受迫振動對深水浮式鉆井平臺避臺期間隔水導管的影響及探討

姜 偉，浦洪彬，王 蓉，王 屹，楊立琨，陳德林，劉賢權

(1. 上海海洋工程裝備制造業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，上海 201306； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

由于海洋惡劣的氣候和環(huán)境條件，深水鉆井具有高科技、高投入和高風險的特點。20世紀80年代中期后，外國公司開始逐步在南中國海使用半潛式鉆井平臺進行深水鉆井，在南海鉆探作業(yè)最大水深已達1 900 m。但由于深水鉆井投資巨大、南海海況和氣象條件惡劣，從1987年到2012年，外國公司在南中國海僅鉆了8口深水井[1]。

由于南海惡劣海洋環(huán)境條件，特別是南海的臺風，威脅鉆井平臺和鉆井作業(yè)的安全。因此研究浮式鉆井平臺在惡劣海況環(huán)境條件下的運動規(guī)律和特點，探究南海深水鉆井安全應對措施具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 研究背景

在海上鉆井如遇臺風，通常有兩種應對措施： 如果時間充足，則可以將鉆井隔水管全部起出，再避臺風；如果時間倉促，那就將鉆井隔水導管從水下防噴器解脫，或從上部水下連接器(LMRP)解脫，并盡可能地取出部分鉆井隔水導管，根據(jù)情況采取軟懸掛或者硬懸掛兩種不同方式，鉆井平臺盡快駛離臺風區(qū)避臺。

通常情況下我們遇到的問題是： 臺風期間，由于受到風浪作用，無論采用哪種懸掛方式，懸掛的鉆井隔水導管都很不安全，甚至危及平臺的安全。2006年8月，在南海鉆井作業(yè)的Disxx 5XX半潛式鉆井平臺，遇到臺風派比安的襲擊，導致受損就是一個非常典型的案例。由于臺風致使1 000多米導管斷成五節(jié)，鉆井隔水導管及水下防噴器一起落海，直接經(jīng)濟損失達數(shù)千萬美元。

造成這類問題的原因是什么？今后應如何防范和避免？我們希望探索其中的問題所在，以便為今后的深水鉆井作業(yè)提供安全保障，盡量避免經(jīng)濟損失和不良影響。

2 鉆井隔水導管振動動方程的建立

在避臺風期間，因惡劣海況的影響，深水浮式鉆井平臺懸掛狀態(tài)的鉆井隔水導管容易受到損壞，因此為了便于研究此間的鉆井隔水導管的問題，我們首先沿鉆井隔水導管軸線方向建立坐標系，并且做如下假設：

(1) 鉆井隔水導管管串質量均質分布，重量為W，質量為m。

(2) 考慮到平臺在避臺風時，通常情況下由于風速和航向的問題，航速非常緩慢，忽略水平方向的風載和流載對深水隔水導管的影響。

(3) 在水中的浮體六個自由度，為了簡化問題，我們把波面方程x=hsin(Pt)的干擾作用引起的豎直方向運動影響作為主要影響因素來考慮，忽略其他因素的影響。因此，以升沉運動作為鉆井隔水導管運動的主要制約因素，為說明豎直方向運動的影響，不再考慮隔水導管與平臺間由于縱、橫蕩和縱、橫搖的振動耦合。

(4) 設深水浮式鉆井平臺的隔水導管在懸掛狀態(tài)下，還受到具有剛度系數(shù)K的彈簧力的作用，因此我們將浮式鉆井平臺及其隔水導管的運動簡化成為受到干擾力幅hsin(Pt)和剛度系數(shù)K作用下的受迫振動模型[1]。如圖1所示：

圖1 浮式鉆井平臺受迫振動模型

波高x1=hsin(Pt),彈簧K下的隔水導管管串重量為W，隔水管質點O為原點，X軸向下為正方向，在任意時刻，作用在質點的力有重力和彈簧力。

設彈簧的伸長量為：λ=x+λs-x1

式中：λs為彈簧的凈伸長；

當彈簧伸長為λ時，產(chǎn)生的力為

W=cλ=c(x+λs-x1)

(1)

式中：c為彈簧的剛度系數(shù)。

質點運動的微分方程：

(2)

(3)

(4)

雖然這是一個非齊次的一個方程，設它的解為x=x1+x2

當方程(4)右邊為零時，我們得到齊次方程，特征方程的解可以設為

x1=c1cos(kt)+c2sin(kt)

(5)

由此得到自由振動方程的解：

x1=Asin(kt+β)

(6)

當t=0,x0=Asinβ時

(7)

有V0=Akcosβ

(8)

(9)

其固有頻率和周期：

(10)

(11)

(12)

(13)

將式(6)、式(8)和式(16)代入通解：x=x1+x2

(14)

3 鉆井隔水導管避臺作業(yè)狀態(tài)分析

當浮式鉆井平臺在避臺風時，對隔水導管的處置通常有以下幾種方法。

最理想的狀態(tài)： 時間允許，可將隔水導管全部起出，然后再駛離臺風區(qū)避臺；在大部分情況下，臺風來得比較突然，處置隔水導管時間非常有限。鉆井平臺只能起出部分隔水導管，然后盡快駛離臺風區(qū)避臺。

起隔水導管之前，要把隔水導管與水下井口解脫，通常有兩種解脫方式： 一是從隔水導管下部連接器(lower marine riser package connector，LMRPC)處解脫，水下防噴器留在海底；二是在井口連接器(well head connector)處脫開，水下防噴器隨隔水導管一起帶走。

鉆井平臺起出部分隔水導管后，可以采取軟懸掛或者硬懸掛兩種方式(軟懸掛為用張力器懸掛隔水導管，硬懸掛為隔水導管直接坐在井口卡盤上)，將隔水導管懸掛在鉆井平臺。

【實例】2006年8月2日，外國公司的Disxx 5XX半潛式鉆井平臺在南海受到臺風派比安的影響，4:00鉆井平臺起出12根鉆井隔水導管，后因現(xiàn)場風力達到38～45 kn(19～23 m/s)，浪高2～3.6 m，遂將鉆井隔水導管(底部帶有防噴器)直接坐在轉盤上避臺，如圖2所示。

圖2 懸掛隔水導管及BOP避臺示意圖

當晚18:56，隔水導管從轉盤面下折斷，近1 200 m鉆井隔水導管和防噴器全部落海，試分析其原因。

已知條件： 該鉆井平臺所使用的隔水導管參數(shù)：OD=21 in(533.4 mm),ID=19.25 in(488.95 mm)壁厚為δ=22.23 mm，隔水導管帶浮力塊在水中每米重量為q=73 kg/m，按照Cameron公司18-3/4 in 20 K ‘EVO’水下防噴器的規(guī)范，LMRP總重量為1 500 kN，水下防噴器組總重量為3 500 kN，

解： 平臺采取的是硬懸掛隔水導管方式，因此，由文獻[2]知隔水導管有拉壓剛度K：

(15)

由文獻[3-4]可知，半潛式鉆井平臺張力器由4～6個液壓缸連接張力環(huán)，就相當于4～6個彈簧并聯(lián)使用，Discover 534鉆井平臺有兩個雙缸的張力器組成張緊系統(tǒng)，即共有4個液壓缸構成，設每個彈簧的剛度為Ki，彈簧組的等效剛度為Ke。由文獻[1]我們知道Varco-shaffer公司的120 K張力器額定動態(tài)張緊力P=534 kN，工作行程s=15.24 m，我們可由張力器懸掛的負荷P求得液壓缸的剛度[5]：

Ki=P/s

(16)

張力器系統(tǒng)的液壓缸就相當于彈簧組，對于4個液壓缸構成的彈簧組，其等效剛度[1]Ke：

Ke=4ki

(17)

此時，按照Disxx 5XX半潛式鉆井平臺，當時配備水下防噴器(LMRP+BOP)系統(tǒng)濕重為400×10 kN，估可求得隔水導管串帶水下防噴器系統(tǒng)情況下，其固有頻率和周期如表1所示

表1 懸掛模式： 張力器+隔水導管+LMRP+BOP

由表1可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 結合Disxx 5XX鉆井平臺實際情況，所配Varco-Shaffer 160 K張緊器，張緊力為530 kN，行程為15.2 m的設備情況，計算張緊器的剛度。并按水深3 000 m計算出懸掛隔水導管+隔水導管下部連接器(以下簡稱LMRP，濕重為1 000 kN)+水下防噴器(以下簡稱BOP，濕重為4 000 kN)，在水下防噴器下部井口連接器處脫開時，此時隔水導管管串實際懸掛濕重為6 790 kN。

(2) 水深在200～3 000 m時，隔水導管懸掛系統(tǒng)的固有周期為7.8～10.4 s，而南海的波浪周期[6]為8～11 s。因此，應盡量避免波浪周期頻率一致時發(fā)生諧振而造成設備損壞[7]。當水深進入380 m后，波浪周期進入8 s區(qū)域。換句話說，不宜在該水深條件下長期工作。

(3) Disxx 5XX鉆井平臺避臺風當時的實際情況[8]，水深為1 400 ～1 500 m，其固有頻率周期為9.0～9.2 s，按照此時實際懸掛的隔水導管+隔水導管下部連接器的重量至少有5 300 kN，在經(jīng)歷了近15 h臺風肆虐以后，隔水導管在轉盤面以下斷裂。可見鉆井隔水導管系統(tǒng)+LMRP+BOP，以5 300 kN的負荷、固有頻率周期與該海域的波浪周期發(fā)生諧振[6]，所產(chǎn)生的巨大能量對隔水導管造成致命損壞。

如果假設從隔水管下部連接器LMRP處脫開，這樣就將3 000 kN的水下防噴器留在了海底泥線，其他條件都不變，同樣計算得到結果如表2所示。

表2 懸掛模式： 隔水導管+LMRP

由表2可知：

(1) 計算條件與表1完全相同，但隔水導管管串在隔水導管底部的下連接器MLRP處脫開，即水下防噴器留在海底的水下井口處，此時按照LMRP脫開時，水深3 000 m，懸掛隔水導管+隔水導管下部連接器，此時隔水導管管串懸掛的全部實際濕重為3 790 kN。

(2) 水深在200～3 000 m時，隔水導管懸掛系統(tǒng)的固有周期為4.2～7.8 s，如果隔水導管管串在LMRP處解脫，則管串系統(tǒng)的固有頻率周期離開了8～11 s這個范圍，從避免諧振的角度出發(fā),這個管串是安全的。

(3) 回顧Disxx 5XX鉆井平臺避臺風當時的實際情況，水深為1 400～1 500 m，此時實際懸掛的隔水導管+隔水導管下部連接器(LMRP)，波浪周期為5.9～6.0 s，這個頻率范圍可以避諧振，同時也避免了對隔水導管的損壞。

4 結 語

(1) 深水浮式鉆井平臺在避臺風和航渡期間，由于受到波浪運動的作用，浮式鉆井平臺和所懸掛的隔水導管系統(tǒng)的運動特性可以視為受波浪運動干擾的受迫振動問題來考慮。利用本文的研究方法，只須根據(jù)現(xiàn)場海況的波浪周期、懸掛的隔水導管管串等實際情況和參數(shù)，就可以迅速確定合理的懸掛重量、解脫方式和解脫位置，為平臺避臺風提供正確決策方式和安全保障。

(2) 深水浮式鉆井平臺在避臺風期間，為了有效地避免隔水導管系統(tǒng)和水下防噴器在避臺期間受損，應盡量避免管串的固有頻率周期與作業(yè)海域的波浪周期相同而發(fā)生諧振。

(3) 就本文的實例分析情況而言，避臺時，選擇隔水導管從LMRP處解脫開，不但快捷，也有利于隔水導管和平臺的安全。

(4) 深水浮式鉆井平臺在避臺時，現(xiàn)場的風力、海流、波浪周期等氣象條件和環(huán)境參數(shù)對于分析平臺運動和隔水導管的動力響應尤為重要，但由于當時現(xiàn)場受各種條件的限制，這部分數(shù)據(jù)我們通常無法準確獲取，今后需要完善這部分的工作。

(5) 由于影響深水浮式鉆井平臺隔水導管系統(tǒng)安全的因素很多，本文由于忽略了平臺縱、橫蕩和縱、橫搖等因素對隔水管系統(tǒng)的影響，以及平臺水平方向的運動、水平方向的風載和流載的影響，本文主要就豎直向的升沉運動對避臺期間隔水導管的影響，結合南海Disxx 5XX鉆井平臺的實際情況，做了一個初步的探索，研究結果有一定的局限性，今后還需要進一步對多種影響因素展開深入探討。

本文旨在為鉆井平臺在現(xiàn)場避臺期間，迅速、合理地選擇作業(yè)方式，盡量避免和減少鉆井設備的損壞和影響，保障人員和設備安全，提供一種簡便的分析和計算方法，并提供一種判斷和決策的依據(jù)。