深水鉆井隔水管單根基本參數(shù)確定方法

暢元江，鞠少棟，陳國(guó)明，許亮斌，殷志明，趙立紅

(1.中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東青島 266555;2.中海油研究總院，北京 100027; 3.山東泰安煤礦機(jī)械有限公司，山東泰安 271000)

深水鉆井隔水管單根基本參數(shù)確定方法

暢元江1，鞠少棟1，陳國(guó)明1，許亮斌2，殷志明2，趙立紅3

(1.中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東青島 266555;2.中海油研究總院，北京 100027; 3.山東泰安煤礦機(jī)械有限公司，山東泰安 271000)

提出利用各種力學(xué)準(zhǔn)則確定深水鉆井隔水管單根基本參數(shù)的方法，包括單根主管與輔助管線參數(shù)、浮力塊參數(shù)、隔水管接頭參數(shù)等。結(jié)果表明:確定隔水管單根主管基本尺寸主要有環(huán)向應(yīng)力準(zhǔn)則、軸向應(yīng)力準(zhǔn)則和擠毀壓力準(zhǔn)則，根據(jù)環(huán)向應(yīng)力準(zhǔn)則得到的結(jié)果最保守;確定輔助管線參數(shù)主要依據(jù)等效應(yīng)力準(zhǔn)則;確定浮力塊參數(shù)主要是合理確定浮力塊的外徑和密度;隔水管接頭等級(jí)確定要依據(jù)規(guī)范考慮不同載荷工況進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。外徑0.5334 m，內(nèi)徑0.48895 m的隔水管可應(yīng)用于1.830 km深的水域，且隔水管系統(tǒng)中無(wú)須配置填充閥，輔助管線設(shè)計(jì)合理，浮力塊選用3種密度可滿足工作水深的需要，選配E級(jí)隔水管接頭可滿足使用要求。

深水鉆井;隔水管;基本參數(shù);確定方法;接頭

鉆井隔水管系統(tǒng)是浮式海洋鉆井平臺(tái)上進(jìn)行鉆井的重要裝備［1］。自鉆臺(tái)到海底，典型的深水鉆井隔水管系統(tǒng)包括卡盤/萬(wàn)向節(jié)、分流器、上部撓性接頭、隔水管短節(jié)、伸縮節(jié)、填充閥、隔水管單根(包括節(jié)流與壓井管線、水力管線、泥漿增壓管線、浮力塊)、終端短節(jié)、底部隔水管總成(包括下部撓性接頭)、井口防噴器等［2］。隔水管單根是隔水管系統(tǒng)的主體，其基本構(gòu)成包括主管、輔助管線、接頭以及浮力塊等。為滿足不同需要，隔水管制造商提供的隔水管外徑一般有0.406 4(16″)、0.473 1(18 5/ 8″)、0.5334(21″)和0.6096 m(24″)，其中0.5334 m外徑的隔水管單根最為通用;隔水管單根壁厚尺寸主要有12.7、15.9、17.5、19.1、25.4和31.8 mm;隔水管接頭額定載荷從A至H共7個(gè)等級(jí)，可根據(jù)需要選配;隔水管浮力塊由復(fù)合泡沫塑料生產(chǎn)商供應(yīng)，浮力塊外徑可在0.9144～1.397 m進(jìn)行選擇和配置設(shè)計(jì)［3］。確定鉆井隔水管的基本參數(shù)就是要根據(jù)所在海域的海洋環(huán)境條件，結(jié)合鉆井參數(shù)如最大鉆井液密度等，并根據(jù)鉆井平臺(tái)的具體情況，給出合理的隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括隔水管單根基本參數(shù)和浮力塊整體和局部設(shè)計(jì)參數(shù)，隔水管接頭等級(jí)等。目前，隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)均被外國(guó)壟斷，對(duì)于隔水管系統(tǒng)總體分析與設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)較多［4-5］，也有研究隔水管基本力學(xué)問(wèn)題的文獻(xiàn)［6］，但關(guān)于螺栓法蘭型隔水管單根基本參數(shù)確定方法一直未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道［7］。筆者研究該類隔水管基本參數(shù)確定方法，包括單根主管與輔助管線基本參數(shù)、浮力塊參數(shù)、隔水管接頭等級(jí)等，并通過(guò)算例給出相關(guān)方法的應(yīng)用。

1 鉆井隔水管單根主管參數(shù)確定方法

確定隔水管單根主管壁厚主要有環(huán)向應(yīng)力準(zhǔn)則、軸向應(yīng)力準(zhǔn)則(頂部張緊力準(zhǔn)則)和擠毀壓力準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)時(shí)最終選用的隔水管單根壁厚需要同時(shí)滿足3種應(yīng)力準(zhǔn)則。

1.1 環(huán)向應(yīng)力準(zhǔn)則

隔水管在內(nèi)、外壓作用下產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力為

對(duì)式(1)進(jìn)行變形，得到隔水管單根最小壁厚為

式中，pi為鉆井液壓力，Pa;po為海水靜水壓力，Pa;D為管外徑，m;t為壁厚，m;σh為環(huán)向應(yīng)力，Pa。

校核準(zhǔn)則為計(jì)算得到的隔水管環(huán)向應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力。

1.2 軸向應(yīng)力準(zhǔn)則(頂部張緊力準(zhǔn)則)

隔水管在某截面處承受的由于軸向載荷所引起的軸向應(yīng)力［8］為

其中

式中，σa為軸向應(yīng)力，Pa;T為某截面處的張力，N;A為隔水管的橫截面積，m2;Ttop為隔水管承受的頂張力(由張緊器產(chǎn)生)，N;Wr為隔水管自頂端至臨界截面的濕重，N;Wp為臨界截面之上的隔水管主管濕重，N;Wa為臨界截面之上的輔助管線(如節(jié)流與壓井管線)濕重，N;Wf為臨界截面之上的內(nèi)部鉆井液濕重，N;Fb為臨界截面之上的浮力塊凈浮力，N。

隔水管頂部軸向應(yīng)力為頂部張緊力與隔水管橫截面積之比:

1.3 擠毀壓力準(zhǔn)則

隔水管擠毀由外部靜水壓力引起，由于隔水管具有小的壁厚/半徑值和大的長(zhǎng)度/直徑值，隔水管擠毀被隔水管彈性屈曲所控制。擠毀壓力的計(jì)算公式［9］為

式中，pc為隔水管最小擠毀壓力，Pa;cm為載荷與材料不確定系數(shù)(0.85);cg為幾何缺陷系數(shù)(0.88);E為彈性模量，Pa;γ為材料泊松比(0.3)。

變形得到的基于擠毀壓力的隔水管單根最小壁厚為

采用方程(6)，可計(jì)算得到外徑0.508 m、壁厚12.7 mm的隔水管單根的擠毀壓力為4.5929 MPa，等效為大約457.2 m水深(海水壓力為4.592 574 MPa)，此即隔水管在海平面下方487.68～518.16 m發(fā)生擠毀的原因。

不同外徑、不同壁厚的隔水管臨界擠毀水深如圖1所示。臨界壓力采用等效海水深度表示。由圖1可知，臨界水深對(duì)于隔水管壁厚非常敏感，壁厚從12.7 mm增加到15.9 mm將導(dǎo)致0.508 m外徑隔水管擠毀水深增加到914.4 m。目前使用的很多隔水管的擠毀壓力都處于開發(fā)的安全水深范圍之內(nèi)，例如外徑為0.4731 m，壁厚為15.9 mm的隔水管單根的臨界水深大約為1 219.2 m。如果該隔水管應(yīng)用于作業(yè)水深小于1 219.2 m的水域，則隔水管系統(tǒng)不必配置填充閥。

圖1 隔水管擠毀臨界水深與隔水管壁厚關(guān)系Fig.1 Relationship between critical collapse depth and wall thickness of riser joint

2 鉆井隔水管單根輔助管線參數(shù)確定方法

輔助管線相對(duì)于主管來(lái)說(shuō)，不屬于典型的薄壁結(jié)構(gòu)，內(nèi)外靜液壓力作用下其徑向應(yīng)力σr和環(huán)向應(yīng)力σθ分別為

式中，a和b分別為輔助管線的內(nèi)、外半徑，m;pE和pI分別為內(nèi)、外靜水壓力，Pa;r為徑向距輔助管線軸心的距離，m。

由于輔助管線公端可沿軸向自由滑動(dòng)，其軸向應(yīng)力僅有摩擦力產(chǎn)生，可忽略不計(jì)。采用式(7)計(jì)算得到輔助管線徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力之后，可根據(jù)有關(guān)強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度分析。

另外，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度考慮，螺栓法蘭型鉆井隔水管的輔助管線接頭采用插入式連接，即輔助管線一端固定，另一端可以自由滑動(dòng)。這種設(shè)計(jì)方案引起隔水管輔助管線抗彎剛度與主管差異較大，為防止輔助管線可能的屈曲失穩(wěn)，輔助管線應(yīng)通過(guò)隔水管夾與主管約束在一起。隔水管夾的間距確定可應(yīng)用歐拉公式求取屈曲長(zhǎng)度，只要隔水管夾間距小于臨界屈曲長(zhǎng)度即可，其間距一般約為2.13 m，但考慮到浮力塊對(duì)輔助管線的輔助支撐作用以及成本原因，設(shè)計(jì)時(shí)其間距一般取3.66 m［10］。

3 隔水管單根浮力塊參數(shù)確定方法

鉆井隔水管單根浮力塊設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括浮力塊外徑和復(fù)合泡沫塑料的密度。

3.1 浮力塊外徑

隨著水深的增加，為了能夠盡可能補(bǔ)償隔水管的濕重，浮力塊的直徑越來(lái)越大。浮力塊的設(shè)計(jì)與配置需考慮的因素包括隔水管系統(tǒng)的整體質(zhì)量補(bǔ)償比例、隔水管接頭等級(jí)以及鉆井船轉(zhuǎn)盤尺寸。隔水管系統(tǒng)的整體質(zhì)量補(bǔ)償比例依賴于隔水管系統(tǒng)的風(fēng)暴懸掛模式，需要進(jìn)行軟、硬懸掛模式下系統(tǒng)軸向動(dòng)力學(xué)分析以確定其精確值;浮力塊外徑較小且分布式配置可減小隔水管接頭載荷，若浮力塊外徑較大且間隔配置將增加接頭的局部載荷，這在進(jìn)行深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需予以額外考慮。

3.2 浮力塊密度

由于復(fù)合泡沫塑料的強(qiáng)度正比于其密度，浮力塊安全系數(shù)常用C/P比例(擠毀壓力與服役壓力的比例)來(lái)表示，它是標(biāo)定復(fù)合泡沫塑料的最重要的因素，更高的安全系數(shù)導(dǎo)致浮力塊密度和質(zhì)量增加。典型復(fù)合泡沫塑料標(biāo)定深度做法如表1所示。

表1 典型復(fù)合泡沫塑料標(biāo)定深度方法Table 1 Typical calibration depth method for composite foam depth

對(duì)于深水鉆井隔水管來(lái)說(shuō)，C/P的值可取1.25～1.50。譬如，服役水深為914.4 m的浮力塊應(yīng)當(dāng)采用擠毀強(qiáng)度不小于12.24 MPa的復(fù)合泡沫塑料，對(duì)應(yīng)于泡沫材料密度為400.82～448.92 kg/m3。但是需要注意，在914.4 m水深，密度為416.85 kg/m3的泡沫塑料吸收海水的速度是密度為448.92 kg/m3的3倍。故設(shè)計(jì)浮力塊參數(shù)還須考慮材料的長(zhǎng)期吸水性能。

4 隔水管接頭等級(jí)確定方法

API規(guī)范基于接頭的抗張力能力建立隔水管接頭選型級(jí)別［11］。為滿足某一額定載荷要求，接頭的應(yīng)力不應(yīng)該超過(guò)接頭材料的許用應(yīng)力極限。API隔水管接頭級(jí)別為A、B、C、D、E、F、H時(shí)，抗拉張力T分別為2.225、4.449、5.562、6.674、8.898、11.123和15.572 MN。

螺栓法蘭型隔水管接頭分析須考慮接頭額定載荷、工作載荷、懸掛載荷和螺栓預(yù)緊載荷。額定載荷基于隔水管接頭級(jí)別確定;工作載荷包括隔水管軸向張力和彎矩;懸掛載荷為懸掛狀態(tài)下隔水管頂部受到鉆井船升沉運(yùn)動(dòng)激勵(lì)而發(fā)生軸向振動(dòng)，鉆井船升沉運(yùn)動(dòng)與懸掛管柱耦合導(dǎo)致隔水管頂部接頭出現(xiàn)的極值載荷;預(yù)緊載荷由隔水管公母接頭之間進(jìn)行連接的螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生。

對(duì)每個(gè)級(jí)別的隔水管接頭還必須評(píng)估6個(gè)應(yīng)力:整體一次薄膜應(yīng)力Spm、局部薄膜應(yīng)力Slm、一次彎曲應(yīng)力Spb、二次應(yīng)力Sse、純剪切應(yīng)力Ssh以及承壓應(yīng)力Sbs等。隔水管接頭中除螺栓外的所有接頭部件都應(yīng)該滿足:

對(duì)于隔水管接頭，6種應(yīng)力的許用應(yīng)力按單個(gè)應(yīng)力種類和組合應(yīng)力種類給出，它們均為材料屈服強(qiáng)度Sy的函數(shù)。

5算例

5.1 基本參數(shù)

隔水管單根中主管外徑為0.533 4 m，內(nèi)徑為0.48895 m，長(zhǎng)度為22.86 m，所用材料為X80鋼，屈服強(qiáng)度為552 MPa，許用應(yīng)力為368 MPa;隔水管接頭法蘭所用材料為30CrMo，屈服強(qiáng)度為552 MPa，許用應(yīng)力為368 MPa;輔助管線所用材料為X65鋼，屈服強(qiáng)度為448 MPa，許用應(yīng)力為299 MPa。3種材料的泊松比為0.3，彈性模量為210 GPa，強(qiáng)度校核時(shí)安全系數(shù)均取為1.5。鉆井液最大密度為2 040 kg/m3。隔水管單根幾何尺寸如表2所示。要求確定該隔水管單根能否應(yīng)用于1830 m水深。

表2 隔水管單根幾何尺寸Table 2 Dimensions of riser single

5.2 計(jì)算結(jié)果

基于環(huán)向應(yīng)力準(zhǔn)則計(jì)算得到環(huán)向應(yīng)力為180 MPa，小于材料的許用應(yīng)力;由于1 830 m水深隔水管張緊器提供的張力為515 t，基于頂部張緊力準(zhǔn)則計(jì)算得到的軸向應(yīng)力為141 MPa，小于材料的許用應(yīng)力;根據(jù)隔水管擠毀壓力準(zhǔn)則計(jì)算得到隔水管擠毀壓力為25 MPa，等效為海平面以下2 489 m處發(fā)生擠毀，于是1 830 m水深隔水管系統(tǒng)不需要配置填充閥，故隔水管單根主管設(shè)計(jì)滿足要求。

隔水管輔助管線受力情況見(jiàn)表3。由表3可知，隔水管輔助管線滿足強(qiáng)度要求，可在設(shè)計(jì)條件下安全可靠工作。

表3 隔水管輔助管線強(qiáng)度校核結(jié)果Table 3 Strength check results of auxiliary lines of riser

隔水管可配置3種標(biāo)定不同服役水深的浮力塊，分別應(yīng)用于海平面下方0～914.4 m、914.4～1828.8 m和1828.8～2286 m，外徑均為1.2096 m，密度分別為410.12、512.73和560.03 kg/m3。浮力塊的表觀質(zhì)量分別為12.416、10.291、9.311 t，由于隔水管單根濕重為12.831 t，于是單根質(zhì)量補(bǔ)償比例分別為96.76%、80.2%和72.56%。計(jì)算表明，就整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，隔水管系統(tǒng)的總浮力為1 626.4 t，總干重為1 893.1 t，由此可得到系統(tǒng)的總體浮力系數(shù)約為86%。

E級(jí)接頭法蘭等效應(yīng)力分布如圖2、3所示。單根公端和母端接頭法蘭最大等效應(yīng)力位置均發(fā)生在與主管連接處，分別為196.2 MPa和156.2 MPa，小于材料許用應(yīng)力。螺栓法蘭型接頭在1.2倍和1.4倍螺栓預(yù)緊載荷作用下，分別在額定載荷、工作載荷和懸掛載荷工況下，隔水管接頭與螺栓強(qiáng)度均滿足要求。另?yè)?jù)計(jì)算，該接頭在額定載荷作用下，隔水管接頭整體一次薄膜應(yīng)力Spm、局部薄膜應(yīng)力與一次彎曲應(yīng)力以及二次應(yīng)力的和Slm+Spb+Ss、純剪切應(yīng)力Ssh、承壓應(yīng)力Sbs分別為259、383、127和 354 MPa，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，表明隔水管接頭設(shè)計(jì)合理。

圖2 隔水管公接頭法蘭Mises應(yīng)力分布Fig.2 Distribution of Mises stress for pin end flange of riser connector

圖3 隔水管母接頭法蘭Mises應(yīng)力分布Fig.3 Distribution of Mises stress for box end flange of riser connector

6 結(jié)論

(1)確定隔水管單根主管壁厚主要有環(huán)向應(yīng)力準(zhǔn)則、軸向應(yīng)力準(zhǔn)則和擠毀壓力準(zhǔn)則，根據(jù)環(huán)向應(yīng)力準(zhǔn)則得到的結(jié)果最保守;確定輔助管線參數(shù)主要依據(jù)等效應(yīng)力準(zhǔn)則;確定浮力塊參數(shù)主要是合理確定浮力塊的外徑和密度;隔水管接頭等級(jí)要考慮不同載荷工況進(jìn)行選型確定。

(2)外徑0.5334 m，內(nèi)徑0.48895 m的隔水管可應(yīng)用于1830 m的水域，且隔水管系統(tǒng)中無(wú)須配置填充閥，輔助管線設(shè)計(jì)合理，浮力塊選用3種密度可滿足工作水深的需要，選配E級(jí)隔水管接頭可滿足使用要求。

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Determining methods for basic parameters of deepwater drilling riser single

CHANG Yuan-jiang1，JU Shao-dong1，CHENGuo-ming1，XU Liang-bin2，YINZhi-ming2，ZHAO Li-hong3

(1.Center for Offshore Engineering＆Safety Technology，China University of Petroleum，Qingdao266555，China; 2.Research Institute of China Offshore Oil，Beijing100027，China; 3.Shandong Taian Coal Mining Machinery Group CO，Ltd，Taian271000，China)

A method for determining the basic parameters of deepwater drilling riser single was proposed，which includes determination method of parameters for main pipe and auxiliary lines，buoyancy modules，and classification of the riser connector.The results show that the circumstantial stress，axial stress and collapse pressure criterion can all be used to determine the dimension of the main pipe.However，the results based on the circumstantial stress criterion are more conservative，and equivalent stress criterion can be used to determine the parameters of the peripheral lines of the joint.Depending on water depth，the outside diameter and density of the buoyancy modules should be determined reasonably，and the classification of the riser connector should be checked in different load cases according to API codes.The riser joints with the outside diameter of 0.533 4 m and inside diameter of 0.488 95 m can be operated in water depth of 1.830 km，and the fill valve is not necessary to the riser system.The design of peripheral lines and riser clamps meets the requirement of strength and stability.Three kinds of buoyancy modules meet the needs to the water depth，and matching E-class riser connector meets the requirements.

deepwater drilling;riser;basic parameters;determination methods;joint

TE 95

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.01.020

1673-5005(2012)01-0117-05

2011－09－02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50904078);國(guó)家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2008AA09A106)

暢元江(1974－)，男(漢族)，河南洛陽(yáng)人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)樯钏@井技術(shù)與裝備、計(jì)算機(jī)輔助工程與仿真技術(shù)等。

(編輯 沈玉英)