海上鉆井隔水管系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

田瑞瑞

摘 要：隔水管系統(tǒng)是海上鉆井作業(yè)時(shí)連接浮式平臺(tái)與水下井口系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備，結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，需要承擔(dān)風(fēng)浪流海洋環(huán)境、浮式平臺(tái)偏移以及作業(yè)工況等復(fù)合條件作用下的復(fù)雜力學(xué)載荷。通過技術(shù)調(diào)研、設(shè)計(jì)分析以及現(xiàn)場作業(yè)實(shí)踐，研究鉆井隔水管系統(tǒng)基本配置及要求，分析隔水管鉆井工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，包括隔水管配長及管串排列設(shè)計(jì)、隔水管最小頂部張力計(jì)算和隔水管作業(yè)窗口分析，明確隔水管設(shè)計(jì)分析的基本原則，對(duì)深水鉆井隔水管作業(yè)安全具有指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：鉆井隔水管;浮力塊;頂部張力;配長;作業(yè)窗口

中圖分類號(hào)：TE951 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）11-0071-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.016

Research on Composition and Key Design Technology for Offshore Drilling Riser System

TIAN Ruirui

（CNOOC Energy Deepwater Drilling & Production Technology Branch.， Shenzhen 518054，China）

Abstract：The riser system is the key equipment connecting the floating platform and the underwater wellhead system during offshore drilling operation. Its structural composition is complex and needs to bear the complex mechanical loads under the combined conditions of wind， wave and current marine environment， floating platform offset and operating conditions. Through technical investigation， design analysis and field operation practice， study the basic configuration and requirements of drilling riser system， analyze the key technologies of riser drilling engineering design， including riser length and pipe string arrangement design， riser minimum top tension calculation and riser operation window analysis， and clarify the basic principles of riser design and analysis， which plays a guiding role in the safety of deepwater drilling riser operation.

Keywords：drilling riser; buoyancy block; top tension force; spacer out; operation window

0 引言

海上浮式鉆井裝置包括半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船，進(jìn)行鉆完井作業(yè)時(shí)，需要隔水管系統(tǒng)連接海面的平臺(tái)和水下井口，起到隔離海水，建立鉆完井液閉路循環(huán)通道、起下井下鉆具及水下防噴器組等[1]。由于海上風(fēng)浪流等海洋環(huán)境力的持續(xù)存在，隔水管系統(tǒng)需要承受惡劣的海洋環(huán)境力作用，并需補(bǔ)償平臺(tái)的偏移和升沉運(yùn)動(dòng)[2]。此外，隔水管本體支撐的邊管（阻流/壓井管線、防噴器組控制管線）是井控系統(tǒng)的重要組成部分。

1 鉆井隔水管系統(tǒng)主要組成部分

海上鉆井隔水管系統(tǒng)按照從平臺(tái)到海底有轉(zhuǎn)噴器、上部球接頭、張力器、伸縮節(jié)、隔水管單根、灌注閥、隔水管底部總成以及阻流/壓井和輔助管線等，具體如圖1所示。此外還有隔水管送入工具和卡盤等起下隔水管的工具。

1.1 轉(zhuǎn)噴器

轉(zhuǎn)噴器又稱為分流器，主要由隔水管環(huán)空密封設(shè)備、鉆井液返出管及控制系統(tǒng)組成，安裝在轉(zhuǎn)盤下方，用于發(fā)生井涌、井噴時(shí)，關(guān)閉隔水管環(huán)空，將流體引導(dǎo)至放噴管線。上部球接頭位于轉(zhuǎn)噴器下方，由特制橡膠和金屬彈片組合而成，用來承擔(dān)隔水管系統(tǒng)的頂部彎矩，便于鉆機(jī)動(dòng)作。撓性接頭的撓曲件通常為球形鋼環(huán)組之間的彈料黏合疊片。彈性材料可實(shí)現(xiàn)撓曲和壓力密封。

1.2 張力器

張力器安裝在平臺(tái)月池處，其產(chǎn)生的拉力與隔水管系統(tǒng)的重力相平衡，保證了隔水管相對(duì)于海底位置固定和力學(xué)穩(wěn)定性。張力器有兩種常用的形式，一種是張力繩結(jié)構(gòu)，另一種是張力腿結(jié)構(gòu)。張力繩裝置一端通過8～12股鋼絲繩拉住隔水管系統(tǒng)，另一端連接布置在鉆臺(tái)周邊的液壓缸系統(tǒng)，由液壓缸系統(tǒng)提供拉力以及升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)占用月池區(qū)域空間小。張力腿結(jié)構(gòu)由6個(gè)張力器液缸形式替代了張力繩，通過液缸產(chǎn)生一個(gè)向上的近乎常量的力，緊緊拉住隔水管系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)需要占用較多的月池區(qū)域空間，但能提供較大的張力，具有很好的防回彈功能，在超深水海域具有良好的適應(yīng)性。

1.3 伸縮節(jié)

隔水管伸縮節(jié)由內(nèi)外筒和張力環(huán)組成。作業(yè)時(shí)解鎖內(nèi)外筒，外筒通過張力環(huán)掛在張力器上，內(nèi)筒可以上下運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償浮式平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)，外筒上還設(shè)有隔水管邊管的連接裝置。

1.4 隔水管

隔水管是單根大直徑、高強(qiáng)度無縫或電焊管（隔水管主管），由本體和接頭組成，長度通常為22.86 m和15.24 m，以及配長用的短節(jié)。外徑為0.05 m，內(nèi)徑與隔水管壁厚有關(guān)，而壁厚與隔水管單根適應(yīng)的水深有關(guān)，安裝在上部位置的隔水管壁厚要比安裝在下部位置的厚，因此內(nèi)徑相對(duì)要小一點(diǎn)，通常內(nèi)徑為0.048 m，內(nèi)徑所提供的環(huán)空必須與預(yù)期套管程序一致。隔水管主管應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，能夠經(jīng)受來自波浪、海流施加的張力，鉆機(jī)運(yùn)動(dòng)以及鉆井液重量等的綜合負(fù)荷[3]。此外，還應(yīng)考慮塌陷壓力和裝卸載荷。主管的強(qiáng)度特征由其直徑、壁厚、鋼級(jí)決定。隔水管一般采用的鋼級(jí)是X-52、X-65和X-80。隔水管單根上可安裝浮力塊，用于減輕隔水管系統(tǒng)的重量，根據(jù)適應(yīng)的水深不同浮力塊等級(jí)不同。隔水管安裝的水深決定了浮力塊的密度，水越深密度越大，以承受更大的海水?dāng)D毀壓力。浮力塊的外徑則受鉆臺(tái)轉(zhuǎn)盤開口直徑限制。

1.5 隔水管接頭

隔水管接頭用于連接相鄰的兩根隔水管，接頭連接形式有法蘭連接和快速扣兩種。深水鉆井作業(yè)時(shí)，為防止隔水管內(nèi)部因井漏等原因造成掏空現(xiàn)象，導(dǎo)致隔水管被海水壓壞，一般在隔水管系統(tǒng)中安裝灌注閥，當(dāng)隔水管內(nèi)液面下降到危險(xiǎn)位置后，灌注閥會(huì)自動(dòng)打開將海水灌入隔水管。該閥通常安裝在水面以下300～500 m處。

1.6 隔水管底部總成

隔水管底部總成（LMRP）指安裝在水下防噴器組與隔水管低端的設(shè)備，由下部球接頭、1個(gè)環(huán)形防噴器、隔水管連接器以及防噴器水下控制盒（藍(lán)黃盒）組成。作業(yè)時(shí)，通過藍(lán)黃盒對(duì)水下防噴器進(jìn)行功能控制，藍(lán)黃盒一用一備。在應(yīng)急情況下，隔水管底部總成可與防噴器組解脫，如浮式平臺(tái)在惡劣海況條件下偏移范圍超出設(shè)計(jì)范圍，同時(shí)恢復(fù)作業(yè)時(shí)，底部總成可與隔水管再次連接。下部撓性接頭用于使隔水管和水下防噴器組之間產(chǎn)生角位移，從而減小隔水管上的撓距。

1.7 阻流/壓井及輔助管線

阻流/壓井及輔助管線附著在隔水管本體上，作業(yè)時(shí)順著隔水管系統(tǒng)循環(huán)流體。輔助管線包括增壓管線、注水合物抑制劑管線以及防噴器電液控制管線。一般情況下，隔水管單根的阻流/壓井和輔助管線通過支架與隔水管主管外部相連。阻流/壓井管線用于循環(huán)關(guān)閉水下防噴器組時(shí)從井眼至平臺(tái)的流體，包括油氣水和鉆井液等。增壓管線用于鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，增加隔水管內(nèi)的鉆井液排量，從而增大隔水管內(nèi)的環(huán)空返速提高攜巖能力。注水合物抑制劑管線用于給水下防噴器系統(tǒng)內(nèi)注入水合物抑制劑，防止深水海底低溫環(huán)境下防噴器處結(jié)晶形成水合物堵塞。防噴器電液控制管線把操作信號(hào)傳遞至水下防噴器系統(tǒng)，藍(lán)盒和黃盒各有一根控制管線。

1.8 隔水管卡盤和送入工具

隔水管卡盤和送入工具用于起下隔水管作業(yè)。起下隔水管作業(yè)時(shí)，卡盤固定在鉆臺(tái)轉(zhuǎn)盤處，為隔水管和水下防噴器系統(tǒng)提供支撐力，萬向節(jié)配合卡盤一起使用，可減輕卡盤的彎矩。送入工具用于在鉆臺(tái)處連接和提升隔水管，具有與隔水管一致的接頭結(jié)構(gòu)形式。

2 鉆井隔水管設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

在兩個(gè)階段需要進(jìn)行隔水管設(shè)計(jì)分析。在建造浮式鉆井平臺(tái)階段，對(duì)隔水管系統(tǒng)選型及配置時(shí)，要確立隔水管系統(tǒng)配置條件和要求，進(jìn)而確立材料的鋼級(jí)、壁厚和材質(zhì)等設(shè)計(jì)規(guī)格。在鉆井作業(yè)前期準(zhǔn)備階段，需要根據(jù)作業(yè)井位海域海洋環(huán)境特點(diǎn)和作業(yè)工況進(jìn)行隔水管設(shè)計(jì)分析，包括根據(jù)平臺(tái)氣隙及水深進(jìn)行隔水管配長及管串排列設(shè)計(jì)、確定不同作業(yè)工況下隔水管頂部張力大小調(diào)節(jié)方案、連接作業(yè)窗口分析、起下隔水管系統(tǒng)作業(yè)窗口分析和避臺(tái)撤臺(tái)分析等設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 隔水管配長及管串排列設(shè)計(jì)

作業(yè)水深、平臺(tái)氣隙和水下高壓井口頭出泥高度是隔水管配長設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。作業(yè)水深通過一開鉆頭探海底泥面可準(zhǔn)確獲得。平臺(tái)氣隙根據(jù)作業(yè)吃水情況確定。表層套管固井作業(yè)結(jié)束后可通過水下機(jī)器人精確測得水下高壓井口頭出泥高度。確定海上隔水管的長度時(shí)，要選擇構(gòu)成隔水管柱的隔水管單根的數(shù)量。隔水管柱長度的設(shè)計(jì)應(yīng)保證：水下防噴器組坐好井口后，浮式平臺(tái)處于平均海平面吃水位置時(shí)，隔水管伸縮節(jié)內(nèi)筒伸長位置為其額定沖程的一半，以滿足惡劣海況調(diào)節(jié)下伸縮節(jié)補(bǔ)充平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)的需求。伸縮節(jié)內(nèi)筒如果伸長或收回超出沖程極限，則會(huì)損壞隔水管和配套設(shè)備。如伸長超出極限，則拉伸負(fù)荷將大幅增加;如果收回至極限，則隔水管將發(fā)生折皺。隔水管串排列設(shè)計(jì)中，帶浮力塊隔水管單根能減輕系統(tǒng)重量，便于隔水管起下作業(yè)，且因有浮力塊可起到保護(hù)作用，隔水管邊管也不容易損壞。

2.2 隔水管最小頂部張力計(jì)算

隔水管系統(tǒng)的頂部張力是隔水管力學(xué)響應(yīng)的主控因素，頂張力的大小通過張力器提供和調(diào)節(jié)。頂部張力設(shè)置不合理可能會(huì)導(dǎo)致?lián)闲越宇^轉(zhuǎn)角過大、水下井口下沉和損壞等風(fēng)險(xiǎn)[4]。隔水管最小頂部張力計(jì)算常有三種計(jì)算方法。一是美國石油協(xié)會(huì)（API）推薦算法要求在即使有隔水管張力器失效的情況下，張力器提供的頂部張力要確保水下的隔水管系統(tǒng)最低端處于受拉的力學(xué)狀態(tài)。二是法國石油研究院推薦的底部殘余張力計(jì)算法考慮了深水浮式鉆井平臺(tái)應(yīng)急解脫時(shí)能夠安全提升所有隔水管以及LMRP系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)和現(xiàn)場作業(yè)時(shí)應(yīng)用較為廣泛。三是現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)算法基于深水或超深水平臺(tái)現(xiàn)場下入鉆井隔水管系統(tǒng)時(shí)，由鉆井大鉤提升和下入隔水管。根據(jù)作業(yè)井隔水管系統(tǒng)的配置、防噴器組重量，考慮邊管以及浮力塊的影響，可以求得下入隔水管及防噴器組時(shí)需要的最大鉤載荷?，F(xiàn)場作業(yè)時(shí)，隔水管頂部張力應(yīng)根據(jù)不同作業(yè)工況實(shí)時(shí)調(diào)整。一般情況下，隨著鉆井液密度增加，應(yīng)提高隔水管頂部張力，以保證隔水管及LMRP始終處于受拉狀態(tài)。

2.3 隔水管作業(yè)窗口分析

隔水管作業(yè)窗口分析包括連接作業(yè)、起下隔水管作業(yè)以及懸掛隔水管作業(yè)，分析的目的在于考慮隔水管的應(yīng)力、彎矩和形變安全條件下，計(jì)算允許的浮式平臺(tái)偏移范圍和海洋環(huán)境力。此外，限制條件還包括隔水管伸縮節(jié)的額定沖程，上下部球接頭的轉(zhuǎn)角，水下井口系統(tǒng)和表層導(dǎo)管的應(yīng)力、彎矩限制等。設(shè)計(jì)原則如表1所示。

正常鉆井模式的平均和最大球接頭角限制的目的是防止對(duì)隔水管和球接頭造成磨損和溝槽損壞。連通非鉆井模式和斷開模式的最大球接頭角限制的目的是防止對(duì)隔水管、球接頭和水下防噴器組造成損壞。最大應(yīng)力分析的目的是確保隔水管的強(qiáng)度足以支持最大設(shè)計(jì)負(fù)荷，防止發(fā)生結(jié)構(gòu)失效[5]。

2.4 波致疲勞分析

海上鉆井隔水管系統(tǒng)由于長度較長，屬于動(dòng)力疲勞敏感結(jié)構(gòu)。隔水管的波致疲勞損傷可分為短期疲勞和長期疲勞，短期疲勞為每一海況及每一工況下的疲勞損傷，長期疲勞則為所有短期疲勞按照發(fā)生概率進(jìn)行的疊加。

垂直于長度方向，隔水管受到多種循環(huán)載荷，如波浪載荷、洋流載荷、浮式鉆井裝置運(yùn)動(dòng)引起的載荷以及作業(yè)引起的動(dòng)載荷等，其中波浪載荷與鉆井船運(yùn)動(dòng)是引起隔水管波致疲勞損傷的主要影響因素。而波浪載荷主要是通過影響鉆井船的運(yùn)動(dòng)間接導(dǎo)致隔水管系統(tǒng)的疲勞。鉆井船運(yùn)動(dòng)對(duì)隔水管彎曲應(yīng)力幅值的影響如圖2所示。從圖2可以看出，在考慮鉆井船波頻與低頻運(yùn)動(dòng)的情況下，隔水管彎曲應(yīng)力相比不考慮波頻和低頻運(yùn)動(dòng)明顯增大，特別是在水面附近及泥線附近，隔水管的彎曲應(yīng)力幅值較大，但具體疲勞壽命的計(jì)算需結(jié)合該處部件的疲勞系數(shù)來分析?？傮w來說鉆井船的運(yùn)動(dòng)對(duì)隔水管系統(tǒng)的疲勞損傷影響較大，通過動(dòng)力定位系統(tǒng)提高鉆井船的位置保持能力，控制鉆井船的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可大幅度降低隔水管的疲勞損傷。

3 結(jié)論及建議

海上鉆井隔水管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，并受到惡劣的海洋環(huán)境力作用。浮式鉆井平臺(tái)在設(shè)計(jì)建造階段應(yīng)全面考慮平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、根據(jù)作業(yè)海域的海洋環(huán)境特點(diǎn)和業(yè)主作業(yè)要求，系統(tǒng)進(jìn)行鉆井隔水管系統(tǒng)的選型配置，嚴(yán)格校核安全系數(shù)。在鉆井工程設(shè)計(jì)前期，應(yīng)結(jié)合目標(biāo)井位海況和作業(yè)工況，進(jìn)行隔水管設(shè)計(jì)分析，包括隔水管配長及管串排列設(shè)計(jì)、隔水管最小頂部張力計(jì)算、隔水管作業(yè)窗口分析及疲勞分析等，分析范圍應(yīng)涵蓋浮式鉆井平臺(tái)允許偏移范圍劃分，水下井口系統(tǒng)和表層導(dǎo)管應(yīng)力及抗彎能力校核。

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