设计引起的任何载荷保守性,都不是本工作的重点。相反,系统对已知(已测量)干扰响应的计算保守性是本次研究的重点。

通过测量的环境干扰在频域和时域同时优化分析模型,并且将隔水管和防喷器组运动的分析预测与在现场测量的运动进行比较。大约使用6周的测量数据进行数据分析和模型验证。监测系统的另一个目标是为井队人员提供隔水管/防喷器组运动和井口疲劳响应和管理的实时信息。

本次应用显示,使用现有建模技术分析预测的RFMS隔水管和防喷器组的运动情况与实测结果匹配良好。通过扩展,可以使用分析模型准确估计井口载荷。这对于已分析的工况是有效的,即浅水深度(85~95 m)、坚硬的沙质土壤、温和到恶劣的波浪环境以及洋流速度较小(没有涡流诱发振动)。在给定的海洋环境条件下,井口疲劳方程的载荷一边似乎可以通过现有的频域和时域分析技术进行合理预测。本次应用向井队人员提供了宝贵的信息,即使在恶劣的条件下也能实现不间断的钻井作业。

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