鉆井隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性校核模型改進(jìn)與應(yīng)用

桑 軍，謝 濤，于 辰，周健一，吳曉東，劉 詢，胡南丁

1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300452

2.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249

隔水導(dǎo)管作為海上石油天然氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要井口持力結(jié)構(gòu)，起到隔絕海水、提供鉆井液循環(huán)通道、支撐井口設(shè)備等重要作用。一方面，隔水導(dǎo)管需要插入海底淺層土體一定的深度，以保證有足夠的承載力支撐井口設(shè)備以及內(nèi)部各層套管的坐掛重量；另一方面，隔水導(dǎo)管承受風(fēng)浪流甚至海冰等環(huán)境載荷，需要具備一定的抗失穩(wěn)能力，以保障在長(zhǎng)期的生產(chǎn)周期內(nèi)隔水導(dǎo)管能夠始終保持穩(wěn)定狀態(tài)[1]。

針對(duì)隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性的研究，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展過(guò)大量的工作，但是在有限元模型中未考慮生產(chǎn)周期內(nèi)的腐蝕情況以及海生物的附著情況，而且將隔水導(dǎo)管下端入泥一定深度處設(shè)置為固定端，這對(duì)于不同海水深度、不同海底土質(zhì)分布的情況不一定普遍適用。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)隔水導(dǎo)管有待完善的穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行研究，綜合考慮風(fēng)浪流載荷、限位孔約束、隔水導(dǎo)管腐蝕以及海生物附著等多種影響因素建立有限元模型，并且在模型中根據(jù)海底土質(zhì)實(shí)際分層情況，模擬隔水導(dǎo)管受到的海底土載荷作用，創(chuàng)新提出分段校核、定點(diǎn)加厚的解決措施，在保障隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，能夠大幅節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

1 隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性校核模型

1.1 隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性影響因素分析

在海上油氣井生產(chǎn)周期內(nèi)，隔水導(dǎo)管長(zhǎng)期處于海洋環(huán)境中。在軸向方向上，當(dāng)隔水導(dǎo)管受到的海底土承載力不小于頂部井口設(shè)備壓載、內(nèi)部各層套管坐掛重量以及隔水導(dǎo)管自重時(shí)，隔水導(dǎo)管停止貫入，達(dá)到軸向穩(wěn)定狀態(tài)[2]；在水平方向上，隔水導(dǎo)管受到風(fēng)浪流的長(zhǎng)期往復(fù)作用力、限位孔的約束力以及泥面以下的管體部分受到海底土的橫向支撐力[3]。隔水導(dǎo)管受力如圖1所示。

圖1 隔水導(dǎo)管受力示意

在飛濺區(qū)的部分管段以及全浸區(qū)的全部管段的管體外壁附著海生物，海生物附著層具有不容忽視的厚度與密度，會(huì)引起隔水導(dǎo)管的環(huán)境載荷作用面積增大，增加管體自重，從而對(duì)隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

此外，隔水導(dǎo)管周圍環(huán)境潮濕、空氣含鹽量大，生產(chǎn)周期內(nèi)的隔水導(dǎo)管腐蝕也不容忽視，腐蝕將導(dǎo)致管體管徑和壁厚減小，降低隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性[4]，如果在設(shè)計(jì)初期未充分考慮隔水導(dǎo)管的腐蝕情況，將導(dǎo)致導(dǎo)管無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間安全承載的要求，帶來(lái)一系列重大安全問(wèn)題。

1.2 隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性校核模型

在進(jìn)行隔水導(dǎo)管強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核時(shí)，需要綜合考慮以上各種影響因素，以導(dǎo)管架平臺(tái)限位孔為分段基點(diǎn)，將隔水導(dǎo)管分段，分別展開(kāi)校核工作。

在軸向應(yīng)力方面，計(jì)算井口壓載重量、套管坐掛重量以及管體自重，結(jié)合隔水導(dǎo)管橫截面面積，得到隔水導(dǎo)管軸向應(yīng)力：

式中：σa為隔水導(dǎo)管軸向應(yīng)力，MPa；G為截面上部管體重量，N；Wc為井口壓載重量，N；A為隔水導(dǎo)管橫截面積，mm2。

將計(jì)算得到的隔水導(dǎo)管軸向應(yīng)力與軸向許用應(yīng)力相比，得到軸向應(yīng)力系數(shù)：

式中：K1為軸向應(yīng)力系數(shù)，無(wú)因次；[σa]為隔水導(dǎo)管軸向許用應(yīng)力，MPa。

其中：

式中：K為有效長(zhǎng)度系數(shù)，隔水導(dǎo)管取1.0；l為隔水導(dǎo)管計(jì)算長(zhǎng)度，即限位孔之間的距離，m；r為隔水導(dǎo)管回轉(zhuǎn)半徑，m；σs為隔水導(dǎo)管鋼材屈服強(qiáng)度，MPa；E為隔水導(dǎo)管鋼材彈性模量，MPa。

隔水導(dǎo)管在橫向載荷的作用下產(chǎn)生彎矩，分段計(jì)算可得到隔水導(dǎo)管的彎曲應(yīng)力：

式中：σb為隔水導(dǎo)管彎曲應(yīng)力，MPa；M為隔水導(dǎo)管所受彎矩，N·mm；Wz為隔水導(dǎo)管抗彎截面系數(shù)，mm3。

將計(jì)算得到的隔水導(dǎo)管彎曲應(yīng)力與許用彎曲應(yīng)力對(duì)比，得到彎曲應(yīng)力系數(shù)：

式中：K2為彎曲應(yīng)力系數(shù)，無(wú)因次；[σb]為隔水導(dǎo)管彎曲許用應(yīng)力，MPa。

其中：

式中：D為隔水導(dǎo)管外直徑，m；t為隔水導(dǎo)管壁厚，m；λ、φ、ω均為常數(shù)。

將軸向應(yīng)力系數(shù)與彎曲應(yīng)力系數(shù)相加，得到隔水導(dǎo)管組合應(yīng)力系數(shù)：

式中：K組合為隔水導(dǎo)管組合應(yīng)力系數(shù)，無(wú)因次；σbx、σby為隔水導(dǎo)管沿x、y方向的彎曲應(yīng)力，MPa。

組合應(yīng)力系數(shù)取倒數(shù)得到隔水導(dǎo)管安全系數(shù)：

式中：α為隔水導(dǎo)管安全系數(shù)，無(wú)因次。

以此安全系數(shù)作為判斷隔水導(dǎo)管能否滿足安全穩(wěn)定性要求的重要依據(jù)，對(duì)于常規(guī)油田，要求隔水導(dǎo)管安全系數(shù)不小于1.0[5-6]。

2 隔水導(dǎo)管有限元單元的建立

2.1 管單元類型

針對(duì)隔水導(dǎo)管存在狀態(tài)，將隔水導(dǎo)管管體分為兩部分建立隔水導(dǎo)管單元：對(duì)于泥面以上的管體部分，考慮到存在海水作用，采用PIPE59單元類型，該單元具有承受壓、拉、彎作用能力，可用于模擬海浪海流的作用，具有浮力效應(yīng)；對(duì)于泥面以下的管體部分，不需要考慮流體作用，因此采用PIPE20單元模擬泥面以下的管體部分，該單元具有承受扭轉(zhuǎn)、拉壓、彎曲的能力，可在無(wú)流體作用的情況下進(jìn)行靜力學(xué)分析。

泥面以下的隔水導(dǎo)管受到海底淺層土的作用力，當(dāng)管體發(fā)生橫向位移時(shí)，海底土將支撐隔水導(dǎo)管抵抗橫向移動(dòng)。在ANSYS有限元模型中，借助COMBIN39單元模擬海底土對(duì)隔水導(dǎo)管的作用力，該單元具有非線性廣義力-變形能力，可以根據(jù)海底淺層土體力學(xué)性質(zhì)，設(shè)置相應(yīng)的力-變形曲線，用以模擬海底土的橫向力[7]。

2.2 建立隔水導(dǎo)管力學(xué)模型

在模型中，將隔水導(dǎo)管限位孔設(shè)置為橫向位移為0的固定約束點(diǎn)，以模擬限位孔對(duì)隔水導(dǎo)管的限制作用；將腐蝕環(huán)境分為大氣區(qū)、飛濺區(qū)和全浸區(qū)，分別設(shè)置不同的管體腐蝕速率；根據(jù)海洋生物附著情況，分段設(shè)置PIPE59單元中的海生物附著密度與附著厚度，泥面以下60 m范圍內(nèi)，每隔1 m設(shè)置固定點(diǎn)，然后在這些固定點(diǎn)與隔水導(dǎo)管管單元之間構(gòu)建COMBIN39彈簧單元。隔水導(dǎo)管有限元模型見(jiàn)圖2，圖中“KO”位置為彈簧單元。

圖2 COMBIN39彈簧單元模型

2.3 隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性校核方法

考慮正常作業(yè)工況和極端工況條件，設(shè)置如表1所示的不同工況下的隔水導(dǎo)管許用應(yīng)力值，將數(shù)值模擬得到的隔水導(dǎo)管最大等效應(yīng)力與隔水導(dǎo)管許用應(yīng)力對(duì)比，求得強(qiáng)度安全系數(shù)，進(jìn)行強(qiáng)度校核。

表1 隔水導(dǎo)管強(qiáng)度校核許用應(yīng)力

結(jié)合導(dǎo)管架平臺(tái)限位孔分布情況，以限位孔位置作為分段基點(diǎn)，對(duì)隔水導(dǎo)管進(jìn)行分段研究，計(jì)算得到每段的最大彎矩值，結(jié)合該段限位孔間距，計(jì)算組合應(yīng)力系數(shù)，進(jìn)行穩(wěn)定性校核。

結(jié)合強(qiáng)度校核結(jié)果和穩(wěn)定性校核結(jié)果，共同作為隔水導(dǎo)管選材依據(jù)。如果無(wú)法滿足強(qiáng)度要求，則考慮整體改變隔水導(dǎo)管尺寸以提高強(qiáng)度與穩(wěn)定性；如果隔水導(dǎo)管強(qiáng)度校核結(jié)果滿足安全要求，但是存在少數(shù)的隔水導(dǎo)管失穩(wěn)段，則考慮在這些不滿足穩(wěn)定性要求的危險(xiǎn)管段增加隔水導(dǎo)管壁厚，定點(diǎn)提高該段穩(wěn)定性。增加隔水導(dǎo)管壁厚之后，考慮隔水導(dǎo)管自重增加量，重新進(jìn)行穩(wěn)定性校核，判斷隔水導(dǎo)管是否滿足強(qiáng)度與穩(wěn)定性要求。

3 實(shí)例分析

3.1 南海某區(qū)塊海洋環(huán)境參數(shù)

將本研究成果應(yīng)用于南海某區(qū)塊，該區(qū)塊水深330 m，井口海拔高度為30 m，導(dǎo)管架平臺(tái)限位孔布置較為復(fù)雜，該區(qū)塊的限位孔高度以及相關(guān)的環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表2～表5。

表2 隔水導(dǎo)管約束情況

表3 南海某區(qū)塊海洋環(huán)境參數(shù)

表4 南海某區(qū)塊海洋生物附著情況

表5 南海某區(qū)塊隔水導(dǎo)管腐蝕情況

3.2 強(qiáng)度穩(wěn)定性校核

極端作業(yè)工況下的環(huán)境載荷更大，隔水導(dǎo)管更易失穩(wěn)，本文選取極端作業(yè)工況進(jìn)行隔水導(dǎo)管強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析?？紤]隔水導(dǎo)管外徑為24 in（1in=25.4 mm），管體壁厚為1in，利用ANSYS有限元模擬軟件開(kāi)展數(shù)值模擬分析，圖3為隔水導(dǎo)管應(yīng)力圖，圖4為隔水導(dǎo)管彎矩分布圖。

圖3 隔水導(dǎo)管應(yīng)力分布/Pa

圖4 隔水導(dǎo)管彎矩分布/（N·m）

將模擬得到的隔水導(dǎo)管最大等效應(yīng)力與許用應(yīng)力值對(duì)比分析，進(jìn)行強(qiáng)度校核；根據(jù)限位孔分布情況將隔水導(dǎo)管分段，針對(duì)每段展開(kāi)穩(wěn)定性校核，發(fā)現(xiàn)存在不滿足隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性要求的危險(xiǎn)管段。隔水導(dǎo)管強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核結(jié)果見(jiàn)表6、表7。

表6 D24 in×1 in隔水導(dǎo)管強(qiáng)度校核結(jié)果（極端作業(yè)工況，X52鋼材）

表7 D24 in×1 in隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性校核結(jié)果（極端作業(yè)工況，X52鋼材）

由表6中強(qiáng)度校核結(jié)果可知，對(duì)于D24in×1in的隔水導(dǎo)管，選用X52鋼材時(shí)，在極端作業(yè)工況下的強(qiáng)度安全系數(shù)為1.57（＞1），隔水導(dǎo)管的強(qiáng)度校核滿足安全要求。

由穩(wěn)定性校核結(jié)果可知，對(duì)于D24 in×1 in的隔水導(dǎo)管，選用X52鋼材時(shí)，在極端作業(yè)工況下存在不滿足穩(wěn)定性要求的危險(xiǎn)管段，分別為-186～-156 m、-220～-186 m、-254～-220 m三段，其余管段穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于1，滿足安全要求。

3.3 加強(qiáng)穩(wěn)定性措施

針對(duì)不滿足安全要求的D24 in×1 in隔水導(dǎo)管危險(xiǎn)管段，考慮采取在危險(xiǎn)管段增加管體壁厚提高穩(wěn)定性的解決方案，因?yàn)樵搮^(qū)塊隔水導(dǎo)管入泥深度為107 m，每根隔水導(dǎo)管長(zhǎng)度為12 m，由此確定隔水導(dǎo)管增加壁厚的管段范圍為-257～-149 m，加厚段總長(zhǎng)108 m，涉及9根隔水導(dǎo)管，將該9根隔水導(dǎo)管危險(xiǎn)管段壁厚由1 in增加至1.5 in（如圖5所示），以提高該段隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性。

圖5 隔水導(dǎo)管加厚管段示意

對(duì)9根危險(xiǎn)段隔水導(dǎo)管壁厚由1 in增加至1.5 in后，發(fā)現(xiàn)該井隔水導(dǎo)管質(zhì)量增加了18.47 t，隨之將引起隔水導(dǎo)管入泥深度增加至108.2 m，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，隔水導(dǎo)管入泥深度增加之后，108 m的加厚管段仍然可以覆蓋之前確定的隔水導(dǎo)管危險(xiǎn)段，加重帶來(lái)的管體自重變化導(dǎo)致的入泥深度增加量很小。

針對(duì)增加壁厚的隔水導(dǎo)管重新開(kāi)展穩(wěn)定性校核，求得隔水導(dǎo)管的穩(wěn)定性系數(shù)見(jiàn)表8。

表8 加厚的D24 in×1in隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性校核結(jié)果（極端作業(yè)工況，X52鋼材）

對(duì)比增加危險(xiǎn)段管體壁厚之前的穩(wěn)定性校核結(jié)果，分析重新校核的結(jié)果，進(jìn)而可以看出標(biāo)高-156～30m管段、-322～-254 m管段穩(wěn)定性安全系數(shù)依然均大于1，無(wú)明顯變化。標(biāo)高為-186～-156m、-220～-186 m、-254～-220 m的原危險(xiǎn)管段，在重新校核時(shí)穩(wěn)定性安全系數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榇笥?，滿足安全及穩(wěn)定性要求。

由以上重新校核的結(jié)果可知，增加危險(xiǎn)段管體壁厚之后，有效提高了隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性安全系數(shù)，最終D24 in×1 in隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性達(dá)到安全要求，分段校核、定點(diǎn)加厚的解決方案效果良好。

4 結(jié)論

（1）考慮環(huán)境載荷、井口壓載、導(dǎo)管腐蝕與海生物附著等多種因素，對(duì)隔水導(dǎo)管的穩(wěn)定性影響展開(kāi)研究，采用有限元模型充分模擬海上作業(yè)情況，可靠度高。

（2）結(jié)合南海某區(qū)塊實(shí)例進(jìn)行隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性分析，通過(guò)對(duì)-257～-149 m的隔水導(dǎo)管危險(xiǎn)管段采取增加壁厚的處理方式，使得隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性增強(qiáng)，滿足安全要求，同時(shí)也驗(yàn)證了分段校核、定點(diǎn)加厚方案的可行性。

（3）本文提出的分段校核、危險(xiǎn)管段定點(diǎn)加厚的方案對(duì)于水深較大的水上井口隔水導(dǎo)管的穩(wěn)定性研究具有重要意義，應(yīng)用前景廣闊。