深水钻井隔水管可靠性研究

陈国明 刘秀全 畅元江 许亮斌

1.中国石油大学 海洋油气装备与安全技术研究中心 （山东 青岛 266580）

2.中海油研究总院 （北京 100027）

深水钻井隔水管是连接海底井口和钻井平台的重要部件，其主要功能是提供井口防喷器与钻井平台之间的泥浆往返通道，支持辅助管线，引导钻具，作为下放与撤回井口防喷器组的载体[1,2]。深水钻井隔水管作为海洋钻井系统中重要而又薄弱的环节，长期承受波浪载荷、海流载荷、浮式钻井装置的运动、涡激振动等载荷的影响。随着钻井作业水深的增加隔水管系统的受力状况更加恶劣和复杂，严重时隔水管可能会发生失效，如强度失效、疲劳失效等。任何一种失效的出现都可能导致钻井工作中断甚至失败，造成巨大的损失。如2006年5月18日，Transocean在南中国海LW3-1-1遭遇台风 “珍珠”袭击。由于未及时回收隔水管导致隔水管发生断裂，致使52根隔水单根分散横卧海底，影响作业时间约1月，后期打捞作业费用约2400万美元。由此可知，隔水管可靠性关系到整个钻井作业的顺利完成，甚至整个钻井平台的安全[3-5]。

以隔水管可靠性为研究对象，建立隔水管连接模式和悬挂模式下的力学分析模型，形成隔水管系统连接钻井、下放与回收、硬悬挂和软悬挂模式下的作业窗口和可靠性计算方法；同时，研究了隔水管单根可靠性评估、风险分析及完整性管理方法。相关研究成果为隔水管可靠性评估、海上钻完井作业和隔水管完整性管理提供参考。

1 深水钻井隔水管系统力学分析模型

1.1 连接模式下隔水管系统力学分析模型

连接模式下隔水管系统力学分析模型如图1所示。深水钻井隔水管系统受到顶张力、海流载荷等作用力，其变形常微分方程为[6]:

式中:z为隔水管任一点的垂直高度；E为材料弹性模量；I为隔水管截面惯性矩；y为隔水管水平位移；T为隔水管轴向力；W为隔水管单位长度重量；F为沿水平方向作用于隔水管单位长度上的波流联合作用力。

图1 连接模式下隔水管系统分析力学模型

由于T沿着隔水管长度方向线性变化，任一高度处的轴向力为:

式中:Ttop为隔水管顶部张力；L为隔水管全长。

波与流的联合作用十分复杂，不能认为波流联合作用就是将波和流分别作用的拖曳力简单线性迭加。采用修改形式的Morison方程近似计算作用于单位长度隔水管上的波流联合作用力:

式中:FD为波流产生的拖曳力(由水质点的水平速度引起)；FI为波流产生的惯性力 (由水质点的水平加速度引起)；Dr为隔水管外径；ρ为海水密度；CD为拖曳力系数；vw为波浪引起的水质点速度；vc为海流引起的水质点速度；Cm为惯性力系数；aw为波浪引起的水质点加速度。

1.2 悬挂模式下隔水管系统力学分析模型

隔水管悬挂模式包括隔水管下放及回收作业和隔水管悬挂作业。下放与回收作业一般发生在每口井的开始和结束阶段，需要把BOP安装至井口或回收至平台。钻完井过程中由于环境载荷恶劣或其他原因需要解脱隔水管进行撤离时,此时LMRP和BOP发生解脱，隔水管悬挂LMRP撤离,称之为隔水管悬挂作业。隔水管悬挂在平台张紧器上为软悬挂，直接悬挂在平台上为硬悬挂。隔水管下放与回收作业和隔水管悬挂作业的力学分析模型如图2所示。

图2 悬挂模式下隔水管系统分析力学模型

悬挂模式下，隔水管顶部的平台运动是导致隔水管振动的主要原因，隔水管波动方程为[7，8]:

式中:m为隔水管单位长度质量；u为时间t时隔水管z位置处的轴向位移；v为轴向应力波在隔水管内部的传递速度；λD为阻尼系数。

将钻井平台升沉运动视为简谐运动施加于隔水管顶部，钻井平台升沉运动形式设为:

式中::u0为平台升沉运动幅度；ω为平台升沉运动角频率。

2 隔水管系统作业可靠性分析

2.1 连接模式下的隔水管系统作业可靠性分析

以南中国海1500m隔水管系统为例，连接模式下的隔水管系统作业限制准则见表1，主要包括上、下挠性接头转角，井口弯矩，隔水管、导管最大等效应力和伸缩节冲程等限制条件[1,2,9]。

建立隔水管、井口、导管整体有限元模型，计算不同海流流速下的隔水管极限偏移，根据连接模式下的隔水管系统作业限制准则确定的窗口如图3所示[10]。图3中横坐标与纵坐标分别为进行连接作业模式的钻井平台极限偏移和表面海流流速。绿色区域内可进行正常钻井；当钻井平台偏移和表面海流流速参数达到黄色报警线时，需要停止钻井并进行解脱准备，此时隔水管处于连接非钻井模式；当钻井平台偏移和表面海流流速参数达到红色报警线时，需要启动解脱程序；当钻井平台偏移和表面海流流速参数超出红色区域时，解脱作业应当已经完成，隔水管处于悬挂模式。蓝色竖线为伸缩节冲程极限，此界限是固定值。

表1 连接模式下的隔水管系统作业限制准则

图3 连接模式下的隔水管系统作业窗口

由于海上钻井高额的费用，钻井作业者特别关注正常钻井作业窗口，以提高钻进效率，节省钻完井作业成本。由图3可知，在表面海流流速小于1.1m/s的范围内通过调整钻井平台偏移可以正常钻井，则钻井作业可靠度为:

式中:u为表面海流流速；f(u)为海流流速的概率密度函数。

2.2 悬挂模式下的隔水管系统作业可靠性分析

悬挂模式下的隔水管系统作业限制条件主要包括:①隔水管最大等效应力小于0.67倍屈服应力；②下挠性接头转角小于挠性接头转角物理极限的90%。通常下挠性接头转角物理极限为10°；③隔水管不能出现动态压缩；④最大动态张力小于卡盘极限承载能力；⑤隔水管不能与月池发生碰撞[1,2,8,10]。由此确定的隔水管下放与回收作业限制准则见表2。

建立隔水管悬挂分析有限元模型,计算不同海流和波浪组合工况下的隔水管响应。结合隔水管悬挂模式作业限制准则，确定隔水管悬挂模式下的作业窗口如图4所示。图4中绿色区域为安全作业区域。

图4 悬挂模式下的隔水管作业窗口

由图4可知，当进行隔水管悬挂作业时，软悬挂作业窗口比硬悬挂作业窗口大，即软悬挂大大提高隔水管悬挂作业性能。悬挂模式下隔水管作业可靠度为:

式中:h为波高；f(u,h)为海流流速和波高的联合概率密度函数。

3 深水钻井隔水管单根可靠性分析及完整性管理

深水钻井隔水管单根的主要失效模式包括疲劳、磨损和腐蚀等。其中疲劳又分为海流引起的涡激疲劳以及波浪载荷；一阶波频钻井平台运动和二阶低频钻井平台运动引起的波激疲劳。以隔水管疲劳为例，进行隔水管疲劳可靠性研究。

3.1 隔水管疲劳及其可靠性分析

隔水管波激疲劳分析方法主要分为时域波激疲劳分析法和频域波激疲劳分析法。其中时域波激疲劳分析法可以考虑波浪载荷的非线性以及隔水管系统的几何非线性，分析精度较高；频域分析法要比时域分析法快得多。由于Morison方程中的拖曳力项正比于水质点速度的平方，而采用频域分析法时必须将拖曳力线性化，造成精度上的误差，所以一般采用时域法进行隔水管波激疲劳分析。其分析流程如图5所示[3,4,12,13]。

图5 隔水管波激疲劳分析流程

深水钻井隔水管涡激疲劳一直是国内外学者研究的热点与难点。隔水管涡激振动研究方法包括涡激振动试验、半经验模型和数值模拟方法 (CFD方法)，一般采用半经验模型进行隔水管涡激疲劳计算。半经验模型最具代表性的当属麻省理工大学的SHEAR7、VIVA和挪威科技大学的VIVANA软件。其中SHEAR7的应用较为广泛。基于SHEAR7的隔水管涡激疲劳分析流程如图6所示[14-17]。

隔水管综合疲劳损伤为隔水管波激疲劳损伤Dwave和涡激疲劳损伤DVIV之和。同时，考虑到隔水管疲劳性能的随机性以及疲劳载荷的不确定性，隔水管的综合疲劳损伤为:

式中:Δ为隔水管极限疲劳损伤的随机变量；A和m为S-N曲线表达式中的参数，其中A是随机变量；B为描述疲劳载荷计算过程中的随机变量；Swave、fwave分别为波激疲劳的等效应力幅和频率；SVIV、fVIV分别为涡激疲劳的等效应力幅和频率。

图6 隔水管涡激疲劳分析流程

则隔水管的综合疲劳寿命为:

那么单次钻完井作业隔水管单根的疲劳可靠度为:

式中:Tdrilling为单次钻完井作业时间的随机变量；f(Δ,A,B,Tdrilling)为各随机变量的联合概率密度函数。

3.2 隔水管风险分析

完成隔水管疲劳失效概率计算后，可以结合隔水管疲劳失效后果计算失效风险。如果失效概率(Probability of Failure，简称PoF)和失效后果(Consequence of Failure，简称CoF)的重要性相同，认为可以将两者相乘计算失效风险，即Risk=PoF·CoF。如果失效概率和失效后果的重要性不同，应分别对2种因素进行定性或定量评价并建立风险矩阵。如图7 所示[18]。

图7 风险矩阵

图7中绿色范围表示低风险区域，其失效概率和后果均较低，可以认为隔水管状态良好，安全、经济、环境后果均能够接受，可以将低风险区域作为风险接受极限。中风险区域(黄色范围)已经超过了风险的可接受水平，需要对隔水管进行检测并采取适当的维护措施。高风险区域(红色范围)的风险过高，必须立刻采取措施降低或控制风险，并对失效概率和失效后果进行详细分析。

3.3 隔水管完整性管理

深水钻井隔水管完整性管理 (Riser Integrity Management，简称RIM)贯穿隔水管及其附属设备从设计、施工、运营、维护直到退役结束整个寿命周期全过程，是指隔水管运营商持续地对隔水管潜在的风险因素进行识别和评价，并采取相应的风险控制对策，将隔水管风险水平始终控制在合理的和可接受的范围之内。隔水管完整性管理方案如图8所示。

由图8可知，隔水管完整性管理方案分为3个步骤:首先进行风险评估，识别潜在的风险；其次通过检测或监测手段验证风险评估结果，并确定准确的隔水管风险等级；最后针对存在的风险制定一套完整性管理方案降低风险，确保隔水管安全。此外，数据库在深水钻井隔水管完整性管理中起到至关重要的作用，它存储隔水管单根的设计数据、加工记录、作业记录、失效风险、检测及监测结果、完整性管理方案等。同时，又为隔水管的风险评估、检测及监测方案的制定以及完整性管理方案的形成提供有用数据。实际现场应用时，对每一个影响隔水管结构完整性的操作都要将相关信息录入到数据库中，实现数据库的实时更新。

4 结束语

深水钻井隔水管是连接海底井口和钻井平台的重要部件，其可靠性关系到整个钻井作业的顺利完成，甚至整个钻井平台的安全。API、ISO和DNV等组织机构均针对钻井隔水管制定了相应的设计与分析方法，如API RP 16QISO 13624DNV RP F204等，为隔水管设计者和作业者提供参考与指导。在各规范文件的基础上，结合课题组在深水钻井隔水管方面多年的研究成果，从可靠性的角度研究深水钻井隔水管系统作业性能和隔水管单根寿命，建立了隔水管风险分析矩阵。同时，制定一套深水钻井隔水管完整性管理方案，为隔水管可靠性评估、海上钻完井作业和隔水管完整性管理提供参考，也为进一步丰富隔水管规范的组织机构提供参考。

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