随着深水油气勘探活动日益增多和现代科技不断进步,我国深水钻完井技术水平得到快速提高,但与外国公司相比仍存在很大差距,尤其是水下井口-导管系统分析及设计技术。本文结合国家十二五科技重大专项课题“深水钻完井工程技术”子课题“深水钻井隔水管作业管理及安全评价技术”(2011ZX05026-001-05)与中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“深水水下井口导管系统承载能力及耐久性研究”(13CX06086A),以南海深水水下井口-导管系统为研究对象,开展水下井口-导管系统强度及稳定性研究、管土作用机理研究、疲劳特性分析以及表层导管钻前设计应用技术研究,并开发一套水下-井口系统钻前设计系统。本文主要研究进展如下:(1)水下井口-导管系统钻前设计方法研究通过调研国内外钻井设备生产商产品和相关专利,了解水下井口装置结构组成和导管喷射安装技术在南海应用情况;借鉴API规范和国外公司钻井设计方法,提出导管承载能力计算方法、表层导管钻前设计方法,土壤参数反演方法;研究信息不完全情况下的水下井口-导管系统钻前设计方法。(2)水下井口-导管系统强度及稳定性分析方法研究建立深水钻井隔水管-水下井口-导管耦合系统分析模型,分析钻井工况下井口-导管系统受力情况,考虑平台偏移和导管尺寸等因素对导管强度和井口稳定性的影响,重点研究井身结构对导管强度和井口稳定性的影响。进行导管力学特性参数敏感性分析,识别影响水下井口-导管系统强度及稳定性的关键参数,为表层导管钻前设计提供指导。(3)水下井口-导管系统管土作用机理研究根据土力学和桩基理论基本原理,采用FLAC 3D有限差分软件,研究导管竖向承载能力,计算导管顶部限制载荷,得出导管轴向力和管壁摩阻力分布规律;研究导管横向承载能力,确定导管模型模拟长度,分析固井作业对导管横向承载能力影响规律。借鉴锚杆和抗拔桩分析原理,研究活动钻具对导管周围土壤位移和应力的影响规律。(4)水下井口-导管系统波致疲劳分析方法研究开展水下井口-导管系统动态响应研究,针对水下井口-导管系统动态响应疲劳失效问题,建立水下井口-导管系统波致疲劳分析方法及流程,提出系统波致疲劳寿命计算方法;在水下井口-导管系统波致疲劳分析的基础上,建立水下井口-导管系统局部疲劳分析模型,计算局部模型应力集中系数,计算得到井口-导管系统局部疲劳寿命。(5)水下井口-导管系统设计系统针对LW21-1-1超深水井表层导管钻前设计应用情况,评估表层导管钻前设计方法和结果的准确性,验证土壤参数反演方法的工程适用性。并且采用MATLAB GUI开发出一套表层导管钻前设计软件,该软件包括水下井口-导管系统设计数据库和水下井口-导管系统钻前设计模块,可以快速实现水下井口-导管系统的钻前设计与分析,计算导管最小入泥深度和最大入泥深度。