隔水導(dǎo)管腐蝕工況下靜力學(xué)穩(wěn)定性研究

張慶華，陳鵬飛，黃毓祥，魏裕森

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

南海東部油氣田經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)，在復(fù)雜海洋環(huán)境與應(yīng)力腐蝕等多重因素作用下，部分隔水導(dǎo)管出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕的情況，井筒完整性存在失效風(fēng)險(xiǎn)。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)看，隔水導(dǎo)管腐蝕包括有效壁厚變薄、接箍處腐蝕開(kāi)裂、隔水導(dǎo)管穿孔破損、潮差區(qū)均勻腐蝕、點(diǎn)蝕與坑蝕、咬痕或劃傷、全浸區(qū)海生物腐蝕等類(lèi)型，涉及隔水導(dǎo)管作業(yè)各個(gè)階段以及隔水導(dǎo)管各個(gè)部位。隔水導(dǎo)管作為建立井口、支撐井口與后續(xù)套管質(zhì)量及防噴器組質(zhì)量的關(guān)鍵部件，其承載能力關(guān)系油氣井全生命周期內(nèi)的井筒安全。本文選取南海東部油氣田某平臺(tái)隔水導(dǎo)管，結(jié)合實(shí)際工況與平臺(tái)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件[1，2]，從靜力學(xué)角度分析腐蝕狀態(tài)下隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性情況，為后期隔水導(dǎo)管修復(fù)或更換決策提供理論支撐。

1 物理模型

隔水導(dǎo)管處于海洋環(huán)境中，受到的載荷主要包括自重、頂部井口載荷、風(fēng)載、海流載荷、海浪載荷等。由于南海東部平臺(tái)所處海域水深較深，生產(chǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)中，沿隔水導(dǎo)管間隔一定距離安裝有導(dǎo)向槽，以增強(qiáng)隔水導(dǎo)管的穩(wěn)定性（見(jiàn)圖1）。

導(dǎo)向槽在計(jì)算中采用以下假設(shè)處理：

（1）導(dǎo)向槽為固定構(gòu)件，為隔水導(dǎo)管提供穩(wěn)定的橫向支撐；

（2）入泥段隔水導(dǎo)管可視為固定端。

該平臺(tái)作業(yè)水深145 m，隔水導(dǎo)管采用錘入式下入，入泥深度在90 m～99 m，隔水導(dǎo)管頂部標(biāo)高EL（+）22.70 m，1#導(dǎo)向孔標(biāo)高EL（+）6.10 m；2#導(dǎo)向孔標(biāo)高EL（-）14.02 m；3# 導(dǎo)向孔標(biāo)高 EL（-）35.97 m；4# 導(dǎo)向孔標(biāo)高 EL（-）59.74 m；5#導(dǎo)向孔標(biāo)高 EL（-）89.00 m；6#導(dǎo)向孔標(biāo)高 EL（-）118.87 m。

2 有限元模型

該平臺(tái)采用24″隔水導(dǎo)管，壁厚1″，鋼級(jí)為X52，其最小屈服強(qiáng)度為356 MPa。對(duì)隔水導(dǎo)管進(jìn)行承受風(fēng)浪流載荷作用下的結(jié)構(gòu)計(jì)算[3-10]，具體工況（見(jiàn)表1）。

表1 風(fēng)、浪、流工況

有限元模型按如下三種類(lèi)型建立：

（1）新隔水導(dǎo)管受力分析：隔水導(dǎo)管無(wú)腐蝕情況下受力分析。

（2）均勻腐蝕工況下隔水導(dǎo)管受力分析：泥面以上隔水導(dǎo)管整體均勻腐蝕，統(tǒng)一給定隔水導(dǎo)管腐蝕比例。

圖1 某油田隔水導(dǎo)管物理模型

（3）飛濺區(qū)加速腐蝕工況下隔水導(dǎo)管受力分析：考慮飛濺區(qū)腐蝕程度較高，先給定非飛濺區(qū)一個(gè)腐蝕比例，然后逐步加大飛濺區(qū)的腐蝕比例到一定數(shù)值。

表2 某油田風(fēng)、浪、流情況

3 結(jié)果分析

3.1 強(qiáng)度校核

在進(jìn)行隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的靜力分析之后，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核，以保證結(jié)構(gòu)的安全，目前工程界采用許用應(yīng)力法來(lái)校核。

3.1.1 強(qiáng)度校核原則 按照中國(guó)海洋石油總公司《海上開(kāi)發(fā)井隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)和作業(yè)規(guī)范》許用應(yīng)力[11]的選?。ㄒ?jiàn)表3），其中 σs為鋼材屈服強(qiáng)度，MPa。

表3 許用應(yīng)力取值

隔水導(dǎo)管在受風(fēng)、浪、流載荷作用下，主要發(fā)生拉破壞及失穩(wěn)彎曲破壞，根據(jù)第一強(qiáng)度理論可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)中某點(diǎn)的最大拉應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)結(jié)構(gòu)就會(huì)破壞。

隔水導(dǎo)管采用X52鋼級(jí)，其最小屈服強(qiáng)度為356 MPa，所以隔水導(dǎo)管的許用應(yīng)力（見(jiàn)表4），其中工作環(huán)境許用應(yīng)力對(duì)應(yīng)的是1年期海況環(huán)境下最大許用應(yīng)力，極端環(huán)境許用應(yīng)力對(duì)應(yīng)的是100年期海況環(huán)境下最大許用應(yīng)力。當(dāng)許用應(yīng)力值與有限元受力分析所得最大等效應(yīng)力比值大于1時(shí)，可認(rèn)為隔水導(dǎo)管尚未達(dá)到失效狀態(tài)。

表4 隔水導(dǎo)管許用應(yīng)力取值

3.1.2 均勻腐蝕強(qiáng)度校核結(jié)果分析 對(duì)均勻腐蝕工況下隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的等效MISES應(yīng)力分析，并進(jìn)行強(qiáng)度校核（見(jiàn)表5）。

表5 隔水導(dǎo)管均勻腐蝕工況下強(qiáng)度校核結(jié)果

通過(guò)對(duì)隔水導(dǎo)管均勻腐蝕工況下許用值與計(jì)算值比值進(jìn)行線性回歸分析（見(jiàn)圖2），得到圖中兩個(gè)線性函數(shù)，當(dāng)許用值與計(jì)算值比值為1時(shí)，1年期海況與100年期海況對(duì)應(yīng)的隔水導(dǎo)管腐蝕比例分別為77.16%和75.99%。分析結(jié)果表明，該平臺(tái)在井口載荷為200 t工況下，受到1年期或100年期海況條件基礎(chǔ)上，當(dāng)隔水導(dǎo)管腐蝕比例不超過(guò)75.99%情況下，隔水導(dǎo)管強(qiáng)度依然滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.3 飛濺區(qū)加速腐蝕強(qiáng)度校核結(jié)果分析 在隔水導(dǎo)管飛濺區(qū)腐蝕比例相同的情況下，將飛濺區(qū)加速腐蝕工況下隔水導(dǎo)管最大等效應(yīng)力與均勻腐蝕工況下隔水導(dǎo)管最大等效應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，均勻腐蝕工況下隔水導(dǎo)管最大等效應(yīng)力比飛濺區(qū)加速腐蝕工況下隔水導(dǎo)管最大等效應(yīng)力要偏大一些且差距較小，故對(duì)腐蝕的隔水導(dǎo)管進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，可用均勻腐蝕工況下隔水導(dǎo)管強(qiáng)度校核結(jié)果替代飛濺區(qū)加速腐蝕工況下隔水導(dǎo)管強(qiáng)度校核結(jié)果（見(jiàn)表6，表7）。

3.2 穩(wěn)定性校核

3.2.1 穩(wěn)定性校核原則 圓管形構(gòu)件在軸向力和彎矩聯(lián)合作用時(shí)，穩(wěn)定性校核的公式為[12]：

式中：σ-彎曲應(yīng)力，MPa；N-計(jì)算截面的軸向力，N；Mx、My-計(jì)算截面分別繞X及Y軸的彎矩，N·mm；A-圓管的截面面積，mm2；W-圓管截面的剖面模數(shù)，mm3；[σc]-穩(wěn)定性許用應(yīng)力，MPa，取值為 Φσs；Φ-整體穩(wěn)定系數(shù)，對(duì)于圓管構(gòu)件，則由下式?jīng)Q定：當(dāng)其中，l-圓管長(zhǎng)度，定位節(jié)點(diǎn)中心間距離，mm；D-圓管直徑，mm；E-彈性模量，MPa。

圖2 隔水導(dǎo)管均勻腐蝕工況下許用值與計(jì)算值比值

表6 飛濺區(qū)加速腐蝕最大等效應(yīng)力匯總（1年期海況）

表7 飛濺區(qū)加速腐蝕最大等效應(yīng)力匯總（100年期海況）

3.2.2 穩(wěn)定性校核結(jié)果分析 根據(jù)穩(wěn)定性校核公式，計(jì)算出彎曲應(yīng)力，通過(guò)許用應(yīng)力與彎曲應(yīng)力比值獲得穩(wěn)定性校核系數(shù)。隔水導(dǎo)管在100年期海況的均勻腐蝕工況下，穩(wěn)定性系數(shù)與強(qiáng)度系數(shù)比值大于1，應(yīng)用數(shù)值較低的強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行隔水導(dǎo)管校核。隔水導(dǎo)管在1年期海況的均勻腐蝕工況下，隔水導(dǎo)管腐蝕比例不超過(guò)60%時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)與強(qiáng)度系數(shù)比值小于1，應(yīng)用數(shù)值較低的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行隔水導(dǎo)管校核；當(dāng)隔水導(dǎo)管腐蝕比例超過(guò)60%時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)與強(qiáng)度系數(shù)比值大于1，應(yīng)用數(shù)值較低的強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行隔水導(dǎo)管校核（見(jiàn)表 8）。

考慮到隔水導(dǎo)管腐蝕比例不超過(guò)60%，在1年期與100年期海況條件下，其強(qiáng)度系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù)皆符合標(biāo)準(zhǔn)要求，故均勻腐蝕情況下，只需考慮隔水導(dǎo)管腐蝕比例超過(guò)60%時(shí)，數(shù)值較低的強(qiáng)度系數(shù)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（見(jiàn)圖3）。

4 總結(jié)

（1）隔水導(dǎo)管強(qiáng)度校核表明，從靜力學(xué)角度考慮，該平臺(tái)在最大井口載荷為200 t工況下，受到1年期或100年期海況條件時(shí)，當(dāng)隔水導(dǎo)管腐蝕比例不超過(guò)75.99%，隔水導(dǎo)管強(qiáng)度依然滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）由于均勻腐蝕工況下隔水導(dǎo)管最大等效應(yīng)力比飛濺區(qū)加速腐蝕工況下隔水導(dǎo)管最大等效應(yīng)力要偏大一些且差距較小，故可用均勻腐蝕工況下隔水導(dǎo)管強(qiáng)度校核結(jié)果替代飛濺區(qū)加速腐蝕工況下隔水導(dǎo)管強(qiáng)度校核結(jié)果。

表8 均勻腐蝕工況下穩(wěn)定性校核

圖3 均勻腐蝕工況下穩(wěn)定性校核系數(shù)與強(qiáng)度校核系數(shù)比值

（3）穩(wěn)定性校核系數(shù)在腐蝕比例超過(guò)60%時(shí)，穩(wěn)定性校核系數(shù)與強(qiáng)度校核系數(shù)的比值大于1，應(yīng)用數(shù)值較低的強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行隔水導(dǎo)管校核，故可采用強(qiáng)度校核結(jié)果核算隔水導(dǎo)管失穩(wěn)時(shí)腐蝕程度節(jié)點(diǎn)。

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