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深水鉆井隔水管連接作業(yè)窗口分析

  摘要：采用通用組合確定準則和非線(xiàn)性搜索方法研究深水鉆井隔水管連接作業(yè)窗口，建立隔水管-井口-導管整體有限元分析模型，并以鉆井平臺偏移值、表面海流流速和伸縮節沖程組合參數形式確定隔水管連接作業(yè)窗口。研究表明，隔水管鉆井窗口總體上呈倒錐形：表面海流流速較小時(shí)（小于 1.0 m/s），鉆井窗口主要受底部撓性接頭轉角的影響，順流方向海流流速增加會(huì )增大底部撓性接頭轉角，減小允許的平臺最大偏移值，逆流方向相反；當表面海流流速超過(guò) 1.0 m/s 時(shí)，鉆井窗口主要受頂部撓性接頭轉角的影響，此時(shí)在逆流方向海流流速增加會(huì )顯著(zhù)增大頂部撓性接頭轉角，導致鉆井窗口迅速縮小。隔水管連接非鉆井和啟動(dòng)脫離程序窗口主要受導管最大等效應力限制，隨海流流速增大向逆流方向偏移。另外，通過(guò)對隔水管連接作業(yè)窗口影響因素進(jìn)行分析，可知適當提高頂張力和降低鉆井液密度可有效擴展隔水管的鉆井窗口。
 
  0 引言鑒于石油資源特別是陸上資源的日漸枯竭，具有高投入、高技術(shù)和高風(fēng)險特點(diǎn)的深水油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域已成為全球熱點(diǎn)領(lǐng)域。深水鉆井隔水管是深海石油勘探開(kāi)發(fā)的重要裝備，是決定鉆井成敗的關(guān)鍵因素。
 
  隨著(zhù)中國石油開(kāi)采向深海發(fā)展，南海復雜的海況條件將給鉆井隔水管的作業(yè)管理帶來(lái)嚴峻挑戰。作業(yè)窗口能有效地確定隔水管正常鉆井、連接非鉆井和啟動(dòng)脫離程序的界限，為隔水管不同作業(yè)階段的實(shí)時(shí)決策提供指導。分析不同模式下隔水管作業(yè)窗口是構建隔水管作業(yè)管理體系的基礎，國外常規做法是采用鉆井船偏移值與水深比值建立水圈形成作業(yè)包絡(luò )線(xiàn)[5]，或利用隔水管最大等效應力和撓性接頭轉角劃分作業(yè)界限，或將伸縮節沖程的極限長(cháng)度作為隔水管作業(yè)窗口的制定依據，由此得到的隔水管連接作業(yè)窗口主要有鉆井平106 石油勘探與開(kāi)發(fā)·石油工程 Vol. 39 No.1臺偏移形式、隔水管撓性接頭轉角形式和風(fēng)浪流組合載荷形式等[6-7]。上述隔水管作業(yè)窗口確定準則及其表現形式都比較單一，由此確定的作業(yè)窗口具有很大的應用局限性。
 
  本文采用鉆井平臺偏移值、表面海流流速和伸縮節沖程的組合參數確定隔水管連接作業(yè)窗口，建立隔水管、井口和導管整體有限元分析模型，確定隔水管不同作業(yè)模式劃分的極限準則，分析不同工況下隔水管的作業(yè)窗口，研究頂張力和鉆井液密度對隔水管連接作業(yè)窗口的影響，提出改善作業(yè)窗口的措施。
 
  1 隔水管連接作業(yè)窗口分析模型圖 1 為深水鉆井隔水管系統連接作業(yè)示意圖。由圖可見(jiàn)，整個(gè)系統包括鉆井平臺、頂部撓性接頭、伸縮節、隔水管、底部撓性接頭、隔水管底部總成(LowerMarine Riser Package，簡(jiǎn)稱(chēng) LMRP)、防噴器(BlowoutPreventor，簡(jiǎn)稱(chēng) BOP)、井口以及導管等。
 
  基于隔水管與導管數學(xué)模型，建立隔水管-井口-導管整體有限元分析模型，模型的上部邊界終止于頂部撓性接頭與張緊器，下部邊界終止于導管，導管下2012 年 2 月 鞠少棟 等：深水鉆井隔水管連接作業(yè)窗口分析 107圖 3 考慮大變形的導管彎矩分析示意圖端采用固支約束。自伸縮節至導管的整個(gè)海洋鉆井管柱系統采用管單元進(jìn)行模擬；撓性接頭采用鉸單元進(jìn)行模擬，鉸單元截面屬性為連接、可轉動(dòng)，頂部撓性接頭的抗轉剛度一般設為零，而底部撓性接頭的抗轉剛度隨水深的增大而變大。張緊器的模擬通過(guò)在隔水管頂部施加垂直張力來(lái)實(shí)現[10]。
 
  2 隔水管連接作業(yè)窗口確定準則與流程隔水管連接狀態(tài)下不同作業(yè)模式的限制因素主要包括頂部、底部撓性接頭轉角，隔水管和導管最大等效應力，伸縮節沖程長(cháng)度等[11-12]，由此得到的隔水管連接作業(yè)窗口確定準則見(jiàn)表 1。
 
  表 1 不同作業(yè)模式下隔水管連接作業(yè)窗口確定準則作業(yè)模式頂部撓性接頭最大轉角/(°)底部撓性接頭最大轉角/(°)隔水管最大等效應力與屈服強度比值導管最大等效應力與屈服強度比值伸縮節沖程/m連接鉆井模式 2 2 0.67 0.67 ≤19.8連接非鉆井模式 9 9 0.67 0.80 ≤19.8啟動(dòng)脫離模式 9 9 0.67 1.00 ≤19.8為了快速得到各種作業(yè)模式下的臨界鉆井平臺偏移值和海流流速值，筆者設計了作業(yè)窗口臨界值搜索方法。該方法先按不同的作業(yè)極限準則劃分工況，然后采用一維非線(xiàn)性搜索求出不同海流流速下的臨界鉆井平臺偏移值，計算完一種工況后，進(jìn)行極限準則和海流流速的更新，直至完成所有工況的分析。圖 4 為連接工況下隔水管作業(yè)窗口確定流程示意圖。
 
  上述深水鉆井隔水管連接作業(yè)窗口確定方法與國外一般方法相比，在分析模型、確定準則、搜索方法以及作業(yè)窗口表現形式等方面均有明顯不同（見(jiàn)表 2）。
 
  本文方法采用隔水管-井口-導管整體有限元模型，充分考慮了導管對隔水管響應的影響，更符合現場(chǎng)實(shí)際。
 
  本文方法提出了通用的組合確定準則并采用非線(xiàn)性搜索方法，相對于單一確定準則和線(xiàn)性搜索方法得到的窗口更可靠；窗口表現形式為多參數組合形式，比單一參數形式更直觀(guān)。盡管?chē)夥椒ㄒ驯缓Ｑ筱@井實(shí)踐證明行之有效，但對于中國南海海域惡劣的環(huán)境和多變的海況條件，采用本文方法獲得的作業(yè)窗口更加精確，對于安全作業(yè)更有利，且通過(guò)自主研發(fā)獲得了隔水管作業(yè)窗口分析核心技術(shù)，打破了國外在這一領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。
 
  圖 4 隔水管連接作業(yè)窗口確定流程表 2 隔水管連接作業(yè)窗口分析方法對比分析方法 分析模型 確定準則 搜索方法 窗口表現形式國外方法 隔水管單一模型單一確定準則線(xiàn)性搜索 單一參數形式本文方法隔水管-井口-導管整體模型組合確定準則非線(xiàn)性搜索海流流速、平臺偏移值與伸縮節沖程組合形式108 石油勘探與開(kāi)發(fā)·石油工程 Vol. 39 No.13 隔水管連接作業(yè)窗口分析實(shí)例3.1 深水鉆井隔水管系統配置以南海 3 048 m（10 000 ft）水深為例，鉆井作業(yè)隔水管系統配置見(jiàn)表 3。伸縮節沖程 17.28 m；底部撓性接頭抗轉剛度為 92 kN·m/(°)；導管到固定端的長(cháng)度設為導管外徑的 4 倍；隔水管材料為 X80 鋼，屈服強度 552 MPa；導管材料為 X56 鋼，屈服強度386 MPa。
 
  表 3 隔水管系統配置隔水管部件名稱(chēng) 數量 外徑/m 壁厚/mm 長(cháng)度/m伸縮節外筒 1 0.609 6 25.400 22.86浮力單根 1 7 0.533 4 25.400 22.86浮力單根 2 26 0.533 4 23.813 22.86浮力單根 3 33 0.533 4 22.225 22.86浮力單根 4 34 0.533 4 22.225 22.86浮力單根 5 33 0.533 4 19.050 22.86LMRP 1 7.10BOP 1 8.00井口 1 0.80導管 1 0.914 4 50.800 3.70根據隔水管系統配置，參考 API RP 16Q-1993[13]
 
  的最小頂張力計算方法，算得最小頂張力為 9.32 MN，計算所用參數如下：隔水管濕重 1 678 993 kg，浮力塊凈浮力 1 381 493 kg，系統總濕重 297 500 kg，鉆井液密度 1 680 kg/m3，最小滑環(huán)張力 7.17 MN，安全系數1.30。
 
  3.2 隔水管連接作業(yè)窗口確定根據表 3 給出的隔水管配置以及算得的頂張力結果（9.32 MN），建立隔水管有限元分析模型，計算不同海流流速下的隔水管極限偏移值，根據隔水管作業(yè)窗口限制準則確定作業(yè)窗口（見(jiàn)圖 5）。圖中，綠色區域內為可進(jìn)行正常鉆井范圍；當鉆井平臺偏移值和表面海流流速達到連接非鉆井模式報警線(xiàn)（進(jìn)入黃色區域）時(shí)，需要停止鉆井并進(jìn)行解脫準備，此時(shí)隔水管處于連接非鉆井模式；當鉆井平臺偏移值和表面海流流速達到啟動(dòng)解脫程序報警線(xiàn)（進(jìn)入紅色區域）時(shí)，需要啟動(dòng)解脫程序；紅色區域之外為已完成解脫作業(yè)范圍，隔水管處于懸掛模式。
 
  由圖 5 可知，隨著(zhù)表面海流流速的增大，隔水管鉆井窗口先向逆流方向偏移，當達到一定流速時(shí)窗口圖 5 深水鉆井隔水管連接作業(yè)窗口收縮，總體上呈倒錐形。表面海流流速較小時(shí)（小于1.0 m/s），鉆井窗口主要受底部撓性接頭轉角的影響，在順流方向海流會(huì )增大底部撓性接頭轉角，流速增大，允許的平臺最大偏移值減??；而逆流方向剛好相反。
 
  當表面海流流速超過(guò) 1.0 m/s 時(shí)，鉆井窗口主要受頂部撓性接頭轉角的影響，此時(shí)在逆流方向海流流速的增加會(huì )顯著(zhù)增大頂部撓性接頭轉角，導致鉆井窗口迅速縮小。
 
  底部導管等效應力是連接非鉆井模式和啟動(dòng)脫離模式的主要限制因素，隨海流流速的增大，隔水管連接非鉆井窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口向逆流方向偏移。
 
  4 隔水管連接作業(yè)窗口影響因素分析在依據隔水管連接作業(yè)窗口確定準則完成隔水管連接作業(yè)窗口設計后，實(shí)際鉆井過(guò)程中，如果遭遇較惡劣的海況條件，平臺偏移值很可能會(huì )增大，從而使鉆井窗口變小，這時(shí)可以通過(guò)改變隔水管頂張力或鉆井液密度的方法擴展安全鉆井窗口，保證鉆井繼續進(jìn)行。以下詳細分析頂張力、鉆井液密度對隔水管作業(yè)窗口的影響。
 
  4.1 頂張力對隔水管作業(yè)窗口的影響圖 6 為 1.4 倍和 1.6 倍張力比（隔水管頂張力與隔水管系統總濕重的比值）條件下的隔水管作業(yè)窗口。
 
  由圖可見(jiàn)，頂張力越大，隔水管鉆井作業(yè)窗口越大，連接非鉆井窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口越小。這是因為較大的頂張力可以提高隔水管抗彎剛度，減小撓性接頭轉角，從而增大鉆井窗口的平臺允許偏移值。同理，頂張力增大會(huì )使導管底部彎矩變大，導致相應的連接非鉆井窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口變小。
 
  4.2 鉆井液密度對隔水管作業(yè)窗口的影響圖 7 為鉆井液密度為 1 440 kg/m3（12 ppg）和2012 年 2 月 鞠少棟 等：深水鉆井隔水管連接作業(yè)窗口分析 109圖 6 頂張力對隔水管作業(yè)窗口的影響圖 7 鉆井液密度對隔水管作業(yè)窗口的影響1 800 kg/m3（15 ppg）時(shí)的隔水管作業(yè)窗口。由圖可見(jiàn)，隨著(zhù)鉆井液密度的增大，隔水管鉆井窗口變小，連接非鉆井窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口變大，即對于鉆井窗口而言，鉆井液密度越大，隔水管底部殘余張力越小，隔水管抗彎剛度越小，引起隔水管轉角增大，導致鉆井窗口平臺允許偏移值變??；而對于連接非鉆井窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口而言，鉆井液密度增大，隔水管有效張力減小，引起導管底部彎矩減小，導致連接非鉆井作業(yè)窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口變大。
 
  基于上述影響因素分析，認為現場(chǎng)作業(yè)時(shí)適當提高隔水管頂張力和降低鉆井液密度，可有效擴展安全鉆井窗口，保證鉆井作業(yè)的順利進(jìn)行。
 
  5 結論本研究在充分考慮導管對隔水管影響的基礎上，建立隔水管-井口-導管整體有限元模型，提出以通用組合確定準則和非線(xiàn)性搜索方法獲得不同海流流速下的臨界鉆井平臺偏移值，從而建立了多參數組合形式作業(yè)窗口，較之用國外方法獲得的作業(yè)窗口更精確可靠，窗口表現形式更直觀(guān)，更適用于中國南海海域惡劣的環(huán)境和多變的海況條件。
 
  深水鉆井隔水管連接作業(yè)窗口分析表明，表面海流流速較?。ㄐ∮?1.0 m/s）時(shí)，鉆井窗口主要受底部撓性接頭轉角影響；當表面海流流速超過(guò) 1.0 m/s 時(shí)，鉆井窗口主要受頂部撓性接頭轉角限制，隨流速增大，鉆井窗口迅速減??；隨著(zhù)表面海流流速的增大，隔水管鉆井窗口總體上呈倒錐形。底部導管等效應力是隔水管連接非鉆井模式和啟動(dòng)脫離模式的主要限制因素，隨著(zhù)海流流速的增大，相應的窗口向逆流方向偏移。
 
  較大的頂張力可以提高隔水管抗彎剛度，減小撓性接頭轉角，增大導管底部彎矩，從而使得隔水管鉆井窗口變大、連接非鉆井窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口變??；鉆井液密度越大，隔水管底部殘余張力越小，導致隔水管轉角變大，鉆井窗口變??；同時(shí)，鉆井液密度增大使隔水管有效張力減小，引起導管底部彎矩變小，導致連接非鉆井窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口變大。110 石油勘探與開(kāi)發(fā)·石油工程 Vol. 39 No.1符號注釋?zhuān)?/div>
 
  E——隔水管彈性模量，Pa；I——隔水管截面慣性矩，m4；z——沿隔水管軸向的垂直距離，m；y——隔水管水平位移，m；T——隔水管軸向力，N；W——單位長(cháng)度隔水管重量，N/m；f——沿水平方向作用于單位長(cháng)度隔水管上的波流聯(lián)合作用力，N/m；Ttop——隔水管承受的頂張力，N；L——隔水管全長(cháng)，m；H——隔水管作業(yè)水深，m；yoffset——隔水管頂部水平位移，m；uW——波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)速度，m/s；uC——海流引起的水質(zhì)點(diǎn)速度，m/s；fD——波流產(chǎn)生的拖曳力（由水質(zhì)點(diǎn)的水平速度引起），N/m；fI——波流產(chǎn)生的慣性力（由水質(zhì)點(diǎn)的水平加速度引起），N/m；CD——拖曳力系數；ρ——海水密度，kg/m3；D——隔水管外徑，m；CM——慣性力系數；aW——波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)加速度，m/s2；ymax——底部撓性接頭處最大水平位移，m；Tb——底部撓性接頭處沿隔水管軸向殘余張力，N；Th——Tb的水平分量，N；Tv——Tb的垂直分量，N；M——導管任一部位的彎矩，MN·m；t——隔水管底部總成和防噴器組高度，m；h——井口出泥高度，m；d——海底泥線(xiàn)至導管固定端距離，m。