劉 健 張紅生 顧純巍 李夢(mèng)博 劉正禮 張春杰 王志坤
(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028; 2.中海石油(中國(guó))有限公司 北京 100010;3. 中海石油深海開發(fā)有限責(zé)任公司 廣東深圳 518000; 4. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 山東青島 266580)
隨著我國(guó)南海深水油氣田的開發(fā),深水鉆井作業(yè)越來越多。臺(tái)風(fēng)工況下,連接水下井口和鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備——隔水管很容易受到破壞,例如隔水管串落海、LMRP(隔水管下部總成)觸底等事故,因此隔水管防臺(tái)是南海深水鉆井作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一[1]。雖然我國(guó)在南海深水海域鉆井已有多年經(jīng)驗(yàn)并形成了深水鉆井防臺(tái)的方法和作業(yè)程序[2],但由于南海臺(tái)風(fēng)路徑多變,特別是土臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)困難,對(duì)于深水和超深水井,避臺(tái)時(shí)機(jī)和防臺(tái)方式的選擇非常困難。因而如何有效地應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng),降低臺(tái)風(fēng)對(duì)深水鉆井作業(yè)帶來的風(fēng)險(xiǎn),成為深水鉆井必須解決的關(guān)鍵問題[1,3]。
針對(duì)南海深水鉆井隔水管防臺(tái)的研究已開展很多,例如深水鉆井隔水管避臺(tái)撤離分析、隔水管完整性管理、隔水管監(jiān)測(cè)技術(shù)[4]、隔水管懸掛安全分析技術(shù)[5-7]、隔水管懸掛方法和工具[8]、臺(tái)風(fēng)事故應(yīng)對(duì)策略[9]、避臺(tái)作業(yè)窗[10]及作業(yè)參數(shù)[11]等。但研究方向多為如何在現(xiàn)有的設(shè)備條件下制定合理的防臺(tái)策略、確定防臺(tái)作業(yè)參數(shù)和安全作業(yè)窗口等。本文從裝備的角度出發(fā),考慮采取一種隔水管懸掛裝置,通過該裝置減少臺(tái)風(fēng)時(shí)隔水管受到的應(yīng)力,從而大大提高深水鉆井臺(tái)風(fēng)期隔水管的安全性,為深水和超深水鉆井作業(yè)提供安全保障。
南海深水鉆井防臺(tái)目前采取的隔水管處理方式主要包括3種[3]:①保護(hù)井筒—解脫LMRP—等待天氣的方式抗臺(tái)。由于臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度時(shí)刻發(fā)生變化,該方案存在一定的風(fēng)險(xiǎn),因此目前深水鉆井平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)較少采用該處理方式。②保護(hù)井筒—解脫LMRP并回收所有隔水管—移船至安全區(qū)域的方式避臺(tái)。該處理方式人員、平臺(tái)最為安全,但要求提前進(jìn)行作業(yè)準(zhǔn)備,會(huì)增加非生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間和作業(yè)費(fèi)用。特別是我國(guó)南海臺(tái)風(fēng)路徑多變,臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性有待提高,因此經(jīng)常由于臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確,造成“十防九空”的情況。③保護(hù)井筒—解脫LMRP懸掛隔水管—移船至安全區(qū)域。撤離航線一般選取能最快避開臺(tái)風(fēng)行進(jìn)路徑的方向,并駛向深水海域以防懸掛的LMRP碰撞海床。該處理方式尤其適合于超深水鉆井作業(yè)和土臺(tái)風(fēng)突然發(fā)生的情況。
懸掛隔水管防臺(tái)是深水鉆井的常見防臺(tái)方式。目前懸掛隔水管包括軟懸掛和硬懸掛2種模式[3,6]。在硬懸掛模式下,隔水管通過安裝工具坐于轉(zhuǎn)盤面上并與平臺(tái)剛性連接,平臺(tái)運(yùn)動(dòng)直接傳遞到隔水管頂部。在軟懸掛模式下,隔水管在張力器處進(jìn)行懸掛,隔水管系統(tǒng)的重量由張力器承擔(dān)或由張力器和升沉補(bǔ)償器共同承擔(dān),平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)通過張力器傳遞給伸縮節(jié)外筒,緩解了隔水管的受力情況。2種懸掛模式對(duì)比見表1。
表1 鉆井隔水管不同懸掛模式對(duì)比Table 1 Comparison of two suspension modes of drilling risers
從表1可看出:
1) 硬懸掛模式作業(yè)窗口較小。當(dāng)懸掛隔水管超過1 000 m時(shí),即使在一年一遇的西太平洋臺(tái)風(fēng)工況下,硬懸掛模式也無法滿足作業(yè)要求。如果增大作業(yè)窗口則必須起出更多的隔水管。這意味著需要更早啟動(dòng)避臺(tái)程序,不僅增加了避臺(tái)時(shí)間,還使“無效防臺(tái)”的概率也增大。如果遇到作業(yè)海域附近驟發(fā)的強(qiáng)土臺(tái)風(fēng),還可能沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行回收隔水管作業(yè)。
2) 軟懸掛模式作業(yè)窗口大,但軟懸掛全部隔水管防臺(tái)可能存在隔水管觸底的風(fēng)險(xiǎn)。在臺(tái)風(fēng)時(shí)期,平臺(tái)的撤離方向不一定是更深的水域方向,一旦平臺(tái)向淺水方向行駛,則必然導(dǎo)致隔水管串觸底,導(dǎo)致隔水管張力器及部分隔水管的損壞,我國(guó)南海曾經(jīng)發(fā)生過類似的事故[12]。也曾考慮先回收部分隔水管再重新掛回到張力器以避免發(fā)生隔水管觸底事故,但由于臺(tái)風(fēng)來臨前海況非常惡劣,月池區(qū)域作業(yè)困難,在回收部分隔水管后,很難再將隔水管串掛到張力器上,因此該方案無法實(shí)施。
對(duì)于超深水作業(yè),由于懸掛隔水管較長(zhǎng)而導(dǎo)致了安全作業(yè)窗口很小,因此無論是硬懸掛還是軟懸掛,均無法滿足避臺(tái)風(fēng)的作業(yè)要求,而完全回收隔水管則沒有時(shí)間窗口,所以通常情況下,我國(guó)的超深水鉆井仍采取完全避開臺(tái)風(fēng)期作業(yè)的策略。
對(duì)于超深水及平臺(tái)附近驟起土臺(tái)風(fēng)的情況,可以考慮將硬懸掛和軟懸掛相結(jié)合的懸掛模式[13],既能快速操作,又能緩沖隔水管運(yùn)動(dòng)。為了方便懸掛,隔水管仍然懸掛于鉆臺(tái)上的隔水管卡盤處,但鉆臺(tái)和隔水管串之間增加緩沖液壓缸(緩沖液壓缸可以放在鉆臺(tái)和卡盤之間,也可以放在卡盤和隔水管之間),從而減少平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)隔水管串的激勵(lì),降低隔水管的加速度。針對(duì)硬懸掛和軟懸掛相結(jié)合懸掛模式隔水管加速度降低方法,本文提出了被動(dòng)液壓缸、主動(dòng)控制-比例補(bǔ)償和加速度峰值控制等3種解決方案。
在隔水管串與平臺(tái)之間放置液壓缸即為被動(dòng)液壓缸方案[8,14],其裝置包括外環(huán)固定托盤、內(nèi)環(huán)滑動(dòng)托盤、液壓缸、滑輪和活塞、導(dǎo)引滑軌、懸掛楔塊等(圖1)。其中,滑輪組用于增加行程;液壓缸承受隔水管串重量,并且通過伸縮來補(bǔ)償平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的隔水管上下運(yùn)動(dòng);液壓缸連接高壓空氣瓶,可簡(jiǎn)化為空氣彈簧。該裝置放于鉆臺(tái)面上井口中心,而原隔水管卡盤放置在該裝置上。
圖1 隔水管懸掛被動(dòng)液壓缸方案示意圖Fig .1 Sketch map of passive cylinder scheme of riser suspension
為了方便分析計(jì)算降低隔水管加速度的效果,整個(gè)系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為支座激勵(lì)的強(qiáng)迫振動(dòng)模型(圖2);隔水管串簡(jiǎn)化為質(zhì)量塊m;液壓缸簡(jiǎn)化為彈簧k和阻尼c;支座運(yùn)動(dòng)即為鉆井平臺(tái)在波浪作用下的升沉運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)位移可表示為
圖2 被動(dòng)液壓缸方案簡(jiǎn)化模型示意圖Fig .2 Sketch map of simplified model of passivity cylinder scheme
y=Aysinωt
(1)
式(1)中:Ay為平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)幅值,m;ω為平臺(tái)正弦周期運(yùn)動(dòng)的角頻率,rad/s;y為平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)位移,m;t為時(shí)間,s。
隔水管的升沉運(yùn)動(dòng)可表示為
(2)
隔水管相對(duì)于平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)z=x-y可表示為
(3)
根據(jù)式(2)~(3),可得隔水管絕對(duì)升沉運(yùn)動(dòng)及其相對(duì)平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)的曲線,以及隔水管絕對(duì)升沉運(yùn)動(dòng)的幅值和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的幅值[15]。
(4)
(5)
式(4)、(5)中:Az為隔水管相對(duì)升沉運(yùn)動(dòng)的幅值,m;Ax為隔水管絕對(duì)升沉運(yùn)動(dòng)的幅值,m;γ為頻率比,無量綱;ξ為阻尼比,無量綱,一般液壓缸的阻尼比較小,可忽略不記。
主動(dòng)控制-比例補(bǔ)償方案,采用主動(dòng)液壓缸方案和比例控制補(bǔ)償,即液壓缸有液壓源提供能量實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制,而且通過液壓缸在隔水管串施加主動(dòng)力,按照比例反向補(bǔ)償平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。該方案的簡(jiǎn)化模型示意圖見圖3,其原理為在隔水管串上增加了一個(gè)主動(dòng)力Fac,通過主動(dòng)力來降低隔水管加速度的幅值,從而降低隔水管軸向應(yīng)力。該主動(dòng)力由變量泵提供,即液壓缸的運(yùn)動(dòng)受變量泵輸入流量的控制。在該補(bǔ)償方式中,液壓缸的運(yùn)動(dòng)周期與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)周期相等,補(bǔ)償液壓缸的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相反[16]。
圖3 隔水管主動(dòng)控制-比例補(bǔ)償簡(jiǎn)化模型示意圖Fig .3 Sketch map of active control - scale compensation simplified model of riser
平臺(tái)懸掛隔水管避臺(tái)時(shí)如采用本方案,在平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)和主動(dòng)液壓缸的激勵(lì)下,運(yùn)動(dòng)隔水管串的運(yùn)動(dòng)可表示為
(6)
式(6)中:Fac為主動(dòng)力,N。
實(shí)現(xiàn)比例補(bǔ)償?shù)臈l件為隔水管位移與平臺(tái)位移相位差為零,為調(diào)整隔水管絕對(duì)位移相位角,令
(7)
則可以解出相對(duì)位移的穩(wěn)態(tài)隔水管位相對(duì)移z=x-y,并在此基礎(chǔ)上計(jì)算變量泵的輸入功率Pp
(8)
式(8)中:Pp為變量泵輸入功率,W。
該方案理論上可降低隔水管加速度,但仍需通過計(jì)算來判斷是否滿足現(xiàn)場(chǎng)懸掛隔水管避臺(tái)需求。根據(jù)平臺(tái)實(shí)際作業(yè)條件限制,隔水管避臺(tái)懸掛裝置液壓缸最大行程為2.4 m,因此取隔水管相對(duì)位移的幅值A(chǔ)z=2.4 m,計(jì)算極端海況下(Ay=4.55 m)加速度補(bǔ)償效果為25%的變量泵最大功率隨頻率比的變化,如圖4所示。
圖4 主動(dòng)控制-比例補(bǔ)償方案的變量泵最大功率隨頻率比的變化曲線Fig .4 Variation curve of maximum power of variable pump with frequency ratio by active control-scale compensation
根據(jù)圖4可知,在工程常用的頻率比0.5、阻尼比0.1條件下,變量泵最大功率須大于4 000 kW。也就是說,采用主動(dòng)補(bǔ)償方案要求變量泵較高的功率,才能夠?qū)崿F(xiàn)隔水管加速度控制,而現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功率卻難以滿足這一要求。
隔水管串的損壞是由其加速度峰值導(dǎo)致的,因此只要減小加速度峰值即可保證隔水管串的安全。該方案的原理是當(dāng)平臺(tái)加速度較小時(shí)液壓缸保持不動(dòng),當(dāng)平臺(tái)加速度較大時(shí),通過液壓缸運(yùn)動(dòng)來補(bǔ)償平臺(tái)傳遞到隔水管串的加速度,從而減少隔水管串的加速度峰值。因此該方案也被稱為加速度削峰控制方案。
圖5a為臺(tái)風(fēng)工況下的平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)曲線:0—t1時(shí)刻,平臺(tái)加速度沒有達(dá)到閾值,這時(shí)液壓缸是鎖死的,隔水管和平臺(tái)沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng);t1—t2時(shí)刻,平臺(tái)加速度超過了閾值,為了保證隔水管加速度不超過閾值則液壓缸開始運(yùn)動(dòng),使隔水管相對(duì)于平臺(tái)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng);t2—t3時(shí)刻,平臺(tái)加速度不超過閾值,液壓缸再次鎖死,隔水管和平臺(tái)沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng);t3—t4時(shí)刻,平臺(tái)加速度又超過了閾值,液壓缸再次開始運(yùn)動(dòng)。也就是說,在平臺(tái)的一個(gè)升沉運(yùn)動(dòng)周期(一般為12~14 s)內(nèi),液壓缸上下各運(yùn)動(dòng)一次,且向上運(yùn)動(dòng)的位移等于向下運(yùn)動(dòng)的位移,1個(gè)升沉運(yùn)動(dòng)周期后液壓缸恢復(fù)原位。由此得到液壓缸活塞加速度、速度和位移的曲線,如圖5b所示。
圖5 加速度峰值控制方案中平臺(tái)與活塞運(yùn)動(dòng)曲線Fig .5 Acceleration,velocity and displacement curve of platform and piston by acceleration peak control scheme
在液壓缸運(yùn)動(dòng)對(duì)隔水管運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償過程中,活塞加速度和位移分別表示為
(9)
(10)
式(9)、(10)中:ah為活塞相對(duì)于缸筒的加速度,即為隔水管相對(duì)于平臺(tái)的加速度,m/s2;apmax為平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)加速度最大值,m/s2;ηa為隔水管加速度補(bǔ)償能力;ap為平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)加速度,m/s2;xh為活塞相對(duì)于缸筒的位移,即為隔水管相對(duì)于平臺(tái)的位移,m,xhmax為活塞相對(duì)于缸筒的最大位移,即為液壓活塞最大行程,m。
考慮到液壓缸質(zhì)量的限制及平臺(tái)作業(yè)條件限制,要求活塞位移小于液壓缸行程。根據(jù)式(9)、(10)可知,在10年一遇西太平洋臺(tái)風(fēng)的海況條件下,平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)幅值為4.55 m,平臺(tái)運(yùn)動(dòng)周期為14 s,隔水管加速度補(bǔ)償能力33%。此時(shí)加速度峰值控制方案能夠達(dá)到的最大補(bǔ)償效果33%。
與被動(dòng)液壓缸方案、主動(dòng)控制-比例補(bǔ)償方案相比,加速度峰值控制方案具有制造安裝簡(jiǎn)單、具備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件等優(yōu)勢(shì),因此推薦采用加速度峰值控制的隔水管懸掛方案。
加速度峰值控制方案是通過隔水管主動(dòng)節(jié)流控制裝置實(shí)現(xiàn)的。主動(dòng)節(jié)流控制裝置主要包括:蓄能器、氣瓶、比例節(jié)流閥和液壓缸(圖6)。蓄能器和氣瓶用于存儲(chǔ)平臺(tái)輸入的能量并為液壓缸提供動(dòng)力,通過控制比例節(jié)流閥的控制活塞運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到消減隔水管加速度峰值的目的。隔水管主動(dòng)節(jié)流控制裝置的液壓系統(tǒng)是封閉高壓系統(tǒng),在懸掛2 500 m隔水管、10年一遇西太平洋臺(tái)風(fēng)的工況下發(fā)熱功率高達(dá)700 kW,因此必須通過高壓散熱器達(dá)到散熱的目的。常規(guī)高壓散熱器為管式冷卻器,由于其體積大而很難在平臺(tái)上安放。因此可在原主動(dòng)節(jié)流控制裝置的基礎(chǔ)上,增加新的差動(dòng)散熱裝置,利用液壓缸上沖程差動(dòng)的冷卻方法,實(shí)現(xiàn)主動(dòng)節(jié)流控制裝置液壓系統(tǒng)的半開式循環(huán)及散熱,如圖7所示。
圖6 隔水管懸掛主動(dòng)節(jié)流控制裝置Fig .6 Active control throttling device of riser suspension
圖7 隔水管懸掛差動(dòng)散熱-主動(dòng)控制節(jié)流裝置Fig .7 Differential cooling-active control throttling device of riser suspension
1) 本文針對(duì)深水鉆井防臺(tái)隔水管作業(yè)窗口小、作業(yè)模式選擇困難、易發(fā)生事故等問題,提出了將隔水管硬懸掛與軟懸掛相結(jié)合的隔水管防臺(tái)懸掛新方法,該方法具有操作速度快、緩沖效果好的優(yōu)點(diǎn)。
2) 針對(duì)隔水管防臺(tái)懸掛新方法中降低隔水管加速度問題,提出了被動(dòng)液壓缸、主動(dòng)控制-比例補(bǔ)償和加速度峰值控制等3種方案,分析結(jié)果表明,加速度峰值控制方案具有制造安裝簡(jiǎn)單、具備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件等優(yōu)勢(shì),可較好地滿足現(xiàn)場(chǎng)臺(tái)風(fēng)期作業(yè)避臺(tái)的需求。
3) 加速度峰值控制方案中隔水管主動(dòng)節(jié)流控制裝置的液壓系統(tǒng)封閉高壓難散熱,可采用隔水管差動(dòng)散熱-主動(dòng)控制節(jié)流裝置解決主動(dòng)節(jié)流控制裝置中高壓液壓油的散熱問題。