海洋鉆井隔水管系統(tǒng)用撓性裝置技術研究及發(fā)展趨勢

劉紅芳，王耀鋒，華小濤

海洋鉆井隔水管系統(tǒng)用撓性裝置技術研究及發(fā)展趨勢

劉紅芳1，2，王耀鋒1，2，華小濤3

（1．寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；2．國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002；3．渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦124010）①

深水海洋鉆井隔水管系統(tǒng)用撓性裝置是海洋鉆井隔水管系統(tǒng)中的關鍵裝置之一，能夠有效補償隔水管系統(tǒng)在波、浪、流等環(huán)境載荷作用及船體運動時產生的較大局部偏轉角度，有效減少該處局部彎曲應力。針對海洋鉆井隔水管系統(tǒng)用撓性裝置的功能和技術現(xiàn)狀進行了介紹；重點對國外專業(yè)公司所研制的上、中、下3種不同類型的撓性裝置進行了深入研究和分析，剖析了其結構特點、性能參數(shù)和適用范圍。給出了海洋鉆井隔水管最大設計指南及提高撓性裝置使用壽命的工程方法。提出了海洋鉆井隔水管撓性裝置的發(fā)展趨勢及若干建議。

鉆井隔水管；撓性裝置；技術現(xiàn)狀；性能特點；發(fā)展趨勢

海洋鉆井隔水管是連通水下防噴器組到鉆井平臺之間的一條“咽喉通道”，其主要功能包括提供鉆井泥漿循環(huán)通道，水下防噴器組等設備的起、放安裝，引導鉆具、支撐輔助管線及遠程信息傳輸?shù)龋?-2］。海洋鉆井平臺（或船）在波浪和海流作用下，除了會發(fā)生前后左右搖擺外，還將隨波浪產生漂移。隨著海洋鉆井向深水發(fā)展，海洋環(huán)境載荷更加苛刻，這些都將嚴重影響鉆井隔水管系統(tǒng)穩(wěn)定性及井口裝置安全性。如果剛性連接的鉆井隔水管系統(tǒng)不能有效補償這些運動，將會使鉆井隔水管系統(tǒng)損壞，無法繼續(xù)鉆進，給海洋鉆井工程造成巨大的損失，甚至帶來災難性后果。

深水海洋鉆井隔水管系統(tǒng)用撓性裝置是海洋鉆井隔水管系統(tǒng)中的關鍵裝置之一，能夠有效補償隔水管系統(tǒng)在波、浪、流等環(huán)境載荷作用及船體運動產生的較大偏轉角度，有效減少該處局部彎曲應力，保證海洋鉆井隔水管系統(tǒng)安全可靠。美國Oil States Industries公司是全球最大的撓性裝置生產商，約占市場份額的95%。目前，國內現(xiàn)有浮式鉆井平臺（船）使用的海洋鉆井隔水管系統(tǒng)用撓性裝置全部依靠進口。

1　隔水管系統(tǒng)關鍵裝備

一個完整的深水鉆井隔水管系統(tǒng)包括卡盤、萬向節(jié)、分流器、上部撓性裝置、伸縮節(jié)、隔水管短節(jié)、灌注閥（可選）、隔水管標準單根、節(jié)流與壓井管線、液壓管線、泥漿增壓管線、隔水管浮力塊單根、終端裝置、下部撓性裝置、底部隔水管總成（Lowermarine Riser Package，簡稱LMRP）等組成［3～5］。

圖1是ISO136241［1］和API16Q［2］標準給出美國東海岸SPIC E D JA R半潛式平臺609．6m水深隔水管系統(tǒng)配置圖。該海洋鉆井隔水管系統(tǒng)配置有上部撓性裝置、下部撓性裝置、11根浮力單根和28根裸單根等關鍵裝備。該配置足以說明撓性裝置在海洋鉆井隔水管系統(tǒng)中的重要作用。

圖1　609．6m水深隔水管系統(tǒng)配置

2　撓性裝置的分類及性能特點

2．1 上部撓性裝置

上部撓性裝置主要用來柔性補償由于鉆井船定位失控或推進損失而引起漂離和船只的縱蕩、橫蕩、升沉運動以及波、浪等載荷作用在隔水管系統(tǒng)上部產生的較大剛性偏轉角度，有效減少該處局部彎曲應力。

Oil States Industries（簡稱O SI）公司所研制的Ⅱ型上部撓性裝置［6］如圖2所示，主要由上裝置、上部主撓性單元、上部連接件、上部副撓性單元、中心連接件、下部副撓性單元、下部連接件、下部主撓性單元、下裝置及螺栓等組成。

該裝置結構由完全對稱的上、下兩個相同的撓性元件總成組成，每個撓性元件總成由主撓性單元和副撓性單元組成。主、副撓性單元結構使其在控制鉆井隔水管角度方面比單個撓性元件更有效，可適應任意方向的轉動，減震和阻尼效果好。撓性元件是由多層疊加的球形鋼圈和片狀的高性能橡膠經硫化工藝構成，合成橡膠提供了屈曲和壓力密封，鋼圈提供了強度。主要性能如表1。Ⅱ型上部撓性裝置有5種型號，其最大旋轉角度均為±15°，最大工作壓力均為3．45mPa，旋轉剛度有3種級別，分別為8 989、17 815、19 253 N·m／（°）。

圖2　OSIⅡ型上部撓性裝置

表1　OSI上部撓性裝置性能

O SIⅢ型上部撓性裝置［6］如圖3所示，主要由本體、連接套、副撓性單元、主撓性單元、螺栓等組成。該裝置僅有一個撓性元件總成，該總成由主撓性單元和副撓性單元組成。主要性能如表1中的型號Ⅲ。該撓性裝置僅有一種型號，其最大旋轉角度±7°，最大工作壓力5．17M Pa，旋轉剛度為

圖3　OSIⅢ型上部撓性裝置

2．2 中部撓性裝置

深水海洋鉆井隔水管系統(tǒng)用中部撓性裝置安裝在鉆井隔水管伸縮裝置下面的某段鉆井隔水管系統(tǒng)中部，允許由其連接的上下兩部分鉆井隔水管單根之間存在較大的偏轉角度，有效減少該處局部彎曲應力，保證隔水管系統(tǒng)安全可靠。

OSI中部撓性裝置［6］如圖4所示，主要由擋泥板、上部撓性單元、本體、耐磨環(huán)、下部撓性單元、防轉銷、螺栓等組成。該裝置的結構以旋轉中心為基準上下基本對稱，僅有一個撓性單元。主要性能如表2。該撓性裝置有4種型號，其最大旋轉角度均為±20°，旋轉剛度均為23 184．5 N·m／（°），最大工作壓力有3種級別，分別是13．79、17．24、20．68mPa。

圖4　OSI中部撓性裝置

表2　OSI中部撓性裝置性能參數(shù)

美國G E公司研制的中部撓性裝置（如圖5）軸向尺寸比較大，最大工作張力11 120．55 kN，最大旋轉角度±20°，最大工作壓力10．34mPa。

圖5　GE公司中部撓性裝置

2．3 下部撓性裝置

下部撓性裝置主要用來柔性連接隔水管系統(tǒng)下部與水下B O P組，其功能是允許在隔水管系統(tǒng)下部和B OP組之間存在的較大角度偏差，從而減少隔水管上的彎曲應力。

OSI下部撓性裝置［6］如圖6所示，其結構主要由上防磨套、上部連接法蘭、擋泥板、限位法蘭、螺栓、撓性元件總成、本體、耐磨環(huán)、下防磨套、耐磨腐蝕環(huán)等組成。其結構僅有一個主撓性單元，其主要性能如表3。該撓性裝置有8種型號，其最大旋轉角度均為± 10°，旋轉剛度有5種級別，分別是25 761、46 383、 56 456、93 185、127 555 N·m／（°），最大工作張力有4種級別，分別是2 224、4 448、8 896、13 345 kN。

圖6　OSI下部撓性裝置

表3　OSI下部撓性裝置性能參數(shù)

2．4 最大設計指南

通過分析可知，上部撓性裝置最大旋轉角度可達±15°，中部撓性裝置最大旋轉角度可達±20°，下部撓性裝置最大旋轉角度可達±10°。事實上，隔水管系統(tǒng)配套計算時，需保證撓性裝置旋轉角度盡可能地小，以避免隔水管系統(tǒng)構件的磨損。表4是ISO 136241［1］給出的海洋鉆井隔水管最大設計指南，規(guī)定了在各種具體工況下對撓性裝置旋轉角度的要求。由表4可知，上部撓性裝置最大旋轉角度5°，平均旋轉角度1．0°～1．5°；下部撓性裝置最大旋轉角度5°，平均旋轉角度2°。

表4　海洋鉆井隔水管最大設計指南

撓性裝置2個金屬旋轉件之間的磨損率取決于接觸力、相對速度、材料參數(shù)、周圍流體性能這4個參數(shù)。對于隔水管系統(tǒng)中的鉆柱，通過作業(yè)來規(guī)定相對速度和材料性能，周圍流體是鉆井液，受控的唯一參數(shù)是接觸力?？梢?，優(yōu)化海洋鉆井隔水管系統(tǒng)頂張力，使撓性裝置的耐磨環(huán)與球鉸磨損率降低，可顯著提高撓性裝置的使用壽命。

3　發(fā)展趨勢

通過對海洋鉆井隔水管系統(tǒng)用撓性裝置的分析研究，認為雖然各種類型的撓性裝置均有自己的結構特點，但從近年來海洋鉆井隔水管系統(tǒng)以及結合海洋勘探裝備開發(fā)發(fā)展趨勢來看，海洋鉆井隔水管系統(tǒng)用撓性裝置將會朝以下方向發(fā)展。

1） 型式更加多樣化，適用范圍更廣。常規(guī)的撓性裝置是作為海洋鉆井隔水管系統(tǒng)一個較為獨立的部件，通過預留合適的接口接入隔水管相應部位。隨著海洋石油勘探開發(fā)向深水、超深水發(fā)展，為了減少非生產作業(yè)時間和連接操作成本，可將隔水管下部撓性裝置與下部終端裝置設計于一體。這樣一方面可避免下部撓性裝置與下部終端裝置之間費時費力的螺栓、法蘭連接，簡化生產加工工藝；另一方面也可減少常規(guī)下部撓性裝置與連接法蘭焊接時的電流損壞撓性元件的可能性，從而利于保證產品質量。

2） 研發(fā)適應超高溫高壓工況的撓性裝置。隨著海洋油氣勘探開發(fā)日漸向深水、特深水領域邁進，海洋水下裝備工況更加惡劣，可靠性要求更高。目前，法國石油公司和新能源研究院已經研制了一種138mPa（20000psi）超高壓力的鉆井隔水管。因此，開發(fā)適用超高溫高壓、超深井、超高張力工況的撓性裝置研究就顯得尤為必要。

3） 撓性元件總成結構趨于主、副雙單元型式。主、副雙單元型式即每個撓性元件總成由主撓性單元和副撓性單元組成。主、副撓性單元結構使其在控制鉆井隔水管角度方面比單個撓性元件更有效，且適應任意方向的轉動，減震和阻尼效果好。

4　發(fā)展建議

我國海洋石油鉆采設備已進入快速發(fā)展階段，為打破技術和貿易壟斷，加快研發(fā)隔水管系統(tǒng)關鍵部件——撓性裝置的步伐勢在必行，因此，對下一步研發(fā)該產品提出以下建議：

1） 將隔水管用下部撓性裝置與下部終端裝置設計于一體，簡化安裝步驟，提高效率，保證產品質量。

2） 開展適用超高溫高壓、超深井、超高張力工況的撓性裝置研究，跟蹤海洋鉆井隔水管發(fā)展前沿技術，提前儲備相關技術。

3） 主、副雙撓性單元結構使其在控制鉆井隔水管角度方面比單個撓性元件更有效，且適應任意方向的轉動，減震和阻尼效果好。

4） 以撓性元件結構和性能為突破口，綜合采用先進仿真技術、精密成型技術及現(xiàn)場試驗等，有效提高撓性元件力學性能，擴大產品適用范圍廣。

5） 考慮撓性裝置本身的結構特點，優(yōu)化撓性裝置焊接工藝，最大程度減少焊接工藝對撓性元件的影響。

6） 優(yōu)化海洋鉆井隔水管系統(tǒng)頂張力，研發(fā)撓性裝置耐磨環(huán)與球鉸超高耐磨、超高結合力的防腐涂層材料，有效提高撓性裝置的使用壽命。

5　結語

對海洋鉆井隔水管系統(tǒng)用撓性裝置的功能和技術現(xiàn)狀進行了分析，重點對OilStatesIndustries公司所研制的上、中、下3種類型的撓性裝置進行了深入研究，剖析了其結構特點、性能參數(shù)和適用范圍。依據(jù)海洋鉆井隔水管最大設計指南，提出了提高撓性裝置使用壽命的工程方法。在此基礎上，指出海洋鉆井隔水管系統(tǒng)用撓性裝置發(fā)展趨勢，同時對該產品的研發(fā)提出了建議。

［1］ ISO 136241—2009．Design and O peration ofmarine Drilling Riser equipment［S］．

［2］ APIRP 16 Q—1993．Design，Selection，O peration andmaintenance ofmarine Drilling Riser Systems［S］．

［3］ 王進全，王定亞．國外海洋鉆井隔水管與國產化研究建議［J］．石油機械，2009，37（9）：147150．

［4］ 王耀鋒，王定亞，任克忍，等．海洋鉆井隔水管浮力塊配置方法［J］．石油鉆探技術，2011，39（6）：3538．

［5］ 王定亞，李愛利．海洋鉆井隔水管系統(tǒng)配套技術研究［J］．石油礦場機械，2010，39（7）：1215．

［6］ Product overview［OL］．［2013-3-1］．http：／／w w w．oilstates．com／fw／main／SubseaOverview374C471．html．

Research on Technology and Development Trends formarine Drilling Riser Flexjoint

LIU Hongfang1，2，WANG Yaofeng1，2，HUA Xiaotao3
（1．Baoji Oilfieldmachinery Co．，Ltd．，Baoji721002，China；2．N ational Oil&Gas Drilling EquipmenTEngineering Research Center，Baoji721002，China；3．Baohai Equipment Liaohe H eary Industry Com pany，Panjin，124010，China）

Flexjoint is one of key equipment ofmarine drilling riser，w hich can flexibly and effectively compensate riser system in large local deflection angle and reduce local bending stress generated by wave，current and vesselmotion．Firstly，the FlexJoint function and technical status were introduced．Secondly，three different types offoreign prof essional company were researched and analyzed in detail such as diverter flexJoint，middle flexJoint andsubsea flexJoint，andstructure features，performance characteristics and scope of application were analyzed．A gain，maxim umdesign guidelines ofmarine drilling riser and engineeringmethods of im proving the equipment life were introduced as well．Finally，the development trends of FlexJoint and Anumber of recommendations were proposed．

marine drilling riser；flexjoint；technical status；performance characteristics；development trends

TE951

A

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．005

10013482（2015）03001905

①2014-08-28

國家高技術研究發(fā)展（863）計劃項目“深水鉆井隔水管系統(tǒng)工程化研制”（2013-AA09-A222）

劉紅芳（1964-），女，陜西寶雞人，工程師，主要從事石油裝備技術和標準化研究工作，Email：lhf19966＠163．com。