受迫振动对深水浮式钻井平台避台期间隔水导管的影响及探讨

姜 伟，浦洪彬，王 蓉，王 屹，杨立琨，陈德林，刘贤权

(1. 上海海洋工程装备制造业创新中心有限公司，上海 201306； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

由于海洋恶劣的气候和环境条件，深水钻井具有高科技、高投入和高风险的特点。20世纪80年代中期后，外国公司开始逐步在南中国海使用半潜式钻井平台进行深水钻井，在南海钻探作业最大水深已达1 900 m。但由于深水钻井投资巨大、南海海况和气象条件恶劣，从1987年到2012年，外国公司在南中国海仅钻了8口深水井[1]。

由于南海恶劣海洋环境条件，特别是南海的台风，威胁钻井平台和钻井作业的安全。因此研究浮式钻井平台在恶劣海况环境条件下的运动规律和特点，探究南海深水钻井安全应对措施具有非常重要的现实意义。

1 研究背景

在海上钻井如遇台风，通常有两种应对措施： 如果时间充足，则可以将钻井隔水管全部起出，再避台风；如果时间仓促，那就将钻井隔水导管从水下防喷器解脱，或从上部水下连接器(LMRP)解脱，并尽可能地取出部分钻井隔水导管，根据情况采取软悬挂或者硬悬挂两种不同方式，钻井平台尽快驶离台风区避台。

通常情况下我们遇到的问题是： 台风期间，由于受到风浪作用，无论采用哪种悬挂方式，悬挂的钻井隔水导管都很不安全，甚至危及平台的安全。2006年8月，在南海钻井作业的Disxx 5XX半潜式钻井平台，遇到台风派比安的袭击，导致受损就是一个非常典型的案例。由于台风致使1 000多米导管断成五节，钻井隔水导管及水下防喷器一起落海，直接经济损失达数千万美元。

造成这类问题的原因是什么？今后应如何防范和避免？我们希望探索其中的问题所在，以便为今后的深水钻井作业提供安全保障，尽量避免经济损失和不良影响。

2 钻井隔水导管振动动方程的建立

在避台风期间，因恶劣海况的影响，深水浮式钻井平台悬挂状态的钻井隔水导管容易受到损坏，因此为了便于研究此间的钻井隔水导管的问题，我们首先沿钻井隔水导管轴线方向建立坐标系，并且做如下假设：

(1) 钻井隔水导管管串质量均质分布，重量为W，质量为m。

(2) 考虑到平台在避台风时，通常情况下由于风速和航向的问题，航速非常缓慢，忽略水平方向的风载和流载对深水隔水导管的影响。

(3) 在水中的浮体六个自由度，为了简化问题，我们把波面方程x=hsin(Pt)的干扰作用引起的竖直方向运动影响作为主要影响因素来考虑，忽略其他因素的影响。因此，以升沉运动作为钻井隔水导管运动的主要制约因素，为说明竖直方向运动的影响，不再考虑隔水导管与平台间由于纵、横荡和纵、横摇的振动耦合。

(4) 设深水浮式钻井平台的隔水导管在悬挂状态下，还受到具有刚度系数K的弹簧力的作用，因此我们将浮式钻井平台及其隔水导管的运动简化成为受到干扰力幅hsin(Pt)和刚度系数K作用下的受迫振动模型[1]。如图1所示：

图1 浮式钻井平台受迫振动模型

波高x1=hsin(Pt),弹簧K下的隔水导管管串重量为W，隔水管质点O为原点，X轴向下为正方向，在任意时刻，作用在质点的力有重力和弹簧力。

设弹簧的伸长量为：λ=x+λs-x1

式中：λs为弹簧的净伸长；

当弹簧伸长为λ时，产生的力为

W=cλ=c(x+λs-x1)

(1)

式中：c为弹簧的刚度系数。

质点运动的微分方程：

(2)

(3)

(4)

虽然这是一个非齐次的一个方程，设它的解为x=x1+x2

当方程(4)右边为零时，我们得到齐次方程，特征方程的解可以设为

x1=c1cos(kt)+c2sin(kt)

(5)

由此得到自由振动方程的解：

x1=Asin(kt+β)

(6)

当t=0,x0=Asinβ时

(7)

有V0=Akcosβ

(8)

(9)

其固有频率和周期：

(10)

(11)

(12)

(13)

将式(6)、式(8)和式(16)代入通解：x=x1+x2

(14)

3 钻井隔水导管避台作业状态分析

当浮式钻井平台在避台风时，对隔水导管的处置通常有以下几种方法。

最理想的状态： 时间允许，可将隔水导管全部起出，然后再驶离台风区避台；在大部分情况下，台风来得比较突然，处置隔水导管时间非常有限。钻井平台只能起出部分隔水导管，然后尽快驶离台风区避台。

起隔水导管之前，要把隔水导管与水下井口解脱，通常有两种解脱方式： 一是从隔水导管下部连接器(lower marine riser package connector，LMRPC)处解脱，水下防喷器留在海底；二是在井口连接器(well head connector)处脱开，水下防喷器随隔水导管一起带走。

钻井平台起出部分隔水导管后，可以采取软悬挂或者硬悬挂两种方式(软悬挂为用张力器悬挂隔水导管，硬悬挂为隔水导管直接坐在井口卡盘上)，将隔水导管悬挂在钻井平台。

【实例】2006年8月2日，外国公司的Disxx 5XX半潜式钻井平台在南海受到台风派比安的影响，4:00钻井平台起出12根钻井隔水导管，后因现场风力达到38～45 kn(19～23 m/s)，浪高2～3.6 m，遂将钻井隔水导管(底部带有防喷器)直接坐在转盘上避台，如图2所示。

图2 悬挂隔水导管及BOP避台示意图

当晚18:56，隔水导管从转盘面下折断，近1 200 m钻井隔水导管和防喷器全部落海，试分析其原因。

已知条件： 该钻井平台所使用的隔水导管参数：OD=21 in(533.4 mm),ID=19.25 in(488.95 mm)壁厚为δ=22.23 mm，隔水导管带浮力块在水中每米重量为q=73 kg/m，按照Cameron公司18-3/4 in 20 K ‘EVO’水下防喷器的规范，LMRP总重量为1 500 kN，水下防喷器组总重量为3 500 kN，

解： 平台采取的是硬悬挂隔水导管方式，因此，由文献[2]知隔水导管有拉压刚度K：

(15)

由文献[3-4]可知，半潜式钻井平台张力器由4～6个液压缸连接张力环，就相当于4～6个弹簧并联使用，Discover 534钻井平台有两个双缸的张力器组成张紧系统，即共有4个液压缸构成，设每个弹簧的刚度为Ki，弹簧组的等效刚度为Ke。由文献[1]我们知道Varco-shaffer公司的120 K张力器额定动态张紧力P=534 kN，工作行程s=15.24 m，我们可由张力器悬挂的负荷P求得液压缸的刚度[5]：

Ki=P/s

(16)

张力器系统的液压缸就相当于弹簧组，对于4个液压缸构成的弹簧组，其等效刚度[1]Ke：

Ke=4ki

(17)

此时，按照Disxx 5XX半潜式钻井平台，当时配备水下防喷器(LMRP+BOP)系统湿重为400×10 kN，估可求得隔水导管串带水下防喷器系统情况下，其固有频率和周期如表1所示

表1 悬挂模式： 张力器+隔水导管+LMRP+BOP

由表1可以发现：

(1) 结合Disxx 5XX钻井平台实际情况，所配Varco-Shaffer 160 K张紧器，张紧力为530 kN，行程为15.2 m的设备情况，计算张紧器的刚度。并按水深3 000 m计算出悬挂隔水导管+隔水导管下部连接器(以下简称LMRP，湿重为1 000 kN)+水下防喷器(以下简称BOP，湿重为4 000 kN)，在水下防喷器下部井口连接器处脱开时，此时隔水导管管串实际悬挂湿重为6 790 kN。

(2) 水深在200～3 000 m时，隔水导管悬挂系统的固有周期为7.8～10.4 s，而南海的波浪周期[6]为8～11 s。因此，应尽量避免波浪周期频率一致时发生谐振而造成设备损坏[7]。当水深进入380 m后，波浪周期进入8 s区域。换句话说，不宜在该水深条件下长期工作。

(3) Disxx 5XX钻井平台避台风当时的实际情况[8]，水深为1 400 ～1 500 m，其固有频率周期为9.0～9.2 s，按照此时实际悬挂的隔水导管+隔水导管下部连接器的重量至少有5 300 kN，在经历了近15 h台风肆虐以后，隔水导管在转盘面以下断裂。可见钻井隔水导管系统+LMRP+BOP，以5 300 kN的负荷、固有频率周期与该海域的波浪周期发生谐振[6]，所产生的巨大能量对隔水导管造成致命损坏。

如果假设从隔水管下部连接器LMRP处脱开，这样就将3 000 kN的水下防喷器留在了海底泥线，其他条件都不变，同样计算得到结果如表2所示。

表2 悬挂模式： 隔水导管+LMRP

由表2可知：

(1) 计算条件与表1完全相同，但隔水导管管串在隔水导管底部的下连接器MLRP处脱开，即水下防喷器留在海底的水下井口处，此时按照LMRP脱开时，水深3 000 m，悬挂隔水导管+隔水导管下部连接器，此时隔水导管管串悬挂的全部实际湿重为3 790 kN。

(2) 水深在200～3 000 m时，隔水导管悬挂系统的固有周期为4.2～7.8 s，如果隔水导管管串在LMRP处解脱，则管串系统的固有频率周期离开了8～11 s这个范围，从避免谐振的角度出发,这个管串是安全的。

(3) 回顾Disxx 5XX钻井平台避台风当时的实际情况，水深为1 400～1 500 m，此时实际悬挂的隔水导管+隔水导管下部连接器(LMRP)，波浪周期为5.9～6.0 s，这个频率范围可以避谐振，同时也避免了对隔水导管的损坏。

4 结 语

(1) 深水浮式钻井平台在避台风和航渡期间，由于受到波浪运动的作用，浮式钻井平台和所悬挂的隔水导管系统的运动特性可以视为受波浪运动干扰的受迫振动问题来考虑。利用本文的研究方法，只须根据现场海况的波浪周期、悬挂的隔水导管管串等实际情况和参数，就可以迅速确定合理的悬挂重量、解脱方式和解脱位置，为平台避台风提供正确决策方式和安全保障。

(2) 深水浮式钻井平台在避台风期间，为了有效地避免隔水导管系统和水下防喷器在避台期间受损，应尽量避免管串的固有频率周期与作业海域的波浪周期相同而发生谐振。

(3) 就本文的实例分析情况而言，避台时，选择隔水导管从LMRP处解脱开，不但快捷，也有利于隔水导管和平台的安全。

(4) 深水浮式钻井平台在避台时，现场的风力、海流、波浪周期等气象条件和环境参数对于分析平台运动和隔水导管的动力响应尤为重要，但由于当时现场受各种条件的限制，这部分数据我们通常无法准确获取，今后需要完善这部分的工作。

(5) 由于影响深水浮式钻井平台隔水导管系统安全的因素很多，本文由于忽略了平台纵、横荡和纵、横摇等因素对隔水管系统的影响，以及平台水平方向的运动、水平方向的风载和流载的影响，本文主要就竖直向的升沉运动对避台期间隔水导管的影响，结合南海Disxx 5XX钻井平台的实际情况，做了一个初步的探索，研究结果有一定的局限性，今后还需要进一步对多种影响因素展开深入探讨。

本文旨在为钻井平台在现场避台期间，迅速、合理地选择作业方式，尽量避免和减少钻井设备的损坏和影响，保障人员和设备安全，提供一种简便的分析和计算方法，并提供一种判断和决策的依据。