陳國明 劉秀全 暢元江 許亮斌

1.中國石油大學 海洋油氣裝備與安全技術研究中心 （山東 青島 266580）

2.中海油研究總院 （北京 100027）

深水鉆井隔水管是連接海底井口和鉆井平臺的重要部件，其主要功能是提供井口防噴器與鉆井平臺之間的泥漿往返通道，支持輔助管線，引導鉆具，作為下放與撤回井口防噴器組的載體[1,2]。深水鉆井隔水管作為海洋鉆井系統(tǒng)中重要而又薄弱的環(huán)節(jié)，長期承受波浪載荷、海流載荷、浮式鉆井裝置的運動、渦激振動等載荷的影響。隨著鉆井作業(yè)水深的增加隔水管系統(tǒng)的受力狀況更加惡劣和復雜，嚴重時隔水管可能會發(fā)生失效，如強度失效、疲勞失效等。任何一種失效的出現(xiàn)都可能導致鉆井工作中斷甚至失敗，造成巨大的損失。如2006年5月18日，Transocean在南中國海LW3-1-1遭遇臺風 “珍珠”襲擊。由于未及時回收隔水管導致隔水管發(fā)生斷裂，致使52根隔水單根分散橫臥海底，影響作業(yè)時間約1月，后期打撈作業(yè)費用約2400萬美元。由此可知，隔水管可靠性關系到整個鉆井作業(yè)的順利完成，甚至整個鉆井平臺的安全[3-5]。

以隔水管可靠性為研究對象，建立隔水管連接模式和懸掛模式下的力學分析模型，形成隔水管系統(tǒng)連接鉆井、下放與回收、硬懸掛和軟懸掛模式下的作業(yè)窗口和可靠性計算方法；同時，研究了隔水管單根可靠性評估、風險分析及完整性管理方法。相關研究成果為隔水管可靠性評估、海上鉆完井作業(yè)和隔水管完整性管理提供參考。

1 深水鉆井隔水管系統(tǒng)力學分析模型

1.1 連接模式下隔水管系統(tǒng)力學分析模型

連接模式下隔水管系統(tǒng)力學分析模型如圖1所示。深水鉆井隔水管系統(tǒng)受到頂張力、海流載荷等作用力，其變形常微分方程為[6]:

式中:z為隔水管任一點的垂直高度；E為材料彈性模量；I為隔水管截面慣性矩；y為隔水管水平位移；T為隔水管軸向力；W為隔水管單位長度重量；F為沿水平方向作用于隔水管單位長度上的波流聯(lián)合作用力。

圖1 連接模式下隔水管系統(tǒng)分析力學模型

由于T沿著隔水管長度方向線性變化，任一高度處的軸向力為:

式中:Ttop為隔水管頂部張力；L為隔水管全長。

波與流的聯(lián)合作用十分復雜，不能認為波流聯(lián)合作用就是將波和流分別作用的拖曳力簡單線性迭加。采用修改形式的Morison方程近似計算作用于單位長度隔水管上的波流聯(lián)合作用力:

式中:FD為波流產(chǎn)生的拖曳力(由水質點的水平速度引起)；FI為波流產(chǎn)生的慣性力 (由水質點的水平加速度引起)；Dr為隔水管外徑；ρ為海水密度；CD為拖曳力系數(shù)；vw為波浪引起的水質點速度；vc為海流引起的水質點速度；Cm為慣性力系數(shù)；aw為波浪引起的水質點加速度。

1.2 懸掛模式下隔水管系統(tǒng)力學分析模型

隔水管懸掛模式包括隔水管下放及回收作業(yè)和隔水管懸掛作業(yè)。下放與回收作業(yè)一般發(fā)生在每口井的開始和結束階段，需要把BOP安裝至井口或回收至平臺。鉆完井過程中由于環(huán)境載荷惡劣或其他原因需要解脫隔水管進行撤離時,此時LMRP和BOP發(fā)生解脫，隔水管懸掛LMRP撤離,稱之為隔水管懸掛作業(yè)。隔水管懸掛在平臺張緊器上為軟懸掛，直接懸掛在平臺上為硬懸掛。隔水管下放與回收作業(yè)和隔水管懸掛作業(yè)的力學分析模型如圖2所示。

圖2 懸掛模式下隔水管系統(tǒng)分析力學模型

懸掛模式下，隔水管頂部的平臺運動是導致隔水管振動的主要原因，隔水管波動方程為[7，8]:

式中:m為隔水管單位長度質量；u為時間t時隔水管z位置處的軸向位移；v為軸向應力波在隔水管內部的傳遞速度；λD為阻尼系數(shù)。

將鉆井平臺升沉運動視為簡諧運動施加于隔水管頂部，鉆井平臺升沉運動形式設為:

式中::u0為平臺升沉運動幅度；ω為平臺升沉運動角頻率。

2 隔水管系統(tǒng)作業(yè)可靠性分析

2.1 連接模式下的隔水管系統(tǒng)作業(yè)可靠性分析

以南中國海1500m隔水管系統(tǒng)為例，連接模式下的隔水管系統(tǒng)作業(yè)限制準則見表1，主要包括上、下?lián)闲越宇^轉角，井口彎矩，隔水管、導管最大等效應力和伸縮節(jié)沖程等限制條件[1,2,9]。

建立隔水管、井口、導管整體有限元模型，計算不同海流流速下的隔水管極限偏移，根據(jù)連接模式下的隔水管系統(tǒng)作業(yè)限制準則確定的窗口如圖3所示[10]。圖3中橫坐標與縱坐標分別為進行連接作業(yè)模式的鉆井平臺極限偏移和表面海流流速。綠色區(qū)域內可進行正常鉆井；當鉆井平臺偏移和表面海流流速參數(shù)達到黃色報警線時，需要停止鉆井并進行解脫準備，此時隔水管處于連接非鉆井模式；當鉆井平臺偏移和表面海流流速參數(shù)達到紅色報警線時，需要啟動解脫程序；當鉆井平臺偏移和表面海流流速參數(shù)超出紅色區(qū)域時，解脫作業(yè)應當已經(jīng)完成，隔水管處于懸掛模式。藍色豎線為伸縮節(jié)沖程極限，此界限是固定值。

表1 連接模式下的隔水管系統(tǒng)作業(yè)限制準則

圖3 連接模式下的隔水管系統(tǒng)作業(yè)窗口

由于海上鉆井高額的費用，鉆井作業(yè)者特別關注正常鉆井作業(yè)窗口，以提高鉆進效率，節(jié)省鉆完井作業(yè)成本。由圖3可知，在表面海流流速小于1.1m/s的范圍內通過調整鉆井平臺偏移可以正常鉆井，則鉆井作業(yè)可靠度為:

式中:u為表面海流流速；f(u)為海流流速的概率密度函數(shù)。

2.2 懸掛模式下的隔水管系統(tǒng)作業(yè)可靠性分析

懸掛模式下的隔水管系統(tǒng)作業(yè)限制條件主要包括:①隔水管最大等效應力小于0.67倍屈服應力；②下?lián)闲越宇^轉角小于撓性接頭轉角物理極限的90%。通常下?lián)闲越宇^轉角物理極限為10°；③隔水管不能出現(xiàn)動態(tài)壓縮；④最大動態(tài)張力小于卡盤極限承載能力；⑤隔水管不能與月池發(fā)生碰撞[1,2,8,10]。由此確定的隔水管下放與回收作業(yè)限制準則見表2。

建立隔水管懸掛分析有限元模型,計算不同海流和波浪組合工況下的隔水管響應。結合隔水管懸掛模式作業(yè)限制準則，確定隔水管懸掛模式下的作業(yè)窗口如圖4所示。圖4中綠色區(qū)域為安全作業(yè)區(qū)域。

圖4 懸掛模式下的隔水管作業(yè)窗口

由圖4可知，當進行隔水管懸掛作業(yè)時，軟懸掛作業(yè)窗口比硬懸掛作業(yè)窗口大，即軟懸掛大大提高隔水管懸掛作業(yè)性能。懸掛模式下隔水管作業(yè)可靠度為:

式中:h為波高；f(u,h)為海流流速和波高的聯(lián)合概率密度函數(shù)。

3 深水鉆井隔水管單根可靠性分析及完整性管理

深水鉆井隔水管單根的主要失效模式包括疲勞、磨損和腐蝕等。其中疲勞又分為海流引起的渦激疲勞以及波浪載荷；一階波頻鉆井平臺運動和二階低頻鉆井平臺運動引起的波激疲勞。以隔水管疲勞為例，進行隔水管疲勞可靠性研究。

3.1 隔水管疲勞及其可靠性分析

隔水管波激疲勞分析方法主要分為時域波激疲勞分析法和頻域波激疲勞分析法。其中時域波激疲勞分析法可以考慮波浪載荷的非線性以及隔水管系統(tǒng)的幾何非線性，分析精度較高；頻域分析法要比時域分析法快得多。由于Morison方程中的拖曳力項正比于水質點速度的平方，而采用頻域分析法時必須將拖曳力線性化，造成精度上的誤差，所以一般采用時域法進行隔水管波激疲勞分析。其分析流程如圖5所示[3,4,12,13]。

圖5 隔水管波激疲勞分析流程

深水鉆井隔水管渦激疲勞一直是國內外學者研究的熱點與難點。隔水管渦激振動研究方法包括渦激振動試驗、半經(jīng)驗模型和數(shù)值模擬方法 (CFD方法)，一般采用半經(jīng)驗模型進行隔水管渦激疲勞計算。半經(jīng)驗模型最具代表性的當屬麻省理工大學的SHEAR7、VIVA和挪威科技大學的VIVANA軟件。其中SHEAR7的應用較為廣泛?；赟HEAR7的隔水管渦激疲勞分析流程如圖6所示[14-17]。

隔水管綜合疲勞損傷為隔水管波激疲勞損傷Dwave和渦激疲勞損傷DVIV之和。同時，考慮到隔水管疲勞性能的隨機性以及疲勞載荷的不確定性，隔水管的綜合疲勞損傷為:

式中:Δ為隔水管極限疲勞損傷的隨機變量；A和m為S-N曲線表達式中的參數(shù)，其中A是隨機變量；B為描述疲勞載荷計算過程中的隨機變量；Swave、fwave分別為波激疲勞的等效應力幅和頻率；SVIV、fVIV分別為渦激疲勞的等效應力幅和頻率。

圖6 隔水管渦激疲勞分析流程

則隔水管的綜合疲勞壽命為:

那么單次鉆完井作業(yè)隔水管單根的疲勞可靠度為:

式中:Tdrilling為單次鉆完井作業(yè)時間的隨機變量；f(Δ,A,B,Tdrilling)為各隨機變量的聯(lián)合概率密度函數(shù)。

3.2 隔水管風險分析

完成隔水管疲勞失效概率計算后，可以結合隔水管疲勞失效后果計算失效風險。如果失效概率(Probability of Failure，簡稱PoF)和失效后果(Consequence of Failure，簡稱CoF)的重要性相同，認為可以將兩者相乘計算失效風險，即Risk=PoF·CoF。如果失效概率和失效后果的重要性不同，應分別對2種因素進行定性或定量評價并建立風險矩陣。如圖7 所示[18]。

圖7 風險矩陣

圖7中綠色范圍表示低風險區(qū)域，其失效概率和后果均較低，可以認為隔水管狀態(tài)良好，安全、經(jīng)濟、環(huán)境后果均能夠接受，可以將低風險區(qū)域作為風險接受極限。中風險區(qū)域(黃色范圍)已經(jīng)超過了風險的可接受水平，需要對隔水管進行檢測并采取適當?shù)木S護措施。高風險區(qū)域(紅色范圍)的風險過高，必須立刻采取措施降低或控制風險，并對失效概率和失效后果進行詳細分析。

3.3 隔水管完整性管理

深水鉆井隔水管完整性管理 (Riser Integrity Management，簡稱RIM)貫穿隔水管及其附屬設備從設計、施工、運營、維護直到退役結束整個壽命周期全過程，是指隔水管運營商持續(xù)地對隔水管潛在的風險因素進行識別和評價，并采取相應的風險控制對策，將隔水管風險水平始終控制在合理的和可接受的范圍之內。隔水管完整性管理方案如圖8所示。

由圖8可知，隔水管完整性管理方案分為3個步驟:首先進行風險評估，識別潛在的風險；其次通過檢測或監(jiān)測手段驗證風險評估結果，并確定準確的隔水管風險等級；最后針對存在的風險制定一套完整性管理方案降低風險，確保隔水管安全。此外，數(shù)據(jù)庫在深水鉆井隔水管完整性管理中起到至關重要的作用，它存儲隔水管單根的設計數(shù)據(jù)、加工記錄、作業(yè)記錄、失效風險、檢測及監(jiān)測結果、完整性管理方案等。同時，又為隔水管的風險評估、檢測及監(jiān)測方案的制定以及完整性管理方案的形成提供有用數(shù)據(jù)。實際現(xiàn)場應用時，對每一個影響隔水管結構完整性的操作都要將相關信息錄入到數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的實時更新。

4 結束語

深水鉆井隔水管是連接海底井口和鉆井平臺的重要部件，其可靠性關系到整個鉆井作業(yè)的順利完成，甚至整個鉆井平臺的安全。API、ISO和DNV等組織機構均針對鉆井隔水管制定了相應的設計與分析方法，如API RP 16QISO 13624DNV RP F204等，為隔水管設計者和作業(yè)者提供參考與指導。在各規(guī)范文件的基礎上，結合課題組在深水鉆井隔水管方面多年的研究成果，從可靠性的角度研究深水鉆井隔水管系統(tǒng)作業(yè)性能和隔水管單根壽命，建立了隔水管風險分析矩陣。同時，制定一套深水鉆井隔水管完整性管理方案，為隔水管可靠性評估、海上鉆完井作業(yè)和隔水管完整性管理提供參考，也為進一步豐富隔水管規(guī)范的組織機構提供參考。

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