深水隔水管分析技術(shù)1

肖 譚

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，?？?570100）

0 引言

海洋立管是海洋石油鉆采過(guò)程中關(guān)鍵的裝備，是鉆采平臺(tái)與油氣井連接的通道，是海洋開(kāi)發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。在海洋石油鉆采過(guò)程中，風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素會(huì)對(duì)鉆井船、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）及張力腿平臺(tái)（Tension Leg Platform，TLP）等海面鉆采設(shè)施的運(yùn)動(dòng)特性造成一定影響。作為海面鉆采設(shè)施的連接部分，立管系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性也會(huì)間接或直接地受到環(huán)境影響[1]，這對(duì)海面鉆采設(shè)施的正常生產(chǎn)作業(yè)構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也成為了海洋油氣井設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與重點(diǎn)[2]。深水隔水管是一種具有高風(fēng)險(xiǎn)、高難度、高技術(shù)和高附加值的石油鉆井裝備，相關(guān)的研究工作已引起了國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注。設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有高技術(shù)、高難度和高可靠性的海洋鉆井隔水管及其系統(tǒng)已成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)[3]。

本文結(jié)合深水鉆采作業(yè)的特點(diǎn)，開(kāi)展深水隔水管技術(shù)研究，對(duì)深水鉆井隔水管進(jìn)行受力分析，進(jìn)而確定作業(yè)窗口期以及立管系統(tǒng)的配置情況。在此基礎(chǔ)上，建立一套深水隔水管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)服務(wù)系統(tǒng)，可對(duì)隔水管的疲勞損傷情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 深水隔水管分析技術(shù)

在對(duì)深水隔水管進(jìn)行分析時(shí)，有必要結(jié)合我國(guó)目前深水開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀，并充分借鑒國(guó)外的研究成果與研究經(jīng)驗(yàn)。深水隔水管分析技術(shù)主要包括隔水管受力分析技術(shù)及隔水管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)[4]。

1.1 深水隔水管受力分析技術(shù)

深水隔水管受力分析技術(shù)是指對(duì)深水隔水管系統(tǒng)進(jìn)行綜合受力分析，包括不同工況下的頂張力分析、強(qiáng)度校核、漂移分析、懸掛分析及疲勞分析等內(nèi)容，并確定立管系統(tǒng)配置及鉆采設(shè)施的作業(yè)窗口。深水隔水管受力分析技術(shù)可為油氣井的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供指導(dǎo)，并保障油氣井作業(yè)的安全性。

1.1.1 系統(tǒng)配置

在進(jìn)行深水隔水管系統(tǒng)配置時(shí)，需要注意以下關(guān)鍵點(diǎn)：

1）在計(jì)算頂張力時(shí)，需要綜合考慮撓性接頭角度和隔水管底部受力情況。

2）考慮到水力半徑及操作便利性，優(yōu)先選用裸單根。

3）適當(dāng)配置浮力單根以控制隔水管的總濕重。

4）在隔水管底部配置裸單根，以免懸掛時(shí)受壓。

5）根據(jù)需要配置壓力填充閥。

在完成深水隔水管系統(tǒng)的配置后，進(jìn)行水力計(jì)算與分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)隔水管的配置進(jìn)行優(yōu)化。

1.1.2 頂張力分析

深水隔水管系統(tǒng)的頂張力需要滿足美國(guó)石油學(xué)會(huì)（American Petroleum Institute，API）和大西洋邊緣聯(lián)合工業(yè)組織（Atlantic Margin Joint Industry Group，AMJIG）的相關(guān)要求：

1）撓性接頭旋轉(zhuǎn)角度要滿足相關(guān)要求。

2）接頭處要能保持拉力平衡，以便關(guān)鍵時(shí)刻斷開(kāi)立管。

3）在張力器突然失效的情況下，隔水管要能保持拉力平衡。

4）隔水管的張力不得超過(guò)最大允許張力的90%。

5）要保持井口頭的壓力平衡。

1.1.3 作業(yè)窗口分析

作業(yè)窗口分析包括靜態(tài)作業(yè)窗口分析和動(dòng)態(tài)作業(yè)窗口分析[5]。分別計(jì)算不同工況下的作業(yè)窗口，并根據(jù)水深偏移量和洋流數(shù)據(jù)來(lái)選擇最優(yōu)的隔水管頂張力。

在計(jì)算動(dòng)態(tài)作業(yè)窗口時(shí)，要考慮重現(xiàn)期為一年的波高情況，并采用規(guī)則波法進(jìn)行分析。值得注意的是，波的方向和洋流的方向保持一致。

1.1.4 隔水管系統(tǒng)強(qiáng)度及薄弱點(diǎn)分析

強(qiáng)度及薄弱點(diǎn)分析可確定隔水管和連接絲扣的最大強(qiáng)度，并確定在平臺(tái)失去動(dòng)力的情況下最可能發(fā)生事故的薄弱點(diǎn)。在確定平臺(tái)的極限偏移量時(shí)，需要考慮最優(yōu)預(yù)期的作業(yè)環(huán)境[6]。

1.1.5 漂移分析

漂移分析的作用在于確定作業(yè)觀察圈，計(jì)算平臺(tái)漂移的反應(yīng)時(shí)間和應(yīng)急解脫的時(shí)間，確保在平臺(tái)漂移的情況下有足夠的時(shí)間執(zhí)行緊急斷開(kāi)指令。

1.1.6 隔水管安裝和回收分析

在進(jìn)行安裝和回收分析前，需要確定隔水管的連接形式，主要包括2 種：1）隔水管與下部隔水管總成（Lower Marine Riser Package，LMRP）和防噴器（Blowout Preventer，BOP）連接；2）隔水管僅與LMRP 連接。

安裝和回收分析共分為3 種工況，分別為靠近海平面位置工況、中間位置工況、靠近泥線位置工況。根據(jù)環(huán)境載荷條件確定各安裝階段的作業(yè)窗口，并在綜合考慮最大隔水管壓力、撓性接頭角度、月池部位操作余量等因素的情況下確定安裝和回收方案。

1.1.7 隔水管懸掛分析

懸掛分析的目的在于確保立管斷開(kāi)后隔水管的狀態(tài)滿足相關(guān)要求。在進(jìn)行分析時(shí)，假設(shè)隔水管狀態(tài)為硬懸掛，波浪和水流方向一致，懸掛期間隔水管內(nèi)部充滿海水，對(duì)不同波浪和水流條件下的隔水管狀態(tài)進(jìn)行分析，并計(jì)算安全懸掛隔水管的天氣窗口。

1.1.8 渦激疲勞分析

為確保在連接作業(yè)過(guò)程中隔水管、井口和導(dǎo)管具備足夠的渦激振動(dòng)疲勞壽命，需要進(jìn)行渦激振動(dòng)疲勞分析。本文基于模態(tài)分析法，使用SHEAR7 軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。

1.1.9 波致疲勞分析

采用基于長(zhǎng)期海況散點(diǎn)圖的波譜方法進(jìn)行波致疲勞分析。首先將海況散點(diǎn)圖拆分為多個(gè)線性化窗口，再?gòu)拿總€(gè)窗口中選擇一個(gè)代表性的海況用于線性化分析。假定洋流方向和波浪方向在同一直線上，洋流流速為0.1 m/s，整個(gè)立管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)阻尼為0.3%，頻譜為單峰譜，對(duì)深水隔水管進(jìn)行波致疲勞分析。

在大水深范圍內(nèi)，波浪效應(yīng)會(huì)受到抑制。因此，與渦激疲勞相比，波致疲勞對(duì)井口、導(dǎo)管和套管的影響較小[7]。在作業(yè)過(guò)程中，導(dǎo)管接頭處于壓縮狀態(tài)，對(duì)于不同尺寸管體的導(dǎo)管接頭和焊縫，其安全系數(shù)取值不同，具體取值需要根據(jù)所用管材性質(zhì)及加工方法確定。

1.2 深水隔水管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

鉆井隔水管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)服務(wù)包括鉆井前技術(shù)方案的制定，以及監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝與調(diào)試。深水隔水管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)可對(duì)隔水管渦激疲勞損傷、波致疲勞損傷、井口疲勞損傷、井間移位等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出結(jié)果可供作業(yè)人員參考。此外，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還能對(duì)隔水管的受力狀態(tài)進(jìn)行在線和離線模擬[8]。

1.2.1 數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)含有渦激疲勞算法，可從隔水管振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)中對(duì)渦激疲勞損傷進(jìn)行識(shí)別和量化分析。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可兼容隔水管模型分析軟件，將測(cè)量得到的運(yùn)動(dòng)測(cè)量參數(shù)作為仿真分析的輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算渦激振動(dòng)響應(yīng)特征。

建立鉆井隔水管的有限元模型，仿真計(jì)算隔水管的振型和固有頻率，計(jì)算結(jié)果用于確定水管頂張力和泥漿質(zhì)量范圍。

1.2.2 在線自動(dòng)模擬

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可自動(dòng)獲取船舶系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并給出實(shí)時(shí)操作指導(dǎo)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可自動(dòng)在線模擬，更新時(shí)間間隔一般為10～15 min，也可根據(jù)用戶需求進(jìn)行設(shè)定。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的屏幕對(duì)隔水管系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

1.2.3 在線疲勞損傷跟蹤

在線疲勞損傷跟蹤模塊包括隔水管波致疲勞跟蹤軟件和用于提高疲勞評(píng)估準(zhǔn)確性的隔水管儀器儀表。隔水管疲勞數(shù)據(jù)記錄在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。在隔水管的關(guān)鍵位置安裝運(yùn)動(dòng)傳感器可增強(qiáng)數(shù)據(jù)捕獲效果。在校準(zhǔn)時(shí)，將傳感器與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配合使用，可提高疲勞評(píng)估的準(zhǔn)確性。

在線疲勞損傷跟蹤模塊可自動(dòng)輸入從現(xiàn)有船舶系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，并能從鉆井裝置的波浪雷達(dá)系統(tǒng)或相關(guān)行業(yè)網(wǎng)站自動(dòng)獲取波浪數(shù)據(jù)。

在線疲勞損傷跟蹤模塊可接入平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)以獲取實(shí)時(shí)信號(hào)信息，并將這些信息整合以便疲勞損傷評(píng)估使用。

在完成仿真分析后，在線疲勞損傷跟蹤模塊對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理，確定整個(gè)系統(tǒng)熱點(diǎn)的疲勞損傷、隔水管系統(tǒng)關(guān)鍵部位的最大應(yīng)力和載荷情況。

1.2.4 土壤模型校準(zhǔn)

該模塊可對(duì)用于整體隔水管分析的土壤模型進(jìn)行校準(zhǔn)，并能確定不同土壤深度的土壤剛度范圍與上下限剖面。在進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，需要將合適的監(jiān)測(cè)儀器安裝在BOP 或井口，以便記錄校準(zhǔn)數(shù)據(jù)源。

1.2.5 井間移位評(píng)估

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用航行速度、隔水管長(zhǎng)度、關(guān)鍵海洋參數(shù)等數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算隔水管的最大應(yīng)力，分析結(jié)果可用于確定隔水管系統(tǒng)的浪致疲勞。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)井間移位期間的隔水管渦激振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而分析在航行作業(yè)期間隔水管系統(tǒng)的渦激疲勞損傷。比較計(jì)算結(jié)果與預(yù)先定義的限值，判斷當(dāng)前航行速度是否滿足要求。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)波致疲勞和渦激疲勞的計(jì)算結(jié)果，對(duì)移位作業(yè)期間隔水管的總疲勞損傷進(jìn)行評(píng)估。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可為作業(yè)人員提供安全上限數(shù)據(jù)，以便評(píng)估井間移位操作的可行性。

井間移位評(píng)估可輸出以下結(jié)果：1）井間移位作業(yè)期間的最大隔水管載荷；2）隔水管最大應(yīng)力；3）疲勞損傷。

2 結(jié)論

本文結(jié)合深水鉆采作業(yè)的特點(diǎn)，開(kāi)展深水隔水管技術(shù)研究，對(duì)深水鉆井隔水管進(jìn)行受力分析，進(jìn)而確定作業(yè)窗口期以及立管系統(tǒng)的配置情況。在此基礎(chǔ)上，建立一套深水隔水管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)服務(wù)系統(tǒng)，可對(duì)隔水管的疲勞損傷情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。研究表明：該系統(tǒng)可有效提高作業(yè)效率和安全性。