超深井隔水管設(shè)計安裝影響因素與解決對策

劉娟

摘要：深水鉆井隔水管是連接海底井口和鉆井平臺的重要部件，其主要功能是提供井口防噴器與鉆井平臺之間的泥漿往返通道，支持輔助管線，引導(dǎo)鉆具，作為下放與撤回井口防噴器組的載體。分析可以看出，超深水井隔水管設(shè)計的主要影響因素就是鉆井液密度、渦激抑制設(shè)備、脫離后隔水管系統(tǒng)懸掛模式以及水深和海流載荷等幾個方面。在設(shè)計安裝時都應(yīng)給予考慮，這對提升超深水井隔水管設(shè)計，以及深海石油開采帶來幫助。

關(guān)鍵詞：超深水井隔水管；作業(yè)與環(huán)境因素；設(shè)計理論；安裝

1 概述

影響超深水井隔水管的兩個重要因素就是作業(yè)與環(huán)境因素。作業(yè)因素主要是指鉆井液密度、渦激抑制設(shè)備、脫離后隔水管系統(tǒng)懸掛模式等；而環(huán)境因素主要是指海流、水深、波浪等方面。對這些因素進行分析，可以為超深水井隔水管的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

2 作業(yè)因素

2.1 懸掛模式

在懸掛過程中，隔水管可能會發(fā)生動態(tài)壓縮現(xiàn)象。這時隔水管的彎曲應(yīng)力也會相應(yīng)增加，導(dǎo)致隔水管的上部觸到月池的危險系數(shù)大大提高。因此在設(shè)計隔水管時，必須把隔水管在懸掛狀態(tài)時的動態(tài)響應(yīng)加入其中，以防止隔水管發(fā)生動態(tài)壓縮。

2.2 渦激抑制

如果水流的速度很快，隔水管還可能會出現(xiàn)嚴重的渦激振動，造成渦激疲勞，從而產(chǎn)生疲勞損傷。對此可以采用在流速較快的水域中加裝渦激抑制設(shè)備的方法。有實驗證明，使用渦激抑制設(shè)備能夠讓隔水管的渦激疲勞降低80%以上。

2.3 鉆井液密度

鉆井液密度對于隔水管的設(shè)計是十分重要的。這是因為鉆井液會對頂部漲緊力產(chǎn)生影響，進而影響到隔水管的有效張力。因此在進行隔水管的材質(zhì)選擇時，必須按照最大鉆井液的密度來選擇。

3 環(huán)境因素

環(huán)境因素對深水管造成的影響也不應(yīng)忽視，在設(shè)計時也必須考慮。

3.1 超深水井隔水管在設(shè)計時，必須考慮到水深對其造成的影響

一是水深的增加，使得隔水管的施工管理難度增加。隔水管施工管理的難度是指懸掛模式下的軸向動力響應(yīng)，以及隔水管在緊急脫離后的反沖控制兩個方面。在超深水施工條件下，隔水管管柱都很長。這樣就會造成井口防噴器和隔水管的底部總成的切斷，隔水管柱就會帶來一個非常大的反沖力。這種反沖力使得隔水管產(chǎn)生了向上的加速運動，這給鉆井平臺帶來了不穩(wěn)定因素，這就是所謂的隔水管的反沖。處于懸掛模式的隔水管系統(tǒng)會在鉆井船的運

動中發(fā)生軸向的動態(tài)響應(yīng)，這會造成動態(tài)壓縮、動態(tài)張力放大以及軸向共振等問題。

二是水深的增加，會對隔水管的外形參數(shù)和材質(zhì)等帶來影響。通常為了便于運輸，不會選擇太長的單根隔水管。同時，隔水管的壁厚也應(yīng)隨著水深而加厚。這是因為水的深度加大，需要的張力也增加了。另外，還要注意管的腐蝕余量與尺寸的偏差，這些都應(yīng)綜合起來考慮，然后確定隔水管的各參數(shù)。由于在超深水區(qū)的水質(zhì)和環(huán)境都不好，因此隔水管的材質(zhì)也應(yīng)比其他區(qū)域要好，鋼級更高，抗疲勞特性也應(yīng)更強。這種隔水管除了按照標準化制造以外，還要使用無縫焊接的方式進行焊接。

三是水深的增加，會使得隔水管結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化。在超深水鉆井隔水管的設(shè)計中必須使用填充閥以及浮力塊等，以滿足超深水鉆井的需求。填充閥是為了避免隔水管擠毀現(xiàn)象的發(fā)生而設(shè)置的。使用浮力塊是因為它可以大大減少隔水管的單根濕重。隔水管系統(tǒng)的小范圍的重量補償比例可以大于1。

3.2 海流

海流載荷對于深水鉆井隔水管的施工方式有著很大的影響。在對隔水管進行設(shè)計和安裝時，必須加進對海流載荷的考慮。海流流速的增加，帶來了拖曳載荷的增加，增加了隔水管因強度不夠帶來損傷的危險，嚴重的還可能造成鉆井事故的發(fā)生，這表現(xiàn)在：一是海流載荷對鉆井船的偏移量產(chǎn)生影響。鉆井船的偏移是因為海浪載荷、海流載荷以及風載荷的共同作業(yè)而產(chǎn)生的。鉆井船偏移量的加大會帶來隔水管底部球鉸轉(zhuǎn)角增大。降低鉆井船的偏移量可

以降低隔水管底部球鉸轉(zhuǎn)角，也即增加了鉆井施工的時間。二是海流載荷更易造成渦激振動和疲勞。海流載荷的增加使得渦激振動也相應(yīng)地加大，從而產(chǎn)生渦激疲勞。這種常見的渦激疲勞就是井口破壞以及隔水管損傷。三是在放置隔水管時，因隔水管在懸掛狀態(tài)，因此這時的海流對其的影響主要對隔水管的拖曳力。

3.3 波浪

波浪對隔水管設(shè)計的影響主要體現(xiàn)在以下兩點。第一點是鉆井平臺的相應(yīng)幅值算子會對鉆井平臺運動帶來影響，從而影響隔水管頂端的動邊界條件。第二點就是波浪對隔水管會帶來水動力載荷。經(jīng)過實驗分析，波浪載荷與鉆井船的升沉運動是隔水管動態(tài)響應(yīng)分析的兩個最大動載荷。但是對于深水鉆井的隔水管，波浪對隔水管的局部才有影響，而升沉運動才是主要的動載荷。

4 結(jié)束語

深水鉆井隔水管是連接海底井口和鉆井平臺的重要部件，其主要功能是提供井口防噴器與鉆井平臺之間的泥漿往返通道，支持輔助管線，引導(dǎo)鉆具，作為下放與撤回井口防噴器組的載體。隔水管可靠性關(guān)系到整個鉆井作業(yè)的順利完成，甚至整個鉆井平臺的安全。建立了深水鉆井隔水管連接模式和懸掛模式下的力學(xué)分析模型，識別了隔水管系統(tǒng)在不同作業(yè)模式下的限制準則；分別進行了連接作業(yè)窗口、下放與回收作業(yè)窗口、硬懸掛作業(yè)窗口和軟懸掛作業(yè)窗口分析，并建立隔水管系統(tǒng)作業(yè)可靠性分析方法；以隔水管疲勞為研究對象，介紹隔水管波激疲勞和渦激疲勞分析方法，建立隔水管綜合疲勞壽命及其可靠性分析模型；考慮失效概率和失效后果建立隔水管失效風險矩陣，形成一套深水鉆井隔水管完整性管理方案，主要包括風險分析、基于風險的檢測及監(jiān)測和隔水管完整性管理3部分。相關(guān)研究成果為隔水管可靠性評估、海上鉆完井作業(yè)和隔水管完整性管理提供參考，同時也為進一步豐富隔水管規(guī)范的組織機構(gòu)提供參考。

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