探井隔水導管在臺風期間力學影響研究

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(1. 中海石油(中國)有限公司 上海分公司，上海 200335； 2.中國石油大學(北京) 海洋工程研究院，北京 102249)

隔水導管是近海油氣勘探開發(fā)使用最廣泛的裝備，在海洋油氣安全開發(fā)中扮演重要的角色[1]。隔水導管需要在惡劣的海況環(huán)境下作業(yè)，如果遇到超強臺風，可能會引發(fā)井口失穩(wěn)，造成嚴重的作業(yè)事故[2]。例如，海洋石油942平臺在某氣田延長作業(yè)時，曾出現(xiàn)隔水導管發(fā)生旋轉、偏移的復雜情況。

探井延長測試一般需要持續(xù)數(shù)月，時間跨度長。對于探井隔水導管而言，隔水導管穩(wěn)定性是保證延長測試安全生產的重要環(huán)節(jié)[3]。隔水導管軸向受力主要來自于頂部集中載荷、張緊器上提力；橫向載荷主要來自于海風、波浪力與海流力等[4]。當遭遇超強臺風時，在軸向、橫向載荷的綜合作用下，隔水導管的橫向位移增大，等效應力增加，使得隔水導管產生失穩(wěn)風險增大[5]。

雖然國內外對隔水導管與載荷相互作用關系進行了較多研究，取得了不少的成果[4-8]。但只從理論角度對隔水導管進行力學分析，對準確預測隔水導管現(xiàn)場作業(yè)工況下的受力還有一定難度，尤其是在臺風極限工況下，隔水導管受力情況沒有定性或定量的研究，僅停留在數(shù)值模擬和室內試驗研究階段[9]。因此，有必要開展現(xiàn)場試驗，研究在臺風極限工況下，對隔水導管強度的影響，為海上探井作業(yè)提供技術支撐和實踐基礎。

1 試驗原理與裝置

1.1 試驗原理

圖1 探井隔水導管及井口的受力示意

隔水導管在工作過程中承受的主要載荷有頂部集中載荷、張緊上提力、橫向的波浪力與海流力等。在隔水導管管柱上取微元段dx，內力符號Q和M分別為管柱的剪力和彎矩，如圖2所示。

圖2 微元段力學分析

微元段的力矩平衡關系可得到延長測試工況下隔水導管受力模型。

(1)

式中:ECIC(x)為表層導管抗彎剛度，kN·m；DC(x)為套管柱外徑，m；N(x)為沿x方向變化的軸向力，kN ；p(x,y)為單位面積上的地基反力,kPa；q(x)為單位長度上的分布載荷，kN。

1.2 應力監(jiān)測系統(tǒng)和不間斷電源系統(tǒng)(UPS)

在國內外管柱試驗分析的基礎上，本次試驗設計了一套應力采集系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)包括應變采集儀(如圖4)、應變傳感器(如圖5)、工業(yè)便攜機、防爆柵、數(shù)據(jù)線等。

UPS系統(tǒng)主要由穩(wěn)壓器、儲能器、免維護蓄電池組成，可以提供應力采集系統(tǒng)15 d的電力供應。

應力采集系統(tǒng)將應變采集儀和水文采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接到工業(yè)便攜機進行數(shù)據(jù)處理。隔水導管在外載荷作用下產生應變，該應變被貼在隔水導管外壁的應變片捕捉，并通過電纜傳遞給應變采集儀，最后將數(shù)據(jù)在工業(yè)便攜機進行處理，從而得到外載荷施加給管柱的真實應變值。

1.3 隔水導管模型試驗

選取在海上作業(yè)的海洋石油942平臺為試驗場地；選取的管柱為現(xiàn)場生產作業(yè)的隔水導管。經過現(xiàn)場勘查，隔水導管受力情況采用探井分析常用模型，模型參數(shù)如表1。

圖3 應力采集系統(tǒng)工作原理

圖4 應力采集儀

圖5 應變傳感器

表1 模型參數(shù)

2 試驗步驟

本試驗只測定隔水導管管柱表面的應變。

2.1 應變片粘貼方案

為得到管柱不同位置處的應變值，選取管柱頂部L/20處截面作為貼片位置，每個截面環(huán)向間隔90°選取4個點作為貼片位置，應變片粘貼整體方案如圖6。測點采用半橋式應變片連接方式，可忽略溫度變化的影響[10]。

圖6 應變片粘貼整體方案

2.2 試驗步驟

1) 根據(jù)井口情況，選擇應變采集位置。

2) 粘貼應變片，現(xiàn)場布置應力采集系統(tǒng)。

3) 調試應變采集系統(tǒng)，保證系統(tǒng)正常運行。

4) 水文采集器實時記錄平臺環(huán)境載荷數(shù)據(jù)。

5) 臺風期間進行全周期采集，記錄不同環(huán)境載荷工況下的應變數(shù)據(jù)。

6) 在特定環(huán)境載荷下，記錄不同張緊力下的應變數(shù)據(jù)。

3 試驗結果

3.1 不同環(huán)境載荷下管柱應力分析

該試驗采集了“泰利”臺風前期、臺風期、臺風后期的隔水導管在極限工況下的應變情況，臺風期間隔水導管井口受力條件不變，為試驗結果準確性提供了良好的基礎。應變采集系統(tǒng)安裝完成后，各個測點應變傳感器均在臺風前24 h進行測量。試驗選取了風速為11、18、25、35 m/s 4種環(huán)境載荷下的應變數(shù)據(jù)，并與理論計算結果進行對比。

4種不同環(huán)境載荷下應變值如表2。管柱采集應力與理論計算對比曲線如圖7。

由圖7可知，臺風期間隨著風浪流載荷增大，隔水導管管柱應變變大；當臺風最大風速達到35 m/s時，隔水導管受到應力達到最大值。經過對比監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)可知，精確度達到98%。

表2 4種環(huán)境載荷下隔水導管應變數(shù)據(jù)

3.2 不同張緊力下管柱應力分析

該試驗選取的環(huán)境載荷為風速25 m/s工況，考慮800、1 300、1 700、2 000、2 300 kN 5種頂部張力，得到了不同張緊力工況下隔水導管的應變受力情況，并與理論分析進行對比，如表3。

由表3可知，隔水導管的應變隨著頂部張緊力的增大而減小。在遇到臺風期間時，應及時適當增加張緊力上提力，減少隔水導管的受力和橫向偏移。

表3 5種張緊力下的應變數(shù)據(jù)

4 結論

1) 把環(huán)境載荷作為隔水導管橫向受力的重要組成部分，進行管柱力學研究，結論與南海、中國海上眾多隔水導管試驗受力結果相吻合，對隔水導管安全生產作業(yè)有一定的借鑒和指導意義。

2) 臺風期間，必須要對采集設備進行固定，以免造成損壞，影響數(shù)據(jù)采集工作。同時對應變采集儀進行調零，避免造成數(shù)據(jù)誤差。

3) 試驗結果表明，隔水導管實際受力與理論受力較為吻合，說明試驗方案合理，可為隔水導管受力分析提供理論支撐。