鞠少棟,暢元江,陳國明,許亮斌,殷志明

(1.中國石油大學機電工程學院,山東 東營 257061;2.中海油研究中心,北京 100027)

超深水鉆井作業(yè)隔水管頂張力確定方法

鞠少棟1,暢元江1,陳國明1,許亮斌2,殷志明2

(1.中國石油大學機電工程學院,山東 東營 257061;2.中海油研究中心,北京 100027)

對于深水和超深水鉆井作業(yè),確定鉆井隔水管系統(tǒng)頂張力是鉆前設計非常重要的工作。研究三種隔水管系統(tǒng)頂張力確定方法,分別是理論方法、基于隔水管系統(tǒng)底部殘余張力方法和基于下放隔水管系統(tǒng)的最大鉤載方法。算例計算與超深水鉆井實踐對比表明,在相同的隔水管系統(tǒng)配置下,三種方法計算結(jié)果都接近于實際鉆井作業(yè)時的頂張力設定值。但研究認為,基于下放最大鉤載的頂張力計算方法簡單實用,推薦作為優(yōu)選方法。

超深水;鉆井隔水管;頂張力;確定方法

Abstract:In deepwater and ultradeepwater drillingoperation,the determination of top tensionof drilling riser system for pre-spud design is the main consideration.Three determination methods of top tension of drilling riser system are proposed,which are theoriticalmethod,method based on the residual tension at bottom of the drilling riser system,andmethod based on themaximal hook load during the running procedure of the drilling riser system respectively.An example is presented and its results by differentmethods are compared with the ultradeepwater drilling practice,which illustrates that all the values by differentmethods fitwellwith the pre-defined value of the top tension in the actual drilling operation in case of the identical drilling riser configuration.The research indicates that themethod based on themaximal hook load during the running procedureof the drilling riser system is simple and applicable,which is recommended as the preferredmethod for determination of the top tension.

Key words:ultradeepwater;drilling riser;top tension;determinationmethods

(超)深水鉆井隔水管是連接海底井口與鉆井船的重要部件,其主要功能是提供井口防噴器與鉆井船之間鉆井液往返的通道,支撐輔助管線,引導鉆具,作為下放與撤回井口防噴器組的載體等[1-2]。隔水管張力器用于向鉆井隔水管頂部施加垂直力,從而控制其應力和位移,在深水鉆井船因風、海浪和海流的影響而垂向、橫向移動時,張力器能夠為隔水管提供近乎恒定的軸向拉力[3]。

合理設計的張力器張力可以防止隔水管發(fā)生屈曲、限制隔水管底部撓性接頭轉(zhuǎn)角以及確保鉆桿以較小的摩擦力在隔水管內(nèi)上下運動或旋轉(zhuǎn),理論上要求隔水管頂部的張力必須高于隔水管和鉆井液的表觀重量(即為沒水重量),同時隔水管上需要施加額外的載荷以限制其彎曲應力[4-5]。關(guān)于隔水管頂張力的計算,國外普遍采用API規(guī)范的理論方法,計算過程繁瑣且不適于現(xiàn)場作業(yè)應用[6]。目前我國正致力于超深水油氣田勘探開發(fā),超深水域相對惡劣的海況對鉆井隔水管系統(tǒng)的張力設置提出了更高的要求,確定隔水管頂張力算法并形成指導現(xiàn)場作業(yè)行之有效的方法對于保證整個隔水管系統(tǒng)的作業(yè)安全具有重要意義。

研究三種確定隔水管頂張力的計算方法,分別為防止隔水管失穩(wěn)的理論算法、基于隔水管底部殘余張力算法和適合于海洋鉆井作業(yè)的現(xiàn)場計算方法。算例根據(jù)某超深水井隔水管系統(tǒng)配置,結(jié)合底部撓性接頭處張力需求和隔水管屈服強度要求,分別計算了采用不同算法的頂張力計算值,并與現(xiàn)場作業(yè)實際的設置張力進行了對比分析。本方法與相關(guān)結(jié)論可為我國超深水鉆井隔水管系統(tǒng)頂張力的設計提供依據(jù)。

1 隔水管頂張力計算方法

1.1 理論算法

根據(jù)APIRP 16Q規(guī)范,頂張力設置是確保隔水管穩(wěn)定性的條件之一。頂張力的設置要確保即使有部分張力器失效,也能保證隔水管底部會產(chǎn)生有效張力。最小頂張力Tmin按如下公式確定:

式中:TSRmin為滑力環(huán)張;N為支撐隔水管的張力器數(shù)目;n為出現(xiàn)突然失效的張力器數(shù)目;Rf為用以計算傾角和機械效率的滑環(huán)處垂直張力與張力器設置之間的換算系數(shù),通常為0.90～0.95。

式(1)中滑環(huán)張力TSRmin計算公式:

式中:Ws為參考點之上的隔水管沒水重量;fwt為沒水重量公差系數(shù)(除精確測量外,一般取1.05);Bn為參考點之上的浮力塊凈浮力;fbt為因彈性壓縮、長期吸水和制造容差引起的浮力損失容差系數(shù)(除精確測量外,一般取0.96);Ai為隔水管(包括節(jié)流、壓井和輔助管線)內(nèi)部橫截面積;dm為鉆井液密度;Hm為至參考點的鉆井液柱高度;dw為海水密度;Hw為至參考點的海水柱高度。

為了確定隔水管最小頂張力,還需要計算隔水管沒水重量、隔水管凈浮力以及隔水管內(nèi)部鉆井液橫截面積等相關(guān)參數(shù)。

式中:Ariser為隔水管主管內(nèi)部橫截面積,Akill為壓井管線內(nèi)部橫截面積,Achoke為節(jié)流管線內(nèi)部橫截面積,

Abooster為增壓管線內(nèi)部橫截面積,Ahydraulic為液壓管線內(nèi)部橫截面積。

1.2 基于底部殘余張力的頂張力確定方法

法國石油研究院提出的隔水管頂張力計算必須保證隔水管底部撓性接頭處的殘余張力等于或大于隔水管底部總成(lowermarine riser package,簡稱LMRP)的表觀重量,以確保惡劣海況條件下啟動緊急脫離程序時能夠安全提升整個隔水管系統(tǒng)。

隔水管頂張力Ttop計算公式:

式中:WMP、WPL和WB分別為隔水管主管、外圍管線和浮力塊的表觀重量。

1.3 基于下放鉤載的頂張力確定方法

該方法的提出源于現(xiàn)場鉆井作業(yè)經(jīng)驗,普遍適用于深水和超深水鉆井隔水管頂張力設置。鉆井作業(yè)前,需要針對每口井進行詳細的隔水管系統(tǒng)配置,并計算下放隔水管和防噴器(blowout preventor,簡稱BOP)系統(tǒng)時大鉤所承受的最大載荷。根據(jù)我國南海深水區(qū)塊多口井鉆井作業(yè)日報,現(xiàn)場作業(yè)時,下放BOP到井口位置后至BOP與海底高壓井口連接之前,需要進行張力器張緊力設置。一般可以按7∶3或8∶2的比例將此時的大鉤載荷(也即下放重量)重新分配給張力器和大鉤,也就是說,隔水管張力器張力設置值一般取作業(yè)時大鉤最大下放重量的70%或80%,一般情況下在正常鉆井作業(yè)過程中不再對其進行調(diào)整,除非遭遇惡劣天氣或者鉆井過程中采用大密度鉆井液。

隔水管張力器設置張力T計算公式:

式中:η為張力器張力所占最大下放重量的比例,Whook為大鉤所承受的最大下放重量,也即BOP與海底高壓井口即將連接時的最大鉤載。理論上,最大鉤載計算應考慮隔水管和BOP系統(tǒng)下放過程中由于鉆井船升沉運動所產(chǎn)生的動載效應的影響,其值可通過系統(tǒng)軸向動力學分析獲得。實際上,由于隔水管與BOP系統(tǒng)的下放作業(yè)常常在較好的海況條件下進行,鉆井船的升沉運動相對較小,于是忽略動載效應可滿足現(xiàn)場鉆井作業(yè)的需要。

2 算例及現(xiàn)場應用

以某超深水井為例,水深近1 600 m,鉆井作業(yè)時配置的隔水管系統(tǒng)如表1所示,隔水管系統(tǒng)配置使用兩種浮力單根和四種隔水管短節(jié)。海水密度為1 025 kg/m3,采用的鉆井液最大密度為1 140 kg/m3。

隔水管單根各部分基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示,隔水管主管四周總共布置5根周圍管線,包括節(jié)流、壓井、泥漿增壓管線各1根,液壓管線2根。

表1 隔水管系統(tǒng)配置Tab.1 Configuration of drilling riser system

表2 隔水管單根結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Parameters of drilling riser joint

2.1 隔水管頂張力理論計算結(jié)果

根據(jù)API規(guī)范,確定隔水管頂張力時需要的參數(shù)計算如下:隔水管沒水重量為12.831 t,浮力單根1浮力塊凈浮力為12.416 t,浮力單根2浮力塊凈浮力為10.291 t。隔水管沒水重量公差系數(shù)取1.05,浮力塊浮力損失容差系數(shù)取0.96,垂直張力與張力器設置之間的換算系數(shù)取0.90。

支撐隔水管系統(tǒng)的張力器數(shù)目為6,假定突然失效的張力器數(shù)目為0,根據(jù)式(1)和式(2)隔水管系統(tǒng)滑環(huán)張力TSRmin和頂張力Tmin計算結(jié)果如表3所示,隔水管滑環(huán)張力為405.19 t,頂張力為450.21 t。

隔水管頂張力與鉆井液密度關(guān)系如圖1所示,隨著鉆井液密度的增大,隔水管系統(tǒng)所需的滑環(huán)張力和頂張力呈線性增大,根據(jù)此圖可確定不同鉆井液密度下的隔水管頂張力。

表3 隔水管滑環(huán)張力和頂張力計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of slip ring tension and top tension for drilling riser

2.2 底部殘余張力法計算結(jié)果

根據(jù)式(6)和式(7),隔水管頂張力計算結(jié)果如表4所示,隔水管表觀重量為288.65 t,鉆井液表觀重量為47.85 t,底部殘余張力RTB值取為LMRP的表觀重量107 t,則隔水管頂張力為443.50 t。

表4 隔水管頂張力計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of top tension for drilling riser system

隔水管頂張力與底部殘余張力之間對應關(guān)系如圖2所示,隨著底部殘余張力的增加,所需求的頂張力線性增加。

圖1 隔水管頂張力與鉆井液密度關(guān)系Fig.1 Relationship befween drilling fluid density and top tension

圖2 隔水管頂張力與底部殘余張力關(guān)系Fig.2 Relationship between top tension and residual tension on bottom

2.3 下放鉤載法計算結(jié)果

根據(jù)前述算法,結(jié)合表1、2給出的超深水鉆井隔水管系統(tǒng)詳細配置,下放隔水管系統(tǒng)時,其下放單根數(shù)量與大鉤載荷變化對應關(guān)系曲線如圖3所示。圖中大鉤載荷變化平緩的區(qū)域為隔水管浮力單根下放區(qū)域,而變化較大的區(qū)域為隔水管裸單根下放區(qū)域。計算得到的大鉤載荷值起始于LMRP/BOP和最底部連接LMRP/BOP的2根浮力單根入水后,其最大值發(fā)生時間為隔水管系統(tǒng)部件全部下放之后至LMRP/BOP與海底高壓井口連接前。

由于隔水管系統(tǒng)的最大下掛重量為642.51 t,按7∶3的比例重新分配給張力器和大鉤,其中張力器張力為449.76 t,大鉤載荷為192.75 t,由式(8)可得到隔水管頂張力計算結(jié)果,如表5所示。

圖3 隔水管部件下放數(shù)目與大鉤載荷關(guān)系Fig.3 Relationship between hook load and running joints for drilling risers

表5 隔水管總濕重和設置頂張力計算結(jié)果Tab.5 Calculation results of top tension and overall wet weight for drilling riser system

根據(jù)表5,隔水管的頂張力為449.76 t,正常作業(yè)時隔水管底部有效張力為113.26 t,緊急脫離情況下LMRP的過提力為54.11 t。

2.4 三種方法的計算結(jié)果對比

三種方法都以確保隔水管系統(tǒng)全部濕重由張力器承擔及隔水管的安全脫離為前提條件,從不同角度出發(fā)分別基于隔水管穩(wěn)定性、底部殘余張力和大鉤載荷計算頂張力。在相同的隔水管系統(tǒng)配置條件下,三種計算方法的結(jié)果:采用API規(guī)范理論方法求得的隔水管系統(tǒng)頂張力為450.21 t,采用其他兩種方法計算出的隔水管系統(tǒng)頂張力分別為443.50 t和449.76 t。根據(jù)現(xiàn)場鉆井記錄,此井現(xiàn)場實際作業(yè)時6個張力器的設置為161 kips(73.094 t)、161 kips(73.094 t)、165 kips(74.91)、163 kips(74.002 t)、162 kips(73.548 t)和 163 kips(74.002 t),張力器提供的全部頂張力為442.65 t。對比表明,三種方法計算結(jié)果與現(xiàn)場實際頂張力設置相差不大,其所得結(jié)果都可直接應用于隔水管現(xiàn)場作業(yè)。前兩種方法需要確定的參數(shù)較多且各個參數(shù)的計算繁瑣,而第三種方法只需要獲得大鉤載荷即可確定頂張力?？紤]第三種方法的簡便性,對于我國超深水現(xiàn)場鉆井作業(yè)推薦采用此方法。

3 結(jié) 語

1)研究三種隔水管系統(tǒng)頂張力確定方法,分別是理論方法、基于隔水管系統(tǒng)底部殘余張力方法和基于下放隔水管系統(tǒng)的最大鉤載方法,并就每一種方法給出了理論依據(jù)或原理。

2)分別采用三種方法進行算例計算并與現(xiàn)場作業(yè)參數(shù)對比,實際鉆井作業(yè)頂張力設定值為442.65 t,三種方法計算結(jié)果分別為450.21 t、443.50 t和449.76 t,表明與現(xiàn)場作業(yè)實際頂張力設置值吻合較好。

3)研究認為,理論算法可考慮多個因素的影響,適應范圍較廣但計算繁瑣;基于隔水管系統(tǒng)底部殘余張力方法計算簡單但適用性較差;基于下放隔水管系統(tǒng)的最大鉤載方法簡單實用,推薦作為首選方法。

[1] 暢元江,陳國明,孫友義,等.深水鉆井隔水管的準靜態(tài)非線性分析[J].中國石油大學學報:自然科學版,2008,32(3):114-118.

[2] 暢元江.深水鉆井隔水管設計方法及其應用研究[D].東營:中國石油大學,2008.

[3] APIRP 16F,Specification formarine drilling riser equipment[S].2004.

[4] Guesnon J,Gaillard C h,Richard F.Ultra deep water drilling riser design and relative technology[J].Oil&Gas Science and Technology,2002,1(57):39-57.

[5] Persent E,Guesnon J,Heitz S,et al.New riser design and technologies for greaterwater depth and deeper drilling operations[C]∥SPE 119519.2009.

[6] APIRP 16Q,Recommended practice for design selection operation and maintenance ofmarine drilling riser system[S].2001.

Determinationmethods for the top tension of ultradeepwater drilling risers

JU Shao-dong1,CHANG Yuan-jiang1,CHEN Guo-ming1,XU Liang-bin2,YIN Zhi-ming2
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering,China University of Petroleum,Dongying 257061,China;2.China Offshore Oil Research Center,Beijing 100027,China)

P751

A

1005-9865(2011)01-0100-05

2010-04-30

國家科技重大專項課題資助項目(2008ZX05026-001-07);國家自然科學基金項目(50904078);中國石油大學優(yōu)秀博士學位論文培育資助項目(Z10-08)

鞠少棟(1984-),男,山東濰坊人,博士生,主要從事深水鉆井技術(shù)與裝備的研究。E-mail:jsd1984@126.com