深水隔水管分析技術1

肖 譚

（中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，?？?570100）

0 引言

海洋立管是海洋石油鉆采過程中關鍵的裝備，是鉆采平臺與油氣井連接的通道，是海洋開發系統結構的重要組成部分。在海洋石油鉆采過程中，風、浪、流等環境因素會對鉆井船、浮式生產儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）及張力腿平臺（Tension Leg Platform，TLP）等海面鉆采設施的運動特性造成一定影響。作為海面鉆采設施的連接部分，立管系統的運動特性也會間接或直接地受到環境影響[1]，這對海面鉆采設施的正常生產作業構成了巨大的挑戰，同時也成為了海洋油氣井設計的難點與重點[2]。深水隔水管是一種具有高風險、高難度、高技術和高附加值的石油鉆井裝備，相關的研究工作已引起了國內外普遍關注。設計和開發具有高技術、高難度和高可靠性的海洋鉆井隔水管及其系統已成為一個新的研究熱點[3]。

本文結合深水鉆采作業的特點，開展深水隔水管技術研究，對深水鉆井隔水管進行受力分析，進而確定作業窗口期以及立管系統的配置情況。在此基礎上，建立一套深水隔水管實時監測技術服務系統，可對隔水管的疲勞損傷情況進行實時監測。

1 深水隔水管分析技術

在對深水隔水管進行分析時，有必要結合我國目前深水開發的現狀，并充分借鑒國外的研究成果與研究經驗。深水隔水管分析技術主要包括隔水管受力分析技術及隔水管實時監測技術[4]。

1.1 深水隔水管受力分析技術

深水隔水管受力分析技術是指對深水隔水管系統進行綜合受力分析，包括不同工況下的頂張力分析、強度校核、漂移分析、懸掛分析及疲勞分析等內容，并確定立管系統配置及鉆采設施的作業窗口。深水隔水管受力分析技術可為油氣井的設計及現場作業提供指導，并保障油氣井作業的安全性。

1.1.1 系統配置

在進行深水隔水管系統配置時，需要注意以下關鍵點：

1）在計算頂張力時，需要綜合考慮撓性接頭角度和隔水管底部受力情況。

2）考慮到水力半徑及操作便利性，優先選用裸單根。

3）適當配置浮力單根以控制隔水管的總濕重。

4）在隔水管底部配置裸單根，以免懸掛時受壓。

5）根據需要配置壓力填充閥。

在完成深水隔水管系統的配置后，進行水力計算與分析，并根據計算結果對隔水管的配置進行優化。

1.1.2 頂張力分析

深水隔水管系統的頂張力需要滿足美國石油學會（American Petroleum Institute，API）和大西洋邊緣聯合工業組織（Atlantic Margin Joint Industry Group，AMJIG）的相關要求：

1）撓性接頭旋轉角度要滿足相關要求。

2）接頭處要能保持拉力平衡，以便關鍵時刻斷開立管。

3）在張力器突然失效的情況下，隔水管要能保持拉力平衡。

4）隔水管的張力不得超過最大允許張力的90%。

5）要保持井口頭的壓力平衡。

1.1.3 作業窗口分析

作業窗口分析包括靜態作業窗口分析和動態作業窗口分析[5]。分別計算不同工況下的作業窗口，并根據水深偏移量和洋流數據來選擇最優的隔水管頂張力。

在計算動態作業窗口時，要考慮重現期為一年的波高情況，并采用規則波法進行分析。值得注意的是，波的方向和洋流的方向保持一致。

1.1.4 隔水管系統強度及薄弱點分析

強度及薄弱點分析可確定隔水管和連接絲扣的最大強度，并確定在平臺失去動力的情況下最可能發生事故的薄弱點。在確定平臺的極限偏移量時，需要考慮最優預期的作業環境[6]。

1.1.5 漂移分析

漂移分析的作用在于確定作業觀察圈，計算平臺漂移的反應時間和應急解脫的時間，確保在平臺漂移的情況下有足夠的時間執行緊急斷開指令。

1.1.6 隔水管安裝和回收分析

在進行安裝和回收分析前，需要確定隔水管的連接形式，主要包括2 種：1）隔水管與下部隔水管總成（Lower Marine Riser Package，LMRP）和防噴器（Blowout Preventer，BOP）連接；2）隔水管僅與LMRP 連接。

安裝和回收分析共分為3 種工況，分別為靠近海平面位置工況、中間位置工況、靠近泥線位置工況。根據環境載荷條件確定各安裝階段的作業窗口，并在綜合考慮最大隔水管壓力、撓性接頭角度、月池部位操作余量等因素的情況下確定安裝和回收方案。

1.1.7 隔水管懸掛分析

懸掛分析的目的在于確保立管斷開后隔水管的狀態滿足相關要求。在進行分析時，假設隔水管狀態為硬懸掛，波浪和水流方向一致，懸掛期間隔水管內部充滿海水，對不同波浪和水流條件下的隔水管狀態進行分析，并計算安全懸掛隔水管的天氣窗口。

1.1.8 渦激疲勞分析

為確保在連接作業過程中隔水管、井口和導管具備足夠的渦激振動疲勞壽命，需要進行渦激振動疲勞分析。本文基于模態分析法，使用SHEAR7 軟件進行仿真計算。

1.1.9 波致疲勞分析

采用基于長期海況散點圖的波譜方法進行波致疲勞分析。首先將海況散點圖拆分為多個線性化窗口，再從每個窗口中選擇一個代表性的海況用于線性化分析。假定洋流方向和波浪方向在同一直線上，洋流流速為0.1 m/s，整個立管系統的結構阻尼為0.3%，頻譜為單峰譜，對深水隔水管進行波致疲勞分析。

在大水深范圍內，波浪效應會受到抑制。因此，與渦激疲勞相比，波致疲勞對井口、導管和套管的影響較小[7]。在作業過程中，導管接頭處于壓縮狀態，對于不同尺寸管體的導管接頭和焊縫，其安全系數取值不同，具體取值需要根據所用管材性質及加工方法確定。

1.2 深水隔水管實時監測技術

鉆井隔水管實時監測服務包括鉆井前技術方案的制定，以及監測設備的安裝與調試。深水隔水管實時監測技術可對隔水管渦激疲勞損傷、波致疲勞損傷、井口疲勞損傷、井間移位等進行實時監測。監測系統的輸出結果可供作業人員參考。此外，監測系統還能對隔水管的受力狀態進行在線和離線模擬[8]。

1.2.1 數據分析

監測系統含有渦激疲勞算法，可從隔水管振動響應測量數據中對渦激疲勞損傷進行識別和量化分析。

監測系統可兼容隔水管模型分析軟件，將測量得到的運動測量參數作為仿真分析的輸入數據，計算渦激振動響應特征。

建立鉆井隔水管的有限元模型，仿真計算隔水管的振型和固有頻率，計算結果用于確定水管頂張力和泥漿質量范圍。

1.2.2 在線自動模擬

監測系統可自動獲取船舶系統的實時數據，并給出實時操作指導。監測系統可自動在線模擬，更新時間間隔一般為10～15 min，也可根據用戶需求進行設定。監測系統的屏幕對隔水管系統的實時測量數據進行顯示。

1.2.3 在線疲勞損傷跟蹤

在線疲勞損傷跟蹤模塊包括隔水管波致疲勞跟蹤軟件和用于提高疲勞評估準確性的隔水管儀器儀表。隔水管疲勞數據記錄在系統的數據庫內。在隔水管的關鍵位置安裝運動傳感器可增強數據捕獲效果。在校準時，將傳感器與監測系統配合使用，可提高疲勞評估的準確性。

在線疲勞損傷跟蹤模塊可自動輸入從現有船舶系統獲取的實時測量數據，并能從鉆井裝置的波浪雷達系統或相關行業網站自動獲取波浪數據。

在線疲勞損傷跟蹤模塊可接入平臺數據庫以獲取實時信號信息，并將這些信息整合以便疲勞損傷評估使用。

在完成仿真分析后，在線疲勞損傷跟蹤模塊對結果進行后處理，確定整個系統熱點的疲勞損傷、隔水管系統關鍵部位的最大應力和載荷情況。

1.2.4 土壤模型校準

該模塊可對用于整體隔水管分析的土壤模型進行校準，并能確定不同土壤深度的土壤剛度范圍與上下限剖面。在進行校準時，需要將合適的監測儀器安裝在BOP 或井口，以便記錄校準數據源。

1.2.5 井間移位評估

監測系統使用航行速度、隔水管長度、關鍵海洋參數等數據來計算隔水管的最大應力，分析結果可用于確定隔水管系統的浪致疲勞。

監測系統可對井間移位期間的隔水管渦激振動進行計算，進而分析在航行作業期間隔水管系統的渦激疲勞損傷。比較計算結果與預先定義的限值，判斷當前航行速度是否滿足要求。

監測系統根據波致疲勞和渦激疲勞的計算結果，對移位作業期間隔水管的總疲勞損傷進行評估。監測系統可為作業人員提供安全上限數據，以便評估井間移位操作的可行性。

井間移位評估可輸出以下結果：1）井間移位作業期間的最大隔水管載荷；2）隔水管最大應力；3）疲勞損傷。

2 結論

本文結合深水鉆采作業的特點，開展深水隔水管技術研究，對深水鉆井隔水管進行受力分析，進而確定作業窗口期以及立管系統的配置情況。在此基礎上，建立一套深水隔水管實時監測技術服務系統，可對隔水管的疲勞損傷情況進行實時監測。研究表明：該系統可有效提高作業效率和安全性。