臺風(fēng)應(yīng)急期間深水鉆井隔水管懸掛撤離安全分析

盛磊祥， 王榮耀， 許亮斌， 蔣世全， 周建良

(中海油研究總院，北京 100028)

臺風(fēng)應(yīng)急期間深水鉆井隔水管懸掛撤離安全分析

盛磊祥， 王榮耀， 許亮斌， 蔣世全， 周建良

(中海油研究總院，北京 100028)

對于半潛式鉆井平臺，常規(guī)應(yīng)對臺風(fēng)的程序是回收所有的鉆井隔水管，航離臺風(fēng)路徑,但是回收隔水管的作業(yè)時間較長，有時無法保證回收所有的隔水管，因此，懸掛隔水管可能無法避免。為保證鉆井平臺懸掛隔水管航行時隔水管的安全，以懸掛狀態(tài)下的隔水管為研究對象，考慮隔水管動態(tài)張力、彎曲應(yīng)力、隔水管轉(zhuǎn)角及與月池的空間干涉等因素，利用有限元分析方法建立了懸掛模式下的隔水管軸向動力學(xué)模型。利用該模型，以南海某超深水井(水深2 460 m)為例，分析了不同懸掛模式、鉆井船撤離航速、航向?qū)Ω羲馨踩缘挠绊?。結(jié)果表明：硬懸掛模式下，航速為2 kn時，安全撤離航向為0°～45°；軟懸掛模式下，航速為2 kn時，安全撤離航向為0°～90°；同樣海況條件下，軟懸掛模式允許的鉆井船航速比硬懸掛大。這表明軟懸掛撤離模式比硬懸掛撤離模式對波流載荷的適應(yīng)能力要強，懸掛隔水管避臺風(fēng)撤離時，應(yīng)優(yōu)先選用軟懸掛模式。

深水鉆井 隔水管 臺風(fēng) 懸掛撤離 安全性能

南中國海海域是熱帶氣旋的頻發(fā)區(qū)，每年7—11月為臺風(fēng)期，近年來臺風(fēng)形成的頻率呈增加的趨勢，嚴重影響了深水鉆井完井的效率和安全。一般情況下，面對臺風(fēng)，平臺將停止鉆井作業(yè)，回收所有隔水管，并航行至安全海域。但是隨著作業(yè)水深的增加，回收所有隔水管完成撤離準(zhǔn)備需要耗費較長時間，有時沒有足夠的時間回收隔水管。對于2 460.00 m水深的超深水井，起出所有隔水管完成撤離準(zhǔn)備大概需要5～6 d(這不但包括將井底鉆具組合起出井筒、完成鉆井船和井口脫離、回收隔水管、完成鉆井船轉(zhuǎn)移準(zhǔn)備所需要的時間，還包括停止鉆井作業(yè)、起出井筒內(nèi)鉆具和封閉油氣井等所需要的時間)，對時效影響明顯。懸掛隔水管撤離能節(jié)省鉆機時間，但是懸掛隔水管撤離對隔水管和鉆井船的安全性具有一定的影響，對懸掛方式、懸掛長度、平臺撤離方式、環(huán)境條件的適應(yīng)性等需要進行綜合評估，推薦詳細的懸掛撤離方案，以確保平臺和隔水管系統(tǒng)的安全。為此，通過對不同懸掛模式進行對比，考慮平臺撤離過程中的航速、航向等因素，對隔水管的安全性能進行了評估，并從保證隔水管系統(tǒng)安全的角度出發(fā)推薦了合理的平臺航速和航向。

1 隔水管懸掛分析和模型的建立

1.1 懸掛模式

硬懸掛模式：鉆井隔水管底部總成與水下防噴器脫離后，隔水管通過安裝工具坐于轉(zhuǎn)盤面上，與平臺剛性連接，平臺運動直接傳遞給隔水管，如圖1(a)所示。

軟懸掛模式：鉆井隔水管底部總成與水下防噴器脫離后，隔水管通過張緊器進行懸掛，隔水管系統(tǒng)的重量由張力器承擔(dān)或者由張力器和升沉補償器共同承擔(dān)。平臺升沉通過張緊器傳遞給伸縮節(jié)外筒，緩解隔水管的軸向受力，如圖1(b)所示。

不同懸掛模式下，影響隔水管系統(tǒng)安全性能的主要因素見表1。

以南海某深水井為例，進行隔水管懸掛安全性能評價。該井位于南中國海東北部深水區(qū)塊，井位水深2 460.00 m，作業(yè)平臺為HYSY981型平臺。隔水管主管外徑為533.4 mm，主管材料屈服強度為555 MPa；接頭連接額定承載力為12.544×106N；上部隔水管裝置允許的最大傾角為6°。分析時采用的隔水管配置見表2。

表2 南海某超深水井鉆井隔水管系統(tǒng)配置

Table 2 Configuration of the riser system in an ultra-deepwater well in the South China Sea

1.2 分析模型與方法

在進行隔水管懸掛避臺風(fēng)撤離分析時，平臺航速作為隔水管頂部鉆井船的運動邊界條件，利用幅值響應(yīng)算子考慮波浪對平臺運行的影響，以梁單元模擬隔水管管柱結(jié)構(gòu)，同時考慮不同流向的波流載荷作用。在隔水管撤離過程中，海流載荷的方向與鉆井船運動方向的關(guān)系如圖2所示。分析模型假設(shè)平臺沿x正方向航行，海流與平臺航向的夾角為α，α較小時認為鉆井船順流航行，α較大時認為鉆井船逆流航行。

隔水管懸掛撤離時，隔水管的運動方程[2-3]為：

(1)

式中：z為隔水管軸向方向；x和y為水平面方向；EI為隔水管單元的抗彎剛度，Pa·m4；Te為隔水管的張力，N；mx為隔水管的線質(zhì)量，kg/m；f為隔水管單元上波浪和海流的聯(lián)合作用力，N，其計算考慮平臺航速與海流速度的相對值。

波浪和海流的聯(lián)合作用不能簡單地分別計算波浪與海流的作用力，然后再線性疊加，而應(yīng)利用修正的莫里森方程模擬隔水管受到的波流載荷[4-8]。修正的莫里森方程為：

(2)

計算均采用FLEXCOM軟件進行。FLEXCOM軟件是MCS公司開發(fā)的一個時域有限元分析軟件，可以用于大多數(shù)的海洋結(jié)構(gòu)(包括柔性軟管、隔水管、電纜、管道和空間框架結(jié)構(gòu))研究。采用綜合考慮軸向載荷、彎矩和扭矩影響的復(fù)合3D梁單元，可同時考慮柔性和剛性結(jié)構(gòu)，還可考慮大變形應(yīng)變的影響。

2 鉆井船懸掛隔水管撤離的安全性分析

現(xiàn)場作業(yè)中，為了快速避開臺風(fēng)的運移路徑，通常的做法是采取近似垂直于臺風(fēng)的運移路徑(α=90°)來避臺風(fēng)。下面分析鉆井船懸掛隔水管撤離過程中航向和航行速度對隔水管安全性的影響。

2.1 不同航向下的懸掛性能分析

航向一方面會引起波流載荷角度的變化，影響鉆井船運動，從而影響隔水管的受力變化;另一方面航向也會導(dǎo)致鉆井船航行引起的隔水管曳力與海流曳力之間的夾角變化，使隔水管受到總曳力的大小和方向發(fā)生變化。通過計算鉆井船航向為0°～180°時的隔水管頂部張力、隔水管上部轉(zhuǎn)角、隔水管最大等效應(yīng)力等參數(shù)，分析鉆井船撤離過程中航向?qū)覓旄羲馨踩缘挠绊憽?/p>

2.1.1 硬懸掛撤離模式

對于硬懸掛，假設(shè)現(xiàn)場浪高4.00 m，表面流速0.46 m/s，鉆井船以2 kn航速懸掛全部隔水管實施撤離。計算鉆井平臺不同航向條件下，隔水管硬懸掛撤離時隔水管的主要性能參數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 不同航向下的隔水管硬懸掛撤離性能

Table 3 The evacuation performance of riser hard hang-off at different azimuths

注：鉆井船航向0°表示順流，180°表示逆流;隔水管上部允許轉(zhuǎn)角5.4°,隔水管允許應(yīng)力377 MPa，允許張力12.544×106N。

由表3可知，鉆井船的順流撤離性能要優(yōu)于逆流撤離，在2 kn航速下鉆井船的安全撤離航向為0°～45°。

2.1.2 軟懸掛撤離模式

采用臺風(fēng)條件一年一遇情況進行分析，浪高6.90 m，表面流速0.82 m/s，鉆井船以2 kn的航速懸掛全部隔水管實施撤離。計算鉆井平臺不同航向條件下，隔水管軟懸掛撤離時的主要性能參數(shù)，結(jié)果見表4。

表4 不同航向下的隔水管軟懸掛撤離性能

Table 4 The evacuation performance of riser soft hang-off at different azimuths

由表4可知，鉆井船的順流撤離性能要優(yōu)于逆流撤離，在2 kn航速下鉆井船的安全撤離航向為0°～90°。

對比表3和表4可知，隔水管軟懸掛能極大地減小隔水管系統(tǒng)的等效應(yīng)力，隔水管軟懸掛撤離的性能也優(yōu)于硬懸掛。硬懸掛撤離模式下，隔水管等效應(yīng)力是影響隔水管安全的主要因素。軟懸掛撤離模式下，隔水管上部傾角是影響隔水管安全的主要因素。

2.2 不同航速下的懸掛性能分析

通過計算鉆井船不同航行速度下軟懸掛和硬懸掛2種模式下的隔水管頂部張力、隔水管上部轉(zhuǎn)角、隔水管最大等效應(yīng)力等參數(shù)，分析鉆井船航速對懸掛隔水管安全性的影響。

2.2.1 硬懸掛撤離模式

假設(shè)浪高4.00 m，表面流速0.46 m/s，鉆井船與海流成90°角撤離，計算隔水管硬懸掛撤離的最大許可撤離航速。隔水管硬懸掛撤離時，不同航速下隔水管的主要性能參數(shù)見表5。

表5 不同航速下的隔水管硬懸掛撤離性能

Table 5 The evacuation performance of riser hard hang-off at different sailing speeds

由表5可知，隨著撤離航速增大，卡盤處張力、隔水管上部轉(zhuǎn)角和隔水管最大等效應(yīng)力都逐漸增大，當(dāng)鉆井船的撤離航速達到2 kn時，隔水管的最大等效應(yīng)力超過許可應(yīng)力(333.0 MPa)。

2.2.2 軟懸掛撤離模式

采用臺風(fēng)條件一年一遇情況進行分析，浪高6.90 m，表面流速0.82 m/s，鉆井船以90°航向軟懸掛隔水管實施撤離，不同航速下隔水管的主要性能參數(shù)見表6。

表6 不同航速下的隔水管軟懸掛撤離性能

Table 6 The evacuation performance table of riser soft hang-off at different sailing speeds

由表6可知，軟懸掛撤離的許可航速要明顯高于硬懸掛，臺風(fēng)一年一遇情況下，90°航向撤離航速可以達到3.0 kn。

3 結(jié)論與建議

1) 鉆井船撤離航速和航向增大都會影響懸掛隔水管的安全性，因此為了保證足夠的撤離時間，應(yīng)根據(jù)天氣預(yù)報對臺風(fēng)的預(yù)報，提前規(guī)劃撤離方案并啟動撤離計劃。

2) 同樣條件下，隔水管采用軟懸掛模式，鉆井平臺懸掛隔水管撤離允許的航行速度和航向比硬懸掛模式要高、要寬。軟懸掛撤離模式能夠允許以相對較快的航速使鉆井船駛離臺風(fēng)軌跡，因此在懸掛隔水管避臺風(fēng)撤離時，優(yōu)先選用軟懸掛模式。

3) 軟懸掛撤離模式下影響鉆井船航速的主要因素是隔水管傾角，撤離期間應(yīng)該安排專人監(jiān)視傾角的變化，并及時反饋給駕駛?cè)藛T控制航速。

4) 硬懸掛撤離模式比軟懸掛撤離模式對波流載荷的適應(yīng)能力要弱，影響硬懸掛撤離模式下鉆井船航速的主要因素是隔水管應(yīng)力和隔水管傾角，目前無法對隔水管應(yīng)力進行實時監(jiān)測，因此硬懸掛撤離模式存在一定風(fēng)險。

References

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[編輯 劉文臣]

深層復(fù)雜斷塊油氣藏水平井鉆井完井技術(shù)

隨著開發(fā)的深入，中原油田東濮凹陷的資源接替目標(biāo)以埋深3 200.00～4 000.00 m的沙3段中/下部的低滲砂巖、泥巖縫洞、灰質(zhì)頁巖等儲層為主，儲層斷塊發(fā)育、厚度薄且儲層滲透率低。水平井可以提高泄油能力，實現(xiàn)少井高產(chǎn)，是深層油氣藏低成本開發(fā)的有效技術(shù)手段，因而長水平段水平井成為東濮凹陷油氣資源開發(fā)的主要手段。但由于受泥巖地層井壁穩(wěn)定性差、長水平段摩阻大等影響，在鉆井實踐中，井壁坍塌、掉塊、壓差卡鉆等井下故障頻發(fā)，制約了水平井段的有效延伸和鉆井提速。

由于斷塊油氣藏的大落差斷層像臺階，水平井要準(zhǔn)確穿過這些臺階，否則就會錯過含油的小斷層。為此，中原油田提出了大落差多靶點井眼軌道設(shè)計方法，滿足了多個小斷層用一口水平井開發(fā)的需求；建立了兩步式井眼軌跡參數(shù)實時預(yù)測方法，避免了薄油層測量信息滯后引起的控制誤差；優(yōu)化了鉆具組合，提高了井眼軌跡控制效率，滿足了垂深不確定儲層井眼軌跡控制的需求。針對長水平段滑動摩阻大、定向效率低的問題，設(shè)計了降低壓耗的復(fù)合鉆具組合和欠尺寸穩(wěn)定器提速鉆具組合，解決了高密度鉆井液條件下小井眼凈化問題，提高了復(fù)合鉆進比例，降低了滑動鉆進時發(fā)生壓差卡鉆的風(fēng)險，提高了鉆速。同時還研制出脈沖振動式減摩器，解決了滑動鉆進托壓問題。經(jīng)過科研攻關(guān)和實踐，形成了深層復(fù)雜斷塊油氣藏水平井鉆井完井技術(shù)。

深層復(fù)雜斷塊油氣藏水平井鉆井完井技術(shù)在中原油田6口深層水平井進行了應(yīng)用，完鉆井深平均增加了433.10 m，水平段長平均增加了512.40 m，鉆井周期同比縮短了24.8%，水平段復(fù)合鉆進比例平均提高了22.0%，油氣產(chǎn)量達到鄰井的3.8～6.7倍。該技術(shù)還在焦石壩、冀東、陜北、東北等地區(qū)長水平段水平井進行了推廣應(yīng)用，提高了水平段的復(fù)合鉆進比例，有效降低了井眼變化曲率，實現(xiàn)了長水平段的高效快速安全鉆進。

[供稿 石 鉆]

Safety Analysis of the Hang-off of Deepwater Drilling Risers during a Typhoon Emergency Period

Sheng Leixiang, Wang Rongyao, Xu Liangbin, Jiang Shiquan, Zhou Jianliang

(CNOOCResearchInstitute,ChaoyangDistrict,Beijing, 100028,China)

For semi-submersible platforms, proper response procedures for a typhoon include the recovery of all drilling risers and travel away from typhoon paths. But it takes a long time to recover risers resulting that sometimes there is no guarantee that the entire riser system can be recovered. Under such circumstances, suspensions of risers are inevitable. This study took the suspended risers as the research objects, considering dynamic tension, bending stress, flex joint angle of risers and the space interference with the moon pool. With the analysis method of finite element, the axial dynamic model of risers in suspension mode was established. with a super deep water well in the South China Sea (with water depth of 2460 m) being taken as an example, analysis models for soft and hard riser suspension models were set up,a deep water typhoon evacuation strategy was studied, the influence of different suspension models were reviewed, and drilling ship evacuation speed and sailing azimuths on riser safety were analyzed. Results showed that in the hard suspension model, when the sailing speed was 2 kn, safe evacuation azimuth was 0° to 45°, while for soft hang-off mode, at the same sailing speed 2 kn, the sailing azimuth was from 0° to 90°. Under the same ocean conditions, the sailing speed of the drilling ship allowed by soft hang-off model was higher than that by hard hang-off. Therefore, the adaptive capacity of the soft model to the wave load was greater than that of the hard model, so the soft model was recommended to use preferentially during evacuations from typhoons.

deepwater drilling; drilling riser; typhoon; evacuation when hanging off; safety performance.

2015-04-21；改回日期：2015-06-16。

盛磊祥(1981—)，男，山東招遠人，2005年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，2008年獲中國石油大學(xué)(華東)機械設(shè)計及理論專業(yè)碩士學(xué)位，工程師，主要從事深水鉆完井設(shè)計、深水鉆井隔水管及井口安全分析等方面的研究。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)課題“深水海底井口-隔水管-平臺動力學(xué)耦合機理與安全控制”(編號：2015CB251203)和國家自然科學(xué)基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究”(編號：51434009)聯(lián)合資助。

?“973”深水鉆井專題?

10.11911/syztjs.201504005

TE951

A

1001-0890(2015)04-0025-05

聯(lián)系方式：(010)84523736，shenglx@cnooc.com.cn。