深水隔水管分析技术1

肖 谭

（中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，海口 570100）

0 引言

海洋立管是海洋石油钻采过程中关键的装备，是钻采平台与油气井连接的通道，是海洋开发系统结构的重要组成部分。在海洋石油钻采过程中，风、浪、流等环境因素会对钻井船、浮式生产储油卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）及张力腿平台（Tension Leg Platform，TLP）等海面钻采设施的运动特性造成一定影响。作为海面钻采设施的连接部分，立管系统的运动特性也会间接或直接地受到环境影响[1]，这对海面钻采设施的正常生产作业构成了巨大的挑战，同时也成为了海洋油气井设计的难点与重点[2]。深水隔水管是一种具有高风险、高难度、高技术和高附加值的石油钻井装备，相关的研究工作已引起了国内外普遍关注。设计和开发具有高技术、高难度和高可靠性的海洋钻井隔水管及其系统已成为一个新的研究热点[3]。

本文结合深水钻采作业的特点，开展深水隔水管技术研究，对深水钻井隔水管进行受力分析，进而确定作业窗口期以及立管系统的配置情况。在此基础上，建立一套深水隔水管实时监测技术服务系统，可对隔水管的疲劳损伤情况进行实时监测。

1 深水隔水管分析技术

在对深水隔水管进行分析时，有必要结合我国目前深水开发的现状，并充分借鉴国外的研究成果与研究经验。深水隔水管分析技术主要包括隔水管受力分析技术及隔水管实时监测技术[4]。

1.1 深水隔水管受力分析技术

深水隔水管受力分析技术是指对深水隔水管系统进行综合受力分析，包括不同工况下的顶张力分析、强度校核、漂移分析、悬挂分析及疲劳分析等内容，并确定立管系统配置及钻采设施的作业窗口。深水隔水管受力分析技术可为油气井的设计及现场作业提供指导，并保障油气井作业的安全性。

1.1.1 系统配置

在进行深水隔水管系统配置时，需要注意以下关键点：

1）在计算顶张力时，需要综合考虑挠性接头角度和隔水管底部受力情况。

2）考虑到水力半径及操作便利性，优先选用裸单根。

3）适当配置浮力单根以控制隔水管的总湿重。

4）在隔水管底部配置裸单根，以免悬挂时受压。

5）根据需要配置压力填充阀。

在完成深水隔水管系统的配置后，进行水力计算与分析，并根据计算结果对隔水管的配置进行优化。

1.1.2 顶张力分析

深水隔水管系统的顶张力需要满足美国石油学会（American Petroleum Institute，API）和大西洋边缘联合工业组织（Atlantic Margin Joint Industry Group，AMJIG）的相关要求：

1）挠性接头旋转角度要满足相关要求。

2）接头处要能保持拉力平衡，以便关键时刻断开立管。

3）在张力器突然失效的情况下，隔水管要能保持拉力平衡。

4）隔水管的张力不得超过最大允许张力的90%。

5）要保持井口头的压力平衡。

1.1.3 作业窗口分析

作业窗口分析包括静态作业窗口分析和动态作业窗口分析[5]。分别计算不同工况下的作业窗口，并根据水深偏移量和洋流数据来选择最优的隔水管顶张力。

在计算动态作业窗口时，要考虑重现期为一年的波高情况，并采用规则波法进行分析。值得注意的是，波的方向和洋流的方向保持一致。

1.1.4 隔水管系统强度及薄弱点分析

强度及薄弱点分析可确定隔水管和连接丝扣的最大强度，并确定在平台失去动力的情况下最可能发生事故的薄弱点。在确定平台的极限偏移量时，需要考虑最优预期的作业环境[6]。

1.1.5 漂移分析

漂移分析的作用在于确定作业观察圈，计算平台漂移的反应时间和应急解脱的时间，确保在平台漂移的情况下有足够的时间执行紧急断开指令。

1.1.6 隔水管安装和回收分析

在进行安装和回收分析前，需要确定隔水管的连接形式，主要包括2 种：1）隔水管与下部隔水管总成（Lower Marine Riser Package，LMRP）和防喷器（Blowout Preventer，BOP）连接；2）隔水管仅与LMRP 连接。

安装和回收分析共分为3 种工况，分别为靠近海平面位置工况、中间位置工况、靠近泥线位置工况。根据环境载荷条件确定各安装阶段的作业窗口，并在综合考虑最大隔水管压力、挠性接头角度、月池部位操作余量等因素的情况下确定安装和回收方案。

1.1.7 隔水管悬挂分析

悬挂分析的目的在于确保立管断开后隔水管的状态满足相关要求。在进行分析时，假设隔水管状态为硬悬挂，波浪和水流方向一致，悬挂期间隔水管内部充满海水，对不同波浪和水流条件下的隔水管状态进行分析，并计算安全悬挂隔水管的天气窗口。

1.1.8 涡激疲劳分析

为确保在连接作业过程中隔水管、井口和导管具备足够的涡激振动疲劳寿命，需要进行涡激振动疲劳分析。本文基于模态分析法，使用SHEAR7 软件进行仿真计算。

1.1.9 波致疲劳分析

采用基于长期海况散点图的波谱方法进行波致疲劳分析。首先将海况散点图拆分为多个线性化窗口，再从每个窗口中选择一个代表性的海况用于线性化分析。假定洋流方向和波浪方向在同一直线上，洋流流速为0.1 m/s，整个立管系统的结构阻尼为0.3%，频谱为单峰谱，对深水隔水管进行波致疲劳分析。

在大水深范围内，波浪效应会受到抑制。因此，与涡激疲劳相比，波致疲劳对井口、导管和套管的影响较小[7]。在作业过程中，导管接头处于压缩状态，对于不同尺寸管体的导管接头和焊缝，其安全系数取值不同，具体取值需要根据所用管材性质及加工方法确定。

1.2 深水隔水管实时监测技术

钻井隔水管实时监测服务包括钻井前技术方案的制定，以及监测设备的安装与调试。深水隔水管实时监测技术可对隔水管涡激疲劳损伤、波致疲劳损伤、井口疲劳损伤、井间移位等进行实时监测。监测系统的输出结果可供作业人员参考。此外，监测系统还能对隔水管的受力状态进行在线和离线模拟[8]。

1.2.1 数据分析

监测系统含有涡激疲劳算法，可从隔水管振动响应测量数据中对涡激疲劳损伤进行识别和量化分析。

监测系统可兼容隔水管模型分析软件，将测量得到的运动测量参数作为仿真分析的输入数据，计算涡激振动响应特征。

建立钻井隔水管的有限元模型，仿真计算隔水管的振型和固有频率，计算结果用于确定水管顶张力和泥浆质量范围。

1.2.2 在线自动模拟

监测系统可自动获取船舶系统的实时数据，并给出实时操作指导。监测系统可自动在线模拟，更新时间间隔一般为10～15 min，也可根据用户需求进行设定。监测系统的屏幕对隔水管系统的实时测量数据进行显示。

1.2.3 在线疲劳损伤跟踪

在线疲劳损伤跟踪模块包括隔水管波致疲劳跟踪软件和用于提高疲劳评估准确性的隔水管仪器仪表。隔水管疲劳数据记录在系统的数据库内。在隔水管的关键位置安装运动传感器可增强数据捕获效果。在校准时，将传感器与监测系统配合使用，可提高疲劳评估的准确性。

在线疲劳损伤跟踪模块可自动输入从现有船舶系统获取的实时测量数据，并能从钻井装置的波浪雷达系统或相关行业网站自动获取波浪数据。

在线疲劳损伤跟踪模块可接入平台数据库以获取实时信号信息，并将这些信息整合以便疲劳损伤评估使用。

在完成仿真分析后，在线疲劳损伤跟踪模块对结果进行后处理，确定整个系统热点的疲劳损伤、隔水管系统关键部位的最大应力和载荷情况。

1.2.4 土壤模型校准

该模块可对用于整体隔水管分析的土壤模型进行校准，并能确定不同土壤深度的土壤刚度范围与上下限剖面。在进行校准时，需要将合适的监测仪器安装在BOP 或井口，以便记录校准数据源。

1.2.5 井间移位评估

监测系统使用航行速度、隔水管长度、关键海洋参数等数据来计算隔水管的最大应力，分析结果可用于确定隔水管系统的浪致疲劳。

监测系统可对井间移位期间的隔水管涡激振动进行计算，进而分析在航行作业期间隔水管系统的涡激疲劳损伤。比较计算结果与预先定义的限值，判断当前航行速度是否满足要求。

监测系统根据波致疲劳和涡激疲劳的计算结果，对移位作业期间隔水管的总疲劳损伤进行评估。监测系统可为作业人员提供安全上限数据，以便评估井间移位操作的可行性。

井间移位评估可输出以下结果：1）井间移位作业期间的最大隔水管载荷；2）隔水管最大应力；3）疲劳损伤。

2 结论

本文结合深水钻采作业的特点，开展深水隔水管技术研究，对深水钻井隔水管进行受力分析，进而确定作业窗口期以及立管系统的配置情况。在此基础上，建立一套深水隔水管实时监测技术服务系统，可对隔水管的疲劳损伤情况进行实时监测。研究表明：该系统可有效提高作业效率和安全性。