海上油氣井服役過程中隔水導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)原因分析

楊進

中國石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院

近年來，部分海上油氣田出現(xiàn)鉆井隔水導(dǎo)管以及井口發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)幅度有時會很大，如東海某生產(chǎn)井，井口1天可以旋轉(zhuǎn)30°。井口發(fā)生大幅度旋轉(zhuǎn)會對采油樹、井口管匯以及油氣生產(chǎn)帶來嚴重的安全隱患和作業(yè)風(fēng)險，如果不對旋轉(zhuǎn)加以約束，可能導(dǎo)致井口管匯的變形或者斷裂、隔水導(dǎo)管的剪切破壞、隔水導(dǎo)管的密封性能降低等作業(yè)風(fēng)險。目前國內(nèi)對隔水導(dǎo)管和井口發(fā)生旋轉(zhuǎn)的研究較少，因此，對海上生產(chǎn)井隔水導(dǎo)管和井口進行受力分析，找出隔水導(dǎo)管和井口發(fā)生旋轉(zhuǎn)的原因，評估旋轉(zhuǎn)風(fēng)險，可以為現(xiàn)場生產(chǎn)、隔水導(dǎo)管的加工設(shè)計、井口的加工設(shè)計提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

1 海上油氣井井口受力模型

海上油氣井井筒和井口在生產(chǎn)過程中，受到的載荷主要包括自重、頂部載荷、風(fēng)載、海流載荷、海浪載荷等。在實際導(dǎo)管架平臺中，沿隔水導(dǎo)管長度一定位置處安裝導(dǎo)向孔來保證隔水導(dǎo)管的橫向穩(wěn)定性。對于導(dǎo)向孔，在計算中采用以下假設(shè)處理：導(dǎo)向孔為固定構(gòu)件，為隔水導(dǎo)管提供穩(wěn)定的橫向支撐。以東海某油氣田為例，導(dǎo)向孔的幾何位置分別為：水下-15.5 m、水下-37.5 m、底層甲板、海平面。

根據(jù)上述分析，海上單井井筒及井口力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 海上單井井筒及井口力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model for borehole and well of single offshore well

海上油氣井的隔水導(dǎo)管在海流環(huán)境載荷的作用下，會產(chǎn)生扭矩，具有旋轉(zhuǎn)的趨勢。隔水導(dǎo)管上的防轉(zhuǎn)銷釘可以阻止隔水導(dǎo)管發(fā)生旋轉(zhuǎn)。如果環(huán)境載荷引起的扭矩過大，使得作用在隔水導(dǎo)管防轉(zhuǎn)銷釘上的載荷大于其極限值，海上油氣井的隔水導(dǎo)管會發(fā)生較大幅度的旋轉(zhuǎn)，進而使得井口發(fā)生旋轉(zhuǎn)，給油氣井生產(chǎn)帶來嚴重的安全隱患和作業(yè)風(fēng)險。

2 隔水導(dǎo)管在海流作用下旋轉(zhuǎn)受力分析

海流作用在柱體上的作用力可以分為與來流方向一致的力，以及和來流方向垂直的力。由于作用在隔水導(dǎo)管上的海流并不是隨水深均勻分布，作用方向也不是彼此一致，因此在不同方向、不同速度的海流作用下，隔水導(dǎo)管可能會受到橫向扭矩的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。

圖2 隔水導(dǎo)管受到的海流力Fig.2 Ocean current force applied on the riser

隔水導(dǎo)管在受到不均勻的海流載荷作用時，其受到的扭矩大小為

式中，M為隔水導(dǎo)管橫截面受到的扭矩，N·m；F1、F2、F3、F4分別為海流力在互相垂直的方向上的分量，N；R為隔水導(dǎo)管半徑，m。

為了提高平臺空間利用率，海上生產(chǎn)平臺的井口布置非常緊密，如圖3所示。

圖3 海上生產(chǎn)井的井位布置示意圖Fig.3 Schematic well location arrangement of offshore production wells

平臺上生產(chǎn)井之間的間距較小，最小為1.5 m×1.8 m。在遇到同樣的海洋環(huán)境載荷時，井的位置不同，受到的環(huán)境載荷不同。在同樣的海洋環(huán)境載荷的沖擊下，處在外側(cè)的生產(chǎn)井會對海洋環(huán)境載荷起到削弱抵抗的作用，處在內(nèi)側(cè)的生產(chǎn)井受到的載荷并沒有外側(cè)生產(chǎn)井受到的大，再加上海流的大小隨時間以及海水深度的變化而變化，因此在同一時間，處在同樣海況條件下的生產(chǎn)井，所受到的環(huán)境載荷不同，即生產(chǎn)井隔水導(dǎo)管受到的扭矩不同，因此在同一生產(chǎn)平臺，并不是所有生產(chǎn)井都發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

海上生產(chǎn)井隔水導(dǎo)管受到海流載荷的影響，由于隔水導(dǎo)管兩側(cè)海流存在差異性，進而會產(chǎn)生導(dǎo)致隔水導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)的扭矩。由于隔水導(dǎo)管底部受到海底的約束，隔水導(dǎo)管管體在不同深度處受到扶正孔、銷釘?shù)募s束，因此隔水管管體一般不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。如果扭矩過大，生產(chǎn)井隔水導(dǎo)管會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，如果銷釘被扭矩剪切破壞，旋轉(zhuǎn)幅度就會很大。

3 海生物附著隔水導(dǎo)管條件下旋轉(zhuǎn)受力分析

海上生產(chǎn)平臺在服役過程中，大量海生物會附著在生產(chǎn)井隔水導(dǎo)管表面。海生物的附著會降低平臺抵抗環(huán)境載荷的能力。在水溫23 ℃左右的熱帶、亞熱帶海域內(nèi)，牡蠣和藤壺在結(jié)構(gòu)物表面的附著速度14～20 d可以達到10 mm。對于海上生產(chǎn)井來說，海生物的附著，會加大生產(chǎn)井隔水管的外徑。在同樣的海況條件下，隔水管受到的海流力相同，由于管徑增加，扭矩會更大，防轉(zhuǎn)銷釘受到的剪切力會大大增加，這就大大增加了隔水導(dǎo)管發(fā)生旋轉(zhuǎn)的風(fēng)險。

4 案例分析

為了定量分析不同附著情況、不同海況條件下，海上生產(chǎn)井抵抗海洋環(huán)境荷載引起的扭矩的能力，根據(jù)已建立的某生產(chǎn)平臺有限元模型和環(huán)境資料進行計算分析。

該算例生產(chǎn)平臺水深為88 m，經(jīng)統(tǒng)計得知其所在海域內(nèi)重現(xiàn)期為1年、20年、50年的環(huán)境載荷數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 環(huán)境載荷Table 1 Environmental load

以?762 mm海上油氣井隔水導(dǎo)管有限元模型為例，加載50年一遇的環(huán)境載荷數(shù)值，考慮扶正孔、扶正塊對隔水導(dǎo)管側(cè)向摩阻力的作用，得出其隨深度變化的剪力值，如圖4所示。

圖4 隔水導(dǎo)管隨深度變化的剪力值Fig.4 Shear stress of riser with the variation of depth

?762 mm生產(chǎn)井隔水導(dǎo)管在50年一遇的環(huán)境載荷作用下，最大的剪力為38 521 N，在最大扭力下，銷釘?shù)募羟袘?yīng)力為

式中，τ為隔水導(dǎo)管防轉(zhuǎn)銷釘橫截面受到的剪切應(yīng)力，MPa；F為隔水導(dǎo)管防轉(zhuǎn)銷釘橫截面受到的剪力，MN；A為防轉(zhuǎn)銷釘橫截面積，m2。

?762 mm隔水導(dǎo)管在50年一遇的海況條件下，防轉(zhuǎn)銷釘剪切應(yīng)力小于銷釘?shù)募羟性S用應(yīng)力151 MPa，因此不考慮海生物影響條件下隔水導(dǎo)管連接處的銷釘會發(fā)生剪切破壞。

根據(jù)已建立的有限元模型和收集到的環(huán)境載荷，對?508 mm、?609.6 mm、?660.4 mm和?762 mm的生產(chǎn)井隔水導(dǎo)管進行銷釘剪切應(yīng)力的計算，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同尺寸隔水導(dǎo)管銷釘隨海況變化的剪切應(yīng)力值Fig.5 Shear stress of riser pin of different sizes with the variation of sea conditions

分別對1年、20年、50年一遇的海況進行了計算，由計算結(jié)果可知，?762 mm、?660.4 mm、?609.6 mm隔水導(dǎo)管的銷釘在正常海況條件下比較安全，不會發(fā)生剪切斷裂。?508 mm隔水導(dǎo)管銷釘在50年一遇的海況條件下，會發(fā)生剪切斷裂。建議采用許用剪切強度較高的銷釘進行固定。

為考慮在海生物附著情況下，生產(chǎn)井隔水導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)趨勢的增加，根據(jù)已建有限元模型和收集到的環(huán)境載荷，對海生物不同附著厚度的生產(chǎn)井隔水導(dǎo)管進行扭矩計算，其中海生物附著厚度按照隔水導(dǎo)管增加的厚度百分率來處理。計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同海生物附著程度的隔水導(dǎo)管扭矩變化Fig.6 Variation of the torque of the riser with different attachment degrees of marine organism

由圖6可知，隨海生物附著程度增加，生產(chǎn)井隔水導(dǎo)管在同樣的海洋環(huán)境載荷下，受到的扭矩會越來越大，會導(dǎo)致生產(chǎn)井隔水導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)，甚至使隔水導(dǎo)管連接處的銷釘發(fā)生剪切破壞。

5 結(jié)論

（1）海上油氣井的隔水導(dǎo)管在海流環(huán)境載荷作用下會產(chǎn)生扭矩，具有發(fā)生井口旋轉(zhuǎn)的趨勢。隔水導(dǎo)管上的銷釘可以阻止隔水導(dǎo)管發(fā)生旋轉(zhuǎn)。如果環(huán)境載荷引起的扭矩過大，使得作用在隔水導(dǎo)管銷釘上的載荷大于其極限值，隔水導(dǎo)管會發(fā)生較大幅度的旋轉(zhuǎn)，進而使得井口發(fā)生旋轉(zhuǎn)，給油氣井生產(chǎn)帶來安全隱患。

（2）在同樣的海洋環(huán)境載荷沖擊下，處在外側(cè)的生產(chǎn)井會對海洋環(huán)境載荷起到削弱抵抗作用，再加上海流的大小隨時間以及海水深度的變化而變化，因此在同一時間處在同樣海況條件下不同位置的生產(chǎn)井，所受到的環(huán)境載荷不同，在同一個生產(chǎn)平臺上，并不是所有生產(chǎn)井都發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

（3）隨海生物附著程度增加，生產(chǎn)井隔水導(dǎo)管在同樣的海洋環(huán)境載荷下，受到的扭矩會越來越大，如果不抑制海生物的附著，扭矩的增加會導(dǎo)致生產(chǎn)井隔水導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)。

（4）可以通過增加銷釘?shù)臄?shù)量和使用高剪切強度的銷釘，來防止隔水導(dǎo)管的旋轉(zhuǎn)，并且可通過抑制海生物的附著來減小隔水導(dǎo)管的扭矩。