鉆井隔水管渦激振動監(jiān)測裝置海上試驗*

盛磊祥 許亮斌 金學(xué)義 劉正禮 田 波

(1. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028； 2. 中海油田服務(wù)股份有限公司 河北燕郊 101149；3. 中海石油深海開發(fā)有限公司 廣東深圳 518067)

鉆井隔水管是海底井口與鉆井船的重要連接設(shè)備，鉆井隔水管的狀態(tài)將直接影響鉆井作業(yè)時效，當其轉(zhuǎn)角、伸縮節(jié)沖程、應(yīng)力等超過安全作業(yè)允許的臨界值時，隔水管必須停止作業(yè)，進而影響了鉆井時效[1-3]。然而，實際鉆井作業(yè)對隔水管的直接或間接監(jiān)測卻較少，通常情況下鉆井隔水管僅配置了撓性接頭轉(zhuǎn)角監(jiān)測的功能，缺乏對波流引起振動和隔水管應(yīng)力等關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)的監(jiān)測。渦激振動引起的疲勞損傷和應(yīng)力超標是影響深水鉆井隔水管作業(yè)的重要因素：一方面隔水管長期的渦激振動會引起隔水管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力循環(huán)，產(chǎn)生疲勞損傷；另一方面頻率鎖定產(chǎn)生的渦激振動可能產(chǎn)生較大的應(yīng)力值，一旦超過屈服應(yīng)力，將引起隔水管結(jié)構(gòu)的屈服破壞。

一般在進行深水鉆井作業(yè)之前，需要針對目標海域開展鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計和作業(yè)窗口設(shè)計[4]，并開展相應(yīng)的渦激振動研究?，F(xiàn)有設(shè)計方法多以恒定海流剖面為環(huán)境條件，假設(shè)隔水管受到恒定海流引起的渦激振動，由于實際海流的大小、方向在隔水管作業(yè)期間會發(fā)生變化，因而實際作業(yè)海流渦激振動引起的隔水管損傷與設(shè)計階段存在一定的差異。隔水管渦激振動監(jiān)測裝置大多采用離線監(jiān)測方案，即不將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸回平臺并進行計算，而是在隔水管回收之后進行數(shù)據(jù)讀取和分析，以評估渦激振動對隔水管的疲勞損傷。這種方案無法對數(shù)據(jù)做出在線反饋及實時預(yù)測評估。因此，本文分析了隔水管渦激振動監(jiān)測的技術(shù)原理，采用新研制的無線聲吶傳輸渦激振動在線監(jiān)測系統(tǒng)，對南海X-1井(作業(yè)水深1 363 m)鉆井隔水管開展了渦激振動監(jiān)測，并根據(jù)其實測數(shù)據(jù)分析了渦激振動引起的動態(tài)載荷響應(yīng)，以評估隔水管的作業(yè)安全性。深水鉆井隔水管的實時渦激振動監(jiān)測，對深水鉆井作業(yè)期間隔水管系統(tǒng)的安全保障具有重要意義。

1 隔水管渦激振動監(jiān)測的技術(shù)原理

渦激振動是海流繞流結(jié)構(gòu)引起的漩渦泄放頻率和隔水管系統(tǒng)固有頻率共同作用的結(jié)果，本質(zhì)上是一種結(jié)構(gòu)振動，可通過加速度監(jiān)測裝置進行監(jiān)測。因此，監(jiān)測系統(tǒng)工作制度的設(shè)置需參考渦激的泄放頻率和隔水管系統(tǒng)固有頻率。

1) 漩渦泄放頻率。

海流繞流產(chǎn)生的漩渦泄放頻率可表達為

(1)

式(1)中：fSt為隔水管漩渦泄放頻率，Hz；St為斯特勞哈數(shù)，無量綱，一般取值0.2；U為海流的來流速度，m/s；D為隔水管迎流面直徑，m。

(2)

(3)

式(2)、(3)中：fmin和fmax分別為漩渦泄放的最小和最大頻率，Hz；Umin和Umax分別為海流剖面的最小與最大來流速度，m/s。若隔水管結(jié)構(gòu)某階固有頻率處于最小和最大泄放頻率范圍內(nèi)，則認為該模態(tài)被激勵參與引起渦激振動。

為了確保適應(yīng)更廣的海流條件，根據(jù)式(2)、(3)按照5年一遇的環(huán)境條件(表1)，計算得到的最小和最大漩渦泄放頻率分別為0.05 Hz和0.2 Hz。

表1 南海X-1井海域5年一遇的海流剖面[4]Table 1 Current profile of Well X-1 block occurred once in five years in South China Sea[4]

2) 隔水管結(jié)構(gòu)固有頻率。

對于底部由球鉸約束、頂部受張力作用的鉆井隔水管，其力學(xué)模型為頂張力簡支梁模型，相應(yīng)的隔水管的n階角速度ωn表示為[1]

(4)

fn=2π/ωn

(5)

式(4)、(5)中：T為張力，N；E為彈性模量，MPa；I為截面慣性矩，m4;m為單位長度質(zhì)量，kg/m；ωn為角速度，rad/s；L為隔水管長度，m；fn為隔水管結(jié)構(gòu)的n階固有頻率，Hz；n為模態(tài)階次；z為隔水管軸向坐標距離，m。

3) 監(jiān)測系統(tǒng)采樣頻率的設(shè)置。

建立科學(xué)的教師專業(yè)標準是教師從一種“職業(yè)”成為一種“專業(yè)”的基本標志，是客觀評價教育質(zhì)量的依據(jù)[10]。然而，體育教育在整個教育領(lǐng)域中處于邊緣地位，與其他學(xué)科的教師相比，體育教師似乎也低人一等。體育教師的專業(yè)發(fā)展的生涯始于進入大學(xué)的體育教育專業(yè)，但是，無論是職前的培養(yǎng)、畢業(yè)，還是新體育教師的準入、職后的培訓(xùn)，都處于“無章可循”的狀態(tài)[11] 。因此，制定體育教師的專業(yè)標準迫在眉睫。在個體層面，職前、職后的專業(yè)標準為體育教師提供衡量自身專業(yè)水平的基本準則；在群體層面，專業(yè)標準形成體育教師之間專業(yè)對話的交流工具；在組織層面，為機構(gòu)在選擇、培訓(xùn)體育教師方面提供準則。

在5年一遇的海流條件下，根據(jù)參與渦激振動的模態(tài)階次的判斷方法：如果fn

為了盡可能捕捉到所有可能參與渦激振動的模態(tài)范圍，采樣頻率應(yīng)設(shè)置為大于隔水管結(jié)構(gòu)固有頻率和漩渦泄放頻率中的最大值，采樣時間應(yīng)設(shè)置為大于隔水管結(jié)構(gòu)固有頻率和漩渦泄放頻率中最小值的倒數(shù)，這樣即可保證采樣數(shù)據(jù)能夠涵蓋所有可能參與渦激振動的模態(tài)數(shù)據(jù)。因此，對于南海X-1井鉆井隔水管，最終推薦的隔水管渦激振動監(jiān)測裝置采樣頻率為5 Hz，采樣周期為120 s，作業(yè)期間內(nèi)每間隔1 h進行1個采樣周期內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)的回傳。

2 隔水管渦激振動監(jiān)測裝置工作原理及安裝

隔水管渦激振動監(jiān)測系統(tǒng)裝置包括3部分，即水下的監(jiān)測裝置、近水面的聲吶信號接收裝置和地面數(shù)據(jù)顯示裝置。其主要設(shè)計原理為：首先通過振動傳感器采集隔水管的加速度信息，通過數(shù)字信號處理器或單片機處理、編碼、調(diào)制和功率放大，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，利用水下發(fā)射換能器周期性發(fā)射聲吶載波信號，將采集到的振動信息傳遞給地面接收換能器，再通過對數(shù)字信號的解調(diào)、解碼反演出振動加速度及其傅里葉變換，最終得到振動頻率和周期。

為了便于現(xiàn)場安裝，該裝置將振動傳感器、后處理電路、電池封裝在一起，加速度傳感器主要采集隔水管的振動信息，處理電路主要將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，濾掉低頻干擾振動信息，形成聲吶載波信號回傳，為了簡化長距離的供電造成的安裝復(fù)雜，在監(jiān)測裝置內(nèi)部集成了電池系統(tǒng)用于供電。

在南海X-1井的鉆井期間，隔水管2個渦激振動監(jiān)測裝置分別安裝在靠近井口(水深約1 300 m)和水面以下約60 m的位置，這樣既可降低井口振動對水下井口和導(dǎo)管的風險，又可得到相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，避免落在振型零點[2-3]。監(jiān)測裝置對安裝空間的需求不大于隔水管護板的包絡(luò)范圍，因此可以考慮采用離線安裝，即在隔水管存放區(qū)安裝，從而最大程度地避免了對鉆井作業(yè)的影響。

3 隔水管監(jiān)測系統(tǒng)海上試驗及渦激振動分析

3.1 渦激振動的監(jiān)測與識別

根據(jù)渦激振動理論，只要海流繞流的漩渦泄放頻率接近隔水管結(jié)構(gòu)的某一階固有頻率，則一定會發(fā)生渦激振動，但實際監(jiān)測結(jié)果卻表明渦激振動并不存在于整個作業(yè)過程。主要原因在于實際波流的大小和方向有可能發(fā)生變化，渦激振動只發(fā)生在部分海流相對穩(wěn)定的時間段內(nèi)。例如，BP公司于2008年在墨西哥灣進行了9口井(作業(yè)深度300～2 000 m)的鉆井隔水管監(jiān)測[5-6]，結(jié)果表明在其中7口井監(jiān)測到了隔水管的渦激振動，渦激振動實際發(fā)生的概率僅為2%～26%(圖1)。南海X-1井鉆井期間的渦激振動監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。發(fā)生渦激振動時(圖2a)，隔水管結(jié)構(gòu)振動頻率出現(xiàn)了 3個窄頻峰值，通常認為窄頻峰值為渦激振動發(fā)生的標志[6-7]；而未發(fā)生渦激振動時(圖2b)，隔水管結(jié)構(gòu)振動頻率分布廣泛，沒有明顯的峰值，這種寬頻帶振動通常被認為是波浪運動和平臺運動引起的隔水管隨機振動。

圖1 2008年BP公司在墨西哥灣監(jiān)測到的鉆井隔水管發(fā)生渦激振動的概率分布Fig .1 VIV probability according to BP monitor experiment of drilling risers in Mexico Gulf in 2008

圖2 南海X-1井鉆井期間實測隔水管渦激振動頻譜圖Fig .2 Measurdd frequency domain figure of monitor riser VIV of Well X-1 in South China Sea

因此在評估渦激振動產(chǎn)生的疲勞損傷時，須結(jié)合實際監(jiān)測到的渦激振動進行分析，避免參考設(shè)計工況導(dǎo)致的評估結(jié)果過于保守。

3.2 渦激振動導(dǎo)致的隔水管應(yīng)力計算

隔水管結(jié)構(gòu)應(yīng)力可表達為

(6)

其中

(7)

式(6)、(7)中：σ為隔水管結(jié)構(gòu)應(yīng)力，MPa；M為隔水管結(jié)構(gòu)的彎矩，MN·m；系數(shù)An=αD，α為隔水管結(jié)構(gòu)渦激振動最大響應(yīng)振幅與隔水管外徑的比值，一般取1.5；Yn為位置z的橫向位移，m；d為隔水管結(jié)構(gòu)應(yīng)力外徑，m。

按照簡化常張力梁的處理方法，式(7)可表示為

(8)

式(8)中：L為隔水管長度，m。

將式(8)代入式(6)，得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布為

(9)

則隔水管結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最大范圍可表達為

(10)

式(10)中:σRmax為隔水管結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力幅范圍，MPa。

根據(jù)式(6)～(10)，可得不同激勵模態(tài)階次條件下的隔水管結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力，如圖3所示。根據(jù)API 16Q對鉆井作業(yè)的要求[8]，當最大應(yīng)力超過隔水管材料的最大屈服應(yīng)力σmax(一般情況下取值551 MPa)的67%時，應(yīng)停止鉆井作業(yè)；當最大應(yīng)力超過σmax的80%時，應(yīng)停止鉆井作業(yè)并準備解脫隔水管；當最大應(yīng)力超過σmax時，應(yīng)完成解脫隔水管。因此，如果南海X-1井的隔水管監(jiān)測中出現(xiàn)了振動頻率超過18階模態(tài)的頻率，則其最大應(yīng)力將超過67%σmax，此時的鉆井作業(yè)須要對安全性保持密切關(guān)注。

圖3 渦激振動激勵模態(tài)階數(shù)與隔水管最大應(yīng)力的關(guān)系Fig .3 Relationship between VIV mode order with max stress of drilling riser

分析式(10)可知，渦激振動引起的隔水管結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力計算的關(guān)鍵，依然是確定隔水管振動模態(tài)的最高階數(shù)n。通常情況下，在設(shè)計階段如果沒有實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以通過作業(yè)期間可能出現(xiàn)的最大流速計算漩渦最大泄放頻率fmax與隔水管的各階固有頻率，確定n的取值[9-11]。

南海X-1井現(xiàn)場實測獲得的隔水管振動頻率范圍為0.019～0.234 Hz，對比隔水管結(jié)構(gòu)1～15階模態(tài)的固有頻率，發(fā)現(xiàn)隔水管結(jié)構(gòu)的14、15階固有頻率分別為0.227、0.246 Hz，滿足0.227<0.234<(0.227+0.246)/2。因此，根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定的參與渦激振動的模態(tài)最高為14階，即f14= 0.227 Hz。對比圖3可知，在隔水管的實際作業(yè)過程中，其最大應(yīng)力水平大于設(shè)計值。

4 結(jié)論

1) 隔水管渦激振動的監(jiān)測可通過對其振動加速度的監(jiān)測實現(xiàn)。渦激振動發(fā)生時，隔水管渦激振動的頻譜圖具有明顯的鎖頻特征。該特征可為渦激振動產(chǎn)生的疲勞損傷評估提供參考，避免設(shè)計工況導(dǎo)致的評估結(jié)果過于保守。

2) 隔水管渦激振動監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，渦激振動并不是持續(xù)作用的，因此在隔水管作業(yè)期間應(yīng)安裝渦激振動監(jiān)測裝置，并根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)和可能出現(xiàn)的最大流速，確定參與渦激振動的模態(tài)最高階，再進行隔水管渦激振動的安全評估。