陳國明 劉秀全 暢元江 許亮斌

1.中國石油大學(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(dǎo)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(yùn)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(fù)雜，嚴(yán)重時(shí)隔水管可能會發(fā)生失效，如強(qiáng)度失效、疲勞失效等。任何一種失效的出現(xiàn)都可能導(dǎo)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(fēng) “珍珠”襲擊。由于未及時(shí)回收隔水管導(dǎo)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(shí)間約1月，后期打撈作業(yè)費(fèi)用約2400萬美元。由此可知，隔水管可靠性關(guān)系到整個(gè)鉆井作業(yè)的順利完成，甚至整個(gè)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(xué)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(jì)算方法；同時(shí)，研究了隔水管單根可靠性評估、風(fēng)險(xiǎn)分析及完整性管理方法。相關(guān)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(xué)分析模型

1.1 連接模式下隔水管系統(tǒng)力學(xué)分析模型

連接模式下隔水管系統(tǒng)力學(xué)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(diǎn)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(xué)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(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單線性迭加。采用修改形式的Morison方程近似計(jì)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(zhì)點(diǎn)的水平速度引起)；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)；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(zhì)點(diǎn)速度；vc為海流引起的水質(zhì)點(diǎn)速度；Cm為慣性力系數(shù)；aw為波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)加速度。

1.2 懸掛模式下隔水管系統(tǒng)力學(xué)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(jié)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(jìn)行撤離時(shí),此時(shí)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(xué)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(xué)模型

懸掛模式下，隔水管頂部的平臺運(yùn)動是導(dǎo)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(zhì)量；u為時(shí)間t時(shí)隔水管z位置處的軸向位移；v為軸向應(yīng)力波在隔水管內(nèi)部的傳遞速度；λD為阻尼系數(shù)。

將鉆井平臺升沉運(yùn)動視為簡諧運(yùn)動施加于隔水管頂部，鉆井平臺升沉運(yùn)動形式設(shè)為:

式中::u0為平臺升沉運(yùn)動幅度；ω為平臺升沉運(yùn)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(zhǔn)則見表1，主要包括上、下?lián)闲越宇^轉(zhuǎn)角，井口彎矩，隔水管、導(dǎo)管最大等效應(yīng)力和伸縮節(jié)沖程等限制條件[1,2,9]。

建立隔水管、井口、導(dǎo)管整體有限元模型，計(jì)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(zhǔn)則確定的窗口如圖3所示[10]。圖3中橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)分別為進(jìn)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(nèi)可進(jìn)行正常鉆井；當(dāng)鉆井平臺偏移和表面海流流速參數(shù)達(dá)到黃色報(bào)警線時(shí)，需要停止鉆井并進(jìn)行解脫準(zhǔn)備，此時(shí)隔水管處于連接非鉆井模式；當(dāng)鉆井平臺偏移和表面海流流速參數(shù)達(dá)到紅色報(bào)警線時(shí)，需要啟動解脫程序；當(dāng)鉆井平臺偏移和表面海流流速參數(shù)超出紅色區(qū)域時(shí)，解脫作業(yè)應(yīng)當(dāng)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，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(zhǔn)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(fèi)用，鉆井作業(yè)者特別關(guān)注正常鉆井作業(yè)窗口，以提高鉆進(jìn)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(nèi)通過調(diào)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(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%。通常下?lián)闲越宇^轉(zhuǎn)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(zhǔn)則見表2。

建立隔水管懸掛分析有限元模型,計(jì)算不同海流和波浪組合工況下的隔水管響應(yīng)。結(jié)合隔水管懸掛模式作業(yè)限制準(zhǔn)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?yàn)榘踩鳂I(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(dāng)進(jìn)行隔水管懸掛作業(yè)時(shí)，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(yùn)動和二階低頻鉆井平臺運(yùn)動引起的波激疲勞。以隔水管疲勞為例，進(jìn)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(shí)域波激疲勞分析法和頻域波激疲勞分析法。其中時(shí)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(shí)域分析法快得多。由于Morison方程中的拖曳力項(xiàng)正比于水質(zhì)點(diǎn)速度的平方，而采用頻域分析法時(shí)必須將拖曳力線性化，造成精度上的誤差，所以一般采用時(shí)域法進(jìn)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(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。隔水管渦激振動研究方法包括渦激振動試驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模擬方法 (CFD方法)，一般采用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行隔水管渦激疲勞計(jì)算。半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥罹叽硇缘漠?dāng)屬麻省理工大學(xué)的SHEAR7、VIVA和挪威科技大學(xué)的VIVANA軟件。其中SHEAR7的應(yīng)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(shí)，考慮到隔水管疲勞性能的隨機(jī)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(jī)變量；A和m為S-N曲線表達(dá)式中的參數(shù)，其中A是隨機(jī)變量；B為描述疲勞載荷計(jì)算過程中的隨機(jī)變量；Swave、fwave分別為波激疲勞的等效應(yīng)力幅和頻率；SVIV、fVIV分別為渦激疲勞的等效應(yīng)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(shí)間的隨機(jī)變量；f(Δ,A,B,Tdrilling)為各隨機(jī)變量的聯(lián)合概率密度函數(shù)。

3.2 隔水管風(fēng)險(xiǎn)分析

完成隔水管疲勞失效概率計(jì)算后，可以結(jié)合隔水管疲勞失效后果計(jì)算失效風(fēng)險(xiǎn)。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(rèn)為可以將兩者相乘計(jì)算失效風(fēng)險(xiǎn)，即Risk=PoF·CoF。如果失效概率和失效后果的重要性不同，應(yīng)分別對2種因素進(jìn)行定性或定量評價(jià)并建立風(fēng)險(xiǎn)矩陣。如圖7 所示[18]。

圖7 風(fēng)險(xiǎn)矩陣

圖7中綠色范圍表示低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，其失效概率和后果均較低，可以認(rèn)為隔水管狀態(tài)良好，安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境后果均能夠接受，可以將低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域作為風(fēng)險(xiǎn)接受極限。中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域(黃色范圍)已經(jīng)超過了風(fēng)險(xiǎn)的可接受水平，需要對隔水管進(jìn)行檢測并采取適當(dāng)?shù)木S護(hù)措施。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域(紅色范圍)的風(fēng)險(xiǎn)過高，必須立刻采取措施降低或控制風(fēng)險(xiǎn)，并對失效概率和失效后果進(jìn)行詳細(xì)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(shè)備從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、維護(hù)直到退役結(jié)束整個(gè)壽命周期全過程，是指隔水管運(yùn)營商持續(xù)地對隔水管潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識別和評價(jià)，并采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制對策，將隔水管風(fēng)險(xiǎn)水平始終控制在合理的和可接受的范圍之內(nèi)。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(gè)步驟:首先進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，識別潛在的風(fēng)險(xiǎn)；其次通過檢測或監(jiān)測手段驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果，并確定準(zhǔn)確的隔水管風(fēng)險(xiǎn)等級；最后針對存在的風(fēng)險(xiǎn)制定一套完整性管理方案降低風(fēng)險(xiǎn)，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(guān)重要的作用，它存儲隔水管單根的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、加工記錄、作業(yè)記錄、失效風(fēng)險(xiǎn)、檢測及監(jiān)測結(jié)果、完整性管理方案等。同時(shí)，又為隔水管的風(fēng)險(xiǎn)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(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，對每一個(gè)影響隔水管結(jié)構(gòu)完整性的操作都要將相關(guān)信息錄入到數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)更新。

4 結(jié)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(guān)系到整個(gè)鉆井作業(yè)的順利完成，甚至整個(gè)鉆井平臺的安全。API、ISO和DNV等組織機(jī)構(gòu)均針對鉆井隔水管制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)與分析方法，如API RP 16QISO 13624DNV RP F204等，為隔水管設(shè)計(jì)者和作業(yè)者提供參考與指導(dǎo)。在各規(guī)范文件的基礎(chǔ)上，結(jié)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(fēng)險(xiǎn)分析矩陣。同時(shí)，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(jìn)一步豐富隔水管規(guī)范的組織機(jī)構(gòu)提供參考。

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