基于反冲响应的深水钻井隔水管张紧力计算方法

刘秀全， 李家仪， 任克忍， 许亮斌， 畅元江， 宋　强

(1.中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心，山东青岛 266580；2.宝鸡石油机械有限责任公司技术中心，陕西宝鸡 721002；3.中海油研究总院，北京 100027)



基于反冲响应的深水钻井隔水管张紧力计算方法

刘秀全1， 李家仪1， 任克忍2， 许亮斌3， 畅元江1， 宋强1

(1.中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心，山东青岛 266580；2.宝鸡石油机械有限责任公司技术中心，陕西宝鸡 721002；3.中海油研究总院，北京 100027)

张紧力是深水钻井隔水管系统作业的安全的关键因素，尤其对隔水管系统紧急脱离作业安全影响显著，但目前的隔水管张紧力设计方法(包括API算法、底部残余张力算法以及下放最大钩载算法)均未考虑隔水管系统的反冲问题。为此，基于隔水管系统反冲响应，确定了隔水管张紧力设计准则，提出了张紧力修正API算法及计算流程，并通过实例分析验证了修正API算法的可行性。研究结果表明，修正API算法可为隔水管系统提供合理的张紧力，改善了隔水管紧急脱离反冲过程中的隔水管底部总成位移、张紧器冲程以及有效张力波动范围，从而提高了紧急脱离后隔水管系统的安全性，有效保证了深水钻井隔水管系统紧急脱离作业的安全。

深水钻井；隔水管；张紧力；反冲响应

深水钻井隔水管是海上钻井作业过程中关键而又薄弱的环节[1-2]，隔水管系统张紧力的合理设置是确保隔水管系统作业安全的关键因素。正常深水钻井过程中，张紧力使隔水管系统保持竖直站立状态，防止隔水管系统稳定性失效事故的发生。但在隔水管系统紧急脱离时，若张紧力设置过大，隔水管系统内储存的巨大势能被释放出来，隔水管系统迅速向上反冲并在短时间内产生很大的轴向位移和加速度，存在隔水管张力波动过大、张紧器冲程超过极限冲程、隔水管与平台碰撞等作业风险；若张紧力设置过小，又将导致隔水管底部总成(lower marine risers package，LMRP)与防喷器(blowout preventer，BOP)无法正常解脱[3]。因此，需要合理设计张紧力以保证隔水管系统的作业安全。

目前，隔水管张紧力的基本设计方法主要包括API算法[4]、基于底部残余张力算法[5]以及基于下放最大钩载算法。鞠少栋等人[6]对上述3种张紧力计算方法进行了对比分析，结果表明基于下放最大钩载方法简单实用；杨进等人[7]针对API算法仅考虑隔水管稳定性而没有考虑LMRP过提力的问题，以及基于底部残余张力算法考虑LMRP过提力为有效张力施加并非真实张力施加的问题，提出了满足隔水管稳定性和底部承载能力要求的张紧力计算新方法；阮庆等人[8]运用COMSOL软件分析了不同张紧力对隔水管球角转角、隔水管变形等的影响，但未开展隔水管张紧力设计算法研究。A.M.Rustad等人[9]针对丛式钻井隔水管或生产立管的防碰撞问题，提出了一种防碰撞的隔水管张紧力设计方法。上述研究主要针对正常海上钻井作业过程中的隔水管稳定性问题开展了隔水管张紧力设计方法研究，并没有考虑紧急脱离作业过程中隔水管系统的反冲响应。为此，笔者在已有研究成果的基础上，在保证正常海上钻井作业过程中隔水管系统稳定性的前提下，考虑紧急脱离时隔水管系统的反冲响应，对API算法进行了修正，根据反冲控制要求建立了隔水管系统张紧力设计准则，提出了基于反冲响应的隔水管张紧力设计方法及计算流程，最终确定合理的隔水管系统张紧力推荐值，保证深水钻井隔水管系统的作业安全。

1　张紧力API算法分析

API算法为隔水管张紧力的基础算法，主要根据隔水管湿重和考虑张紧器失效计算张紧力，保证隔水管系统的稳定性，其计算公式为[4]：

(1)

(2)

式中：Tmin为最小张紧力，N；TSRmin为滑力环张力，N；N为支撑隔水管的张力器数量；n为失效张力器的数量；Rf为用以计算倾角和机械效率的滑环处垂直张力与张力器设置之间的换算系数，通常为0.90～0.95；Ws为参考点之上的隔水管湿重，N；fwt为隔水管湿重公差系数(除精确测量外，一般取1.05)；Bn为参考点之上浮力块的净浮力，N；fbt为因弹性压缩、长期吸水和制造容差引起的浮力损失容差系数(除精确测量外，一般取0.96)；Ai为隔水管(包括节流、压井和辅助管线)内部横截面积，m2；ρm为钻井液密度，kg/m3；Hm为至参考点的钻井液柱高度，m；ρw为海水密度，kg/m3；Hw为至参考点的海水柱高度，m。

API算法未考虑隔水管系统底部脱离问题，易导致隔水管紧急脱离时无法提起LMRP。目前，常用的解决方法是在最小滑环张力的基础上增加大于LMRP重量的底部残余张力，可表示为：

(3)

式中：W为底部残余张力，N。

式(3)中的底部残余张力一般为经验值，无法定量评估张紧力是否合理。如果隔水管系统张紧力过大或过小，隔水管紧急脱离反应时间往往很短，无法及时调整张紧器的张紧力设置，会导致紧急脱离时隔水管作业风险较高。为此，需根据隔水管系统反冲响应规律，建立基于反冲响应的隔水管系统张紧力计算方法。

2　考虑反冲响应的隔水管张紧力计算

隔水管系统紧急脱离前，在张紧力作用下隔水管系统内储存着巨大势能，脱离后势能瞬间释放导致隔水管系统产生剧烈的反冲响应，然后隔水管系统通过张紧器和伸缩节软悬挂于平台上，在平台升沉运动的激励下隔水管和张紧器系统发生振动响应[3,10]。整个过程中横向载荷对隔水管系统的作用相对于钻井平台和张紧器来说可以忽略[11]。张紧器作用下隔水管的运动情况如图1所示。

图1　张紧器和隔水管运动示意Fig.1　Schematic of tensioner and riser movement

将隔水管视为具有集中质量的质量块，隔水管运动方程为：

(4)

式中：M为隔水管质量，kg；x″p为隔水管运动加速度，m/s2；F为隔水管系统施加的张紧力，N；α(t)为t时刻活塞杆与垂直方向的夹角，rad；g为重力加速度，m/s2；f为隔水管受到的流体剪切摩阻，N。

任意时刻活塞杆与垂直方向的夹角α(t)为：

(5)

式中：L为平衡位置时隔水管距张紧器顶部的垂直距离，m；xp为隔水管位移，m；xh钻井平台位移，m；d为张紧器顶部距隔水管中心的水平距离，m。

假设海水为牛顿流体，根据牛顿流体内摩擦定律计算隔水管升沉运动过程中与海水的摩阻：

(6)

综合式(5)和式(6)，可得隔水管的运动微分方程为：

(7)

张紧器的冲程变化为：

(8)

式中：ΔLm为张紧器冲程变化，m。

由式(7)和式(8)可知，反冲过程中隔水管位置、张紧器冲程等参数均会发生变化，为确保隔水管系统紧急脱离作业的安全，结合深水钻井对隔水管系统反冲控制的要求[12-17]，确定隔水管张紧力的设计准则为：1)脱离后LMRP与BOP保持一定安全距离；2)张紧器冲程和伸缩节冲程不允许超过0.9倍极限冲程；3)张紧器冲程和伸缩节冲程始终大于0；4)隔水管最大张力不允许超过0.9倍极限承载力；5)隔水管最小张力大于0，即不能出现动态压缩；6)隔水管应力小于0.67倍隔水管屈服应力；7)隔水管系统底部不能发生屈曲。

基于隔水管张紧力设计准则，开展基于反冲响应的隔水管系统张紧力计算，在API算法的基础上增加修正的可变底部张力，可表示为：

(9)

式中：Tr为修正的可变底部张力，N。

为了定量确定修正的可变底部张力，建立了张紧力修正API算法的计算流程，如图2所示。其中，由于隔水管系统的反冲过程较为复杂，为了提高隔水管反冲响应数值仿真精度，采用隔水管专业分析软件DeepRiser分析隔水管系统的反冲响应，以保证张紧力推荐值的准确性。

图2　基于反冲响应的隔水管张紧力计算流程Fig.2　Riser tension calculation flow chart based on recoil response

3　实例分析

以南海某深水半潜平台为例，目标井水深为742.00 m，隔水管系统的配置见表1。该平台共有12个钢丝绳式张紧器，海水密度1 025 kg/m3，钻井液密度1 140 kg/m3，波高为4.4 m，波浪周期为12.1 s。

表1　南海某井隔水管系统配置

基于上述基础参数，应用API算法计算张紧力为1.12 MN，应用修正API算法确定张紧力为1.40 MN，为了验证修正API算法的优越性，分别研究了API算法和修正API算法下的隔水管反冲性能，并进行了对比。采用DeepRiser软件进行隔水管系统反冲响应分析，直接确定反冲过程中LMRP位移和张紧器冲程变化规律，如图3、图4所示。其中，为了便于观察隔水管紧急脱离前后的隔水管系统运动规律，假设20 s时隔水管系统进行紧急脱离进入隔水管系统反冲阶段。

图3　隔水管反冲过程中LMRP的位移Fig.3　Displacement response of LMRP during riser recoil

图4　隔水管反冲过程中张紧器的冲程Fig.4　Tensioner stroke response during riser recoil

由图3可知，反冲过程中LMRP位移随着时间推移不断发生振荡并最终趋于稳定，API算法下稳定后的LMRP位移小于BOP距泥面高度，修正API算法下LMRP位移趋于稳定后大于BOP距泥面高度，可以避免LMRP和BOP的碰撞。由此可知，由于API算法计算的张紧力偏小，在隔水管紧急脱离过程中无法保证LMRP运动处于安全位置；而修正API算法计算的张紧力则能满足隔水管系统反冲过程中的要求，可保证反冲过程中隔水管系统的安全。

由图4可知：API算法下张紧器冲程已经超出张紧器极限冲程，威胁张紧器安全；修正API算法下张紧器冲程随时间推移不断振荡最终趋于稳定，并始终低于张紧器极限冲程，从而保证了反冲过程中张紧器系统的安全。

基于深水钻井隔水管反冲分析结果，提取反冲过程中不同位置处隔水管的动态有效张力，并统计隔水管有效张力波动范围(见图5)，校核隔水管系统有效张力是否满足要求。反冲过程中，API算法下隔水管系统有效张力波动范围为-325～1 350 kN，由于有效张力存在负值，故隔水管底部出现了明显动态压缩，将导致隔水管破坏；修正API算法下隔水管系统有效张力波动范围为5～2 000 kN，且隔水管系统有效张力安全范围为0～8 000 kN，则隔水管紧急脱离反冲过程中始终处于安全状态。与API算法相比，修正API算法可保证有效张力始终大于0，保证隔水管系统在反冲过程中的安全。

图5　隔水管反冲过程中的有效张力Fig.5　Effective tension range during riser recoil

4　结　论

1) 建立了深水钻井隔水管系统反冲响应分析模型，识别了隔水管系统反冲过程中的关键响应参数，并建立了隔水管张紧力设计准则，主要包括隔水管紧急脱离后LMRP与BOP的距离、张紧器冲程和伸缩节冲程、隔水管最大张力、隔水管最小张力、隔水管应力以及隔水管系统的稳定性。

2) 在隔水管张紧力API算法的基础上，进一步考虑隔水管系统紧急脱离时的反冲作用，提出了基于反冲响应的隔水管张紧力计算方法及流程，形成了张紧力的修正API算法，弥补了现有张紧力算法的不足，保证连接作业下隔水管的稳定性以及紧急脱离时隔水管的安全。

3) 修正API算法可以较好地改善反冲过程中的LMRP位移、张紧器冲程以及有效张力波动范围，满足隔水管系统的反冲性能要求，对隔水管系统反冲有较好的控制作用，防止反冲过程中LMRP、BOP、隔水管和张紧器等装备失效。

References

[1]刘秀全，陈国明，彭朋，等.深水钻井隔水管单根寿命管理方法[J].石油钻探技术，2011，39(2):40-44.

LIU Xiuquan,CHEN Guoming,PENG Peng,et al.Deepwater drilling riser joints management[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(2):40-44.

[2]刘秀全,陈国明,宋强,等.基于有限元法的深水钻井隔水管压溃评估[J].石油钻探技术,2015,43(4):43-47.

LIU Xiuquan,CHEN Guoming,SONG Qiang,et al.Collapse assessment for deepwater drilling risers on the basis of finite element method[J].Petroleum Drilling Techniques,2015,43(4):43-47.

[3]HOCK C J,YOUNG R D.A deepwater riser emergency disconnect antirecoil system[J].Journal of Petroleum Technology,1993,45(8):744-751.

[4]API RP 16QRecommended practice for design selection operation and maintenance of marine drilling riser system[S].

[5]PERSENT E,GUESNON J M,HEITZ S,et al.New riser design and technologies for greater water depth and deeper drilling operations[R].SPE 119519，2009.

[6]鞠少栋，畅元江，陈国明，等.超深水钻井作业隔水管顶张力确定方法[J].海洋工程，2011，29(1)：100-104.

JU Shaodong,CHANG Yuanjiang,CHEN Guoming,et al.Determination methods for the top tension of ultra deepwater drilling risers[J].The Ocean Engineering,2011,29(1):100-104.

[7]杨进，孟炜，姚梦彪，等.深水钻井隔水管顶张力计算方法[J].石油勘探与开发，2015，42(1)：107-110.

YANG Jin,MENG Wei,YAO Mengbiao,et al.Calculation method of riser top tension in deep water drilling[J].Petroleum Exploration and Development,2015,42(1):107-110.

[8]阮庆，陈欢，杨胜，等.深水钻井隔水管顶张力最优化设计[J].中国造船，2009，50(增刊1):20-24.

RUAN Qing,CHEN Huan,YANG Sheng,et al.Optimal design of deepwater drilling riser[J].Shipbuilding of China,2009,50(supplement 1):20-24.

[9]RUSTAD A M,LARSEN C M,SØRENSEN A J.FEM modelling and automatic control for collision prevention of top tensioned risers[J].Marine Structures,2008,21(1):80-112.

[10]张磊，畅元江，刘秀全，等.深水钻井隔水管与防喷器紧急脱离后的反冲响应分析[J].石油钻探技术，2013，41(3)：25-30.

ZHANG Lei,CHANG Yuanjiang,LIU Xiuquan,et al.Recoil analysis for deepwater drilling riser after emergency disconnection with blowout preventer[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(3):25-30.

[11]鞠少栋，畅元江，陈国明，等.深水钻井隔水管悬挂窗口确定方法[J].石油学报，2012，33(1)：133-136.

JU Shaodong,CHANG Yuanjiang,CHEN Guoming,et al.Determination of the hang-off window for deepwater drilling riser[J].Acta Petrolei Sinica,2012,33(1):133-136.

[12]畅元江，陈国明，孙友义，等.深水钻井隔水管的准静态非线性分析[J].中国石油大学学报(自然科学版)，2008，32(3)：114-118.

CHANG Yuanjiang,CHEN Guoming,SUN Youyi,et al.Quasi-static nonlinear analysis of deepwater drilling risers[J].Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2008,32(3):114-118.

[13]孙友义，陈国明，畅元江，等.超深水隔水管悬挂动力分析与避台风策略探讨[J].中国海洋平台，2009，24(2)：29-32.

SUN Youyi,CHEN Guoming,CHANG Yuanjiang,et al.Hang-off dynamic analysis and the discuss of typhoon-avoidance strategy for ultra-deepwater drilling risers[J].China Offshore Platform,2009,24(2):29-32.

[14]畅元江，陈国明，许亮斌.导向架隔水管在波流联合作用下的非线性动力响应[J].中国石油大学学报(自然科学版)，2006， 30(5)：74-77，83.

CHANG Yuanjiang,CHEN Guoming,XU Liangbin.Non-linear dynamic response induced by wave-current for marine risers with guide-frames[J].Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2006,30(5):74-77,83.

[15]MA P,PYKE J,VANKADARI A,et al.Ensuring safe riser emergency disconnect in harsh environments:experience and design requirements,Anchorage,Alaska,USA,June 30-July 5,2013[C].ISOPE,2013.

[16]LANG D W,REAL J,LANE M.Recent developments in drilling riser disconnect and recoil analysis for deepwater applications，Honolulu,Hawaii,USA,May 31-June 5,2009[C].ASME,2009.

[17]盛磊祥，王荣耀，许亮斌，等.台风应急期间深水钻井隔水管悬挂撤离安全分析[J].石油钻探技术，2015，43(4):25-29.

SHENG Leixiang,WANG Rongyao,XU Liangbin,et al.Safety analysis of the hang-off of deepwater drilling risers during a typhoon emergency period[J].Petroleum Drilling Techniques,2015,43(4):25-29.

[编辑令文学]

A Calculation Method for the Top Tension of Deepwater Drilling Risers Based on Recoil Response

LIU Xiuquan1, LI Jiayi1, REN Keren2, XU Liangbin3, CHANG Yuanjiang1, SONG Qiang1

(1.CenterforOffshoreEquipmentandSafetyTechnology,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong, 266580,China; 2.TechnicalCenter，CNPCBaojiOilfieldMachineryCo.Ltd.,Baoji,Shaanxi, 721002,China; 3.CNOOCResearchInstitute,Beijing, 100027,China)

Tension is the key factor in the safe operation of deepwater drilling riser systems, especially for the safe operation of emergency disconnection of the riser system. However, the present calculation methods of the top tension of drilling riser system (including the API theoretical method, a method based on the residual tension at bottom of the drilling riser system and a method based on the maximal hook load during drilling riser system running procedure) do not take riser recoil response into consideration. To address the issue, the tension design criteria based on the riser recoil response was determined. The modified API top tension calculation method and process were proposed and then verified by examples. The results showed that the modified API algorithm could provide reasonable tension calculation for riser systems. The LMRP displacement, the stroke of tensioner and fluctuation range of the effective tension during riser recoil were reduced, thus improving the security of drilling riser system after emergency disconnection and ensuring a safe deepwater drilling riser system emergency disconnection operation.

deepwater drilling; riser; tension force; recoil response

2015-12-21；改回日期：2016-04-18。

刘秀全(1987—)，男，山东枣庄人，2009年毕业于中国石油大学(华东)机械设计制造及其自动化专业，2014年获中国石油大学(华东)机械工程专业博士学位，讲师，主要从事深水钻井隔水管技术与装备研究。E-mail：lxqmcae@163.com。

畅元江，changyj@upc.edu.cn。

国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目“深水海底井口-隔水管-平台动力学耦合机理与安全控制”(编号：2015CB251203)、国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目“深水钻井隔水管系统工程化研究”(编号：2013AA09A222)、山东省自然科学基金联合专项“深水钻井隔水管-张紧器耦合动力学及安全控制研究”(编号：ZR2014EL018)联合资助。

doi:10.11911/syztjs.201604009

TE254

A

1001-0890(2016)04-0047-05

◀钻井完井▶