鉆井隔水導(dǎo)管自振特性及對(duì)海上鉆井作業(yè)安全的影響研究

姜 偉，王 蓉，鐘文軍，王 屹，浦洪彬，劉賢權(quán)，陳德林

（1.上海海洋工程裝備制造業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，上海 201306；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引 言

自升式鉆井平臺(tái)在海上鉆井作業(yè)時(shí)，鉆井隔水導(dǎo)管的主要作用是建立井下與鉆井平臺(tái)的鉆井液循環(huán)通道，同時(shí)還要支撐井口和防噴器的重量，建立起鉆井壓力控制系統(tǒng)。因此，鉆井隔水導(dǎo)管是自升式鉆井平臺(tái)在海上鉆井工程中必不可少的重要環(huán)節(jié)，隔水導(dǎo)管是構(gòu)筑海上鉆井的首要安全屏障，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)海洋鉆井必備的工程條件。

1 研究背景

當(dāng)自升式鉆井平臺(tái)在海上鉆井時(shí)，鉆井隔水導(dǎo)管的工作狀態(tài)是一端插入海床，另一端靠立在鉆井平臺(tái)船井的井口小平臺(tái)上。通常情況下，采用錘入法和鉆入方法，下入30″（760 mm）隔水導(dǎo)管至海床。

鉆入法采用鉆頭在海床鉆孔，其作業(yè)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，作業(yè)費(fèi)用較高。

錘入法由于施工作業(yè)程序簡(jiǎn)單，工作效率高。但是采用該種方法，也具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，主要來自幾個(gè)方面：

由于海床沉積的地質(zhì)條件的變化，因此僅靠貫入度來判斷隔水導(dǎo)管是否牢固有一定的困難。如遇到海床出現(xiàn)蛋殼夾層、海床有大厚度的沙礫層等情況，往往會(huì)在后期作業(yè)過程中，插入法下入的隔水導(dǎo)管的井可能發(fā)生隔水導(dǎo)管下沉并危及井筒安全的問題。

隨著中海油海上鉆完井技術(shù)發(fā)展，對(duì)于自升式鉆井平臺(tái)隔水導(dǎo)管問題，我們?cè)诠こ虒?shí)際中注意到了其特性穩(wěn)定及其相關(guān)問題［1-2］，并開展了相關(guān)基于彈性線的微分方程的研究，但關(guān)于隔水導(dǎo)管下沉的問題，還沒有引起研究的重視［3-4］。現(xiàn)場(chǎng)隔水導(dǎo)管下沉的問題屢有發(fā)生，如在南海某油田，就曾經(jīng)發(fā)生過由于隔水導(dǎo)管下沉，導(dǎo)致上部已鉆井眼報(bào)廢的問題。耽誤作業(yè)時(shí)間至少3～5天，直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)百萬元。

曾經(jīng)在渤海某海域，發(fā)生過30″隔水導(dǎo)管下沉近2 m，由于沒有鉆完并且后期還要進(jìn)行鉆桿測(cè)試，因此對(duì)井口和作業(yè)安全影響很大。造成鉆井隔水導(dǎo)管下沉的原因是什么？在鉆井工程中應(yīng)該怎樣有效防止和避免類似情況的發(fā)生？研究這些問題，對(duì)于保障鉆井裝備和鉆井作業(yè)安全具有十分重要的意義。

2 自升式鉆井平臺(tái)隔水導(dǎo)管振動(dòng)頻率方程的建立

由于自升式鉆井平臺(tái)隔水導(dǎo)管的一端是插入海床的，故將其視為崁固端。另外一端通過井口小平臺(tái)的隔水導(dǎo)管導(dǎo)向孔，連接到井口防噴器，考慮到通常情況下導(dǎo)向孔直徑為40″以上，隔水導(dǎo)管在水平方向有足夠的運(yùn)動(dòng)空間，為了簡(jiǎn)化問題，因此在忽略導(dǎo)向孔的水平作用力的情況下，我們將其視為自由端，這就構(gòu)成了結(jié)構(gòu)力學(xué)中典型的懸臂桿模型。為了研究隔水導(dǎo)管的自振特性，我們忽略風(fēng)、流環(huán)境載荷的影響，同時(shí)按照結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究方法，我們將隔水導(dǎo)管的重量視為3個(gè)集中質(zhì)量，每段質(zhì)量為m，防噴器根據(jù)配置通徑和壓力級(jí)別不同，質(zhì)量為n·m；隔水導(dǎo)管長(zhǎng)度也以此分為3段，每段長(zhǎng)度分別為a。由此我們得到了一個(gè)具有3個(gè)自由度的懸臂桿振動(dòng)模型，如圖1所示。

圖1 鉆井防噴器及隔水導(dǎo)管示意圖Fig.1 Schematic diagram of blowout preventer and drilling conductor

首先，我們需要計(jì)算懸臂梁的柔度系數(shù)［5］，根據(jù)圖2，按照?qǐng)D乘法［6］，柔度系數(shù)可得

圖2 柔度系數(shù)計(jì)算示意圖Fig.2 Calculation diagram of flexibility factor

式中，E為鋼材的彈性模量；I為極貫性矩。同理可得

按照多自由度體系自由振動(dòng)的研究方法，在體系中沒有阻尼的情況下，對(duì)于3個(gè)質(zhì)體的最大位移（振幅）a1、a2及a3的齊次方程組為

當(dāng)自由振動(dòng)時(shí)，振幅a1、a2及a3不能同時(shí)為0，其系數(shù)的行列式必須等于0，即頻率方程：

解此系數(shù)行列式，即可得到一個(gè)關(guān)于ω的三次方程，由此可求隔水導(dǎo)管的自振頻率ω。自振頻率ω與周期T有如下關(guān)系：

3 自升式鉆井平臺(tái)隔水導(dǎo)管振動(dòng)問題實(shí)例

實(shí)例1 自升式鉆井平臺(tái)在渤海某油田鉆井，使用30″隔水導(dǎo)管［7］（直徑720 mm，壁厚0.5″（1.27 cm），單位長(zhǎng)度重量為2 340 N/m），考慮到控制淺層可能出現(xiàn)的淺層氣，按照鉆井作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，還需要安裝30″*10 kpsi環(huán)形防噴器［4］（Hydrill BOP重量為150 kN，井口連接法蘭、鉆井四通，全部重量約為200 kN）。

已知該海域水深44 m，考慮氣隙長(zhǎng)20 m，求解鉆井隔水導(dǎo)管的自振頻率并分析其影響。

解：柔度系數(shù)由式（1）～式（6）可知，將其代入式（8），可得

為簡(jiǎn)化方程便于求解，并且考慮到環(huán)形防噴器重量是隔水導(dǎo)管集中質(zhì)量m的n倍，故令m1=m2=m，m3=n·m，可得

為舉例說明求解過程，令n=4，解此系數(shù)行列式，可以求出λ，結(jié)合式（10）得出自振頻率ωn：

振型分析［2］：

圖3是振型分析圖，由振型曲線可以看出，一階振型即基頻的振動(dòng)，相對(duì)于二階和三階振型，管串發(fā)生的振幅最大，同時(shí)在井口附近振幅也是最大的，這一分析與我們?cè)阢@井平臺(tái)的井口觀察到的情況完全是一致的。當(dāng)井口處隔水導(dǎo)管的水平方向的振動(dòng)劇烈的時(shí)候，甚至?xí)褜?dǎo)向孔的40 mm頂絲直接頂開。由此可見基頻振動(dòng)對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物隔水導(dǎo)管的影響很大［8］。

圖3 振型分析Fig.3 Modal analysis

按照同樣的方法，可求得自升式鉆井平臺(tái)在不同水深條件下隔水導(dǎo)管的自振頻率ω和周期T，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 鉆井隔水導(dǎo)管自振頻率和周期Tab.1 Natural frequency and period of drilling conductor

考慮到海上鉆井作業(yè)，有時(shí)為了節(jié)約成本簡(jiǎn)化套管程序，采用直徑20″（508 mm，壁厚0.63″（16 mm），單位長(zhǎng)度重量為1 940 N/m）套管替代直徑30″（760 mm）隔水導(dǎo)管，根據(jù)此時(shí)的自振頻率及其分布特點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果列于表2。

表2 20″（直徑508 mm）套管自振頻率和周期Tab.2 Natural frequency and period of 20″（508 mm）casing

（續(xù)表）

觀察表1和表2，我們發(fā)現(xiàn)：

無論是采用30″（760 mm）隔水導(dǎo)管還是采用20″（508 mm）套管，此時(shí)的自振頻率及其分布特點(diǎn)如下：

（1）在100 m長(zhǎng)度以內(nèi)，30″（760 mm）隔水導(dǎo)管自振頻率分布范圍是2～820 s；20″（508 mm）套管自振頻率分布范圍是3～1 174 s。

（2）隨著水深的增加，各階的自振頻率逐步降低、周期逐步加長(zhǎng)，如表1中的30″（760 mm）隔水導(dǎo)管，水深由6 m增加到85 m時(shí)，一階自振頻率由0.06 s-1降低到0.01 s-1，周期則由102 s增加到802 s，表2中20″（508 mm）套管的自振頻率特點(diǎn)也是如此。

（3）隨著導(dǎo)管直徑的增加，在相同水深情況下，各階相應(yīng)的自振周期增長(zhǎng)，如30″（760 mm）隔水導(dǎo)管一階自振周期為102～820 s，而20″（508 mm）套管一階自振周期為184～1 174 s，增長(zhǎng)40%～80%。

（4）結(jié)合文獻(xiàn)［9-10］的研究，我國(guó)近海波浪周期分布隨季節(jié)變化，其分布范圍如表3所示。

按照表3的分布情況，我國(guó)近海海域的波浪周期的分布特點(diǎn)如下：4個(gè)海域，波浪周期的分布范圍隨季節(jié)不同而有變化；總體上，波浪周期分布在3～10 s的范圍；按照海域來看，南海和總體上周期最長(zhǎng)，東海次之，渤海最小。

表3 中國(guó)近海波浪周期（單位：s）Tab.3 Offshore wave cycle in China

按照季節(jié)來看，4個(gè)海域冬季周期最長(zhǎng)，秋季次之，其中南海冬季周期最長(zhǎng)，東海次之，渤海最小。

（5）根據(jù)中國(guó)近海波浪周期的分布特點(diǎn)和規(guī)律，結(jié)合表1可知，在作業(yè)水深9～85 m范圍，隔水導(dǎo)管自振頻率的周期分布范圍是3～820 s。當(dāng)水深進(jìn)入14～36 m時(shí)，三階自振頻率的周期為3～8 s，這與中國(guó)近海相關(guān)部分海域波浪周期是一致的，在這個(gè)水深范圍內(nèi)鉆井要注意三階諧振的危害問題。

當(dāng)水深進(jìn)入11～17 m時(shí)，二階自振頻率的周期為6～10 s，與中國(guó)近海相關(guān)部分海域波浪周期一致，在這個(gè)水深范圍內(nèi)鉆井要注意二階諧振的危害問題。

同樣地，在表2中，當(dāng)水深進(jìn)入17～37 m時(shí)，三階自振頻率的周期為3～10 s，這與中國(guó)近海相關(guān)部分海域波浪周期一致，在這個(gè)水深范圍內(nèi)，鉆井要注意三階諧振的危害問題。

當(dāng)水深為17 m時(shí)，還有一個(gè)二階自振頻率的周期10 s，這與中國(guó)近海相關(guān)部分海域波浪周期一致，在這個(gè)水深范圍內(nèi)鉆井要注意二階諧振的危害問題。

在這些特定的水深條件下，此時(shí)的波浪周期容易與鉆井隔水導(dǎo)管的自振發(fā)生諧振。發(fā)生諧振最大的問題是，當(dāng)我們采用錘入法下入隔水導(dǎo)管并且遇到硬夾層或是遇到大段的沙礫層時(shí)，往往可能會(huì)由于振動(dòng)能量大導(dǎo)致海床土質(zhì)產(chǎn)生松動(dòng)和液化，降低了海床對(duì)隔水導(dǎo)管的摩擦力，從而導(dǎo)致隔水導(dǎo)管下沉。但由于鉆井平臺(tái)在各海域不同季節(jié)波浪周期不同、鉆井平臺(tái)作業(yè)水深不同，隔水導(dǎo)管有不同的自振頻率和周期，需要在鉆井作業(yè)開始前的設(shè)計(jì)階段，就考慮采用哪種導(dǎo)管尺寸、在什么季節(jié)、在哪個(gè)海域、在什么水深，可以有效地避免隔水導(dǎo)管自振問題帶來的影響。

（6）在渤海某海域（作業(yè)水深20 m，該海域的海床中有大段沙礫層）的鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，曾經(jīng)發(fā)生過采用錘入法下入的30″隔水導(dǎo)管在鉆井作業(yè)中下沉2 m的問題。根據(jù)目前的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)水深為17～23 m時(shí)，自振周期大約為4～6s，因此極有可能是由于該井是一口高壓天然氣井，鉆井平臺(tái)在此處作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，受到波浪周期與隔水導(dǎo)管自振周期的諧振影響，導(dǎo)致隔水導(dǎo)管與海床的摩擦力減小而產(chǎn)生下沉的問題。

4 結(jié) 語

（1）本文采用結(jié)構(gòu)力學(xué)多自由度系統(tǒng)的自振頻率分析方法，開展鉆井隔水導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及振動(dòng)特性研究，研究結(jié)果表明鉆井隔水導(dǎo)管下沉的重要原因之一是錘入法下入的隔水導(dǎo)管發(fā)生自振與環(huán)境波浪周期諧振，引起海床的硬夾層或大段的沙礫層土質(zhì)的松動(dòng)和液化，從而降低了土質(zhì)對(duì)隔水導(dǎo)管的摩擦力。

（2）隔水導(dǎo)管的穩(wěn)定站立與海床的巖性有很大的關(guān)系，如遇硬夾層或大段的沙礫層，則應(yīng)盡量采用鉆入法。此外，為防止和避免鉆井隔水導(dǎo)管下沉，還需綜合考慮并計(jì)算隔水導(dǎo)管自振頻率與作業(yè)海域的波浪周期的因素影響，盡量避免隔水導(dǎo)管下沉的問題。

（3）通過不斷認(rèn)識(shí)和了解海洋環(huán)境因素與鉆井隔水導(dǎo)管之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用自振頻率和環(huán)境頻率的特點(diǎn)，采取調(diào)整井位，調(diào)整作業(yè)季節(jié)等方法，盡量避開作業(yè)海域的波浪周期與隔水導(dǎo)管的諧振，并盡量提高鉆井效率，縮短作業(yè)時(shí)間，盡可能地把環(huán)境和自振頻率影響降到最低。

（4）對(duì)于隔水導(dǎo)管下沉的工程安全問題，我們認(rèn)識(shí)研究不夠，本文僅從隔水導(dǎo)管動(dòng)力學(xué)的角度研究這一問題，旨在保障海上鉆井設(shè)施和鉆井作業(yè)安全，從理論研究到工程應(yīng)用，進(jìn)行一些有意義的探索。