海洋钻井隔水管系统用挠性装置技术研究及发展趋势

刘红芳，王耀锋，华小涛

海洋钻井隔水管系统用挠性装置技术研究及发展趋势

刘红芳1，2，王耀锋1，2，华小涛3

（1．宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002；2．国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡721002；3．渤海装备辽河重工有限公司，辽宁盘锦124010）①

深水海洋钻井隔水管系统用挠性装置是海洋钻井隔水管系统中的关键装置之一，能够有效补偿隔水管系统在波、浪、流等环境载荷作用及船体运动时产生的较大局部偏转角度，有效减少该处局部弯曲应力。针对海洋钻井隔水管系统用挠性装置的功能和技术现状进行了介绍；重点对国外专业公司所研制的上、中、下3种不同类型的挠性装置进行了深入研究和分析，剖析了其结构特点、性能参数和适用范围。给出了海洋钻井隔水管最大设计指南及提高挠性装置使用寿命的工程方法。提出了海洋钻井隔水管挠性装置的发展趋势及若干建议。

钻井隔水管；挠性装置；技术现状；性能特点；发展趋势

海洋钻井隔水管是连通水下防喷器组到钻井平台之间的一条“咽喉通道”，其主要功能包括提供钻井泥浆循环通道，水下防喷器组等设备的起、放安装，引导钻具、支撑辅助管线及远程信息传输等［1-2］。海洋钻井平台（或船）在波浪和海流作用下，除了会发生前后左右摇摆外，还将随波浪产生漂移。随着海洋钻井向深水发展，海洋环境载荷更加苛刻，这些都将严重影响钻井隔水管系统稳定性及井口装置安全性。如果刚性连接的钻井隔水管系统不能有效补偿这些运动，将会使钻井隔水管系统损坏，无法继续钻进，给海洋钻井工程造成巨大的损失，甚至带来灾难性后果。

深水海洋钻井隔水管系统用挠性装置是海洋钻井隔水管系统中的关键装置之一，能够有效补偿隔水管系统在波、浪、流等环境载荷作用及船体运动产生的较大偏转角度，有效减少该处局部弯曲应力，保证海洋钻井隔水管系统安全可靠。美国Oil States Industries公司是全球最大的挠性装置生产商，约占市场份额的95%。目前，国内现有浮式钻井平台（船）使用的海洋钻井隔水管系统用挠性装置全部依靠进口。

1　隔水管系统关键装备

一个完整的深水钻井隔水管系统包括卡盘、万向节、分流器、上部挠性装置、伸缩节、隔水管短节、灌注阀（可选）、隔水管标准单根、节流与压井管线、液压管线、泥浆增压管线、隔水管浮力块单根、终端装置、下部挠性装置、底部隔水管总成（Lowermarine Riser Package，简称LMRP）等组成［3～5］。

图1是ISO136241［1］和API16Q［2］标准给出美国东海岸SPIC E D JA R半潜式平台609．6m水深隔水管系统配置图。该海洋钻井隔水管系统配置有上部挠性装置、下部挠性装置、11根浮力单根和28根裸单根等关键装备。该配置足以说明挠性装置在海洋钻井隔水管系统中的重要作用。

图1　609．6m水深隔水管系统配置

2　挠性装置的分类及性能特点

2．1 上部挠性装置

上部挠性装置主要用来柔性补偿由于钻井船定位失控或推进损失而引起漂离和船只的纵荡、横荡、升沉运动以及波、浪等载荷作用在隔水管系统上部产生的较大刚性偏转角度，有效减少该处局部弯曲应力。

Oil States Industries（简称O SI）公司所研制的Ⅱ型上部挠性装置［6］如图2所示，主要由上装置、上部主挠性单元、上部连接件、上部副挠性单元、中心连接件、下部副挠性单元、下部连接件、下部主挠性单元、下装置及螺栓等组成。

该装置结构由完全对称的上、下两个相同的挠性元件总成组成，每个挠性元件总成由主挠性单元和副挠性单元组成。主、副挠性单元结构使其在控制钻井隔水管角度方面比单个挠性元件更有效，可适应任意方向的转动，减震和阻尼效果好。挠性元件是由多层叠加的球形钢圈和片状的高性能橡胶经硫化工艺构成，合成橡胶提供了屈曲和压力密封，钢圈提供了强度。主要性能如表1。Ⅱ型上部挠性装置有5种型号，其最大旋转角度均为±15°，最大工作压力均为3．45mPa，旋转刚度有3种级别，分别为8 989、17 815、19 253 N·m／（°）。

图2　OSIⅡ型上部挠性装置

表1　OSI上部挠性装置性能

O SIⅢ型上部挠性装置［6］如图3所示，主要由本体、连接套、副挠性单元、主挠性单元、螺栓等组成。该装置仅有一个挠性元件总成，该总成由主挠性单元和副挠性单元组成。主要性能如表1中的型号Ⅲ。该挠性装置仅有一种型号，其最大旋转角度±7°，最大工作压力5．17M Pa，旋转刚度为

图3　OSIⅢ型上部挠性装置

2．2 中部挠性装置

深水海洋钻井隔水管系统用中部挠性装置安装在钻井隔水管伸缩装置下面的某段钻井隔水管系统中部，允许由其连接的上下两部分钻井隔水管单根之间存在较大的偏转角度，有效减少该处局部弯曲应力，保证隔水管系统安全可靠。

OSI中部挠性装置［6］如图4所示，主要由挡泥板、上部挠性单元、本体、耐磨环、下部挠性单元、防转销、螺栓等组成。该装置的结构以旋转中心为基准上下基本对称，仅有一个挠性单元。主要性能如表2。该挠性装置有4种型号，其最大旋转角度均为±20°，旋转刚度均为23 184．5 N·m／（°），最大工作压力有3种级别，分别是13．79、17．24、20．68mPa。

图4　OSI中部挠性装置

表2　OSI中部挠性装置性能参数

美国G E公司研制的中部挠性装置（如图5）轴向尺寸比较大，最大工作张力11 120．55 kN，最大旋转角度±20°，最大工作压力10．34mPa。

图5　GE公司中部挠性装置

2．3 下部挠性装置

下部挠性装置主要用来柔性连接隔水管系统下部与水下B O P组，其功能是允许在隔水管系统下部和B OP组之间存在的较大角度偏差，从而减少隔水管上的弯曲应力。

OSI下部挠性装置［6］如图6所示，其结构主要由上防磨套、上部连接法兰、挡泥板、限位法兰、螺栓、挠性元件总成、本体、耐磨环、下防磨套、耐磨腐蚀环等组成。其结构仅有一个主挠性单元，其主要性能如表3。该挠性装置有8种型号，其最大旋转角度均为± 10°，旋转刚度有5种级别，分别是25 761、46 383、 56 456、93 185、127 555 N·m／（°），最大工作张力有4种级别，分别是2 224、4 448、8 896、13 345 kN。

图6　OSI下部挠性装置

表3　OSI下部挠性装置性能参数

2．4 最大设计指南

通过分析可知，上部挠性装置最大旋转角度可达±15°，中部挠性装置最大旋转角度可达±20°，下部挠性装置最大旋转角度可达±10°。事实上，隔水管系统配套计算时，需保证挠性装置旋转角度尽可能地小，以避免隔水管系统构件的磨损。表4是ISO 136241［1］给出的海洋钻井隔水管最大设计指南，规定了在各种具体工况下对挠性装置旋转角度的要求。由表4可知，上部挠性装置最大旋转角度5°，平均旋转角度1．0°～1．5°；下部挠性装置最大旋转角度5°，平均旋转角度2°。

表4　海洋钻井隔水管最大设计指南

挠性装置2个金属旋转件之间的磨损率取决于接触力、相对速度、材料参数、周围流体性能这4个参数。对于隔水管系统中的钻柱，通过作业来规定相对速度和材料性能，周围流体是钻井液，受控的唯一参数是接触力。可见，优化海洋钻井隔水管系统顶张力，使挠性装置的耐磨环与球铰磨损率降低，可显著提高挠性装置的使用寿命。

3　发展趋势

通过对海洋钻井隔水管系统用挠性装置的分析研究，认为虽然各种类型的挠性装置均有自己的结构特点，但从近年来海洋钻井隔水管系统以及结合海洋勘探装备开发发展趋势来看，海洋钻井隔水管系统用挠性装置将会朝以下方向发展。

1） 型式更加多样化，适用范围更广。常规的挠性装置是作为海洋钻井隔水管系统一个较为独立的部件，通过预留合适的接口接入隔水管相应部位。随着海洋石油勘探开发向深水、超深水发展，为了减少非生产作业时间和连接操作成本，可将隔水管下部挠性装置与下部终端装置设计于一体。这样一方面可避免下部挠性装置与下部终端装置之间费时费力的螺栓、法兰连接，简化生产加工工艺；另一方面也可减少常规下部挠性装置与连接法兰焊接时的电流损坏挠性元件的可能性，从而利于保证产品质量。

2） 研发适应超高温高压工况的挠性装置。随着海洋油气勘探开发日渐向深水、特深水领域迈进，海洋水下装备工况更加恶劣，可靠性要求更高。目前，法国石油公司和新能源研究院已经研制了一种138mPa（20000psi）超高压力的钻井隔水管。因此，开发适用超高温高压、超深井、超高张力工况的挠性装置研究就显得尤为必要。

3） 挠性元件总成结构趋于主、副双单元型式。主、副双单元型式即每个挠性元件总成由主挠性单元和副挠性单元组成。主、副挠性单元结构使其在控制钻井隔水管角度方面比单个挠性元件更有效，且适应任意方向的转动，减震和阻尼效果好。

4　发展建议

我国海洋石油钻采设备已进入快速发展阶段，为打破技术和贸易垄断，加快研发隔水管系统关键部件——挠性装置的步伐势在必行，因此，对下一步研发该产品提出以下建议：

1） 将隔水管用下部挠性装置与下部终端装置设计于一体，简化安装步骤，提高效率，保证产品质量。

2） 开展适用超高温高压、超深井、超高张力工况的挠性装置研究，跟踪海洋钻井隔水管发展前沿技术，提前储备相关技术。

3） 主、副双挠性单元结构使其在控制钻井隔水管角度方面比单个挠性元件更有效，且适应任意方向的转动，减震和阻尼效果好。

4） 以挠性元件结构和性能为突破口，综合采用先进仿真技术、精密成型技术及现场试验等，有效提高挠性元件力学性能，扩大产品适用范围广。

5） 考虑挠性装置本身的结构特点，优化挠性装置焊接工艺，最大程度减少焊接工艺对挠性元件的影响。

6） 优化海洋钻井隔水管系统顶张力，研发挠性装置耐磨环与球铰超高耐磨、超高结合力的防腐涂层材料，有效提高挠性装置的使用寿命。

5　结语

对海洋钻井隔水管系统用挠性装置的功能和技术现状进行了分析，重点对OilStatesIndustries公司所研制的上、中、下3种类型的挠性装置进行了深入研究，剖析了其结构特点、性能参数和适用范围。依据海洋钻井隔水管最大设计指南，提出了提高挠性装置使用寿命的工程方法。在此基础上，指出海洋钻井隔水管系统用挠性装置发展趋势，同时对该产品的研发提出了建议。

［1］ ISO 136241—2009．Design and O peration ofmarine Drilling Riser equipment［S］．

［2］ APIRP 16 Q—1993．Design，Selection，O peration andmaintenance ofmarine Drilling Riser Systems［S］．

［3］ 王进全，王定亚．国外海洋钻井隔水管与国产化研究建议［J］．石油机械，2009，37（9）：147150．

［4］ 王耀锋，王定亚，任克忍，等．海洋钻井隔水管浮力块配置方法［J］．石油钻探技术，2011，39（6）：3538．

［5］ 王定亚，李爱利．海洋钻井隔水管系统配套技术研究［J］．石油矿场机械，2010，39（7）：1215．

［6］ Product overview［OL］．［2013-3-1］．http：／／w w w．oilstates．com／fw／main／SubseaOverview374C471．html．

Research on Technology and Development Trends formarine Drilling Riser Flexjoint

LIU Hongfang1，2，WANG Yaofeng1，2，HUA Xiaotao3
（1．Baoji Oilfieldmachinery Co．，Ltd．，Baoji721002，China；2．N ational Oil&Gas Drilling EquipmenTEngineering Research Center，Baoji721002，China；3．Baohai Equipment Liaohe H eary Industry Com pany，Panjin，124010，China）

Flexjoint is one of key equipment ofmarine drilling riser，w hich can flexibly and effectively compensate riser system in large local deflection angle and reduce local bending stress generated by wave，current and vesselmotion．Firstly，the FlexJoint function and technical status were introduced．Secondly，three different types offoreign prof essional company were researched and analyzed in detail such as diverter flexJoint，middle flexJoint andsubsea flexJoint，andstructure features，performance characteristics and scope of application were analyzed．A gain，maxim umdesign guidelines ofmarine drilling riser and engineeringmethods of im proving the equipment life were introduced as well．Finally，the development trends of FlexJoint and Anumber of recommendations were proposed．

marine drilling riser；flexjoint；technical status；performance characteristics；development trends

TE951

A

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．005

10013482（2015）03001905

①2014-08-28

国家高技术研究发展（863）计划项目“深水钻井隔水管系统工程化研制”（2013-AA09-A222）

刘红芳（1964-），女，陕西宝鸡人，工程师，主要从事石油装备技术和标准化研究工作，Email：lhf19966＠163．com。