摘 要

摘　要：深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)與作業(yè)技術(shù)是深水鉆井最重要的考慮內(nèi)容之一。為此，針對(duì)我國(guó)南海深水油氣鉆井作業(yè)的迫切需要，考慮了平臺(tái)與裝備的實(shí)際條件，開(kāi)展了深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)與

摘　要：深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)與作業(yè)技術(shù)是深水鉆井最重要的考慮內(nèi)容之一。為此，針對(duì)我國(guó)南海深水油氣鉆井作業(yè)的迫切需要，考慮了平臺(tái)與裝備的實(shí)際條件，開(kāi)展了深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)與作業(yè)技術(shù)研究，具體包括隔水管系統(tǒng)配置、排列設(shè)計(jì)和張緊力、鉆井作業(yè)窗口、下放／回收作業(yè)窗口和懸掛作業(yè)窗口等。結(jié)果認(rèn)為，排列設(shè)計(jì)就要確定隔水管具體的下放列表供現(xiàn)場(chǎng)司鉆使用，而張緊力的確定既要滿足API規(guī)范關(guān)于最小張緊力的要求，同時(shí)也應(yīng)更適合于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。算例所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依托南海某深水鉆井平臺(tái)，依據(jù)某井位具體的水深和環(huán)境條件，最后給出了隔水管設(shè)計(jì)與作業(yè)技術(shù)的具體應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)方案與作業(yè)參數(shù)已在南海深水鉆井實(shí)踐中得到成功應(yīng)用。相關(guān)結(jié)論可為深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)與作業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：深水鉆井  隔水管設(shè)計(jì)  系統(tǒng)配置  作業(yè)窗口  限制準(zhǔn)則  中國(guó)南海  深水油氣

Design and operation of marine drilling risers：A case history of deepwater drilling in the South China Sea

Abstract：The design and operation of risers are one of the most important items considered in deepwater drilling．To meet the urgent need of deepwater drilling operation in the South China Sea，based on the actual conditions of the drilling platform and equipments，a study was made on the design and operation technology for deepwater drilling risers，specifically including the configuration and arrangement design of a riser system，tensioning force，and operability envelops for the operations such as runninf，hang-off，etc．It is emphasized that a detailed riser run in schedule should be made in the arrangement design and handed over to the on site driller and that the defined tensioning force should not only meet the requirements of the minimal tensioning force in API regulations but be more suitable for field operation．The basic data for computation was acquired from one deepwater drilling platform in the South China Sea．According to the specific water depth and environmental conditions of one well，an example was put forward to illustrate the practical application of the design and operation technology of the riser．The design proposal and operation parameters have been successfully applied to deepwater drilling operation in the South China Sea．This study provides a valuable reference for design and operation of marine drilling risers．

Keywords：deepwater drillin9，riser design，system configuration，operation envelope，limit criteria，South China Sea，deepwater oil and gas

深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)與作業(yè)技術(shù)是海上鉆井設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題之一。就隔水管設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，須考慮隔水管幾何尺寸、管材強(qiáng)度、浮力塊位置和尺寸、張力器極限張力、海洋環(huán)境載荷和永深等因素。就隔水管作業(yè)技術(shù)來(lái)說(shuō)，需要依據(jù)作業(yè)工況，通過(guò)作業(yè)窗口計(jì)算確定不同工況下允許的平臺(tái)最大偏移和環(huán)境載荷極限條件，為深水鉆井隔水管的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供參考^[1-2]。

目前，已經(jīng)有較多文獻(xiàn)介紹了南海深水鉆井隔水管與井口技術(shù)。本文參考文獻(xiàn)[3]綜述了深水鉆井隔水管與井口技術(shù)研究進(jìn)展，指出了南海深水鉆井隔水管鉆前設(shè)計(jì)與作業(yè)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。本文參考文獻(xiàn)[4]研究了深水和超深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)影響因素，分析了隔水管設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問(wèn)題；本文參考文獻(xiàn)[5]研究并提出采用通用組合確定準(zhǔn)則和非線性搜索方法研究深水鉆井隔水管連接作業(yè)窗口，并給出鉆井作業(yè)窗口的確定流程、方法及其具體應(yīng)用。本文參考文獻(xiàn)[6]研究并提出隔水管懸掛模式作業(yè)窗口分析方法，基于隔水管懸掛作業(yè)限制準(zhǔn)則，進(jìn)行不同海況條件下的隔水管懸掛窗口研究。本文參考文獻(xiàn)[7]研究并提出3種隔水管系統(tǒng)頂張力確定方法，并給出相關(guān)方法的具體應(yīng)用。本文參考文獻(xiàn)[8—9]等給出了如何采用有限元分析軟件進(jìn)行深水鉆井隔水管分析。

筆者在上述研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)南海深水鉆井作業(yè)的需要，依托南海某深水鉆井平臺(tái)和某井位具體的條件，特別是考慮了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)條件，具體開(kāi)展了深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)與作業(yè)技術(shù)研究，具體包括隔水管系統(tǒng)配置、排列設(shè)計(jì)和張緊力、鉆井作業(yè)窗口、下放／回收作業(yè)窗口和懸掛作業(yè)窗口等。本文相關(guān)結(jié)果與結(jié)論可為南海深水鉆井隔水管分析與設(shè)計(jì)提供參考。

1　深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)

深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)主要包括隔水管系統(tǒng)配置、排列設(shè)計(jì)和張緊力確定等。

1．1　隔水管系統(tǒng)配置與排列設(shè)計(jì)

參考規(guī)范API RP l6Q^[10]開(kāi)展隔水管配長(zhǎng)設(shè)計(jì)，計(jì)算過(guò)程與方法為：

1)隔水管系統(tǒng)總長(zhǎng)度＝水深+鉆臺(tái)距水面高度-分流器頂面至鉆臺(tái)的距離。

2)隔水管附屬部件總長(zhǎng)度＝分流器長(zhǎng)度+上球鉸長(zhǎng)度+伸縮節(jié)(位于中沖程)長(zhǎng)度+LMRP／BOP組高度+井口高度。

3)需要的總隔水管單根長(zhǎng)度＝隔水管系統(tǒng)總長(zhǎng)度一隔水管附屬部件總長(zhǎng)度。

4)隔水管單根數(shù)量＝需要的總隔水管單根長(zhǎng)度(或隔水管單根長(zhǎng)度)，剩余長(zhǎng)度采用短節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償即可。

需要指出，上述只能形成隔水管系統(tǒng)配置而不是形成具有實(shí)際指導(dǎo)意義的隔水管下放列表。在確定具體的隔水管下放列表過(guò)程中，還要充分考慮浮力單根的浮力等級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率和隔水管在堆放區(qū)的排列情況，然后對(duì)隔水管單根的使用做出取舍。

1．2　隔水管所需張緊力確定

確定隔水管系統(tǒng)所需的張緊力主要有3種方法，分別為API理論算法、基于過(guò)提力(隔水管底部總成與防噴器之間的張力)的確定方法和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)參考用的基于下放鉤載的張緊力確定方法。

1．2．1API規(guī)范推薦方法

根據(jù)API RP l6Q規(guī)范，張緊力設(shè)置是確保隔水管穩(wěn)定性的條件之一。張緊力的設(shè)置要確保即使有部分張力繩失效，也能保證隔水管底部會(huì)產(chǎn)生有效張力。最小張緊力(Tmin)按如下公式確定：

 

式中TSRmin為滑環(huán)張力；N為支撐隔水管的張力繩數(shù)目；n為出現(xiàn)突然失效的張力繩數(shù)目；Rf為用以計(jì)算傾角和機(jī)械效率的滑環(huán)處垂直張力與張力繩設(shè)置之間的換算系數(shù)，通常為0.90～0.95。

式(1)中滑環(huán)張力TSRmin計(jì)算公式為：

TSRmin＝Ws¦wt-Bn¦bt+Ai(dmHm-dwHw)          (2)

式中Ws為參考點(diǎn)之上的隔水管沒(méi)水重量；¦wt為沒(méi)水重量公差系數(shù)；Bn為參考點(diǎn)之上的浮力塊凈浮力；¦bt為因彈性壓縮、長(zhǎng)期吸水和制造容差引起的浮力損失容差系數(shù)；Ai為隔水管內(nèi)部橫截面積；dm為鉆井液密度；Hm為至參考點(diǎn)的鉆井液柱高度；dw為海水密度；Hw為至參考點(diǎn)的海水柱高度。

1．2．2基于底部殘余張力的張緊力確定方法

根據(jù)此方法，隔水管張緊力計(jì)算必須保證隔水管底部撓性接頭處的殘余張力等于或大于隔水管底部總成的濕重，以確保惡劣海況條件下啟動(dòng)緊急脫離程序時(shí)能夠安全提升整個(gè)隔水管系統(tǒng)。

隔水管張緊力Ttop計(jì)算公式如下：

 

式中Wriser為隔水管濕重；Wmud為鉆井液濕重；RTB為底部殘余張力，一般取至少225kN(不包含隔水管底部總成的濕重)^[11]。

此外還有現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)參考采用的基于下放鉤載的張緊力確定方法，具體可見(jiàn)本文參考文獻(xiàn)[7]。

2　深水鉆井隔水管作業(yè)技術(shù)

從指導(dǎo)隔水管作業(yè)的角度出發(fā)，作業(yè)技術(shù)研究的目的是要確定鉆井作業(yè)窗口和隔水管下放／回收窗口和隔水管懸掛作業(yè)窗口，也就是確定各種作業(yè)條件下的容許作業(yè)參數(shù)和環(huán)境條件，為隔水管的安全作業(yè)提供參考。深水鉆井隔水管作業(yè)技術(shù)框架如圖l所示。

 

由圖l可知，隔水管系統(tǒng)作業(yè)技術(shù)主要包括管柱排列設(shè)計(jì)、張緊力、隔水管鉆井作業(yè)窗口、下放／回收作業(yè)窗口、懸掛作業(yè)窗口和避臺(tái)撤離作業(yè)窗口等。其中避臺(tái)撤離作業(yè)技術(shù)分析是否開(kāi)展取決于平臺(tái)定位方式，如果平臺(tái)采用動(dòng)力定位，則需要開(kāi)展研究以確定避臺(tái)撤離的方向和速度，如果平臺(tái)采用錨泊定位，則一般不予考慮，具體方法可參考本文參考文獻(xiàn)[12]。

2．1　鉆井作業(yè)窗口

鉆井隔水管系統(tǒng)鉆井作業(yè)窗口分析與確定的目的是明確進(jìn)行正常鉆井作業(yè)、連接非鉆井作業(yè)和解脫作業(yè)的環(huán)境載荷條件和鉆井平臺(tái)偏移范圍，形成相應(yīng)的綠圈、黃圈和紅圈，可為隔水管的連接作業(yè)提供指導(dǎo)。

為此，需要首先明確鉆井作業(yè)窗口的確定準(zhǔn)則，參考API RP l6Q規(guī)范^[10]和相關(guān)研究成果^[5，11]，確定的鉆井作業(yè)窗口限制準(zhǔn)則見(jiàn)表l。

 

在明確上述準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，可采用有限元分析軟件建立隔水管—井口—導(dǎo)管整體有限元分析模型，并以鉆井平臺(tái)偏移值、表面海流流速和伸縮節(jié)沖程組合參數(shù)形式確定隔水管鉆井作業(yè)窗口。

2．2　隔水管懸掛作業(yè)窗口

在惡劣的海況條件下，當(dāng)環(huán)境載荷超過(guò)隔水管作業(yè)極限時(shí)，需要將隔水管從底部斷開(kāi)，使隔水管處于懸掛狀態(tài)。在懸掛狀態(tài)時(shí)，隔水管可能會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓縮。一旦出現(xiàn)嚴(yán)重的動(dòng)態(tài)壓縮，一方面會(huì)導(dǎo)致隔水管的局部屈曲失穩(wěn)，增加隔水管的彎曲應(yīng)力，另一方面也增加了隔水管上部碰撞月池的風(fēng)險(xiǎn)，于是在設(shè)計(jì)和使用中應(yīng)該考慮懸掛狀態(tài)下隔水管的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

在計(jì)算隔水管懸掛作業(yè)窗口時(shí)，同樣也需要首先明確隔水管懸掛作業(yè)窗口的限制準(zhǔn)則，參考相關(guān)研究成果^[6，11]，確定的隔水管懸掛作業(yè)窗口限制準(zhǔn)則見(jiàn)表2。

 

然后采用有限元軟件建立懸掛隔水管柱軸向與側(cè)向耦合分析動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算確定容許進(jìn)行隔水管懸掛的極限海況條件(包括波高和海流流速等)。

2．3　下放／回收作業(yè)窗口

在海上鉆井過(guò)程中，需要將隔水管與LMRP／BOP下放至海底，此過(guò)程形成隔水管下放工況；另外，當(dāng)每口井完鉆后，需要將隔水管與LMRP／BOP回收到平臺(tái)上，此過(guò)程形成隔水管回收工況。與前述的隔水管懸掛工況類似，兩種工況下唯一不同之處是下放／回收工況下隔水管系統(tǒng)下端除了有LMRP(懸掛工況也有)之外，在LMRP下部還有BOP(懸掛工況沒(méi)有)。

下放與回收工況在分析模型、分析方法與流程完全相同，其作業(yè)窗口的限制準(zhǔn)則與上述懸掛作業(yè)也相同。為避免隔水管下放／回收模式隔水管頂部在平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)作用下產(chǎn)生動(dòng)態(tài)壓縮，必須針對(duì)不同的環(huán)境條件進(jìn)行分析，確定允許進(jìn)行下放／回收作業(yè)的最大環(huán)境載荷，從而保證隔水管的作業(yè)安全。

3　算例

3．1　基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

南海某深水井^[11]，水深為492m，依托平臺(tái)為某深水鉆井平臺(tái)，鉆臺(tái)距水面的高度為26m，吃水深度為20m。設(shè)計(jì)海況條件為：一年一遇條件下，波高為8.4m，波浪周期為l2.1s；采用近似三角形流剖面，表面流速為l.07m／s，海底流速為0.31m／s。井幾抗彎能力為2.7MN·m。

3．2　隔水管排列設(shè)計(jì)和張緊力

依據(jù)前述的隔水管設(shè)計(jì)技術(shù)，針對(duì)某深水鉆井平臺(tái)隔水管配備情況，參考API RP l6Q規(guī)范^[10]設(shè)計(jì)出的隔水管系統(tǒng)見(jiàn)表3。

 

根據(jù)上述隔水管系統(tǒng)配置可以很方便形成隔水管下放列表，用以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

根據(jù)上述隔水管系統(tǒng)配置，可以采用3種方法計(jì)算該隔水管系統(tǒng)所需的張緊力，基于API理論算法得到隔水管系統(tǒng)所需的最小張緊力為908kN，基于底部殘余張力法確定的張緊力為l460kN，基于下放鉤載法確定的張緊力為l755kN?？紤]到API理論算法得到的僅為最小張緊力，而基于下放鉤載法確定的張緊力會(huì)導(dǎo)致底部殘余張力過(guò)大，最終推薦采用基于底部殘余張力法確定的張緊力，設(shè)計(jì)結(jié)果為l460kN。

3．3　作業(yè)窗口計(jì)算與分析

3．3．1鉆井作業(yè)窗口

根據(jù)底部殘余張力法確定的l460kN張緊力，針對(duì)表3給出的隔水管系統(tǒng)配置并形成詳細(xì)的下放列表，采用前述的海洋環(huán)境條件，通過(guò)有限元計(jì)算得到鉆井作業(yè)窗口(圖2)。

 

圖2中橫軸與縱軸確定了可進(jìn)行各種作業(yè)模式的極限鉆井船偏移和表面海流流速。綠色區(qū)域內(nèi)可進(jìn)行正常鉆井作業(yè)，當(dāng)鉆井船偏移和表面海流流速參數(shù)達(dá)到黃色報(bào)警線時(shí)，需要停止鉆井并進(jìn)行解脫準(zhǔn)備，此時(shí)隔水管處于連接非鉆井模式；當(dāng)鉆井船偏移和表面海流流速參數(shù)達(dá)到紅色報(bào)警線時(shí)，需要啟動(dòng)解脫程序；當(dāng)鉆井船偏移和表面海流流速參數(shù)達(dá)到最外圍的白色區(qū)域時(shí)，解脫作業(yè)應(yīng)當(dāng)已經(jīng)完成，隔水管處于懸掛模式(自存狀態(tài))。圖2中，綠圈與黃圈的外圍邊界均是由于上球鉸和下部撓性接頭轉(zhuǎn)角的限制，而紅圈的外圍邊界主要是受低壓井口抗彎能力的限制。

3．3．2懸掛作業(yè)窗口

隔水管懸掛作業(yè)窗口如圖3所示(具體數(shù)據(jù)略)。圖3中綠色部分為允許懸掛作業(yè)區(qū)域，紅色區(qū)域?yàn)椴辉试S在當(dāng)前配置下進(jìn)行硬懸掛作業(yè)的區(qū)域。

 

由圖3可知，隔水管懸掛模式下，隔水管作業(yè)窗口主要受隔水管應(yīng)力、動(dòng)態(tài)張力放大(懸掛裝置過(guò)載)與隔水管壓縮等因素的影響。相對(duì)該井作業(yè)海域具體的海況數(shù)據(jù)，海流和波浪載荷對(duì)硬懸掛作業(yè)影響顯著，隨著海流增大隔水管允許懸掛作業(yè)的最大波高不斷減小。

3．3．3下放／回收作業(yè)窗口

隔水管下放／回收作業(yè)窗口的確定是在獲得作業(yè)海域詳細(xì)環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同工況組合下下放／回收隔水管的懸掛有限元分析，根據(jù)下放／回收作業(yè)限制準(zhǔn)則判斷是否能夠進(jìn)行下放／回收作業(yè)，允許作業(yè)的工況組合起來(lái)即為隔水管的下放／回收作業(yè)窗口。

隔水管的下放／回收作業(yè)窗口如圖4所示(具體數(shù)據(jù)略)。圖4中綠色部分為允許作業(yè)區(qū)域，紅色區(qū)域?yàn)椴辉试S在該配置下進(jìn)行下放／回收的環(huán)境條件。

 

由圖4可知，隔水管下放／回收作業(yè)窗口對(duì)海流極為敏感，隨著波高的增大允許作業(yè)的最大海流迅速減小，根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示限制作業(yè)的主要因素為隔水管最大等效應(yīng)力，這是由于隔水管下放過(guò)程中上球鉸安裝之前，隔水管頂部約束被簡(jiǎn)化為固定端，高速海流作用于隔水管使其頂部產(chǎn)生很大彎矩，在隔水管頂部造成大應(yīng)力，導(dǎo)致隔水管頂部等效應(yīng)力超出限制。此外，在所有計(jì)算工況下，隔水管有效張力與月池位移均未超出限制，等效應(yīng)力是限制隔水管下放／回收作業(yè)的最重要因素。

此外，由于該平臺(tái)采用錨泊定位，不再考慮避臺(tái)撤離作業(yè)窗口。

4　結(jié)論與展望

1)深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)主要包括隔水管系統(tǒng)配置、排列設(shè)計(jì)和張緊力確定。隔水管系統(tǒng)配置主要確定隔水管系統(tǒng)各個(gè)部件的長(zhǎng)度、單根數(shù)量和短節(jié)長(zhǎng)度等。排列設(shè)計(jì)就要確定隔水管具體的下放列表供現(xiàn)場(chǎng)司鉆使用，而張緊力的確定既要滿足API規(guī)范關(guān)于最小張緊力的要求同時(shí)也應(yīng)更適合于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

2)隔水管作業(yè)技術(shù)研究主要是依據(jù)設(shè)計(jì)得到的管柱排列和張緊力，結(jié)合給定海域的海況條件和依托平臺(tái)的具體情況，同時(shí)也要考慮井口、導(dǎo)管參數(shù)以及土壤條件，確定隔水管鉆井作業(yè)窗口、下放／回收作業(yè)窗口和硬懸掛作業(yè)窗口，確定各個(gè)窗口對(duì)應(yīng)的極限作業(yè)參數(shù)與極限環(huán)境條件，保證隔水管作業(yè)的安全性。

3)對(duì)于懸掛作業(yè)窗口，本文僅僅考慮回收一部分隔水管后采用卡盤(pán)與萬(wàn)向節(jié)支撐剩余管柱重量的作業(yè)窗口，即硬懸掛的作業(yè)窗口，雖然可行但相對(duì)保守。后續(xù)將進(jìn)一步研究軟懸掛作業(yè)窗口，并研究硬懸掛條件下萬(wàn)向節(jié)的鉸支作用對(duì)于懸掛作業(yè)窗口的影響。

 

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本文作者：暢元江　段夢(mèng)蘭

作者單位：中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院

  中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋油氣研究中心

  中國(guó)石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心