深海石油鉆采隔水管浮力補(bǔ)償系統(tǒng)的研究

周 云， 王東勝， 任憲剛， 李淑濤， 尹衍升， 董麗華

(1.上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306； 2.上海中船重工船舶科技有限公司， 上海 200011；3.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452)

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深海石油鉆采隔水管浮力補(bǔ)償系統(tǒng)的研究

周 云1， 王東勝1， 任憲剛2， 李淑濤3， 尹衍升1， 董麗華1

(1.上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306； 2.上海中船重工船舶科技有限公司， 上海 200011；3.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452)

隔水管系統(tǒng)是海洋石油鉆采的重要技術(shù)裝備，而浮力補(bǔ)償系統(tǒng)是深水條件下鉆井隔水管系統(tǒng)的必備部件。深海石油鉆采隔水管浮力補(bǔ)償系統(tǒng)是一項(xiàng)集材料、計(jì)算、設(shè)計(jì)于一體的系統(tǒng)工程，從固體浮力材料、捆扎鎖緊機(jī)構(gòu)以及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算及優(yōu)化配置方案等三方面內(nèi)容，闡述了深海石油鉆采隔水管浮力補(bǔ)償系統(tǒng)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，并介紹了深海石油鉆采隔水管浮力補(bǔ)償系統(tǒng)領(lǐng)域最新的研究成果和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景。

深海石油鉆采；隔水管；浮力補(bǔ)償；固體浮力材料；捆扎鎖緊機(jī)構(gòu)

0 引言

隨著海洋石油資源的開(kāi)發(fā)進(jìn)入到深海領(lǐng)域，海洋石油鉆采技術(shù)與裝備的發(fā)展也越來(lái)越重要。鉆井隔水管系統(tǒng)是海洋石油鉆采的重要技術(shù)裝備，而浮力補(bǔ)償系統(tǒng)是深水條件下鉆井隔水管系統(tǒng)的必備部件。鉆井隔水管是連接海底和鉆井平臺(tái)的管道，其重量大，工況復(fù)雜惡劣，為保證平臺(tái)安全，必須在隔水管外安裝浮力補(bǔ)償系統(tǒng)來(lái)減輕隔水管系統(tǒng)的重量。深海鉆井隔水管裝備及相關(guān)技術(shù)在世界范圍內(nèi)有著廣闊的市場(chǎng)前景，對(duì)我國(guó)東海和南海的油氣田開(kāi)發(fā)具有重要意義。

深海石油鉆采隔水管浮力補(bǔ)償系統(tǒng)是一項(xiàng)集材料、計(jì)算、設(shè)計(jì)于一體的系統(tǒng)工程，所涉及的幾種關(guān)鍵材料和技術(shù)(包括隔水管固體浮力材料、耐腐蝕高強(qiáng)度捆扎鎖緊機(jī)構(gòu))國(guó)產(chǎn)化水平低，主要核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)幾乎全部由美國(guó)、挪威、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷。因此，亟需國(guó)內(nèi)科研院所與相關(guān)企業(yè)聯(lián)手進(jìn)行科技攻關(guān)，早日實(shí)現(xiàn)浮力補(bǔ)償系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化并形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和規(guī)?；a(chǎn)，這對(duì)于我國(guó)深海戰(zhàn)略的實(shí)施具有舉足輕重的作用[1]。

1 鉆井隔水管系統(tǒng)的組成及研究現(xiàn)狀

圖1 隔水管結(jié)構(gòu)示意圖

海洋石油鉆采裝備主要包括：鉆井隔水管系統(tǒng)、采油樹(shù)、水下機(jī)盤、水下管匯系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、井口井控設(shè)備以及水下處理系統(tǒng)等[2]。鉆井隔水管系統(tǒng)是連接海洋石油鉆井平臺(tái)或者鉆井船與海底井口的油體輸送管道。鉆井隔水管系統(tǒng)的主要組件一般有：鉆井隔水管單根、隔水管短節(jié)、卡盤和萬(wàn)向節(jié)、伸縮接頭、張緊器、撓性接頭、浮力補(bǔ)償系統(tǒng)、輔助管線等[3]，如圖1所示。

隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要在于其涉及復(fù)雜環(huán)境因素和作業(yè)因素，諸如水深、海流、波浪、渦激抑制、鉆井液密度、鉆井載荷、懸掛模式和浮力塊分布等，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于隔水管的設(shè)計(jì)研究較為廣泛。

Burke[4]最早建立了隔水管靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了隔水管時(shí)域規(guī)則波動(dòng)態(tài)分析。Texas A&M大學(xué)的Kim[5]采用ABAQUS軟件對(duì)鉆井隔水管進(jìn)行了有限元準(zhǔn)靜態(tài)分析。我國(guó)針對(duì)隔水管的研究主要開(kāi)始于20世紀(jì)90年代。暢元江[6]采用ABAQUS軟件對(duì)影響鉆井隔水管性能的主要參數(shù)如鉆井船平均偏移、流剖面、內(nèi)外靜水壓、浮力塊、張力比等進(jìn)行了綜合研究。李中[7]利用有限元分析法建立了波流復(fù)雜海況作用下深水隔水管受力分析計(jì)算模型，同時(shí)利用ANSYS軟件分析了不同載荷作用下隔水管在不同水深的應(yīng)力及變形變化規(guī)律。

2 鉆井隔水管浮力補(bǔ)償系統(tǒng)的組成及研究現(xiàn)狀

由于隔水管系統(tǒng)非常沉重，如果不添加浮力補(bǔ)償系統(tǒng)，會(huì)對(duì)鉆井平臺(tái)產(chǎn)生巨大的牽引力。因此，通常在隔水管外部安裝由固體浮力材料制成的浮力塊，通過(guò)浮力塊產(chǎn)生的浮力減輕隔水管系統(tǒng)的濕重，降低隔水管張力器提供的張力，提高鉆井隔水管系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。同時(shí)，浮力塊還可以改善隔水管系統(tǒng)的局部力學(xué)性能，更能延長(zhǎng)隔水管系統(tǒng)的服役周期。美國(guó)石油學(xué)會(huì)API標(biāo)準(zhǔn)API-RP-16Q中第5.1.4節(jié)建議：當(dāng)水深超過(guò)2 000 ft(609.6 m)時(shí)，隔水管系統(tǒng)需要配置浮力補(bǔ)償系統(tǒng)[8]。

鉆井隔水管浮力補(bǔ)償系統(tǒng)包含硬件和軟件兩個(gè)部分，其中硬件部分包含固體浮力材料、捆扎帶、鎖緊裝置等新型材料和器具，而軟件部分是指形成一套科學(xué)有效的浮力補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算及優(yōu)化配置方案，以解決浮力材料配置多少和如何配置的問(wèn)題,浮力補(bǔ)償系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 深海石油鉆采隔水管浮力補(bǔ)償系統(tǒng)模擬圖和實(shí)況圖

2.1 固體浮力材料

固體浮力材料是指能提供浮力的固體材料。新型固體浮力材料所用到的原材料主要有:基體樹(shù)脂、固化劑、改性劑等。此外，為了降低浮力材料的密度，基體樹(shù)脂中還會(huì)加入輕質(zhì)填料，輕質(zhì)填料以中空微球的應(yīng)用最為廣泛。固體浮力材料一般都具有以下特性：高強(qiáng)度、低密度、低吸水率、耐海水腐蝕以及對(duì)環(huán)境無(wú)污染[9]。

固體浮力材料在實(shí)際使用過(guò)程中，要求其密度越低越好，以便提供更大的浮力，但是為了承受更深水域的靜水壓力，又要求其具有更高的強(qiáng)度。顯然，固體浮力材料的密度與強(qiáng)度性能是相對(duì)立的，因此，如何解決固體浮力材料密度與強(qiáng)度的矛盾，是當(dāng)今研究制造固體浮力材料的關(guān)鍵點(diǎn)。

與美國(guó)、日本、俄羅斯等深潛技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的固體材料研究起步較晚，差距較大。我國(guó)固體浮力材料的研發(fā)始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過(guò)幾十年的不斷努力，如今也取得了一定的成果。國(guó)內(nèi)相關(guān)高校及科研院所也制成不同系列的固體浮力材料，在相關(guān)領(lǐng)域也開(kāi)展了一些示范應(yīng)用，但由于種種原因，仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模國(guó)產(chǎn)化，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍然是以與隔水管系統(tǒng)打包的形式從國(guó)外直接進(jìn)口。

2.2 捆扎鎖緊機(jī)構(gòu)

耐腐蝕高強(qiáng)度捆扎鎖緊機(jī)構(gòu)是深海石油鉆采隔水管浮力補(bǔ)償系統(tǒng)中固定裝置不可或缺的裝備材料，主要包含捆扎帶和鎖緊裝置兩部分，如圖3所示。

圖3 捆扎鎖緊機(jī)構(gòu)

(1) 捆扎帶

浮力補(bǔ)償系統(tǒng)用捆扎帶是指在海洋開(kāi)發(fā)中用來(lái)捆縛浮力材料的不可或缺的裝備材料。目前，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的捆扎帶多為鋼質(zhì)捆扎帶及塑質(zhì)捆扎帶(如尼龍、聚丙烯、聚酯)，多用于貨物捆扎包裝領(lǐng)域，難以滿足海洋條件下工程裝備所要求的輕質(zhì)高強(qiáng)、高持續(xù)張力、良好的耐腐蝕性及尺寸穩(wěn)定性等苛刻服役條件。目前,國(guó)內(nèi)此類產(chǎn)品如“蛟龍?zhí)枴? 000 m深潛器及3 000 m深水鉆井“海洋平臺(tái)981”等浮力材料模塊固定系統(tǒng)所用捆扎帶全部依賴進(jìn)口，不僅價(jià)格昂貴，更嚴(yán)重制約了我國(guó)深海工程裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

現(xiàn)階段國(guó)外浮力材料所用的捆扎帶主要為樹(shù)脂復(fù)合纖維的環(huán)形結(jié)構(gòu)捆扎帶，其關(guān)鍵點(diǎn)在接頭以及纖維分布的均勻性上，而現(xiàn)階段捆扎帶的成型工藝以及所用的捆扎帶材料仍為國(guó)外各大公司的保密技術(shù)，要解決捆扎帶的材料選用以及成型工藝問(wèn)題是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

(2) 鎖緊裝置

與捆扎帶配套使用的鎖緊裝置也是隔水管浮力塊安裝的核心部件。隨著海洋工程開(kāi)發(fā)步伐的加快，油氣勘探向地質(zhì)條件和物理環(huán)境更加復(fù)雜的區(qū)域發(fā)展，一些H2S和CO2含量高的含硫地質(zhì)區(qū)域已成為油氣勘探的重點(diǎn)，類似于鎖緊裝置等深海用耐腐蝕高強(qiáng)度金屬材料的需求量激增，其失效壽命越來(lái)越受到關(guān)注。

表面涂層技術(shù)是提高鎖緊裝置深海環(huán)境腐蝕性能的一種簡(jiǎn)便、有效的方法。涂層不但能夠大幅度地提高工件表面的使用性能，還可以對(duì)失效工件進(jìn)行修復(fù)，節(jié)省材料和能源。等離子轉(zhuǎn)移弧堆焊是制備深海部件涂層的重要手段，優(yōu)點(diǎn)是能量密度大、加熱集中、熔透能力強(qiáng)、對(duì)基體的熱影響小、稀釋率低，使得工件在制備過(guò)程中變形小，工藝可控性強(qiáng)，而且獲得涂層的組織致密，微觀缺陷少，涂層與基體為冶金結(jié)合，強(qiáng)度高。

2.3 浮力補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算及優(yōu)化配置方案

性能優(yōu)異的固體浮力材料和捆扎鎖緊裝置為深海石油鉆采裝備浮力補(bǔ)償提供了強(qiáng)有力的硬件保障。但是，深海石油鉆采裝備浮力補(bǔ)償是一項(xiàng)因地制宜的系統(tǒng)工程，因此，形成一套科學(xué)有效的浮力補(bǔ)償系統(tǒng)優(yōu)化配置方案也是深海石油鉆采軟實(shí)力的體現(xiàn)，更是保障深海石油鉆采裝備功能及安全的重要組成部分。

如何合理配置隔水管的浮力材料是深海鉆井隔水管設(shè)計(jì)需要解決的主要問(wèn)題之一。根據(jù)具體的情況，合理控制浮力材料的數(shù)量和配置，以滿足隔水管懸掛狀態(tài)安全性的要求，就需要對(duì)隔水管浮力材料進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和優(yōu)化配置。

目前，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)針對(duì)浮力材料在隔水管系統(tǒng)中的配置設(shè)計(jì)研究報(bào)道較少。但是研究人員一致認(rèn)為：浮力材料是深水鉆井隔水管系統(tǒng)必不可少的組成部分，它對(duì)改善隔水管系統(tǒng)的局部力學(xué)性能有著重要的作用。隔水管系統(tǒng)中浮力材料的配置計(jì)算是一個(gè)需要反復(fù)優(yōu)化的復(fù)雜過(guò)程。國(guó)內(nèi)許亮斌等人使用ABAQUS軟件以及SHEAR7軟件對(duì)帶浮力塊的深水鉆井隔水管進(jìn)行了研究，提出了隔水管浮力塊合理配置的主要流程和基本原則[10，11]。

3 研究進(jìn)展

使用一種具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的聚合物中空球(如圖4所示)，與聚合物樹(shù)脂、空心玻璃微珠以適當(dāng)比例混合，采用真空澆注工藝制備三組分固體浮力材料，并可通過(guò)調(diào)節(jié)中空微球與玻璃微珠添加量，制備出一系列浮力材料，其密度為0.29 g/cm3～0.60 g/cm3，抗壓強(qiáng)度為8.27 MPa～39.41 MPa，吸水率<2%。該項(xiàng)目產(chǎn)品已經(jīng)順利完成產(chǎn)業(yè)化試制，如圖5所示。經(jīng)API認(rèn)證權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢測(cè)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平，可以滿足實(shí)海的應(yīng)用要求。

圖4 聚合物中空微球

圖5 隔水管用浮力材料及其內(nèi)部圖

捆扎帶和鎖緊裝置如圖6所示。捆扎帶采用環(huán)形往復(fù)纏繞的方法制作，即整根捆扎帶相當(dāng)于只有一束纖維往復(fù)纏繞而成，然后把往復(fù)纏繞好的纖維帶在環(huán)形拉擠成型機(jī)上擠出包覆樹(shù)脂。可以通過(guò)控制纖維纏繞的圈數(shù)來(lái)控制整根帶子的強(qiáng)度，也可以使用多層復(fù)合的方式把多根捆扎帶復(fù)合在一起，以提高捆扎帶的強(qiáng)度。另外，采用等離子轉(zhuǎn)移弧堆焊在基體鋼材表面制備鎳基碳化鎢涂層，提高鎖緊裝置的耐腐蝕性能。研究發(fā)現(xiàn)，所獲得涂層的組織致密，微觀缺陷少，且涂層與基體為冶金結(jié)合，強(qiáng)度高，能滿足深海惡劣環(huán)境的使用要求。

圖6 捆扎帶和鎖緊裝置

根據(jù)隔水管浮力補(bǔ)償系統(tǒng)優(yōu)化配置的基本原則，對(duì)隔水管的軸向運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行分析，確定隔水管的動(dòng)態(tài)張力，在此基礎(chǔ)上給出隔水管系統(tǒng)合理的浮力系數(shù)，并通過(guò)計(jì)算與分析，依據(jù)隔水管連接工況的等效應(yīng)力與懸掛工況的動(dòng)張力安全余量，得到每根隔水管所需要配置的浮力塊數(shù)量。最后，反復(fù)進(jìn)行有限元計(jì)算、迭代優(yōu)化，直至得到滿足深海石油鉆采要求的最佳的浮力補(bǔ)償系統(tǒng)優(yōu)化配置方案。隔水管浮力塊有限元模型用體單元進(jìn)行模擬，單元尺寸約為50 mm×50 mm×50 mm，有限元模型如圖7、圖8所示。

圖7 隔水管浮力塊有限元模型

圖8 隔水管浮力塊有限元模型橫剖面

4 結(jié)論

鉆井隔水管系統(tǒng)是海洋石油鉆采的重要技術(shù)裝備，而浮力補(bǔ)償系統(tǒng)是深水條件下鉆井隔水管系統(tǒng)的必備部件。通過(guò)深海石油鉆采隔水管浮力補(bǔ)償系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和國(guó)產(chǎn)化，可以打破美國(guó)、日本、俄羅斯等發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)壟斷，為我國(guó)海洋石油開(kāi)采系統(tǒng)提供擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，且安全可靠的浮力材料，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料與技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，避免了海洋開(kāi)采關(guān)鍵設(shè)備受制于人的局面。

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Research of Buoyancy Compensation System for Deep-sea Drilling Riser

ZHOU Yun1, WANG Dong-sheng1, REN Xian-gang2, LI Shu-tao3,YIN Yan-sheng1, DONG Li-hua1

(1. School of Ocean Science and Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China;2.China Ship Design & Research Center Co., Ltd, Shanghai 200011, China;3.Equipment and Technical Limited Company, Energy Technical CNOOC, Tianjin 300452, China)

As we know, drilling riser system is a critical component of marine oil drilling, and buoyancy module is an essential for deep-sea drilling riser system. Buoyancy compensation system is a complex systematic engineeringby in- tegrating materials and design calculation. In this paper, the researchwork of buoyancy compensation system related to the scope of solid buoyancy materials, strap solutions and design calculation was presented.The latest research and industrialization prospects of our team in this field were reviewed.

deep-sea oil drilling； drilling riser; buoyancy compensation； solid buoyancy materials； strap solutions

2016-08-04

國(guó)家海洋局公益行業(yè)科研專項(xiàng)子課題“深海石油鉆采隔水管浮力補(bǔ)償系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”(20140513-2)。

周 云(1981-)，男，博士研究生。

1001-4500(2016)05-0001-05

F416.22

A