楊進

中國石油大學（北京）安全與海洋工程學院

近年來，部分海上油氣田出現(xiàn)鉆井隔水導管以及井口發(fā)生旋轉的現(xiàn)象，旋轉幅度有時會很大，如東海某生產(chǎn)井，井口1天可以旋轉30°。井口發(fā)生大幅度旋轉會對采油樹、井口管匯以及油氣生產(chǎn)帶來嚴重的安全隱患和作業(yè)風險，如果不對旋轉加以約束，可能導致井口管匯的變形或者斷裂、隔水導管的剪切破壞、隔水導管的密封性能降低等作業(yè)風險。目前國內(nèi)對隔水導管和井口發(fā)生旋轉的研究較少，因此，對海上生產(chǎn)井隔水導管和井口進行受力分析，找出隔水導管和井口發(fā)生旋轉的原因，評估旋轉風險，可以為現(xiàn)場生產(chǎn)、隔水導管的加工設計、井口的加工設計提供科學的理論指導。

1 海上油氣井井口受力模型

海上油氣井井筒和井口在生產(chǎn)過程中，受到的載荷主要包括自重、頂部載荷、風載、海流載荷、海浪載荷等。在實際導管架平臺中，沿隔水導管長度一定位置處安裝導向孔來保證隔水導管的橫向穩(wěn)定性。對于導向孔，在計算中采用以下假設處理：導向孔為固定構件，為隔水導管提供穩(wěn)定的橫向支撐。以東海某油氣田為例，導向孔的幾何位置分別為：水下-15.5 m、水下-37.5 m、底層甲板、海平面。

根據(jù)上述分析，海上單井井筒及井口力學模型如圖1所示。

圖1 海上單井井筒及井口力學模型Fig.1 Mechanical model for borehole and well of single offshore well

海上油氣井的隔水導管在海流環(huán)境載荷的作用下，會產(chǎn)生扭矩，具有旋轉的趨勢。隔水導管上的防轉銷釘可以阻止隔水導管發(fā)生旋轉。如果環(huán)境載荷引起的扭矩過大，使得作用在隔水導管防轉銷釘上的載荷大于其極限值，海上油氣井的隔水導管會發(fā)生較大幅度的旋轉，進而使得井口發(fā)生旋轉，給油氣井生產(chǎn)帶來嚴重的安全隱患和作業(yè)風險。

2 隔水導管在海流作用下旋轉受力分析

海流作用在柱體上的作用力可以分為與來流方向一致的力，以及和來流方向垂直的力。由于作用在隔水導管上的海流并不是隨水深均勻分布，作用方向也不是彼此一致，因此在不同方向、不同速度的海流作用下，隔水導管可能會受到橫向扭矩的作用而發(fā)生旋轉，如圖2所示。

圖2 隔水導管受到的海流力Fig.2 Ocean current force applied on the riser

隔水導管在受到不均勻的海流載荷作用時，其受到的扭矩大小為

式中，M為隔水導管橫截面受到的扭矩，N·m；F1、F2、F3、F4分別為海流力在互相垂直的方向上的分量，N；R為隔水導管半徑，m。

為了提高平臺空間利用率，海上生產(chǎn)平臺的井口布置非常緊密，如圖3所示。

圖3 海上生產(chǎn)井的井位布置示意圖Fig.3 Schematic well location arrangement of offshore production wells

平臺上生產(chǎn)井之間的間距較小，最小為1.5 m×1.8 m。在遇到同樣的海洋環(huán)境載荷時，井的位置不同，受到的環(huán)境載荷不同。在同樣的海洋環(huán)境載荷的沖擊下，處在外側的生產(chǎn)井會對海洋環(huán)境載荷起到削弱抵抗的作用，處在內(nèi)側的生產(chǎn)井受到的載荷并沒有外側生產(chǎn)井受到的大，再加上海流的大小隨時間以及海水深度的變化而變化，因此在同一時間，處在同樣海況條件下的生產(chǎn)井，所受到的環(huán)境載荷不同，即生產(chǎn)井隔水導管受到的扭矩不同，因此在同一生產(chǎn)平臺，并不是所有生產(chǎn)井都發(fā)生旋轉。

海上生產(chǎn)井隔水導管受到海流載荷的影響，由于隔水導管兩側海流存在差異性，進而會產(chǎn)生導致隔水導管旋轉的扭矩。由于隔水導管底部受到海底的約束，隔水導管管體在不同深度處受到扶正孔、銷釘?shù)募s束，因此隔水管管體一般不會發(fā)生旋轉。如果扭矩過大，生產(chǎn)井隔水導管會發(fā)生旋轉，如果銷釘被扭矩剪切破壞，旋轉幅度就會很大。

3 海生物附著隔水導管條件下旋轉受力分析

海上生產(chǎn)平臺在服役過程中，大量海生物會附著在生產(chǎn)井隔水導管表面。海生物的附著會降低平臺抵抗環(huán)境載荷的能力。在水溫23 ℃左右的熱帶、亞熱帶海域內(nèi)，牡蠣和藤壺在結構物表面的附著速度14～20 d可以達到10 mm。對于海上生產(chǎn)井來說，海生物的附著，會加大生產(chǎn)井隔水管的外徑。在同樣的海況條件下，隔水管受到的海流力相同，由于管徑增加，扭矩會更大，防轉銷釘受到的剪切力會大大增加，這就大大增加了隔水導管發(fā)生旋轉的風險。

4 案例分析

為了定量分析不同附著情況、不同海況條件下，海上生產(chǎn)井抵抗海洋環(huán)境荷載引起的扭矩的能力，根據(jù)已建立的某生產(chǎn)平臺有限元模型和環(huán)境資料進行計算分析。

該算例生產(chǎn)平臺水深為88 m，經(jīng)統(tǒng)計得知其所在海域內(nèi)重現(xiàn)期為1年、20年、50年的環(huán)境載荷數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 環(huán)境載荷Table 1 Environmental load

以?762 mm海上油氣井隔水導管有限元模型為例，加載50年一遇的環(huán)境載荷數(shù)值，考慮扶正孔、扶正塊對隔水導管側向摩阻力的作用，得出其隨深度變化的剪力值，如圖4所示。

圖4 隔水導管隨深度變化的剪力值Fig.4 Shear stress of riser with the variation of depth

?762 mm生產(chǎn)井隔水導管在50年一遇的環(huán)境載荷作用下，最大的剪力為38 521 N，在最大扭力下，銷釘?shù)募羟袘?/p>

式中，τ為隔水導管防轉銷釘橫截面受到的剪切應力，MPa；F為隔水導管防轉銷釘橫截面受到的剪力，MN；A為防轉銷釘橫截面積，m2。

?762 mm隔水導管在50年一遇的海況條件下，防轉銷釘剪切應力小于銷釘?shù)募羟性S用應力151 MPa，因此不考慮海生物影響條件下隔水導管連接處的銷釘會發(fā)生剪切破壞。

根據(jù)已建立的有限元模型和收集到的環(huán)境載荷，對?508 mm、?609.6 mm、?660.4 mm和?762 mm的生產(chǎn)井隔水導管進行銷釘剪切應力的計算，計算結果如圖5所示。

圖5 不同尺寸隔水導管銷釘隨海況變化的剪切應力值Fig.5 Shear stress of riser pin of different sizes with the variation of sea conditions

分別對1年、20年、50年一遇的海況進行了計算，由計算結果可知，?762 mm、?660.4 mm、?609.6 mm隔水導管的銷釘在正常海況條件下比較安全，不會發(fā)生剪切斷裂。?508 mm隔水導管銷釘在50年一遇的海況條件下，會發(fā)生剪切斷裂。建議采用許用剪切強度較高的銷釘進行固定。

為考慮在海生物附著情況下，生產(chǎn)井隔水導管旋轉趨勢的增加，根據(jù)已建有限元模型和收集到的環(huán)境載荷，對海生物不同附著厚度的生產(chǎn)井隔水導管進行扭矩計算，其中海生物附著厚度按照隔水導管增加的厚度百分率來處理。計算結果如圖6所示。

圖6 不同海生物附著程度的隔水導管扭矩變化Fig.6 Variation of the torque of the riser with different attachment degrees of marine organism

由圖6可知，隨海生物附著程度增加，生產(chǎn)井隔水導管在同樣的海洋環(huán)境載荷下，受到的扭矩會越來越大，會導致生產(chǎn)井隔水導管旋轉，甚至使隔水導管連接處的銷釘發(fā)生剪切破壞。

5 結論

（1）海上油氣井的隔水導管在海流環(huán)境載荷作用下會產(chǎn)生扭矩，具有發(fā)生井口旋轉的趨勢。隔水導管上的銷釘可以阻止隔水導管發(fā)生旋轉。如果環(huán)境載荷引起的扭矩過大，使得作用在隔水導管銷釘上的載荷大于其極限值，隔水導管會發(fā)生較大幅度的旋轉，進而使得井口發(fā)生旋轉，給油氣井生產(chǎn)帶來安全隱患。

（2）在同樣的海洋環(huán)境載荷沖擊下，處在外側的生產(chǎn)井會對海洋環(huán)境載荷起到削弱抵抗作用，再加上海流的大小隨時間以及海水深度的變化而變化，因此在同一時間處在同樣海況條件下不同位置的生產(chǎn)井，所受到的環(huán)境載荷不同，在同一個生產(chǎn)平臺上，并不是所有生產(chǎn)井都發(fā)生旋轉。

（3）隨海生物附著程度增加，生產(chǎn)井隔水導管在同樣的海洋環(huán)境載荷下，受到的扭矩會越來越大，如果不抑制海生物的附著，扭矩的增加會導致生產(chǎn)井隔水導管旋轉。

（4）可以通過增加銷釘?shù)臄?shù)量和使用高剪切強度的銷釘，來防止隔水導管的旋轉，并且可通過抑制海生物的附著來減小隔水導管的扭矩。