盛磊祥， 王榮耀， 許亮斌， 蔣世全， 周建良

(中海油研究總院，北京 100028)

臺(tái)風(fēng)應(yīng)急期間深水鉆井隔水管懸掛撤離安全分析

盛磊祥， 王榮耀， 許亮斌， 蔣世全， 周建良

(中海油研究總院，北京 100028)

對(duì)于半潛式鉆井平臺(tái)，常規(guī)應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)的程序是回收所有的鉆井隔水管，航離臺(tái)風(fēng)路徑,但是回收隔水管的作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，有時(shí)無(wú)法保證回收所有的隔水管，因此，懸掛隔水管可能無(wú)法避免。為保證鉆井平臺(tái)懸掛隔水管航行時(shí)隔水管的安全，以懸掛狀態(tài)下的隔水管為研究對(duì)象，考慮隔水管動(dòng)態(tài)張力、彎曲應(yīng)力、隔水管轉(zhuǎn)角及與月池的空間干涉等因素，利用有限元分析方法建立了懸掛模式下的隔水管軸向動(dòng)力學(xué)模型。利用該模型，以南海某超深水井(水深2 460 m)為例，分析了不同懸掛模式、鉆井船撤離航速、航向?qū)Ω羲馨踩缘挠绊?。結(jié)果表明：硬懸掛模式下，航速為2 kn時(shí)，安全撤離航向?yàn)?°～45°；軟懸掛模式下，航速為2 kn時(shí)，安全撤離航向?yàn)?°～90°；同樣海況條件下，軟懸掛模式允許的鉆井船航速比硬懸掛大。這表明軟懸掛撤離模式比硬懸掛撤離模式對(duì)波流載荷的適應(yīng)能力要強(qiáng)，懸掛隔水管避臺(tái)風(fēng)撤離時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用軟懸掛模式。

深水鉆井 隔水管 臺(tái)風(fēng) 懸掛撤離 安全性能

南中國(guó)海海域是熱帶氣旋的頻發(fā)區(qū)，每年7—11月為臺(tái)風(fēng)期，近年來(lái)臺(tái)風(fēng)形成的頻率呈增加的趨勢(shì)，嚴(yán)重影響了深水鉆井完井的效率和安全。一般情況下，面對(duì)臺(tái)風(fēng)，平臺(tái)將停止鉆井作業(yè)，回收所有隔水管，并航行至安全海域。但是隨著作業(yè)水深的增加，回收所有隔水管完成撤離準(zhǔn)備需要耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，有時(shí)沒(méi)有足夠的時(shí)間回收隔水管。對(duì)于2 460.00 m水深的超深水井，起出所有隔水管完成撤離準(zhǔn)備大概需要5～6 d(這不但包括將井底鉆具組合起出井筒、完成鉆井船和井口脫離、回收隔水管、完成鉆井船轉(zhuǎn)移準(zhǔn)備所需要的時(shí)間，還包括停止鉆井作業(yè)、起出井筒內(nèi)鉆具和封閉油氣井等所需要的時(shí)間)，對(duì)時(shí)效影響明顯。懸掛隔水管撤離能節(jié)省鉆機(jī)時(shí)間，但是懸掛隔水管撤離對(duì)隔水管和鉆井船的安全性具有一定的影響，對(duì)懸掛方式、懸掛長(zhǎng)度、平臺(tái)撤離方式、環(huán)境條件的適應(yīng)性等需要進(jìn)行綜合評(píng)估，推薦詳細(xì)的懸掛撤離方案，以確保平臺(tái)和隔水管系統(tǒng)的安全。為此，通過(guò)對(duì)不同懸掛模式進(jìn)行對(duì)比，考慮平臺(tái)撤離過(guò)程中的航速、航向等因素，對(duì)隔水管的安全性能進(jìn)行了評(píng)估，并從保證隔水管系統(tǒng)安全的角度出發(fā)推薦了合理的平臺(tái)航速和航向。

1 隔水管懸掛分析和模型的建立

1.1 懸掛模式

硬懸掛模式：鉆井隔水管底部總成與水下防噴器脫離后，隔水管通過(guò)安裝工具坐于轉(zhuǎn)盤(pán)面上，與平臺(tái)剛性連接，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)直接傳遞給隔水管，如圖1(a)所示。

軟懸掛模式：鉆井隔水管底部總成與水下防噴器脫離后，隔水管通過(guò)張緊器進(jìn)行懸掛，隔水管系統(tǒng)的重量由張力器承擔(dān)或者由張力器和升沉補(bǔ)償器共同承擔(dān)。平臺(tái)升沉通過(guò)張緊器傳遞給伸縮節(jié)外筒，緩解隔水管的軸向受力，如圖1(b)所示。

不同懸掛模式下，影響隔水管系統(tǒng)安全性能的主要因素見(jiàn)表1。

以南海某深水井為例，進(jìn)行隔水管懸掛安全性能評(píng)價(jià)。該井位于南中國(guó)海東北部深水區(qū)塊，井位水深2 460.00 m，作業(yè)平臺(tái)為HYSY981型平臺(tái)。隔水管主管外徑為533.4 mm，主管材料屈服強(qiáng)度為555 MPa；接頭連接額定承載力為12.544×106N；上部隔水管裝置允許的最大傾角為6°。分析時(shí)采用的隔水管配置見(jiàn)表2。

表2 南海某超深水井鉆井隔水管系統(tǒng)配置

Table 2 Configuration of the riser system in an ultra-deepwater well in the South China Sea

1.2 分析模型與方法

在進(jìn)行隔水管懸掛避臺(tái)風(fēng)撤離分析時(shí)，平臺(tái)航速作為隔水管頂部鉆井船的運(yùn)動(dòng)邊界條件，利用幅值響應(yīng)算子考慮波浪對(duì)平臺(tái)運(yùn)行的影響，以梁?jiǎn)卧M隔水管管柱結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮不同流向的波流載荷作用。在隔水管撤離過(guò)程中，海流載荷的方向與鉆井船運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系如圖2所示。分析模型假設(shè)平臺(tái)沿x正方向航行，海流與平臺(tái)航向的夾角為α，α較小時(shí)認(rèn)為鉆井船順流航行，α較大時(shí)認(rèn)為鉆井船逆流航行。

隔水管懸掛撤離時(shí)，隔水管的運(yùn)動(dòng)方程[2-3]為：

(1)

式中：z為隔水管軸向方向；x和y為水平面方向；EI為隔水管單元的抗彎剛度，Pa·m4；Te為隔水管的張力，N；mx為隔水管的線質(zhì)量，kg/m；f為隔水管單元上波浪和海流的聯(lián)合作用力，N，其計(jì)算考慮平臺(tái)航速與海流速度的相對(duì)值。

波浪和海流的聯(lián)合作用不能簡(jiǎn)單地分別計(jì)算波浪與海流的作用力，然后再線性疊加，而應(yīng)利用修正的莫里森方程模擬隔水管受到的波流載荷[4-8]。修正的莫里森方程為：

(2)

計(jì)算均采用FLEXCOM軟件進(jìn)行。FLEXCOM軟件是MCS公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)時(shí)域有限元分析軟件，可以用于大多數(shù)的海洋結(jié)構(gòu)(包括柔性軟管、隔水管、電纜、管道和空間框架結(jié)構(gòu))研究。采用綜合考慮軸向載荷、彎矩和扭矩影響的復(fù)合3D梁?jiǎn)卧?，可同時(shí)考慮柔性和剛性結(jié)構(gòu)，還可考慮大變形應(yīng)變的影響。

2 鉆井船懸掛隔水管撤離的安全性分析

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，為了快速避開(kāi)臺(tái)風(fēng)的運(yùn)移路徑，通常的做法是采取近似垂直于臺(tái)風(fēng)的運(yùn)移路徑(α=90°)來(lái)避臺(tái)風(fēng)。下面分析鉆井船懸掛隔水管撤離過(guò)程中航向和航行速度對(duì)隔水管安全性的影響。

2.1 不同航向下的懸掛性能分析

航向一方面會(huì)引起波流載荷角度的變化，影響鉆井船運(yùn)動(dòng)，從而影響隔水管的受力變化;另一方面航向也會(huì)導(dǎo)致鉆井船航行引起的隔水管曳力與海流曳力之間的夾角變化，使隔水管受到總曳力的大小和方向發(fā)生變化。通過(guò)計(jì)算鉆井船航向?yàn)?°～180°時(shí)的隔水管頂部張力、隔水管上部轉(zhuǎn)角、隔水管最大等效應(yīng)力等參數(shù)，分析鉆井船撤離過(guò)程中航向?qū)覓旄羲馨踩缘挠绊憽?/p>

2.1.1 硬懸掛撤離模式

對(duì)于硬懸掛，假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)浪高4.00 m，表面流速0.46 m/s，鉆井船以2 kn航速懸掛全部隔水管實(shí)施撤離。計(jì)算鉆井平臺(tái)不同航向條件下，隔水管硬懸掛撤離時(shí)隔水管的主要性能參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同航向下的隔水管硬懸掛撤離性能

Table 3 The evacuation performance of riser hard hang-off at different azimuths

注：鉆井船航向0°表示順流，180°表示逆流;隔水管上部允許轉(zhuǎn)角5.4°,隔水管允許應(yīng)力377 MPa，允許張力12.544×106N。

由表3可知，鉆井船的順流撤離性能要優(yōu)于逆流撤離，在2 kn航速下鉆井船的安全撤離航向?yàn)?°～45°。

2.1.2 軟懸掛撤離模式

采用臺(tái)風(fēng)條件一年一遇情況進(jìn)行分析，浪高6.90 m，表面流速0.82 m/s，鉆井船以2 kn的航速懸掛全部隔水管實(shí)施撤離。計(jì)算鉆井平臺(tái)不同航向條件下，隔水管軟懸掛撤離時(shí)的主要性能參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同航向下的隔水管軟懸掛撤離性能

Table 4 The evacuation performance of riser soft hang-off at different azimuths

由表4可知，鉆井船的順流撤離性能要優(yōu)于逆流撤離，在2 kn航速下鉆井船的安全撤離航向?yàn)?°～90°。

對(duì)比表3和表4可知，隔水管軟懸掛能極大地減小隔水管系統(tǒng)的等效應(yīng)力，隔水管軟懸掛撤離的性能也優(yōu)于硬懸掛。硬懸掛撤離模式下，隔水管等效應(yīng)力是影響隔水管安全的主要因素。軟懸掛撤離模式下，隔水管上部?jī)A角是影響隔水管安全的主要因素。

2.2 不同航速下的懸掛性能分析

通過(guò)計(jì)算鉆井船不同航行速度下軟懸掛和硬懸掛2種模式下的隔水管頂部張力、隔水管上部轉(zhuǎn)角、隔水管最大等效應(yīng)力等參數(shù)，分析鉆井船航速對(duì)懸掛隔水管安全性的影響。

2.2.1 硬懸掛撤離模式

假設(shè)浪高4.00 m，表面流速0.46 m/s，鉆井船與海流成90°角撤離，計(jì)算隔水管硬懸掛撤離的最大許可撤離航速。隔水管硬懸掛撤離時(shí)，不同航速下隔水管的主要性能參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 不同航速下的隔水管硬懸掛撤離性能

Table 5 The evacuation performance of riser hard hang-off at different sailing speeds

由表5可知，隨著撤離航速增大，卡盤(pán)處張力、隔水管上部轉(zhuǎn)角和隔水管最大等效應(yīng)力都逐漸增大，當(dāng)鉆井船的撤離航速達(dá)到2 kn時(shí)，隔水管的最大等效應(yīng)力超過(guò)許可應(yīng)力(333.0 MPa)。

2.2.2 軟懸掛撤離模式

采用臺(tái)風(fēng)條件一年一遇情況進(jìn)行分析，浪高6.90 m，表面流速0.82 m/s，鉆井船以90°航向軟懸掛隔水管實(shí)施撤離，不同航速下隔水管的主要性能參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 不同航速下的隔水管軟懸掛撤離性能

Table 6 The evacuation performance table of riser soft hang-off at different sailing speeds

由表6可知，軟懸掛撤離的許可航速要明顯高于硬懸掛，臺(tái)風(fēng)一年一遇情況下，90°航向撤離航速可以達(dá)到3.0 kn。

3 結(jié)論與建議

1) 鉆井船撤離航速和航向增大都會(huì)影響懸掛隔水管的安全性，因此為了保證足夠的撤離時(shí)間，應(yīng)根據(jù)天氣預(yù)報(bào)對(duì)臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)，提前規(guī)劃撤離方案并啟動(dòng)撤離計(jì)劃。

2) 同樣條件下，隔水管采用軟懸掛模式，鉆井平臺(tái)懸掛隔水管撤離允許的航行速度和航向比硬懸掛模式要高、要寬。軟懸掛撤離模式能夠允許以相對(duì)較快的航速使鉆井船駛離臺(tái)風(fēng)軌跡，因此在懸掛隔水管避臺(tái)風(fēng)撤離時(shí)，優(yōu)先選用軟懸掛模式。

3) 軟懸掛撤離模式下影響鉆井船航速的主要因素是隔水管傾角，撤離期間應(yīng)該安排專(zhuān)人監(jiān)視傾角的變化，并及時(shí)反饋給駕駛?cè)藛T控制航速。

4) 硬懸掛撤離模式比軟懸掛撤離模式對(duì)波流載荷的適應(yīng)能力要弱，影響硬懸掛撤離模式下鉆井船航速的主要因素是隔水管應(yīng)力和隔水管傾角，目前無(wú)法對(duì)隔水管應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此硬懸掛撤離模式存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

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[編輯 劉文臣]

深層復(fù)雜斷塊油氣藏水平井鉆井完井技術(shù)

隨著開(kāi)發(fā)的深入，中原油田東濮凹陷的資源接替目標(biāo)以埋深3 200.00～4 000.00 m的沙3段中/下部的低滲砂巖、泥巖縫洞、灰質(zhì)頁(yè)巖等儲(chǔ)層為主，儲(chǔ)層斷塊發(fā)育、厚度薄且儲(chǔ)層滲透率低。水平井可以提高泄油能力，實(shí)現(xiàn)少井高產(chǎn)，是深層油氣藏低成本開(kāi)發(fā)的有效技術(shù)手段，因而長(zhǎng)水平段水平井成為東濮凹陷油氣資源開(kāi)發(fā)的主要手段。但由于受泥巖地層井壁穩(wěn)定性差、長(zhǎng)水平段摩阻大等影響，在鉆井實(shí)踐中，井壁坍塌、掉塊、壓差卡鉆等井下故障頻發(fā)，制約了水平井段的有效延伸和鉆井提速。

由于斷塊油氣藏的大落差斷層像臺(tái)階，水平井要準(zhǔn)確穿過(guò)這些臺(tái)階，否則就會(huì)錯(cuò)過(guò)含油的小斷層。為此，中原油田提出了大落差多靶點(diǎn)井眼軌道設(shè)計(jì)方法，滿足了多個(gè)小斷層用一口水平井開(kāi)發(fā)的需求；建立了兩步式井眼軌跡參數(shù)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)方法，避免了薄油層測(cè)量信息滯后引起的控制誤差；優(yōu)化了鉆具組合，提高了井眼軌跡控制效率，滿足了垂深不確定儲(chǔ)層井眼軌跡控制的需求。針對(duì)長(zhǎng)水平段滑動(dòng)摩阻大、定向效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了降低壓耗的復(fù)合鉆具組合和欠尺寸穩(wěn)定器提速鉆具組合，解決了高密度鉆井液條件下小井眼凈化問(wèn)題，提高了復(fù)合鉆進(jìn)比例，降低了滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生壓差卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)，提高了鉆速。同時(shí)還研制出脈沖振動(dòng)式減摩器，解決了滑動(dòng)鉆進(jìn)托壓?jiǎn)栴}。經(jīng)過(guò)科研攻關(guān)和實(shí)踐，形成了深層復(fù)雜斷塊油氣藏水平井鉆井完井技術(shù)。

深層復(fù)雜斷塊油氣藏水平井鉆井完井技術(shù)在中原油田6口深層水平井進(jìn)行了應(yīng)用，完鉆井深平均增加了433.10 m，水平段長(zhǎng)平均增加了512.40 m，鉆井周期同比縮短了24.8%，水平段復(fù)合鉆進(jìn)比例平均提高了22.0%，油氣產(chǎn)量達(dá)到鄰井的3.8～6.7倍。該技術(shù)還在焦石壩、冀東、陜北、東北等地區(qū)長(zhǎng)水平段水平井進(jìn)行了推廣應(yīng)用，提高了水平段的復(fù)合鉆進(jìn)比例，有效降低了井眼變化曲率，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)水平段的高效快速安全鉆進(jìn)。

[供稿 石 鉆]

Safety Analysis of the Hang-off of Deepwater Drilling Risers during a Typhoon Emergency Period

Sheng Leixiang, Wang Rongyao, Xu Liangbin, Jiang Shiquan, Zhou Jianliang

(CNOOCResearchInstitute,ChaoyangDistrict,Beijing, 100028,China)

For semi-submersible platforms, proper response procedures for a typhoon include the recovery of all drilling risers and travel away from typhoon paths. But it takes a long time to recover risers resulting that sometimes there is no guarantee that the entire riser system can be recovered. Under such circumstances, suspensions of risers are inevitable. This study took the suspended risers as the research objects, considering dynamic tension, bending stress, flex joint angle of risers and the space interference with the moon pool. With the analysis method of finite element, the axial dynamic model of risers in suspension mode was established. with a super deep water well in the South China Sea (with water depth of 2460 m) being taken as an example, analysis models for soft and hard riser suspension models were set up,a deep water typhoon evacuation strategy was studied, the influence of different suspension models were reviewed, and drilling ship evacuation speed and sailing azimuths on riser safety were analyzed. Results showed that in the hard suspension model, when the sailing speed was 2 kn, safe evacuation azimuth was 0° to 45°, while for soft hang-off mode, at the same sailing speed 2 kn, the sailing azimuth was from 0° to 90°. Under the same ocean conditions, the sailing speed of the drilling ship allowed by soft hang-off model was higher than that by hard hang-off. Therefore, the adaptive capacity of the soft model to the wave load was greater than that of the hard model, so the soft model was recommended to use preferentially during evacuations from typhoons.

deepwater drilling; drilling riser; typhoon; evacuation when hanging off; safety performance.

2015-04-21；改回日期：2015-06-16。

盛磊祥(1981—)，男，山東招遠(yuǎn)人，2005年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，2008年獲中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位，工程師，主要從事深水鉆完井設(shè)計(jì)、深水鉆井隔水管及井口安全分析等方面的研究。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)課題“深水海底井口-隔水管-平臺(tái)動(dòng)力學(xué)耦合機(jī)理與安全控制”(編號(hào)：2015CB251203)和國(guó)家自然科學(xué)基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究”(編號(hào)：51434009)聯(lián)合資助。

?“973”深水鉆井專(zhuān)題?

10.11911/syztjs.201504005

TE951

A

1001-0890(2015)04-0025-05

聯(lián)系方式：(010)84523736，shenglx@cnooc.com.cn。