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目前，適用于深水鉆井作業(yè)的水上防噴器，簡稱SBOP，鉆井系統(tǒng)已得到一定程度的應(yīng)用，作業(yè)日費(fèi)為常規(guī)隔水管系統(tǒng)的40%-50%，該系統(tǒng)一般采用X339.7mm，X80鋼級(jí)或X406.4mm，Pl10鋼級(jí)的高壓套管配合水下斷開系統(tǒng)(SDS)進(jìn)行鉆井作業(yè)。高壓套管起到常規(guī)深水鉆井中隔水管的作用，需要承擔(dān)深水波流力作用下較大的橫向彎矩。同時(shí)由于SBOP鉆井系統(tǒng)的防噴器系統(tǒng)放置水面以上，還需要由高壓套管來承受井控過程中巨大的內(nèi)壓力。另外，SBOP鉆井系統(tǒng)在高壓套管的上部和下部各采用1個(gè)應(yīng)力短節(jié)來緩解應(yīng)力集中，還需要探討應(yīng)力節(jié)的強(qiáng)度分析。
假設(shè)深水SBOP鉆井系統(tǒng)的高壓套管隔水管為線彈性圓管，在外力的作用下僅產(chǎn)生微小變形，忽略內(nèi)部鉆柱對(duì)其抗彎剛度的影響，可以建立深水SBOP鉆井系統(tǒng)高壓套管隔水管理論分析模型，Erl：一隔水管的抗彎剛度， T(x)隔水管有效張力，隔水管單位長度重量，隔水管上的單位橫向波流力，可根據(jù)Morison方程和海流力公式計(jì)算。為了求解方程，需要附加邊界條件。對(duì)隔水管進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)一般假設(shè)隔水管底部沒有橫向偏移，即y1=0。但實(shí)際上，在泥線以下導(dǎo)管外徑較小的情況下，隔水管底部將有一定的橫向偏移yr。
SBOP系統(tǒng)的套管隔水管下部應(yīng)力節(jié)與水下SDS連接處的偏移和彎矩即為下邊界條件。套管隔水管上部應(yīng)力節(jié)與鉆井平臺(tái)上的水上BOP相連，認(rèn)為上邊界條件為鉆井平臺(tái)橫向漂移量和上部應(yīng)力節(jié)與水上BOP連接處的彎矩。式中Y-下部應(yīng)力節(jié)與SDS連接處相對(duì)于，軸線的橫向偏移，分別為上、下應(yīng)力節(jié)連接處的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，上、下應(yīng)力節(jié)連接處的偏移角度，L-套管隔水管長度，S-平臺(tái)橫向漂移距離。采用有限差分方法將套管隔水管全長L分為幾等分，分段長為h，可將方程化為由(n-1)個(gè)方程組成的差分方程組，采用LU分解法進(jìn)行求解，可得到套管隔水管各節(jié)點(diǎn)的橫向偏移Y，偏移角度、彎矩M，進(jìn)而可由公式得到套管隔水管的彎曲正應(yīng)力。
假設(shè)鉆遇高壓天然氣地層時(shí)發(fā)生井噴，下部井筒和高壓套管隔水管內(nèi)的鉆井液被頂光并充滿了天然氣，此時(shí)關(guān)井后套管隔水管內(nèi)承受的壓力為所有情況中的極限內(nèi)壓力。P-套管隔水管任意深度的內(nèi)壓力，Pa-井底天然氣壓力，Ps-鉆遇高壓區(qū)深度，H-套管隔水管任意深度，d-天然氣比密度，甲烷為0.554。高壓套管隔水管承受的外擠壓力由管外液體(海水)形成，若以發(fā)生嚴(yán)重井漏，隔水管內(nèi)沒有鉆井液考慮，某1200m水深的深水井的基本參數(shù)，高壓套管隔水管外徑339.7mm，壁厚14.25mm，其頂部張力比1.3，鉆井船平均漂移36m，水面風(fēng)力海流流速1.0m/s，潮流流速0.5m/s，波高8m，周期6s，鉆井液密度1.2g/cm3，上部應(yīng)力節(jié)與SBOP連接處的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度500kN·m/rad，下部應(yīng)力節(jié)與SDS連接處的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度500kN·m/rad，下部應(yīng)力節(jié)底部偏移為0.01。
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