深水鉆井隔水管信息化管理研究與應(yīng)用

劉宗鑫

摘 要：鉆井隔水管是整個海洋鉆井裝備中重要而又薄弱的環(huán)節(jié)?？紤]隔水管運(yùn)動和波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動，采用理論分析的方法對隔水管進(jìn)行了頻域隨機(jī)振動分析。采用軟件對進(jìn)行了海洋鉆井隔水管的動力分析，研究隔水管彎曲應(yīng)力的影響因素，指出長隔水管受鉆井船運(yùn)動尤其是慢漂運(yùn)動的影響大于波浪載荷。采用泛函變分法導(dǎo)出了隔水管的振動微分方程，采用模態(tài)分析方法確定了動力響應(yīng)的通式，得到了研究指出，對于深水鉆井隔水管而言，鉆井船運(yùn)動是首要的動載荷，而波浪僅僅對隔水管局部產(chǎn)生作用。

關(guān)鍵詞：隔水管鉆井；系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)；信息化管理；應(yīng)用

隔水管鉆井需要進(jìn)行隔水管的下放、脫離、懸掛和回收等一系列關(guān)鍵作業(yè)。深水隔水管鉆井需要更多的隔水管下放和回收時間和高昂的費(fèi)用，一旦失效其后果也會更加嚴(yán)重。隨著海洋鉆井向更深的水域進(jìn)軍，鉆井隔水管的分析、設(shè)計(jì)和作業(yè)管理技術(shù)越來越受到人們的重視。目前國內(nèi)對隔水管系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)大多依賴通用的軟件，國外已有一些鉆井隔水管的專用分析軟件，但都難以實(shí)現(xiàn)深水鉆井隔水管作業(yè)的信息化管理。對隔水管系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)簡化，建立隔水管系統(tǒng)有限元模型，得到隔水管系統(tǒng)的靜態(tài)有限元平衡方程和動態(tài)有限元平衡方程。探討平衡方程中剛度矩陣、質(zhì)量矩陣、載荷矩陣和收斂準(zhǔn)則的確定方法，研究非線性有限元方程的求解方法，進(jìn)行隔水管系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，頂張力設(shè)計(jì)方法和作業(yè)窗口確定方法的研究。

一、隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

深水鉆井隔水管的設(shè)計(jì)主要依據(jù)規(guī)范進(jìn)行，該規(guī)范對隔水管設(shè)計(jì)的最大等效應(yīng)力和部撓性接頭轉(zhuǎn)角做出了限制，在靜水壓潰、疲勞破壞、橢圓度等方面則沒有提供相應(yīng)準(zhǔn)則。詳細(xì)的隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以同時參考其它的相關(guān)規(guī)范來進(jìn)行。深海環(huán)境惡劣，鉆井隔水管事故時有發(fā)生，給海洋鉆井帶來巨大的損失。隨著鉆井活動向深水進(jìn)軍，隔水管系統(tǒng)在作業(yè)過程中的受力越來越復(fù)雜，人們對于隔水管系統(tǒng)作業(yè)分析研究的要求無論是在分析周期、分析手段、數(shù)據(jù)量、實(shí)時性還是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等方面都提出了越來越高的標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，使用一個信息化的管理系統(tǒng)來科學(xué)的對大量信息進(jìn)行監(jiān)測、維護(hù)和管理，同時又有效地利用這些有用的信息來指導(dǎo)作業(yè)過程是很有必要的。信息化管理技術(shù)是一門以計(jì)算機(jī)為核心的智能化管理技術(shù)，近年來，隨著計(jì)算機(jī)及其軟件系統(tǒng)性能的提升，信息化管理技術(shù)在生產(chǎn)和生活中各個領(lǐng)域的作用越來越明顯。進(jìn)行深水鉆井隔水管作業(yè)信息化管理技術(shù)研究，開發(fā)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)用于進(jìn)行隔水管作業(yè)的信息化管理對于保障深水隔水管。

隔水管系統(tǒng)分析主要包括隔水管的靜態(tài)分析、動態(tài)分析、波致疲勞分析、渦激振動與渦激疲勞分析、懸掛分析、弱點(diǎn)分析和鉆井船漫漂分析等。設(shè)計(jì)首先進(jìn)行脫離模式懸掛分析，通過不同浮力系數(shù)下動態(tài)張力的安全裕量確定最佳的浮力系數(shù)。然后進(jìn)行鉆井作業(yè)模式分析，通過正常鉆井作業(yè)模式下隔水管系統(tǒng)每一部分的應(yīng)力來進(jìn)行隔水管壁厚的調(diào)整和優(yōu)化。隔水管壁厚調(diào)整以后，須根據(jù)新的隔水管參數(shù)重新計(jì)算最佳浮力系數(shù)。初步設(shè)計(jì)完成后需要進(jìn)行頂部張力和接頭強(qiáng)度的校核，最后進(jìn)行動態(tài)分析和驗(yàn)證。

二、基于隔水管仿真隔水管系統(tǒng)監(jiān)測

隔水管監(jiān)測裝置包括響應(yīng)監(jiān)測裝置和應(yīng)變監(jiān)測裝置。響應(yīng)監(jiān)測大量使用單機(jī)數(shù)據(jù)記錄儀，采用低能耗元件及智能電源管理電路，將數(shù)據(jù)測量、采集、存儲等功能集成在一個密封管材中，一般可兼容多種傳感器，如傾角儀、角速度傳感器、加速度儀、壓力計(jì)、溫度傳感器、線性位移計(jì)以及張力載荷傳感器等。應(yīng)變監(jiān)測裝置可方便記錄特定位置的應(yīng)變時間歷程，能夠用于結(jié)構(gòu)疲勞的計(jì)算，代表性的應(yīng)變監(jiān)測裝置有應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、水下應(yīng)變傳感器、光纖應(yīng)變測量系統(tǒng)等。包括柔性軟管、隔水管、電纜、管道和空間框架結(jié)構(gòu)。能夠進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)時域的分析、模態(tài)分析和頻域分析，適合于處理大位移小應(yīng)變問題?？梢詫?shí)現(xiàn)三維的平移和旋轉(zhuǎn)，預(yù)測隔水管之間的干涉，模擬熱、壓力和段塞流載荷，能仿真由錨系裝置失效引起的垂直位移。鉆井隔水管作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境中的風(fēng)、波浪、海流、溫度、地震等都會引起一定的載荷，這些載荷可根據(jù)結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)環(huán)境條件進(jìn)行計(jì)算。海洋鉆井隔水管主要部分位于水下，風(fēng)載荷的直接影響不大，設(shè)計(jì)時主要考慮的環(huán)境載荷為海流載荷和波浪載荷。另外，風(fēng)、波浪、海流以及鉆井船的動力定位系統(tǒng)精度都會引起鉆井平臺的運(yùn)動，平臺運(yùn)動以動態(tài)邊界的形式作用于隔水管，從而引起較大的動態(tài)應(yīng)力。

隔水管內(nèi)充滿鉆井液不考慮鉆柱對隔水管的影響；通過相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，考慮浮力塊、附屬管線等的影響。隔水管系統(tǒng)受到動態(tài)載荷作用時，結(jié)構(gòu)的位移將隨時間變化，因而速度、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變也均與時間有關(guān)。隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段常常需要進(jìn)行動力響應(yīng)分析確定其在波浪、海流等外力作用下的運(yùn)動、變形以及應(yīng)力狀況等。動力響應(yīng)分析可在時域內(nèi)進(jìn)行也可在頻域內(nèi)進(jìn)行。頻域分析基于線性疊加原理，故限于在線性系統(tǒng)中應(yīng)用。時域分析可考慮各種非線性因素計(jì)算瞬態(tài)的動力響應(yīng)。

建立隔水管系統(tǒng)有限元模型，得到隔水管系統(tǒng)的靜態(tài)有限元平衡方程和動態(tài)有限元平衡方程。深水鉆井隔水管作業(yè)信息化管理離不開隔水管系統(tǒng)的有限元分析技術(shù)、深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)和深水鉆井隔水管作業(yè)監(jiān)測與指導(dǎo)技術(shù)，前面的章節(jié)分別針對三個方面的內(nèi)容展開了研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了深水鉆井隔水管有限元分析軟件、深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件和深水鉆井隔水管作業(yè)監(jiān)測指導(dǎo)軟件。三套軟件相輔相成，隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)和作業(yè)指導(dǎo)是有限元分析的最終目標(biāo)，有限元分析則為隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)和作業(yè)指導(dǎo)提供關(guān)鍵的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。三套軟件的相互協(xié)作構(gòu)成深水鉆井隔水管作業(yè)信息化管理系統(tǒng)。深水鉆井隔水管作業(yè)信息化管理系統(tǒng)的整體工作流程如圖所示。

深水鉆井隔水管作業(yè)信息化管理系統(tǒng)的工作流程

深水鉆井隔水管系統(tǒng)有限元分析軟件通過隔水管系統(tǒng)響應(yīng)的預(yù)測，給出實(shí)時監(jiān)測無法獲得的關(guān)鍵信息，為隔水深水鉆井管系統(tǒng)的信息化管理提供保障；深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件提供信息豐富的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)隔水管系統(tǒng)配置和頂張力優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，實(shí)現(xiàn)信息化管理對信息量的要求；深水鉆井隔水管作業(yè)監(jiān)測指導(dǎo)軟件收集隔水管系統(tǒng)作業(yè)的參數(shù)信息，滿足信息化管理對實(shí)時性的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王宏安.深水鉆井隔水管系統(tǒng)分析軟件開發(fā)及應(yīng)用[D]. 中國石油大學(xué)，2008.

[2]Sexton R M，Agbezuge L K.Random Wave and Vessel Motion Effects on Drilling Riser Dynamics. IADC/SPE Drilling Conference . 1976.

[3] 趙建亭，薛穎，潘云，程峰.浮式鉆井裝置隔水管張緊系統(tǒng)研究[J]. 上海造船. 2010（04）