陳國(guó)明，劉秀全，暢元江，許亮斌

(1.中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東青島 266580;2.中海油研究總院，北京 100027)

深水鉆井隔水管系統(tǒng)是連接井口和鉆井平臺(tái)的重要部件，主要由伸縮節(jié)、隔水管單根、撓性接頭和下部隔水管總成(lower marine riser package，LMRP)組成，其主要功能是提供井口與鉆井平臺(tái)之間的泥漿往返通道，支持輔助管線，引導(dǎo)鉆具，作為下放與撤回防噴器組的載體。深水和超深水環(huán)境下隔水管與井口系統(tǒng)受到多種復(fù)雜載荷的作用，是整個(gè)鉆井裝備中較為薄弱的環(huán)節(jié)，其正確設(shè)計(jì)與使用直接關(guān)系到鉆完井作業(yè)的順利完成。目前，深水鉆井隔水管與井口技術(shù)僅被少數(shù)幾個(gè)國(guó)家相關(guān)公司所掌握，中國(guó)深水石油勘探開(kāi)發(fā)尚處于起步階段，缺乏深水作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，且中國(guó)南海自然環(huán)境惡劣，對(duì)深水鉆井隔水管和井口提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。深水鉆井隔水管和井口技術(shù)成為中國(guó)深水油氣勘探開(kāi)發(fā)的瓶頸之一。為此，針對(duì)中國(guó)南海深水油氣開(kāi)采需要，在國(guó)家“863”計(jì)劃、科技重大專(zhuān)項(xiàng)和自然科學(xué)基金的資助下，結(jié)合中海油等多項(xiàng)生產(chǎn)課題，對(duì)深水鉆井隔水管與井口技術(shù)進(jìn)行了較系統(tǒng)的探索與研究。經(jīng)過(guò)數(shù)年的努力，在深水鉆井隔水管與井口系統(tǒng)力學(xué)分析、鉆前設(shè)計(jì)方法、作業(yè)窗口技術(shù)、系統(tǒng)完整性評(píng)估、安全風(fēng)險(xiǎn)分析等方面取得重要的研究進(jìn)展［1-33］，筆者將對(duì)這些進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和回顧，并對(duì)今后的研究重點(diǎn)進(jìn)行展望。

1 深水鉆井隔水管與井口系統(tǒng)力學(xué)分析

1.1 深水鉆井隔水管與井口系統(tǒng)靜態(tài)分析

隔水管靜態(tài)分析通常為隔水管整體性能分析的第一步，也是后續(xù)模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析的起點(diǎn)，其分析方程［9］為

式中，z為隔水管任一點(diǎn)的垂直高度，m;E為材料彈性模量，Pa;I為隔水管截面慣性矩，m4;y為隔水管水平位移，m;T為隔水管軸向力，N;W為隔水管單位長(zhǎng)度重量，N/m;F為沿水平方向作用于隔水管單位長(zhǎng)度上的波流聯(lián)合作用力，N。

波與流的聯(lián)合作用十分復(fù)雜，不能認(rèn)為波流聯(lián)合作用就是將波和流分別作用的拖曳力簡(jiǎn)單線性迭加。采用修正形式的Morison方程近似計(jì)算作用于單位長(zhǎng)度隔水管上的波流聯(lián)合作用力為

式中，F(xiàn)D為波流產(chǎn)生的拖曳力(由水質(zhì)點(diǎn)的水平速度引起)，N;FI為波流產(chǎn)生的慣性力(由水質(zhì)點(diǎn)的水平加速度引起)，N;Dr為隔水管外徑，m;ρ為海水密度，kg/m3;CD為拖曳力系數(shù);vw、vc分別為波浪和海流引起的水質(zhì)點(diǎn)速度，m/s;Cm為慣性力系數(shù);aw為波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)加速度，m/s2。

由于海流是穩(wěn)態(tài)的，而波浪是動(dòng)載荷，在進(jìn)行波流聯(lián)合作用下的隔水管靜態(tài)分析時(shí)，需要忽略波浪的動(dòng)力效應(yīng)，按準(zhǔn)靜力方法處理波浪載荷的作用。進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析時(shí)，應(yīng)將波浪的最大相位角作為波浪的輸入?yún)?shù)進(jìn)行計(jì)算。開(kāi)發(fā)了深水隔水管準(zhǔn)靜態(tài)性能分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)以隔水管最大Mises應(yīng)力作為波浪最大相位角判據(jù)，以C++Builder為開(kāi)發(fā)環(huán)境，后臺(tái)調(diào)用ABAQUS求解器進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)波浪最大相位角的自動(dòng)搜索和隔水管的準(zhǔn)靜態(tài)分析［9］。

1.2 深水鉆井隔水管與井口系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析

深水隔水管是動(dòng)力敏感柔性體，其振動(dòng)的基本周期最典型為幾秒鐘。波浪的周期一般在6～30 s，因此很有可能一個(gè)或者數(shù)個(gè)隔水管固有周期落入波浪周期范圍之內(nèi)，此時(shí)，隔水管將發(fā)生比靜態(tài)響應(yīng)嚴(yán)重的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，隔水管動(dòng)態(tài)分析是隔水管強(qiáng)度校核以及疲勞計(jì)算的基礎(chǔ)。鉆井隔水管的橫向振動(dòng)方程［10］為

式中，M為隔水管單位長(zhǎng)度振動(dòng)質(zhì)量，包括隔水管單位長(zhǎng)度質(zhì)量、隔水管單位長(zhǎng)度內(nèi)鉆井液以及單位長(zhǎng)度的附連水質(zhì)量等，kg;t為時(shí)間，s。

對(duì)隔水管進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，考慮隔水管運(yùn)動(dòng)的影響，需要將Morison方程修正為

隔水管動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析方法包括時(shí)域動(dòng)態(tài)分析法和頻域分析法，其中時(shí)域動(dòng)態(tài)分析法又分為時(shí)域規(guī)則波分析法和時(shí)域隨機(jī)振動(dòng)分析法。時(shí)域規(guī)則波分析采用設(shè)計(jì)波法對(duì)隔水管進(jìn)行時(shí)域動(dòng)態(tài)分析，該方法假定波浪具有確定的波高和周期，目前，多數(shù)隔水管動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析都采用該方法。時(shí)域隨機(jī)振動(dòng)方法中，海浪作為隨機(jī)過(guò)程處理，隨機(jī)波浪譜按照波浪模擬方法分解為具有不同周期、相位和幅值的余弦波的疊加，然后計(jì)算隔水管對(duì)組成波列的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。頻域分析法采用譜分析技術(shù)進(jìn)行隔水管隨機(jī)振動(dòng)分析，即由波浪譜得到波力譜，再由波力譜得到隔水管的響應(yīng)譜，最后得到隔水管位移或者應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)信息［10-12］。

總體上，時(shí)域動(dòng)態(tài)分析最為精確，該方法能夠綜合考慮拖曳力的非線性、隔水管的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及作為動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)源的波浪力，缺點(diǎn)是分析時(shí)間較長(zhǎng)。時(shí)域隨機(jī)振動(dòng)分析要比規(guī)則波浪分析預(yù)測(cè)的應(yīng)力值要高，這是由于在進(jìn)行隨機(jī)海浪分析時(shí)，波浪能量涵蓋一個(gè)寬的頻率帶，處于波浪頻率帶之內(nèi)的隔水管固有頻率都有可能被激發(fā)，而在規(guī)則波浪情況下，所有的波浪能量被集中于隔水管某個(gè)單一的固有頻率處，如果波浪頻率不接近于隔水管的固有頻率，該階模態(tài)就不會(huì)被激發(fā)。頻域分析法比時(shí)域分析法快得多，所需要的時(shí)間和靜態(tài)分析的時(shí)間大體相等，但必須采用線性波浪理論，因而會(huì)造成一定精度上的誤差［10-12］。

1.3 深水鉆井平臺(tái)－隔水管－井口耦合系統(tǒng)分析

鉆井隔水管承受浮式海洋鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、波浪載荷與海流載荷的共同作用，其中鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)是首要的動(dòng)載荷。當(dāng)前通常做法是基于兩步程序分析鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)隔水管造成的載荷效應(yīng):①基于三維衍射/輻射理論計(jì)算鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，通常以線性頻域程序或解耦時(shí)域程序進(jìn)行;②將鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)作為隔水管終端激勵(lì)以計(jì)算其載荷效應(yīng)。實(shí)際上，鉆井平臺(tái)、隔水管與系纜構(gòu)成了一個(gè)集成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它通過(guò)一種復(fù)雜方式對(duì)風(fēng)、波浪與海流載荷作出響應(yīng)。因細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(隔水管、系纜)而導(dǎo)致的海流載荷和阻尼可對(duì)低頻鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生顯著影響。這種耦合效應(yīng)在預(yù)測(cè)鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)及鉆井隔水管響應(yīng)時(shí)起決定性作用。耦合系統(tǒng)分析由兩步組成:①對(duì)鉆井平臺(tái)進(jìn)行傳統(tǒng)的頻域衍射/輻射分析，以便計(jì)算鉆井平臺(tái)的各種水動(dòng)力系數(shù);②對(duì)耦合系統(tǒng)分析模型進(jìn)行時(shí)域隨機(jī)振動(dòng)分析，基于作用在鉆井平臺(tái)上的環(huán)境力與每個(gè)時(shí)刻的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的動(dòng)態(tài)平衡確定鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)與細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)。研究表明，在低頻與波頻鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)共同作用下，隔水管響應(yīng)包絡(luò)線范圍顯著大于僅考慮波頻鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)作用的情形。作為深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)，隔水管底部撓性接頭轉(zhuǎn)角響應(yīng)中包含重要的低頻特性。在進(jìn)行深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)時(shí)，該問(wèn)題必須得到足夠重視［3，13］。

1.4 深水鉆井隔水管渦激振動(dòng)仿真分析

基于RNG k－ε湍流模型與動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，針對(duì)隔水管在海洋環(huán)境中的實(shí)際雷諾數(shù)范圍，對(duì)管柱的渦激振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬良好再現(xiàn)圓柱響應(yīng)的3個(gè)典型分支:初始分支、高幅分支與低幅分支，清晰捕捉到漩渦泄放的2S模式與2P模式。研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的響應(yīng)分支——“超低幅分支”，該分支振幅顯著低于低幅分支且大小穩(wěn)定，振動(dòng)頻率仍鎖定在固有頻率上。在低幅分支與超低幅分支中，升力系數(shù)中存在高階頻率，提出這是導(dǎo)致圓柱響應(yīng)由高幅分支向低幅分支轉(zhuǎn)變的主要原因?；谟?jì)算船舶運(yùn)動(dòng)與波浪載荷的切片理論，假設(shè)在單一來(lái)流條件下，流體力沿均勻管柱軸向各點(diǎn)基本相等，提出流固耦合分析渦激振動(dòng)問(wèn)題的詳細(xì)方案。對(duì)影響深水鉆井隔水管渦激振動(dòng)的各基本要素進(jìn)行敏感性分析，確定各要素對(duì)隔水管影響的重要程度，可為隔水管系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。研究避免或減小渦激振動(dòng)的方法。分析渦激抑制裝置的工作機(jī)制，給出減振器的最佳結(jié)構(gòu)尺寸和安裝要求，并與其他渦激抑制裝置進(jìn)行了比較。提出抑制裝置與交錯(cuò)浮力塊相結(jié)合的隔水管渦激振動(dòng)抑制方案［2-3］。

2 深水鉆井隔水管與井口系統(tǒng)鉆前設(shè)計(jì)技術(shù)

深水鉆井隔水管與井口系統(tǒng)鉆前設(shè)計(jì)是海上鉆井設(shè)計(jì)最關(guān)鍵問(wèn)題之一，不充分的隔水管與井口系統(tǒng)設(shè)計(jì)將導(dǎo)致高額費(fèi)用的鉆井停工，甚至災(zāi)難性破壞。隔水管與井口鉆前設(shè)計(jì)必須考慮隔水管幾何尺寸、管材強(qiáng)度、浮力塊位置和尺寸、鉆井平臺(tái)定位能力、張力器極限張力、海洋環(huán)境載荷和水深等因素，此過(guò)程是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前，國(guó)外主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和部分規(guī)范進(jìn)行隔水管與井口系統(tǒng)設(shè)計(jì)，尚未形成隔水管與井口系統(tǒng)鉆前設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性文件，筆者對(duì)深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)合中國(guó)南海自營(yíng)井隔水管與井口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出一套完整的隔水管與井口系統(tǒng)鉆前設(shè)計(jì)方法，主要包括深水隔水管系統(tǒng)配置、隔水管張緊力計(jì)算、井口出泥高度設(shè)計(jì)和導(dǎo)管入泥深度設(shè)計(jì)。

深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)影響因素主要為環(huán)境與作業(yè)因素，前者主要包括水深、波浪和海流，后者主要包括鉆井液密度、隔水管懸掛模式、浮力塊分布、渦激抑制設(shè)備、節(jié)流與壓井管線的工作壓力等。系統(tǒng)辨識(shí)深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)的影響因素，研究各因素影響隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)制及深水鉆井隔水管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，分析各影響因素與隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)之間的關(guān)系。研究表明，水深和海流是深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的影響因素，隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要在懸掛模式與連接模式之間循環(huán)進(jìn)行以得到系統(tǒng)最佳配置［14］。

2.1 深水鉆井隔水管系統(tǒng)配置

隔水管系統(tǒng)配置主要包括隔水管系統(tǒng)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)、壁厚校核、隔水管填充閥配置和浮力塊配置。隔水管系統(tǒng)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)應(yīng)保證:當(dāng)防噴器組坐于井口上且平臺(tái)處于平均海平面正常鉆井吃水位置時(shí)，伸縮節(jié)的長(zhǎng)度接近或稍低于中沖程長(zhǎng)度。一般深水浮式鉆井平臺(tái)上配置有多種壁厚等級(jí)的隔水管單根，進(jìn)行隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證隔水管單根壁厚能滿足環(huán)向應(yīng)力、頂部軸向應(yīng)力和擠毀應(yīng)力要求。此外，考慮緊急脫離或井漏特殊作業(yè)工況，隔水管內(nèi)部鉆井液由于密度較大會(huì)向下流動(dòng)，造成隔水管內(nèi)部壓力為零或很小，隔水管可能會(huì)發(fā)生壓潰失效。一般需要根據(jù)API RP 2RD進(jìn)行隔水管壓潰校核，若隔水管壁厚不滿足鉆井液泄露后的壓潰要求，需要在近海面150～200 m配置隔水管填充閥。當(dāng)隔水管內(nèi)部鉆井液泄露后填充閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，海水注入隔水管以保持內(nèi)外壓力平衡，有效防止隔水管出現(xiàn)壓潰失效。浮力塊配置一般遵循以下準(zhǔn)則:①整個(gè)隔水管系統(tǒng)重力不能超過(guò)張緊器極限承載能力，否則需要增加浮力單根數(shù)量;②水深較小時(shí)隔水管系統(tǒng)重力小于張緊器極限承載能力，可以采用浮力單根和裸單根交錯(cuò)布置方案，減小由渦激振動(dòng)引起的疲勞損傷;③避免在大海流和波浪載荷區(qū)域使用浮力單根，以減小隔水管系統(tǒng)的海洋環(huán)境載荷;④隔水管系統(tǒng)底部一般配置浮力塊以保證防噴器組(Blowout preventer，BOP)下放順利［6，15］。

合理隔水管張緊力可以防止隔水管屈曲，限制下部撓性接頭轉(zhuǎn)角，確保鉆桿在隔水管內(nèi)部上下運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)時(shí)所受的摩擦力較小。理論上要求隔水管的張緊力必須高于隔水管與鉆井液總的表觀重力，同時(shí)需要施加額外的載荷以限制隔水管彎曲應(yīng)力。隔水管張緊力設(shè)計(jì)方法包括API理論算法、基于隔水管底部殘余張力法和基于下放鉤載法。API理論算法確保隔水管底部不會(huì)發(fā)生屈曲，同時(shí)保證即使部分張緊器失效，隔水管底部也有足夠張力。基于底部殘余張力法保證隔水管下部撓性接頭處的殘余張力等于或大于LMRP的表觀重力，以確保在惡劣海況條件下啟動(dòng)緊急脫離程序能夠安全提升整個(gè)隔水管系統(tǒng)。下放鉤載法的提出源于現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，下放BOP組到井口位置后，按7∶3或8∶2的比例將此時(shí)的大鉤載荷重新分配給張緊器和大鉤，即隔水管張緊器張力設(shè)置值一般取作業(yè)過(guò)程中大鉤最大下放重力的70%或80%。一般情況下在正常鉆井過(guò)程中不再對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，除非遭遇惡劣天氣或鉆井過(guò)程中須采用大密度鉆井液［16］。

2.2 深水鉆井水下井口出泥高度

井口出泥高度是深水鉆井作業(yè)鉆前設(shè)計(jì)的主要考慮因素，井口出泥高度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致井口發(fā)生失穩(wěn)，而過(guò)小的井口出泥高度則導(dǎo)致防噴器組與井口不能正常連接，因此合適的井口出泥高度對(duì)于保證后續(xù)鉆井作業(yè)的連續(xù)性和井口系統(tǒng)的安全性具有重要意義。井口出泥高度設(shè)計(jì)方法包括簡(jiǎn)化算法、考慮導(dǎo)管大變形算法和管土耦合算法。一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)行井口出泥高度設(shè)計(jì)前要進(jìn)行井場(chǎng)調(diào)查獲取土壤參數(shù)，然后采用管土耦合算法確定井口最大出泥高度，如果沒(méi)有土壤參數(shù)建議采用導(dǎo)管大變形算法確定井口最大出泥高度，此方法分析結(jié)果與管土耦合模型最接近且具有一定的保守性［6，17］。當(dāng)已知土壤剖面數(shù)據(jù)時(shí)可采用p－y曲線法建立隔水管－井口－導(dǎo)管系統(tǒng)整體精細(xì)有限元模型，通過(guò)提取極限工況條件下井口與導(dǎo)管的彎矩來(lái)確定井口最大出泥高度。

2.3 深水鉆井導(dǎo)管入泥深度

導(dǎo)管入泥深度設(shè)計(jì)是深水噴射鉆井鉆前設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，若入泥深度過(guò)大，較硬的深層土將導(dǎo)致導(dǎo)管?chē)娚湎氯胗隹ǎ诱`后續(xù)作業(yè);若入泥深度過(guò)小，導(dǎo)管軸向承載能力不足可能導(dǎo)致井口失穩(wěn)下沉，甚至造成鉆井失敗。綜合考慮井口與導(dǎo)管?chē)娚湎氯?、表層套管固井和安裝BOP與隔水管工況，建立一套導(dǎo)管最小入泥深度設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行不同工況下的導(dǎo)管最小入泥深度計(jì)算。分析表明，隨著浸泡時(shí)間的增加，導(dǎo)管所需的最小入泥深度迅速減小，并逐漸趨于平緩?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中，建議浸泡時(shí)間超過(guò)3 h，以保證土壤有足夠的恢復(fù)時(shí)間。表層套管固井工況比導(dǎo)管?chē)娚湎氯牍r更危險(xiǎn)，需要更大的導(dǎo)管入泥深度以防止井口下沉，鉆前設(shè)計(jì)推薦以表層套管固井工況確定導(dǎo)管最小深度。研究連續(xù)噴射和上提/下放噴射兩種作業(yè)方式下導(dǎo)管最大入泥深度計(jì)算方法，比較兩種方式下的導(dǎo)管最大入泥深度，一般來(lái)說(shuō)，上提/下放導(dǎo)管?chē)娚浞绞较碌膶?dǎo)管入泥深度較大［17-18］。

3 深水鉆井隔水管系統(tǒng)作業(yè)技術(shù)

深水鉆井隔水管系統(tǒng)的關(guān)鍵作業(yè)工況可劃分為下放/回收作業(yè)、鉆井作業(yè)、完井作業(yè)與懸掛作業(yè)等，通過(guò)隔水管作業(yè)窗口計(jì)算能有效地確定隔水管不同作業(yè)工況允許的平臺(tái)最大偏移和環(huán)境載荷極值條件，指導(dǎo)深水鉆井隔水管的現(xiàn)場(chǎng)管理和作業(yè)，在保證作業(yè)安全的前提下提高作業(yè)效率。目前，國(guó)外常規(guī)做法是采用鉆井平臺(tái)偏移值與水深比值建立作業(yè)包絡(luò)線，或利用隔水管最大等效應(yīng)力和撓性接頭轉(zhuǎn)角劃分作業(yè)界限，其隔水管作業(yè)窗口確定準(zhǔn)則和表現(xiàn)形式較單一，有一定的局限性。為此，綜合考慮隔水管各種作業(yè)工況下的限制條件，建立不同作業(yè)工況下的隔水管作業(yè)窗口計(jì)算方法，形成一套更為完善的深水鉆井隔水管作業(yè)技術(shù)。

3.1 隔水管下放/回收作業(yè)窗口

隔水管下放/回收作業(yè)的情況包括:① 正常作業(yè)。在每口井的開(kāi)始階段將隔水管下入海底，在每口井的鉆井作業(yè)結(jié)束時(shí)又須將其提到水面上;②修理作業(yè)。如果隔水管部件發(fā)生損壞需要修理，要將隔水管起出海底并重新下入海底，水下BOP發(fā)生故障時(shí)也須將隔水管與BOP起出海底回收到平臺(tái)并重新下放至海底。進(jìn)行隔水管下放/回收作業(yè)時(shí)，需滿足的作業(yè)限制條件包括:①隔水管最大等效應(yīng)力小于0.67倍屈服應(yīng)力;② 下?lián)闲越宇^轉(zhuǎn)角小于撓性接頭轉(zhuǎn)角物理極限的90%;③隔水管不能出現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓縮;④最大動(dòng)態(tài)張力小于卡盤(pán)極限承載能力;⑤隔水管不能與月池發(fā)生碰撞。進(jìn)行不同海流和波浪組合工況下放/回收隔水管的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，校核每種波流工況是否滿足下放/回收作業(yè)限制條件。允許作業(yè)的工況組合起來(lái)即為隔水管的下放/回收作業(yè)窗口，如圖1所示。

圖1 隔水管下放/回收作業(yè)窗口Fig.1 Riser deployment and retrieval envelopes

圖1中綠色區(qū)域可以進(jìn)行隔水管下放/回收作業(yè)。隔水管的下放/回收作業(yè)的危險(xiǎn)工況為飛濺區(qū)和下放至海底工況。飛濺區(qū)工況是指LMRP和BOP通過(guò)具有最大波浪載荷的飛濺區(qū)，LMRP和BOP較大的水動(dòng)力外徑會(huì)導(dǎo)致隔水管頂部產(chǎn)生顯著的彎矩，使隔水管處于較危險(xiǎn)的狀況。下放至海底工況指BOP已下放至海底井口位置但還未與井口連接，整個(gè)水深范圍內(nèi)的海流與波浪載荷均作用于細(xì)長(zhǎng)的隔水管系統(tǒng)，也使隔水管處于較危險(xiǎn)的狀況［19］。

3.2 鉆完井工況作業(yè)窗口

隔水管鉆井工況主要包括鉆井作業(yè)、連接非鉆井作業(yè)和啟動(dòng)脫離程序3種模式，隔水管鉆井作業(yè)工況限制條件包括上下?lián)闲越宇^轉(zhuǎn)角、伸縮節(jié)沖程、井口彎矩、隔水管和導(dǎo)管的最大等效應(yīng)力。為了快速得到各種作業(yè)模式下的臨界鉆井平臺(tái)偏移和海流值，設(shè)計(jì)作業(yè)窗口臨界值搜索算法。該算法先按不同的海流流速和作業(yè)極限準(zhǔn)則劃分工況，然后采用一維的非線性搜索方法求出該海流和極限準(zhǔn)則下的臨界鉆井平臺(tái)偏移，每計(jì)算完一個(gè)臨界值后，進(jìn)行極限準(zhǔn)則和海流流速的更新，直至完成所有工況臨界值的計(jì)算。隔水管鉆井作業(yè)窗口如圖2所示，圖中綠色區(qū)域可進(jìn)行正常鉆井，當(dāng)鉆井平臺(tái)偏移和表面海流流速達(dá)到黃色報(bào)警線時(shí)，須停止鉆井并進(jìn)行解脫準(zhǔn)備，此時(shí)隔水管處于連接非鉆井模式;當(dāng)鉆井平臺(tái)偏移和表面海流流速達(dá)到紅色報(bào)警線時(shí)，須啟動(dòng)解脫程序;當(dāng)鉆井平臺(tái)偏移和表面海流流速超出紅色區(qū)域時(shí)，解脫作業(yè)應(yīng)已經(jīng)完成，隔水管處于懸掛模式;藍(lán)色豎線為伸縮節(jié)沖程極限［20］。

圖2 深水鉆井隔水管鉆井作業(yè)窗口Fig.2 Envelopes for drilling operation of deepwater drilling riser

深水鉆井作業(yè)完成后，完井作業(yè)前須用鉆桿下放采油樹(shù)坐于海底井口之上。采油樹(shù)安裝完成后，下隔水管與BOP坐于采油樹(shù)上，進(jìn)行完井作業(yè)。完井作業(yè)工況主要包括下鉆刮管作業(yè)、完井管串下放作業(yè)、連接非作業(yè)和啟動(dòng)脫離程序等作業(yè)模式。完井作業(yè)窗口計(jì)算方法與鉆井作業(yè)窗口基本一致，但完井作業(yè)限制條件與鉆井作業(yè)略有不同，一般須根據(jù)完井管串送入工具外徑、長(zhǎng)度以及上下?lián)闲越宇^處的隔水管內(nèi)徑計(jì)算允許的撓性接頭最大轉(zhuǎn)角［6］。

3.3 隔水管懸掛作業(yè)窗口

當(dāng)臺(tái)風(fēng)來(lái)臨或鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位失效時(shí)隔水管系統(tǒng)需要在LMRP和BOP之間實(shí)現(xiàn)脫離，脫離后平臺(tái)懸掛隔水管和LMRP作業(yè)以減小停工時(shí)間。隔水管懸掛作業(yè)分為硬懸掛和軟懸掛。硬懸掛模式下隔水管頂部與平臺(tái)剛性連接，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)直接傳遞到隔水管頂部;軟懸掛模式下隔水管在張緊器處進(jìn)行懸掛，由張緊器支撐伸縮節(jié)外筒到LMRP的質(zhì)量，平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)通過(guò)張緊器傳遞給伸縮節(jié)外筒，張緊器可以像彈簧一樣減緩隔水管的軸向振動(dòng)。隔水管懸掛作業(yè)窗口分析方法與下放/回收作業(yè)窗口分析方法類(lèi)似，硬懸掛模式下的作業(yè)限制條件與隔水管下放/回收作業(yè)窗口一致，軟懸掛模式下還須滿足伸縮節(jié)沖程和上撓性接頭轉(zhuǎn)角限制。懸掛作業(yè)窗口分析表明，軟懸掛作業(yè)窗口遠(yuǎn)大于硬懸掛，軟懸掛作業(yè)模式一般可以滿足臺(tái)風(fēng)海況條件下的隔水管懸掛作業(yè)［19］。

4 深水鉆井隔水管與井口系統(tǒng)完整性技術(shù)

深水鉆井隔水管與井口的主要失效模式包括疲勞和磨損等，其中疲勞又分為海流引起的渦激疲勞以及波浪載荷、一階波頻和二階低頻鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的波激疲勞，任何一種失效模式均會(huì)造成隔水管與井口的結(jié)構(gòu)完整性失效。建立了鉆井隔水管與井口全壽命期內(nèi)不同失效類(lèi)型的損傷計(jì)算模型，定量評(píng)估鉆井隔水管與井口的損傷量和失效風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行鉆井隔水管與井口壽命分析和適用性評(píng)價(jià)。此外，隔水管接頭作為隔水管系統(tǒng)的重要連接單元，其完整性一直備受關(guān)注，率先開(kāi)展深水鉆井隔水管完整性研究，確定隔水管接頭的選型、分析、設(shè)計(jì)及接頭使用方法。

4.1 深水鉆井隔水管與井口系統(tǒng)疲勞評(píng)估

波激疲勞可分為短期疲勞與長(zhǎng)期疲勞，長(zhǎng)期疲勞可看成是由許多短期海況的序列組成的。每一短期海況由波高、波浪周期和發(fā)生概率表征，稱(chēng)之為波浪散點(diǎn)圖。隔水管與井口波激疲勞分析包括:①根據(jù)波浪譜和鉆井平臺(tái)RAO模擬隨機(jī)波浪和鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，基于隔水管－井口耦合系統(tǒng)分析模型進(jìn)行隨機(jī)動(dòng)態(tài)分析，一般分析時(shí)長(zhǎng)約為3 h;②提取隔水管與井口應(yīng)力時(shí)間歷程，采用雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)疲勞應(yīng)力，采用S－N曲線法計(jì)算隔水管與井口波激疲勞損傷;③ 依次進(jìn)行各個(gè)短期海況的波激疲勞計(jì)算，基于疲勞損傷線性累積準(zhǔn)則計(jì)算長(zhǎng)期疲勞。研究表明，波浪載荷主要影響隔水管飛濺區(qū)的波激疲勞，鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)隔水管底部的波激疲勞影響較大，導(dǎo)管的波激疲勞也不容忽視;低頻疲勞對(duì)于波激疲勞具有重要貢獻(xiàn)，精確預(yù)測(cè)鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)是進(jìn)行隔水管波激疲勞分析的關(guān)鍵［21-24］。

深水鉆井隔水管與井口渦激疲勞一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，現(xiàn)有的渦激疲勞預(yù)測(cè)方法包括半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)值模擬方法(CFD法)。由于CFD法所需的計(jì)算量非常大，工程上通常采用基于半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?zhuān)業(yè)軟件來(lái)預(yù)測(cè)渦激疲勞損傷?；诎虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒏羲芘c井口的渦激振動(dòng)疲勞壽命方法:①建立隔水管－井口系統(tǒng)整體有限元分析模型;②進(jìn)行模態(tài)分析，提取系統(tǒng)各階固有模態(tài)頻率，利用有限差分法計(jì)算模態(tài)斜率和曲率;③將模態(tài)頻率、振型、斜率和曲率導(dǎo)入渦激疲勞分析程序，進(jìn)行系統(tǒng)的渦激疲勞分析。分析表明，隔水管各階振動(dòng)模態(tài)頻率之間的差別較小，系統(tǒng)容易發(fā)生多階模態(tài)同時(shí)振動(dòng);導(dǎo)管和隔水管底部是隔水管－井口系統(tǒng)的疲勞關(guān)鍵部位，系統(tǒng)最大疲勞損傷出現(xiàn)在導(dǎo)管上;適當(dāng)?shù)靥岣邚埦o力、減小BOP重力、降低井口出泥高度均可有效地改善隔水管和導(dǎo)管的渦激疲勞性能［25-26］。

4.2 隔水管磨損分析

鉆桿柱以一定轉(zhuǎn)速在隔水管內(nèi)部旋轉(zhuǎn)，與其經(jīng)過(guò)的所有通道均可能發(fā)生接觸、摩擦和磨損，海洋石油工業(yè)發(fā)生過(guò)多起隔水管磨損事故，嚴(yán)重威脅海洋鉆井作業(yè)安全并帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境損失。建立隔水管和鉆桿的力學(xué)分析模型，基于間隙元提出深水鉆井隔水管－鉆桿耦合系統(tǒng)分析方法。分析表明，隔水管上下?lián)闲越宇^和導(dǎo)管段的磨損較嚴(yán)重，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際較吻合。鉆井平臺(tái)偏移、隔水管頂張力和下?lián)闲越宇^轉(zhuǎn)動(dòng)剛度是影響隔水管磨損的重要參數(shù)。合理地控制鉆井平臺(tái)偏移，保證較小的撓性接頭轉(zhuǎn)角可以有效控制隔水管磨損;增大隔水管頂張力和下?lián)闲越宇^轉(zhuǎn)動(dòng)剛度也可以有效減小隔水管磨損［4，27］。

4.3 隔水管連接單元可靠性評(píng)估

研究國(guó)外深水鉆井隔水管連接單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及作業(yè)性能，結(jié)合南海深水鉆井作業(yè)環(huán)境進(jìn)行隔水管接頭選型分析。研究隔水管接頭整體－局部分析技術(shù)，進(jìn)行接頭強(qiáng)度及作業(yè)安全性評(píng)估，分析預(yù)測(cè)接頭各部件的疲勞壽命，并提出改善隔水管接頭疲勞性能的措施。研究隔水管接頭連接密封技術(shù)，建立隔水管連接單元密封性能評(píng)估指標(biāo)，分析密封槽內(nèi)接觸變形和密封圈應(yīng)力分布規(guī)律，確定合理的密封間隙，研究預(yù)防或減緩接頭密封泄漏的措施。采用期望值準(zhǔn)則建立隔水管下放試壓作業(yè)優(yōu)化模型，確定隔水管下放試壓優(yōu)化分析方法，建立一套隔水管下放試壓方案［8，28］。

4.4 隔水管完整性管理

深水鉆井隔水管完整性管理貫穿于隔水管運(yùn)輸、安裝、作業(yè)、回收及存放的整個(gè)過(guò)程，持續(xù)地對(duì)隔水管潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià)，并采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策，將隔水管的風(fēng)險(xiǎn)水平始終控制在合理的和可接受的范圍之內(nèi)。完整性管理體系大體分為3部分:風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)、完整性管理。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要考慮疲勞和磨損等失效情況，建立鉆井隔水管全壽命期內(nèi)不同失效類(lèi)型的損傷計(jì)算模型，定量評(píng)估鉆井隔水管的損傷量和失效風(fēng)險(xiǎn)?；陲L(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)是測(cè)量隔水管失效的主要手段，研究深水鉆井隔水管檢測(cè)方法，研制基于交流電磁場(chǎng)技術(shù)的隔水管電磁檢測(cè)裝置，進(jìn)行隔水管檢測(cè)位置優(yōu)化，確定隔水管單根檢測(cè)方案。同時(shí)，開(kāi)展隔水管監(jiān)測(cè)方法研究，設(shè)計(jì)隔水管監(jiān)測(cè)裝置安裝架，設(shè)計(jì)并優(yōu)化隔水管監(jiān)測(cè)裝置安裝位置。探索將完整性管理理論與深水隔水管系統(tǒng)全壽命期間的“知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)管理”有機(jī)結(jié)合的途徑，提出隔水管系統(tǒng)完整性管理各階段的推薦做法，并將隔水管結(jié)構(gòu)的完整性管理與深水隔水管系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行管理相集成，形成指導(dǎo)深水隔水管系統(tǒng)安全可靠服役的綜合管理體系［4，29］。

5 深水鉆井隔水管系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

5.1 關(guān)鍵部件的失效模式與影響分析

深水鉆井隔水管系統(tǒng)由一系列的部件組成，任何部件失效均有可能造成整個(gè)隔水管系統(tǒng)失效，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。進(jìn)行張緊器、伸縮節(jié)、隔水管單根、浮力塊、填充閥和撓性接頭等關(guān)鍵部件的失效模式和影響分析(failure mode and effects analysis，簡(jiǎn)稱(chēng)FMEA)，確定各關(guān)鍵部件的失效模式、原因、后果及預(yù)防措施，確保隔水管系統(tǒng)各關(guān)鍵部件的完整性。隔水管系統(tǒng)關(guān)鍵部件FMEA分析包括:①確定各關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)組成與工作原理，進(jìn)一步將每個(gè)關(guān)鍵部件劃分為多個(gè)獨(dú)立元件，并識(shí)別各元件的失效模式。②建立各失效模式的故障樹(shù)，識(shí)別每種失效模式對(duì)應(yīng)的失效原因。③建立各失效模式的事件數(shù)，推理每種失效模式對(duì)應(yīng)的事故后果。④綜合考慮各關(guān)鍵部件的失效模式、原因和后果，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、定期檢測(cè)、維護(hù)保養(yǎng)和設(shè)備更換等方面提出失效預(yù)防措施［7］。

5.2 深水鉆井隔水管系統(tǒng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

深水鉆井隔水管作業(yè)是一個(gè)復(fù)雜的作業(yè)過(guò)程，大量風(fēng)險(xiǎn)因素給隔水管系統(tǒng)作業(yè)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。隔水管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括環(huán)境、裝備、工藝和管理因素，每類(lèi)都有若干個(gè)次影響因素。在此基礎(chǔ)上，考慮深水鉆井隔水管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的各影響因子，建立深水鉆井隔水管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。提出基于模糊層次分析法(fuzzy analytical hierarchy process，簡(jiǎn)稱(chēng)FAHP)的深水鉆井隔水管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)方法，建立其作業(yè)模糊評(píng)價(jià)模型。采用FAHP計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重，克服了風(fēng)險(xiǎn)各因素之間相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性以及各評(píng)價(jià)專(zhuān)家主觀差異性，使權(quán)重劃分更為合理。FAHP中將難以量化的風(fēng)險(xiǎn)因素定量化，能更全面地評(píng)估深水鉆井隔水管的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)及各因素的影響情況。在深水鉆井隔水管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)輸存儲(chǔ)、作業(yè)監(jiān)測(cè)與管理、檢查與維護(hù)、人員教育及管理等方面提出降低隔水管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的安全措施［7］。

5.3 臺(tái)風(fēng)環(huán)境下深水鉆井隔水管安全保障技術(shù)

中國(guó)南海海洋環(huán)境十分惡劣，頻繁發(fā)生的臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣影響深水鉆井隔水管系統(tǒng)安全。為此，率先開(kāi)展臺(tái)風(fēng)條件下的深水鉆井隔水管安全可靠性研究，主要包括隔水管脫離與反沖控制、隔水管避臺(tái)撤離、隔水管觸底事故分析與對(duì)策研究，構(gòu)建一套完整的臺(tái)風(fēng)環(huán)境下的隔水管安全保障技術(shù)框架。

臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)隔水管系統(tǒng)須進(jìn)行脫離，其脫離的時(shí)機(jī)以及脫離后的隔水管響應(yīng)至關(guān)重要。進(jìn)行深水鉆井平臺(tái)漂移分析和隔水管系統(tǒng)安全性校核，根據(jù)海況特點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別確定隔水管脫離預(yù)警界限［20］。研究深水鉆井隔水管回彈問(wèn)題的產(chǎn)生、發(fā)展、演化及其內(nèi)在機(jī)制，識(shí)別隔水管反沖響應(yīng)過(guò)程，主要包括隔水管彈性勢(shì)能的釋放、鉆井液下泄和隔水管在頂張力作用下的加速運(yùn)動(dòng)。綜合考慮張緊器和隔水管建立深水鉆井隔水管系統(tǒng)反沖分析模型，并進(jìn)行不同影響因素下的隔水管反沖分析。分析表明，隔水管反沖響應(yīng)的主要影響因素為張緊器系統(tǒng)、反沖控制系統(tǒng)、隔水管配置以及隔水管內(nèi)鉆井液的摩擦力［30］。

隔水管脫離后為了避開(kāi)臺(tái)風(fēng)的侵襲，一般須進(jìn)行隔水管避臺(tái)撤離，撤離過(guò)程中隔水管受到強(qiáng)烈的海流載荷作用，使平臺(tái)的撤離航向與航速受到嚴(yán)重限制。研究了隔水管避臺(tái)撤離分析方法，進(jìn)行不同航向與航速下的隔水管懸掛撤離分析，確定隔水管懸掛撤離作業(yè)窗口，并對(duì)隔水管懸掛長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。推薦平臺(tái)采用軟懸掛模式進(jìn)行撤離，如不具備軟懸掛實(shí)施條件，提前回收部分隔水管并將其余部分硬懸掛在平臺(tái)上進(jìn)行撤離也是一種可行的方案［31-32］。

若平臺(tái)沒(méi)有避開(kāi)臺(tái)風(fēng)的侵襲，在臺(tái)風(fēng)作用下平臺(tái)懸掛隔水管可能會(huì)向淺水區(qū)漂移，隔水管面臨觸底風(fēng)險(xiǎn)。研究深水鉆井隔水管觸底事故分析方法，識(shí)別隔水管觸底力學(xué)特性分析和潛在的失效風(fēng)險(xiǎn)，建立隔水管觸底后的回收作業(yè)窗口。分析表明，隔水管觸底后隔水管上部和下部的彎曲變形較為嚴(yán)重，易造成平臺(tái)月池、張緊器和下?lián)闲越宇^損壞，當(dāng)水深較小時(shí)還會(huì)發(fā)生隔水管斷裂失效;回收隔水管作業(yè)必須保證平臺(tái)位移和隔水管提升高度在作業(yè)窗口區(qū)域，否則會(huì)造成隔水管斷裂或LMRP的的損壞。

6 工程應(yīng)用

6.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2012年，HYSY981平臺(tái)開(kāi)啟南?！般@探之旅”，標(biāo)志著中國(guó)海洋石油工業(yè)的“深水戰(zhàn)略”由此邁出了實(shí)質(zhì)性的一步。HYSY981平臺(tái)先后在中國(guó)南海完成LW6-1-1、LH29-2-1等多口井的鉆完井作業(yè)。與此同時(shí)，中海油服從國(guó)外收購(gòu)一艘半潛平臺(tái)命名為南海8號(hào)，南海8號(hào)平臺(tái)也在南海先后完成LH26-2-1、LH29-2-2等深水井的鉆完井作業(yè)。受中海油深圳分公司和中海油服的委托，先后承擔(dān)6口自營(yíng)井的隔水管與井口系統(tǒng)鉆前設(shè)計(jì)與作業(yè)技術(shù)研究工作，成功將深水鉆井隔水管與井口技術(shù)研究成果應(yīng)用到鉆井實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)中國(guó)深水鉆井隔水管與井口系統(tǒng)鉆前設(shè)計(jì)與作業(yè)技術(shù)的自主設(shè)計(jì)目標(biāo)，為中國(guó)深水鉆完井作業(yè)提供技術(shù)支撐。具體應(yīng)用情況如下:

(1)進(jìn)行中國(guó)首口超深水井LW21-1-1(水深2 451 m)的導(dǎo)管入泥深度設(shè)計(jì)，通過(guò)整個(gè)鉆井周期的導(dǎo)管與井口載荷研究與強(qiáng)度分析，形成導(dǎo)管入泥深度確定方法和設(shè)計(jì)模板。設(shè)計(jì)導(dǎo)管入泥深度為100 m，實(shí)際噴射入泥深度為99 m。

(2)進(jìn)行 LW6-1-1、LH29-2-1、LW21-1-1、LH26-2-1、LH29-2-2和LH33-1-1井的隔水管系統(tǒng)鉆前設(shè)計(jì)與作業(yè)技術(shù)研究，確定此6口自營(yíng)井的隔水管系統(tǒng)配置、下放列表、張緊力、下放/回收作業(yè)窗口、鉆井作業(yè)窗口、軟懸掛與硬懸掛作業(yè)窗口，指導(dǎo)隔水管系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，有效提高作業(yè)效率。

(3)進(jìn)行LH33-1-1井的避臺(tái)撤離策略研究，確定LH33-1-1井的隔水管懸掛長(zhǎng)度和平臺(tái)避臺(tái)撤離的航速與航向，成功應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)“貝碧嘉”的侵襲。在保證安全的前提下最大限度地減少重下入和回接時(shí)間，減小鉆井成本。

6.2 作業(yè)管理軟件

以深水鉆井隔水管與井口技術(shù)的研究成果為基礎(chǔ)，與中海油研究總院、2H公司合作采用MATALB語(yǔ)言將相關(guān)的設(shè)計(jì)、分析和計(jì)算技術(shù)集成，形成深水鉆井隔水管作業(yè)管理軟件，簡(jiǎn)稱(chēng)DDROM，軟件界面如圖3所示。DDROM可以實(shí)現(xiàn)隔水管系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、靜動(dòng)態(tài)分析、作業(yè)窗口計(jì)算、作業(yè)監(jiān)測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和作業(yè)指導(dǎo)等功能，基本滿足整個(gè)鉆完井過(guò)程隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)與作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)需求，且該軟件已用于中國(guó)南海的深水鉆井隔水管系統(tǒng)的鉆前設(shè)計(jì)和作業(yè)指導(dǎo)，實(shí)用性較強(qiáng)，更好地為現(xiàn)場(chǎng)提供技術(shù)支持［33］。

圖3 深水鉆井隔水管作業(yè)管理軟件Fig.3 Deepwater drilling riser operation management software

DDROM軟件集成包括隔水管數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、仿真模塊、鉆前指導(dǎo)模塊和作業(yè)指導(dǎo)模塊等多個(gè)模塊，各大模塊之間通過(guò)數(shù)據(jù)文件傳遞控制信號(hào)和數(shù)據(jù)，確保各個(gè)模塊的獨(dú)立性。DDROM軟件各模塊的主要功能包括:

(1)隔水管作業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。包含隔水管單根的類(lèi)型、材料特性、力學(xué)特性等信息的隔水管單根數(shù)據(jù)庫(kù)和包含隔水管系統(tǒng)信息的配置數(shù)據(jù)庫(kù)，提供友好的數(shù)據(jù)顯示界面，并支持?jǐn)?shù)據(jù)的增加、修改、刪除等操作。

(2)隔水管作業(yè)仿真模塊。連接模式和懸掛模式下的隔水管靜動(dòng)力分析。

(3)鉆前指導(dǎo)模塊。鉆前的隔水管配置設(shè)計(jì)，頂張力評(píng)估，鉆井作業(yè)、下放/回收作業(yè)和懸掛作業(yè)窗口計(jì)算。

(4)作業(yè)指導(dǎo)模塊?？刹杉羲茏鳂I(yè)參數(shù)并實(shí)時(shí)顯示，比較當(dāng)前鉆井作業(yè)狀態(tài)和作業(yè)極限，針對(duì)某個(gè)參數(shù)接近或超過(guò)作業(yè)極限的情況發(fā)出警告，并提供決策建議。

7 結(jié)論與展望

(1)提出了深水鉆井隔水管與井口系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析方法、深水鉆井平臺(tái)－隔水管－井口耦合系統(tǒng)分析方法和深水鉆井隔水管渦激振動(dòng)仿真分析方法，建立了深水鉆井隔水管與井口系統(tǒng)力學(xué)分析方法體系，為隔水管鉆前設(shè)計(jì)與作業(yè)指導(dǎo)提供理論基礎(chǔ)。

(2)對(duì)深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出了一套完整的集成隔水管系統(tǒng)配置、隔水管張緊力計(jì)算、井口出泥高度設(shè)計(jì)和導(dǎo)管入泥深度設(shè)計(jì)等要素的隔水管與井口系統(tǒng)鉆前設(shè)計(jì)方法。

(3)建立了一套深水鉆井隔水管作業(yè)窗口技術(shù)，包括深水鉆井隔水管下放/回收作業(yè)窗口、隔水管鉆井作業(yè)窗口、隔水管完井作業(yè)窗口、隔水管硬懸掛作業(yè)窗口和隔水管軟懸掛作業(yè)窗口。

(4)提出了隔水管與井口系統(tǒng)的波激疲勞、渦激疲勞和磨損評(píng)估方法，以及隔水管接頭完整性評(píng)估流程，進(jìn)一步完善了深水鉆井隔水管與井口完整性管理方案。

(5)提出了隔水管系統(tǒng)關(guān)鍵裝備的FMEA分析方法和基于FAHP的深水鉆井隔水管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析方法，建立了深水鉆井隔水管關(guān)鍵裝備與作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。

(6)對(duì)臺(tái)風(fēng)環(huán)境下的隔水管系統(tǒng)安全保障的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探索，包括隔水管脫離與反沖控制技術(shù)、隔水管避臺(tái)撤離技術(shù)以及隔水管觸底事故分析技術(shù)與對(duì)策。

(7)開(kāi)發(fā)了深水鉆井隔水管作業(yè)管理軟件DDROM，承擔(dān)中國(guó)南海6口自營(yíng)深水井的隔水管與井口系統(tǒng)鉆前設(shè)計(jì)與作業(yè)技術(shù)研究工作，成功將科研成果應(yīng)用到中國(guó)南海深水鉆井實(shí)踐中，并取得良好的應(yīng)用效果。

(8)考慮工程應(yīng)用的需求，建議今后進(jìn)一步開(kāi)展深水鉆井隔水管動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防臺(tái)風(fēng)鉆井隔水管研究、隔水管完整性管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方向的工作，完善深水鉆井隔水管與井口技術(shù)，為中國(guó)深水鉆井作業(yè)提供更全面的技術(shù)支撐。

［1］ 暢元江.深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用研究［D］.東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2008.CHANG Yuan-jiang.Design approach and its application for deepwater drilling risers［D］.Dongying:College of E-lectromechanical Engineering in China University of Petroleum，2008.

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