本发明涉及一种张力腿平台丛式井批量钻井方法，属于海洋石油装备技术领域，尤其适用于作业水深较深以及水下井口分布较密的丛式井批量钻井。
背景技术：
张力腿平台作为海洋油气开发的平台之一，是一种垂直系泊的顺应式平台。张力腿系统始终处于拉紧状态，使得平台具有良好的运动性能以及稳定性，特别适合于我国南海油气资源的开发。
张力腿平台具有丛式井口，井口呈等间距排列分布，且分布较为密集的特点。目前对于张力腿平台的钻井作业方法主要有单独钻井和批量钻井两种方式，然而采用单独钻井方式时，钻井后需回收全部钻井立管、钻杆，将钻机移动至下一井口再次下入钻井立管、钻杆，作业效率低，成本高；而采用批量钻井方式时，虽然可以大大提高作业效率，节约成本，但在移动过程中可能出现钻杆、立管发生碰撞的情况，尤其是随着钻井水深越来越大，海洋环境越来越复杂，这种情况更容易发生，威胁钻井作业安全。
技术实现要素：
针对上述张力腿平台丛式井分布密集的问题，本发明的目的是提供一种张力腿平台丛式井批量钻井方法，用于解决现有张力腿平台钻井作业效率不高的问题，具有较高的效率以及可靠性。本方法尤其适用于作业水深较深以及丛式井分布密集的张力腿平台钻井作业。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种张力腿平台丛式井批量钻井方法，其包括下步骤：1)对需要进行批量钻井的张力腿平台丛式井的配置情况进行分析，并根据确定的配置情况建立钻杆-钻井立管有限元分析模型；2)进行批量钻井模拟，得到钻杆-钻井立管有限元分析模型在不同钻井偏移距离状态下的模拟结果；3)基于预先建立的批量钻井限制准则对步骤2)得到的模拟结果进行有限元分析，确定对该张力腿平台丛式井进行批量钻井时的最大钻井范围。
进一步的，所述步骤1)中，对需要进行批量钻井的张力腿平台丛式井的配置情况进行分析时，包括以下内容：确定张力腿平台丛式井的槽口与水下井口布局情况；确定张力腿平台丛式井的钻井立管与钻杆配置情况。
进一步的，所述张力腿平台丛式井的钻井立管与钻杆配置为：所述钻井立管从上到下的配置划分为：伸缩节、防喷器、张力节、张力短节、张力环、钻井立管单根、锥形应力节和回接连接器；所述钻杆的配置为钻杆主体由结构相同的多段钻杆连接而成，两两所述钻杆通过接箍连接，且两两所述钻杆之间的所述接箍粗于所述钻杆。
进一步的，所述步骤1)中，根据确定的配置情况，建立钻杆-钻井立管有限元分析模型的方法，包括以下内容：采用管单元对钻井立管和钻杆结构进行模拟；上边界约束为平台运动，下边界约束为管土耦合作用，采用非线性弹簧对下边界约束进行模拟；采用管对管接触单元对钻井立管与钻杆之间的关系进行模拟；采用接触滑移线对钻井立管与钻杆的不同间隙进行模拟，进而得到钻杆-钻井立管有限元分析模型。
进一步的，所述步骤2)中，进行批量钻井模拟，得到钻杆-钻井立管有限元分析模型在不同钻井偏移距离状态下的模拟结果的方法，包括以下步骤：2.1)随机选取初始井口；2.2)以初始井口的位置为基础，按照预设的钻井偏移增量步长将钻井立管和钻杆进行偏移，进行偏移时，固定顶部钻井立管和钻杆，使钻井立管与钻杆下部进行偏移；2.3)对偏移后的钻井立管-钻杆有限元模型进行有限元分析，得到当前钻井偏移距离状态下钻井立管和钻杆的弯矩、应力、偏移数据；2.4)重复步骤2.2)～2.3)，在当前钻井偏移量基础上依次增加一个钻井偏移增量步长，直到钻井立管和钻杆发生接触，且接触的摩擦力大于钻杆的轴向力，或者钻井立管和钻杆的应力超出了自身的许用应力时停止偏移，得到钻井立管-钻杆有限元模型在不同钻井偏移距离状态下钻井立管和钻杆的弯矩、应力、偏移数据。
进一步的，所述步骤3)中，所述批量钻井限制准则为：所有工况下，钻井立管和钻杆受到的最大等效应力分别小于其许用应力；井口的最大弯矩不得超过其许用值；钻井立管与钻杆发生干涉时，产生的摩擦力小于钻杆向下的轴向力。
进一步的，所述步骤3)中，基于预先建立的批量钻井限制准则对步骤2)得到的模拟结果进行有限元分析，确定对该张力腿平台丛式井进行批量钻井时的最大钻井范围的方法，包括以下步骤：3.1)判断钻杆-立管的应力弯矩是否超出许用范围，若超出许用范围，则上一次的钻井偏移距离就是最大钻井范围，否则进入步骤3.2)；3.2)判断是否发生干涉，若发生干涉，提取钻杆与立管的接触力，计算摩擦力；若不发生干涉，则再偏移一个井口间距后返回步骤3.1)；3.3)将摩擦力与钻杆向下的轴向力进行比较，若钻杆摩擦力不大于轴向力，则再偏移一个井口间距进行有限元分析；若立管钻杆应力超出许用范围或钻杆摩擦力大于轴向力，则上一次的钻井偏移距离就是对张力腿平台丛式井进行批量钻井时的最大范围。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：(1)本发明钻井目标灵活，可以自主选择适合作为一号井即初始井口的钻井目标，对于丛式井适用性较高；(2)本发明通过小范围批量钻井，在不移动平台，不回收钻井立管重新钻井的前提下，批量钻取周围最大批钻范围内的所有井口，大大提高钻井效率；(3)本发明在确定批量钻井范围时，同时考虑了立管之间的干涉和立管-钻杆之间干涉，对批量钻井的范围的确定准确性更高。因此，本发明可有效节约钻井成本，提高钻井效率，同时保证批钻安全，具有一定的学术价值和工程应用前景，可以广泛应用于张力腿平台丛式井钻井领域。
附图说明
图1为本发明张力腿平台丛式井小范围批量钻井方法流程图；
图2为张力腿平台丛式井水下井口分布示意图；
图3为张力腿平台钻井立管主要配置图；
图4为小范围批量钻井钻杆-立管限制因素示意图；
图5为基于限制准则判断最大批钻范围流程图。
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。
如图1所示，本发明提供一种张力腿平台丛式井批量钻井方法，包括以下步骤：
1)对需要进行批量钻井的张力腿平台丛式井的配置情况进行分析，并根据确定的钻井立管与钻杆配置情况，建立钻杆-钻井立管有限元分析模型；
2)进行批量钻井模拟，得到钻杆-钻井立管有限元分析模型在不同钻井偏移距离状态下的模拟结果；
3)基于预先建立的批量钻井限制准则对步骤2)得到的模拟结果进行有限元分析，确定对该张力腿平台丛式井进行批量钻井时的最大钻井范围。
上述步骤1)中，对需要进行批量钻井的张力腿平台丛式井的配置情况进行分析时，包括以下内容：
①确定张力腿平台丛式井的槽口与水下井口布局情况；
如图2所示，为本实施例中张力腿平台丛式井的水下井口分布图。张力腿平台丛式井水下井口的分布特点：当张力腿平台丛式井的平台设备确定后，平台槽口已知，水下井口布局由布局准则确定，一般情况下，水下井口分布密集，会按一定间距排列。这样的分布特点既是为在满足任何工况下所有立管(包括：钻井立管、生产立管)均不发生碰撞干涉的前提下，最大程度提高丛式井提高钻井效率。
②确定张力腿平台丛式井的钻井立管与钻杆配置情况。
如图3所示，本实施例中，将钻井立管从上到下的配置划分为：伸缩节1、防喷器2、张力节3、张力短节4、张力环5、钻井立管单根6、锥形应力节7和回接连接器8。钻杆主体由结构相同的多段钻杆连接而成，两两钻杆之间的接箍部分略粗于钻杆部分。
上述步骤1)中，根据确定的钻井立管与钻杆配置情况，建立钻杆-钻井立管有限元分析模型时，参考标准iso13624-2中钻井立管的建模分析方法，具体的，包括以下内容：
①采用管单元对钻井立管和钻杆结构进行模拟；
②上边界约束为平台运动，下边界约束为管土耦合作用，采用非线性弹簧对下边界约束进行模拟；
③采用itt(管对管接触单元)单元对钻井立管与钻杆之间的关系进行模拟；
④由于钻杆接箍位置与钻杆主体存在尺寸差异，通过接触滑移线对钻井立管与钻杆的不同间隙进行定义，进而得到钻杆-钻井立管有限元分析模型。
上述步骤2)中，进行批量钻井模拟，得到钻杆-钻井立管有限元分析模型在不同钻井偏移距离状态下的模拟结果的方法，包括以下步骤：
2.1)随机选取初始井口a，考虑钻井效率应尽量在张力腿丛式井中心处选取初始井口；
2.2)以初始井口a的位置为基础，按照预设的钻井偏移增量步长将钻井立管和钻杆进行偏移，进行钻井偏移时，固定顶部钻井立管和钻杆，使钻井立管与钻杆下部进行偏移；本发明中，设定钻井偏移增量步长为一个井口间距l；
2.3)对偏移后的钻井立管-钻杆有限元模型进行有限元分析，得到当前钻井偏移距离状态下钻井立管和钻杆的弯矩、应力、偏移等数据；
2.4)重复步骤2.2)～2.3)，在当前钻井偏移量基础上依次增加一个钻井偏移增量步长，直到钻井立管和钻杆发生接触，且接触的摩擦力大于钻杆的轴向力，或者钻井立管和钻杆的应力超出了自身的许用应力时停止偏移，得到钻井立管-钻杆有限元模型在各钻井偏移距离状态下钻井立管和钻杆的弯矩、应力、偏移等数据。
上述步骤3)中，如图4所示，为小范围批量钻井钻杆-钻井立管限制因素示意图，由图4可知，小范围批量钻井主要限制因素包括：(1)钻井立管-钻杆的力学性能因素；(2)钻杆能否克服立管钻杆之间干涉产生的最大摩擦力继续下钻。因此，本发明根据该分析建立如下小范围批量钻井限制准则：
①所有工况下，立管和钻杆受到的最大等效应力分别小于其许用应力；
②井口的最大弯矩不得超过其许用值；
③立管与钻杆发生干涉时，产生的摩擦力小于钻杆向下的轴向力。
上述步骤3)中，如图5所示，基于预先建立的批量钻井限制准则对步骤2)得到的模拟结果进行有限元分析，确定对该张力腿平台丛式井进行批量钻井时的最大钻井范围的方法，包括以下步骤：
3.1)判断钻杆-立管的应力弯矩是否超出许用范围，若超出许用范围，则上一次的偏移钻井距离就是最大钻井范围，否则进入步骤4.2)；
3.2)判断是否发生干涉，若发生干涉，提取钻杆与立管的接触力，计算摩擦力；若不发生干涉，则再偏移一个井口间距后返回步骤4.1)；
3.3)将摩擦力与钻杆向下的轴向力进行比较，若钻杆摩擦力不大于轴向力，则再偏移一个井口间距进行有限元分析；若立管钻杆应力超出许用范围或钻杆摩擦力大于轴向力无法克服摩擦力，则上一次的偏移钻井距离就是对张力腿平台丛式井进行批量钻井时的最大范围。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺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。
1.一种张力腿平台丛式井批量钻井方法，其特征在于包括下步骤：
1)对需要进行批量钻井的张力腿平台丛式井的配置情况进行分析，并根据确定的配置情况建立钻杆-钻井立管有限元分析模型；
2)进行批量钻井模拟，得到钻杆-钻井立管有限元分析模型在不同钻井偏移距离状态下的模拟结果；
3)基于预先建立的批量钻井限制准则对步骤2)得到的模拟结果进行有限元分析，确定对该张力腿平台丛式井进行批量钻井时的最大钻井范围。
2.如权利要求1所述的一种张力腿平台丛式井批量钻井方法，其特征在于：所述步骤1)中，对需要进行批量钻井的张力腿平台丛式井的配置情况进行分析时，包括以下内容：
确定张力腿平台丛式井的槽口与水下井口布局情况；
确定张力腿平台丛式井的钻井立管与钻杆配置情况。
3.如权利要求2所述的一种张力腿平台丛式井批量钻井方法，其特征在于：所述张力腿平台丛式井的钻井立管与钻杆配置为：
所述钻井立管从上到下的配置划分为：伸缩节、防喷器、张力节、张力短节、张力环、钻井立管单根、锥形应力节和回接连接器；
所述钻杆的配置为钻杆主体由结构相同的多段钻杆连接而成，两两所述钻杆通过接箍连接，且两两所述钻杆之间的所述接箍粗于所述钻杆。
4.如权利要求1所述的一种张力腿平台丛式井批量钻井方法，其特征在于：所述步骤1)中，根据确定的配置情况，建立钻杆-钻井立管有限元分析模型的方法，包括以下内容：
采用管单元对钻井立管和钻杆结构进行模拟；
上边界约束为平台运动，下边界约束为管土耦合作用，采用非线性弹簧对下边界约束进行模拟；
采用管对管接触单元对钻井立管与钻杆之间的关系进行模拟；
采用接触滑移线对钻井立管与钻杆的不同间隙进行模拟，得到钻杆-钻井立管有限元分析模型。
5.如权利要求1所述的一种张力腿平台丛式井批量钻井方法，其特征在于：所述步骤2)中，进行批量钻井模拟，得到钻杆-钻井立管有限元分析模型在不同钻井偏移距离状态下的模拟结果的方法，包括以下步骤：
2.1)随机选取初始井口；
2.2)以初始井口的位置为基础，按照预设的钻井偏移增量步长将钻井立管和钻杆进行偏移，进行偏移时，固定顶部钻井立管和钻杆，使钻井立管与钻杆下部进行偏移；
2.3)对偏移后的钻杆-钻井立管有限元模型进行有限元分析，得到当前钻井偏移距离状态下钻井立管和钻杆的弯矩、应力、偏移数据；
2.4)重复步骤2.2)～2.3)，在当前钻井偏移量基础上依次增加一个钻井偏移增量步长，直到钻井立管和钻杆发生接触，且接触的摩擦力大于钻杆的轴向力，或者钻井立管和钻杆的应力超出了自身的许用应力时停止偏移，得到钻杆-钻井立管有限元模型在不同钻井偏移距离状态下钻井立管和钻杆的弯矩、应力、偏移数据。
6.如权利要求1所述的一种张力腿平台丛式井批量钻井方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述批量钻井限制准则为：
所有工况下，钻井立管和钻杆受到的最大等效应力分别小于其许用应力；
井口的最大弯矩不得超过其许用值；
钻井立管与钻杆发生干涉时，产生的摩擦力小于钻杆向下的轴向力。
7.如权利要求6所述的一种张力腿平台丛式井批量钻井方法，其特征在于：所述步骤3)中，基于预先建立的批量钻井限制准则对步骤2)得到的模拟结果进行有限元分析，确定对该张力腿平台丛式井进行批量钻井时的最大钻井范围的方法，包括以下步骤：
3.1)判断钻杆和钻井立管的应力、弯矩是否超出许用范围，若超出许用范围，则上一次的钻井偏移距离就是最大钻井范围，否则进入步骤3.2)；
3.2)判断钻井立管和钻杆是否发生干涉，若发生干涉，则提取钻杆与钻井立管的接触力，计算摩擦力；若不发生干涉，则返回步骤3.1)对下一个钻井偏移距离进行分析；
3.3)将摩擦力与钻杆向下的轴向力进行比较，若钻杆摩擦力不大于轴向力，则再偏移一个井口间距进行有限元分析；若立管钻杆应力超出许用范围或钻杆摩擦力大于轴向力，则上一次的钻井偏移距离就是对张力腿平台丛式井进行批量钻井时的最大范围。
技术总结