适用于海底钻机保压取心技术的压力损失程度预测方法

1.本发明涉及一种适用于海底钻机保压取心技术的压力损失程度预测方法。


背景技术：

2.天然气水合物作为一种高效、清洁的新能源被世界各国视为未来石油和煤炭的理想替代能源，其主要赋存于海底沉积物和陆地永久冻土带，储量相当于全球已知煤、石油、天然气储量的2倍。海域天然气水合物在高压低温的环境下以固体形式存在，其赋存水深一般在1200米到2000米之间。海底天然气水合物在常温常压下具有不稳定性，通常采用保压取心方式对其进行勘探。利用海底钻机进行作业时整个钻孔所需的全部钻管是存储于钻机上的钻具库内并随钻机一同下放至海底。回次钻进结束后，充满岩心的钻管暂存在钻具库中直至全部作业任务结束后随海底钻机一起提出海面。与传统钻探船在回次钻进结束后能够快速将单根钻具提出水面的回收方式相比，在整个提升回收过程中海底钻机的提升速度在不同海水区间段是变化的，且整个提升过程海底钻机在海水中的历时较长。海底钻机配备的是基于薄壁岩心管直接密封原理的小口径薄壁保压取心钻具。现有的保压性能计算方法主要是围绕内外径之比大于1.2的厚壁保压筒所展开。在以往的保压性能预测过程中，通常是直接采用厚壁筒体的压力预测方法对薄壁保压取心钻具的保压性能进行定性预判。在计算的过程中通常不考虑温度变化因素的影响，或者是将回收全过程的温度变化影响以定值系数的方式进行整体考虑。但是适用于海底钻机的小口径薄壁保压钻具在回收的过程中需要穿越不同环境温度的海水层且历时较长。因此用以往的保压性能预测方法对小口径薄壁保压钻具的保压性能进行预测时，会造成理论预测结果与在实际回收工况下出水后的实际测试结果偏差程度较大、在不同作业水深下的预测准确性不稳定等实际问题。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明提供一种可以减小将温度对钻具提升过程整体考虑的误差，使得计算结果更精确的适用于海底钻机保压取心技术的压力损失程度预测方法。
4.为了实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种适用于海底钻机保压取心技术的压力损失程度预测方法，包括以下步骤：
6.1)对海底钻机所处的工作水深进行区间分段；
7.2)计算每个区间在内外压差作用下的体积变化量δv
pi
，i为区间序号，从下向上编号；
8.3)计算每个区间由于温度引起的芯管体积膨胀量δv
ti
，
9.4)利用叠加原理计算出每个区间的芯管总体积变化δvi，
10.5)计算出每个区间芯管内的总压降值δpi，
11.6)将每个区间的芯管总压降值δpi相加，得到最终芯管总压降值δp。
12.上述的适用于海底钻机保压取心技术的压力损失程度预测方法中，步骤2)具体操
作如下：
13.σ
ri
＝p
iri2
(1-r
02
/r2)/(r
02-r
i2
)
14.σ
θi
＝p
iri2
(1 r
02
/r2)/(r
02-r
i2
)
15.σ
zi
＝p
iri2
/(r
02-r
i2
)
16.其中，σ
ri
是第i区间内芯管内部径向应力，σ
θi
是第i区间内芯管内部切向应力，σ
zi
是第i区间内芯管内部轴向应力,pi是第i区间的芯管的内部压力，第i 1区间的芯管的内部压力p
i 1
＝pi δpi，p1为保压取心设计压力；ri是为第i区间的芯管的内径，第i 1区间的芯管的内径为r
i 1
＝r
i-δr
pi
，r0是芯管的外径，r是应力分析处半径，取r＝ri；
17.ε
ri
＝[σ
ri-μ(σ
zi
σ
θi
)]/e
[0018]
ε
θi
＝[σ
θi-μ(σ
ri
σ
zi
)]/e
[0019]
ε
zi
＝[σ
zi-μ(σ
ri
σ
θi
)]/e
[0020]
其中，ε
ri
是第i区间内芯管径向应变，ε
θi
是第i区间内芯管切向应变，ε
zi
是第i区间内芯管轴向应变；μ为泊松比，e为弹性模量，
[0021]
第i区间内芯管内径的变化量由管体的厚度在内外压差的作用下的变化量求得：
[0022]
δr
pi
＝δε
ri
[0023]
δh
pi
＝hε
zi
[0024]
δv
pi
＝π(ri δr
pi
)2(h δh
pi
)-πr
i2h[0025]
其中，δ为芯管的厚度，h为芯管总长度，δr
pi
是第i区间的芯管内径变化量，δh
pi
是第i区间的芯管轴向变化量。
[0026]
上述的适用于海底钻机保压取心技术的压力损失程度预测方法中，步骤3)具体操作如下：
[0027]
δli＝α(2πri×
δti)
[0028]
δl0＝α(2πr0×
δti)
[0029]
δδ
ti
＝α(r
0-ri)δti[0030]
δh
ti
＝αhδti[0031]
δv
ti
＝(li δli l0 δl0)(h δh
ti
)(δ δδ
ti
)/2-π(r
02-r
i2
)h
[0032]
其中：li为芯管内圆周周长，lo为芯管外圆周周长，δli为第i区间的芯管内圆周周长的变化量，δlo为芯管外圆周周长的变化量，δti为第i区间的水温变化量，α为芯管的线性膨胀的温度系数，取1.2
×
10-5
k，δδ
ti
为温度引起的芯管厚度变化，δh
ti
为温度引起的第i区间的芯管长度变化。
[0033]
上述的适用于海底钻机保压取心技术的压力损失程度预测方法中，步骤4)具体操作如下：
[0034]
δvi＝δv
pi
δv
ti
。
[0035]
上述的适用于海底钻机保压取心技术的压力损失程度预测方法中，，步骤5)具体操作如下：
[0036]
δp＝-kδvi/v
[0037]
其中，k为式样的体积弹性模量；v为芯管总体积。
[0038]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0039]
(1)本发明对海底钻机的的工作水深进行区间分段，可以减小将温度对钻具提升
过程整体考虑的误差，使得计算结果更精确。
[0040]
(2)本发明考虑了温度变化对管内的压力变化的影响，通过计算温度变化引起的管体膨胀量来代替温度变化引起的内部体积变化量，减小了由于温度变化引起的内压误差。
附图说明
[0041]
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0043]
以钻进深度2000m为例，计算由海底提升至海面的芯管内压降，包括以下步骤：
[0044]
1)将2000米的工作水深根据海水的温度分布分成三部分：第一区间为2000m-350m、第二区间为350m-30m、第三区间为30m-0m。第一区间内压强为20mpa、第二区间内压强为3.5mpa、第三区间内压强为0.3mpa。第一区间内水温变化为1-5℃、第一区间内水温变化为5-30℃、第一区间内水温变化为30℃-30℃。
[0045]
2)计算在每个区间内芯管内外压差作用下的管体内部的体积变化量，计算公式如下：
[0046]
由材料力学中的弹性力学可知：第i区间内芯管的径向应力σ
ri
、切向应力σ
θi
和轴向应力σ
zi
为：
[0047]
σ
ri
＝p
iri2
(1-r
02
/r2)/(r
02-r
i2
)
[0048]
σ
θi
＝p
iri2
(1 r
02
/r2)/(r
02-r
i2
)
[0049]
σ
zi
＝p
iri2
/(r
02-r
i2
)
[0050]
其中，σ
ri
是第i区间内芯管内部径向应力，σ
θi
是第i区间内芯管内部切向应力，σ
zi
是第i区间内芯管内部轴向应力,i为区间序号，从下向上编号,pi是第i区间的芯管的内部压力，ri是为第i区间的芯管的内径，所以第i 1区间的芯管的内径为r
i 1
＝r
i-δr
pi
，r0是芯管的外径，r是应力分析处半径，取r＝ri；pi＝20mpa，ri＝33.35mm，r0＝36.6mm，r＝ri。
[0051]
由上述的应力可以求得其相对应的第i区间内芯管应变ε
ri
、ε
θi
和ε
zi
为：
[0052]
ε
ri
＝[σ
ri-μ(σ
zi
σ
θi
)]/e
[0053]
ε
θi
＝[σ
θi-μ(σ
ri
σ
zi
)]/e
[0054]
ε
zi
＝[σ
zi-μ(σ
ri
σ
θi
)]/e
[0055]
其中：ε
ri
是第i区间内芯管径向应变，ε
θi
是第i区间内芯管切向应变，ε
zi
是第i区间内芯管轴向应变；μ为泊松比，e为弹性模量，e＝2.01
×
1011pa。
[0056]
芯管内径的变化量由管体的厚度在内外压差的作用下的变化量求得：
[0057]
δr
pi
＝δε
ri
；
[0058]
δh
pi
＝hε
zi
；
[0059]
其中：δ为芯管的厚度，δ＝3.25mm，h为芯管总长度，h＝2670mm，δr
pi
是第i区间的芯管内径变化量，δh
pi
是第i区间的芯管轴向变化量。
[0060]
δv
pi
＝π(ri δr
pi
)2(h δh
pi
)-πr
i2
h。
[0061]
3)计算由于温度引起的管体体积膨胀量，充分考虑内外管的膨胀，将芯管的体积
膨胀量来代替管内的体积变化量，计算公式如下：
[0062]
δli＝α(2πri×
δti)；
[0063]
δl0＝α(2πr0×
δti)；
[0064]
δδ
ti
＝α(r
0-ri)δti；
[0065]
δh
ti
＝αhδti；
[0066]
δv
ti
＝(li δli l0 δl0)(h δh
ti
)(δ δδ
ti
)/2-π(r
02-r
i2
)h；
[0067]
其中，li为芯管内圆周周长，lo为芯管外圆周周长，δli为第i区间的芯管内圆周周长的变化量，δlo为芯管外圆周变化周长的变化量，δti为第i区间的水温变化量，α为芯管的线性膨胀的温度系数，取1.2
×
10-5
k，δδ
ti
为温度引起的芯管厚度变化，δh
ti
为温度引起的第i区间的芯管长度变化。
[0068]
4)利用叠加原理计算出每个区间总的体积变化，计算公式如下：
[0069]
δvi＝δv
pi
δv
ti
。
[0070]
5)计算出单个区间管体内的整体压降值，计算公式如下：
[0071][0072]
p
i 1
＝pi δpi；p1为保压取心设计压力；
[0073]
其中，k为试样的体积弹性模量；v为芯管总体积。
[0074]
6)将每个区间的芯管总压降值δpi相加，得到最终芯管总压降值δp。
[0075]
对钻具工作的水深2000m进行分段分析：
[0076]
a：2000-350m水深
[0077]
该区域:水温从1℃升高到5℃，同时采样芯管外部压力从20mpa线性降低到3.5mpa。内部芯管的初始压力为20mpa，该地区的最高温度变化为4℃，管道内外最大压差为17.5mpa。上述步骤可知，350米处的压力降和管内压力为：
[0078]
δp1＝-0.2837mpa，p2＝p1 δp1＝19.7163mpa
[0079]
b：350-30m水深
[0080]
该区域:水温从5℃提高到30℃，同时采样芯管外压力从3.5mpa线性降低到0.3mpa。内芯管初始压力为19.7163mpa。该区域的最高温度变化为25℃，管道内外最大压差为19.4163mpa。计算方式同上，可知，30米处的压力降和管道内压力为：
[0081]
δp2＝-0.8141mpa，p3＝p2 δp2＝18.9022mpa
[0082]
c：30-0m(海平面)
[0083]
该区域:水温恒定在30℃，同时采样芯管外部压力从0.3mpa线性降低到0.1mpa。另外，内芯管初始压力为18.9022mpa。该区域温度变化为0℃，管道内外最大压差为18.8022mpa。计算可知，海面压力降和管内压力为：
[0084]
δp3＝-0.4297mpa，
[0085]
8)由上述计算可得：最终芯管总压降值δp＝δp1 δp2 δp3＝-1.5275mpa；芯管内的最终压力为p1 δp＝18.4725mpa。