深水鉆井隔水管與井口技術研究進展

陳國明，劉秀全，暢元江，許亮斌

(1.中國石油大學海洋油氣裝備與安全技術研究中心，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是連接井口和鉆井平臺的重要部件，主要由伸縮節、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之間的泥漿往返通道，支持輔助管線，引導鉆具，作為下放與撤回防噴器組的載體。深水和超深水環境下隔水管與井口系統受到多種復雜載荷的作用，是整個鉆井裝備中較為薄弱的環節，其正確設計與使用直接關系到鉆完井作業的順利完成。目前，深水鉆井隔水管與井口技術僅被少數幾個國家相關公司所掌握，中國深水石油勘探開發尚處于起步階段，缺乏深水作業經驗，且中國南海自然環境惡劣，對深水鉆井隔水管和井口提出嚴峻挑戰。深水鉆井隔水管和井口技術成為中國深水油氣勘探開發的瓶頸之一。為此，針對中國南海深水油氣開采需要，在國家“863”計劃、科技重大專項和自然科學基金的資助下，結合中海油等多項生產課題，對深水鉆井隔水管與井口技術進行了較系統的探索與研究。經過數年的努力，在深水鉆井隔水管與井口系統力學分析、鉆前設計方法、作業窗口技術、系統完整性評估、安全風險分析等方面取得重要的研究進展［1-33］，筆者將對這些進展進行總結和回顧，并對今后的研究重點進行展望。

1 深水鉆井隔水管與井口系統力學分析

1.1 深水鉆井隔水管與井口系統靜態分析

隔水管靜態分析通常為隔水管整體性能分析的第一步，也是后續模態分析和動態分析的起點，其分析方程［9］為

式中，z為隔水管任一點的垂直高度，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為隔水管單位長度重量，N/m;F為沿水平方向作用于隔水管單位長度上的波流聯合作用力，N。

波與流的聯合作用十分復雜，不能認為波流聯合作用就是將波和流分別作用的拖曳力簡單線性迭加。采用修正形式的Morison方程近似計算作用于單位長度隔水管上的波流聯合作用力為

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

由于海流是穩態的，而波浪是動載荷，在進行波流聯合作用下的隔水管靜態分析時，需要忽略波浪的動力效應，按準靜力方法處理波浪載荷的作用。進行準靜態分析時，應將波浪的最大相位角作為波浪的輸入參數進行計算。開發了深水隔水管準靜態性能分析系統，該系統以隔水管最大Mises應力作為波浪最大相位角判據，以C++Builder為開發環境，后臺調用ABAQUS求解器進行計算，實現波浪最大相位角的自動搜索和隔水管的準靜態分析［9］。

1.2 深水鉆井隔水管與井口系統動態分析

深水隔水管是動力敏感柔性體，其振動的基本周期最典型為幾秒鐘。波浪的周期一般在6～30 s，因此很有可能一個或者數個隔水管固有周期落入波浪周期范圍之內，此時，隔水管將發生比靜態響應嚴重的動態響應，隔水管動態分析是隔水管強度校核以及疲勞計算的基礎。鉆井隔水管的橫向振動方程［10］為

式中，M為隔水管單位長度振動質量，包括隔水管單位長度質量、隔水管單位長度內鉆井液以及單位長度的附連水質量等，kg;t為時間，s。

對隔水管進行動態分析時，考慮隔水管運動的影響，需要將Morison方程修正為

隔水管動態響應分析方法包括時域動態分析法和頻域分析法，其中時域動態分析法又分為時域規則波分析法和時域隨機振動分析法。時域規則波分析采用設計波法對隔水管進行時域動態分析，該方法假定波浪具有確定的波高和周期，目前，多數隔水管動態響應分析都采用該方法。時域隨機振動方法中，海浪作為隨機過程處理，隨機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，然后計算隔水管對組成波列的動態響應。頻域分析法采用譜分析技術進行隔水管隨機振動分析，即由波浪譜得到波力譜，再由波力譜得到隔水管的響應譜，最后得到隔水管位移或者應力的統計信息［10-12］。

總體上，時域動態分析最為精確，該方法能夠綜合考慮拖曳力的非線性、隔水管的相對運動以及作為動態響應來源的波浪力，缺點是分析時間較長。時域隨機振動分析要比規則波浪分析預測的應力值要高，這是由于在進行隨機海浪分析時，波浪能量涵蓋一個寬的頻率帶，處于波浪頻率帶之內的隔水管固有頻率都有可能被激發，而在規則波浪情況下，所有的波浪能量被集中于隔水管某個單一的固有頻率處，如果波浪頻率不接近于隔水管的固有頻率，該階模態就不會被激發。頻域分析法比時域分析法快得多，所需要的時間和靜態分析的時間大體相等，但必須采用線性波浪理論，因而會造成一定精度上的誤差［10-12］。

1.3 深水鉆井平臺－隔水管－井口耦合系統分析

鉆井隔水管承受浮式海洋鉆井平臺運動、波浪載荷與海流載荷的共同作用，其中鉆井平臺運動是首要的動載荷。當前通常做法是基于兩步程序分析鉆井平臺運動對隔水管造成的載荷效應:①基于三維衍射/輻射理論計算鉆井平臺運動，通常以線性頻域程序或解耦時域程序進行;②將鉆井平臺運動作為隔水管終端激勵以計算其載荷效應。實際上，鉆井平臺、隔水管與系纜構成了一個集成動態系統，它通過一種復雜方式對風、波浪與海流載荷作出響應。因細長結構(隔水管、系纜)而導致的海流載荷和阻尼可對低頻鉆井平臺運動產生顯著影響。這種耦合效應在預測鉆井平臺運動及鉆井隔水管響應時起決定性作用。耦合系統分析由兩步組成:①對鉆井平臺進行傳統的頻域衍射/輻射分析，以便計算鉆井平臺的各種水動力系數;②對耦合系統分析模型進行時域隨機振動分析，基于作用在鉆井平臺上的環境力與每個時刻的細長結構響應之間的動態平衡確定鉆井平臺運動與細長結構響應。研究表明，在低頻與波頻鉆井平臺運動共同作用下，隔水管響應包絡線范圍顯著大于僅考慮波頻鉆井平臺運動作用的情形。作為深水鉆井隔水管設計關鍵參數，隔水管底部撓性接頭轉角響應中包含重要的低頻特性。在進行深水鉆井隔水管設計時，該問題必須得到足夠重視［3，13］。

1.4 深水鉆井隔水管渦激振動仿真分析

基于RNG k－ε湍流模型與動網格技術，針對隔水管在海洋環境中的實際雷諾數范圍，對管柱的渦激振動進行數值模擬。數值模擬良好再現圓柱響應的3個典型分支: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。研究發現了一個新的響應分支——“超低幅分支”，該分支振幅顯著低于低幅分支且大小穩定，振動頻率仍鎖定在固有頻率上。在低幅分支與超低幅分支中，升力系數中存在高階頻率，提出這是導致圓柱響應由高幅分支向低幅分支轉變的主要原因。基于計算船舶運動與波浪載荷的切片理論，假設在單一來流條件下，流體力沿均勻管柱軸向各點基本相等，提出流固耦合分析渦激振動問題的詳細方案。對影響深水鉆井隔水管渦激振動的各基本要素進行敏感性分析，確定各要素對隔水管影響的重要程度，可為隔水管系統的優化設計提供理論依據。研究避免或減小渦激振動的方法。分析渦激抑制裝置的工作機制，給出減振器的最佳結構尺寸和安裝要求，并與其他渦激抑制裝置進行了比較。提出抑制裝置與交錯浮力塊相結合的隔水管渦激振動抑制方案［2-3］。

2 深水鉆井隔水管與井口系統鉆前設計技術

深水鉆井隔水管與井口系統鉆前設計是海上鉆井設計最關鍵問題之一，不充分的隔水管與井口系統設計將導致高額費用的鉆井停工，甚至災難性破壞。隔水管與井口鉆前設計必須考慮隔水管幾何尺寸、管材強度、浮力塊位置和尺寸、鉆井平臺定位能力、張力器極限張力、海洋環境載荷和水深等因素，此過程是一個很復雜的系統工程。目前，國外主要根據經驗和部分規范進行隔水管與井口系統設計，尚未形成隔水管與井口系統鉆前設計的指導性文件，筆者對深水鉆井隔水管系統設計影響因素進行了系統分析，結合中國南海自營井隔水管與井口系統的設計經驗，提出一套完整的隔水管與井口系統鉆前設計方法，主要包括深水隔水管系統配置、隔水管張緊力計算、井口出泥高度設計和導管入泥深度設計。

深水鉆井隔水管設計影響因素主要為環境與作業因素，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、渦激抑制設備、節流與壓井管線的工作壓力等。系統辨識深水鉆井隔水管設計的影響因素，研究各因素影響隔水管系統設計的機制及深水鉆井隔水管系統的設計方法，分析各影響因素與隔水管系統設計之間的關系。研究表明，水深和海流是深水鉆井隔水管系統設計最重要的影響因素，隔水管系統設計需要在懸掛模式與連接模式之間循環進行以得到系統最佳配置［14］。

2.1 深水鉆井隔水管系統配置

隔水管系統配置主要包括隔水管系統長度設計、壁厚校核、隔水管填充閥配置和浮力塊配置。隔水管系統長度設計應保證:當防噴器組坐于井口上且平臺處于平均海平面正常鉆井吃水位置時，伸縮節的長度接近或稍低于中沖程長度。一般深水浮式鉆井平臺上配置有多種壁厚等級的隔水管單根，進行隔水管系統設計時應保證隔水管單根壁厚能滿足環向應力、頂部軸向應力和擠毀應力要求。此外，考慮緊急脫離或井漏特殊作業工況，隔水管內部鉆井液由于密度較大會向下流動，造成隔水管內部壓力為零或很小，隔水管可能會發生壓潰失效。一般需要根據API RP 2RD進行隔水管壓潰校核，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。當隔水管內部鉆井液泄露后填充閥會自動打開，海水注入隔水管以保持內外壓力平衡，有效防止隔水管出現壓潰失效。浮力塊配置一般遵循以下準則:①整個隔水管系統重力不能超過張緊器極限承載能力，否則需要增加浮力單根數量;②水深較小時隔水管系統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布置方案，減小由渦激振動引起的疲勞損傷;③避免在大海流和波浪載荷區域使用浮力單根，以減小隔水管系統的海洋環境載荷;④隔水管系統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角，確保鉆桿在隔水管內部上下運動或旋轉時所受的摩擦力較小。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，同時需要施加額外的載荷以限制隔水管彎曲應力。隔水管張緊力設計方法包括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發生屈曲，同時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緊急脫離程序能夠安全提升整個隔水管系統。下放鉤載法的提出源于現場鉆井作業實踐經驗，現場作業時，下放BOP組到井口位置后，按7∶3或8∶2的比例將此時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置值一般取作業過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程中不再對其進行調整，除非遭遇惡劣天氣或鉆井過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鉆前設計的主要考慮因素，井口出泥高度過大會導致井口發生失穩，而過小的井口出泥高度則導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于保證后續鉆井作業的連續性和井口系統的安全性具有重要意義。井口出泥高度設計方法包括簡化算法、考慮導管大變形算法和管土耦合算法。一般來說，進行井口出泥高度設計前要進行井場調查獲取土壤參數，然后采用管土耦合算法確定井口最大出泥高度，如果沒有土壤參數建議采用導管大變形算法確定井口最大出泥高度，此方法分析結果與管土耦合模型最接近且具有一定的保守性［6，17］。當已知土壤剖面數據時可采用p－y曲線法建立隔水管－井口－導管系統整體精細有限元模型，通過提取極限工況條件下井口與導管的彎矩來確定井口最大出泥高度。

2.3 深水鉆井導管入泥深度

導管入泥深度設計是深水噴射鉆井鉆前設計的關鍵問題，若入泥深度過大，較硬的深層土將導致導管噴射下入遇卡，延誤后續作業;若入泥深度過小，導管軸向承載能力不足可能導致井口失穩下沉，甚至造成鉆井失敗。綜合考慮井口與導管噴射下入、表層套管固井和安裝BOP與隔水管工況，建立一套導管最小入泥深度設計方法，進行不同工況下的導管最小入泥深度計算。分析表明，隨著浸泡時間的增加，導管所需的最小入泥深度迅速減小，并逐漸趨于平緩。現場作業過程中，建議浸泡時間超過3 h，以保證土壤有足夠的恢復時間。表層套管固井工況比導管噴射下入工況更危險，需要更大的導管入泥深度以防止井口下沉，鉆前設計推薦以表層套管固井工況確定導管最小深度。研究連續噴射和上提/下放噴射兩種作業方式下導管最大入泥深度計算方法，比較兩種方式下的導管最大入泥深度，一般來說，上提/下放導管噴射方式下的導管入泥深度較大［17-18］。

3 深水鉆井隔水管系統作業技術

深水鉆井隔水管系統的關鍵作業工況可劃分為下放/回收作業、鉆井作業、完井作業與懸掛作業等，通過隔水管作業窗口計算能有效地確定隔水管不同作業工況允許的平臺最大偏移和環境載荷極值條件，指導深水鉆井隔水管的現場管理和作業，在保證作業安全的前提下提高作業效率。目前，國外常規做法是采用鉆井平臺偏移值與水深比值建立作業包絡線，或利用隔水管最大等效應力和撓性接頭轉角劃分作業界限，其隔水管作業窗口確定準則和表現形式較單一，有一定的局限性。為此，綜合考慮隔水管各種作業工況下的限制條件，建立不同作業工況下的隔水管作業窗口計算方法，形成一套更為完善的深水鉆井隔水管作業技術。

3.1 隔水管下放/回收作業窗口

隔水管下放/回收作業的情況包括:① 正常作業。在每口井的開始階段將隔水管下入海底，在每口井的鉆井作業結束時又須將其提到水面上;②修理作業。如果隔水管部件發生損壞需要修理，要將隔水管起出海底并重新下入海底，水下BOP發生故障時也須將隔水管與BOP起出海底回收到平臺并重新下放至海底。進行隔水管下放/回收作業時，需滿足的作業限制條件包括:①隔水管最大等效應力小于0.67倍屈服應力;② 下撓性接頭轉角小于撓性接頭轉角物理極限的90%;③隔水管不能出現動態壓縮;④最大動態張力小于卡盤極限承載能力;⑤隔水管不能與月池發生碰撞。進行不同海流和波浪組合工況下放/回收隔水管的動態響應分析，校核每種波流工況是否滿足下放/回收作業限制條件。允許作業的工況組合起來即為隔水管的下放/回收作業窗口，如圖1所示。

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

圖1中綠色區域可以進行隔水管下放/回收作業。隔水管的下放/回收作業的危險工況為飛濺區和下放至海底工況。飛濺區工況是指LMRP和BOP通過具有最大波浪載荷的飛濺區，LMRP和BOP較大的水動力外徑會導致隔水管頂部產生顯著的彎矩，使隔水管處于較危險的狀況。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，整個水深范圍內的海流與波浪載荷均作用于細長的隔水管系統，也使隔水管處于較危險的狀況［19］。

3.2 鉆完井工況作業窗口

隔水管鉆井工況主要包括鉆井作業、連接非鉆井作業和啟動脫離程序3種模式，隔水管鉆井作業工況限制條件包括上下撓性接頭轉角、伸縮節沖程、井口彎矩、隔水管和導管的最大等效應力。為了快速得到各種作業模式下的臨界鉆井平臺偏移和海流值，設計作業窗口臨界值搜索算法。該算法先按不同的海流流速和作業極限準則劃分工況，然后采用一維的非線性搜索方法求出該海流和極限準則下的臨界鉆井平臺偏移，每計算完一個臨界值后，進行極限準則和海流流速的更新，直至完成所有工況臨界值的計算。隔水管鉆井作業窗口如圖2所示，圖中綠色區域可進行正常鉆井，當鉆井平臺偏移和表面海流流速達到黃色報警線時，須停止鉆井并進行解脫準備，此時隔水管處于連接非鉆井模式;當鉆井平臺偏移和表面海流流速達到紅色報警線時，須啟動解脫程序;當鉆井平臺偏移和表面海流流速超出紅色區域時，解脫作業應已經完成，隔水管處于懸掛模式;藍色豎線為伸縮節沖程極限［20］。

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

深水鉆井作業完成后，完井作業前須用鉆桿下放采油樹坐于海底井口之上。采油樹安裝完成后，下隔水管與BOP坐于采油樹上，進行完井作業。完井作業工況主要包括下鉆刮管作業、完井管串下放作業、連接非作業和啟動脫離程序等作業模式。完井作業窗口計算方法與鉆井作業窗口基本一致，但完井作業限制條件與鉆井作業略有不同，一般須根據完井管串送入工具外徑、長度以及上下撓性接頭處的隔水管內徑計算允許的撓性接頭最大轉角［6］。

3.3 隔水管懸掛作業窗口

當臺風來臨或鉆井平臺動力定位失效時隔水管系統需要在LMRP和BOP之間實現脫離，脫離后平臺懸掛隔水管和LMRP作業以減小停工時間。隔水管懸掛作業分為硬懸掛和軟懸掛。硬懸掛模式下隔水管頂部與平臺剛性連接，平臺運動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行懸掛，由張緊器支撐伸縮節外筒到LMRP的質量，平臺升沉運動通過張緊器傳遞給伸縮節外筒，張緊器可以像彈簧一樣減緩隔水管的軸向振動。隔水管懸掛作業窗口分析方法與下放/回收作業窗口分析方法類似，硬懸掛模式下的作業限制條件與隔水管下放/回收作業窗口一致，軟懸掛模式下還須滿足伸縮節沖程和上撓性接頭轉角限制。懸掛作業窗口分析表明，軟懸掛作業窗口遠大于硬懸掛，軟懸掛作業模式一般可以滿足臺風海況條件下的隔水管懸掛作業［19］。

4 深水鉆井隔水管與井口系統完整性技術

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運動引起的波激疲勞，任何一種失效模式均會造成隔水管與井口的結構完整性失效。建立了鉆井隔水管與井口全壽命期內不同失效類型的損傷計算模型，定量評估鉆井隔水管與井口的損傷量和失效風險，進行鉆井隔水管與井口壽命分析和適用性評價。此外，隔水管接頭作為隔水管系統的重要連接單元，其完整性一直備受關注，率先開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、設計及接頭使用方法。

4.1 深水鉆井隔水管與井口系統疲勞評估

波激疲勞可分為短期疲勞與長期疲勞，長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、波浪周期和發生概率表征，稱之為波浪散點圖。隔水管與井口波激疲勞分析包括:①根據波浪譜和鉆井平臺RAO模擬隨機波浪和鉆井平臺運動，基于隔水管－井口耦合系統分析模型進行隨機動態分析，一般分析時長約為3 h;②提取隔水管與井口應力時間歷程，采用雨流計數法統計疲勞應力，采用S－N曲線法計算隔水管與井口波激疲勞損傷;③ 依次進行各個短期海況的波激疲勞計算，基于疲勞損傷線性累積準則計算長期疲勞。研究表明，波浪載荷主要影響隔水管飛濺區的波激疲勞，鉆井平臺運動對隔水管底部的波激疲勞影響較大，導管的波激疲勞也不容忽視;低頻疲勞對于波激疲勞具有重要貢獻，精確預測鉆井平臺運動是進行隔水管波激疲勞分析的關鍵［21-24］。

深水鉆井隔水管與井口渦激疲勞一直是國內外學者研究的熱點與難點，現有的渦激疲勞預測方法包括半經驗模型與數值模擬方法(CFD法)。由于CFD法所需的計算量非常大，工程上通常采用基于半經驗模型的專業軟件來預測渦激疲勞損傷。基于半經驗模型建立隔水管與井口的渦激振動疲勞壽命方法:①建立隔水管－井口系統整體有限元分析模型;②進行模態分析，提取系統各階固有模態頻率，利用有限差分法計算模態斜率和曲率;③將模態頻率、振型、斜率和曲率導入渦激疲勞分析程序，進行系統的渦激疲勞分析。分析表明，隔水管各階振動模態頻率之間的差別較小，系統容易發生多階模態同時振動;導管和隔水管底部是隔水管－井口系統的疲勞關鍵部位，系統最大疲勞損傷出現在導管上;適當地提高張緊力、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

鉆桿柱以一定轉速在隔水管內部旋轉，與其經過的所有通道均可能發生接觸、摩擦和磨損，海洋石油工業發生過多起隔水管磨損事故，嚴重威脅海洋鉆井作業安全并帶來較大的經濟和環境損失。建立隔水管和鉆桿的力學分析模型，基于間隙元提出深水鉆井隔水管－鉆桿耦合系統分析方法。分析表明，隔水管上下撓性接頭和導管段的磨損較嚴重，計算結果與現場實際較吻合。鉆井平臺偏移、隔水管頂張力和下撓性接頭轉動剛度是影響隔水管磨損的重要參數。合理地控制鉆井平臺偏移，保證較小的撓性接頭轉角可以有效控制隔水管磨損;增大隔水管頂張力和下撓性接頭轉動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估

研究國外深水鉆井隔水管連接單元結構設計特點及作業性能，結合南海深水鉆井作業環境進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，進行接頭強度及作業安全性評估，分析預測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，建立隔水管連接單元密封性能評估指標，分析密封槽內接觸變形和密封圈應力分布規律，確定合理的密封間隙，研究預防或減緩接頭密封泄漏的措施。采用期望值準則建立隔水管下放試壓作業優化模型，確定隔水管下放試壓優化分析方法，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輸、安裝、作業、回收及存放的整個過程，持續地對隔水管潛在的風險因素進行識別和評價，并采取相應的風險控制對策，將隔水管的風險水平始終控制在合理的和可接受的范圍之內。完整性管理體系大體分為3部分:風險評估、基于風險的檢測和監測、完整性管理。風險評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不同失效類型的損傷計算模型，定量評估鉆井隔水管的損傷量和失效風險。基于風險的檢測和監測是測量隔水管失效的主要手段，研究深水鉆井隔水管檢測方法，研制基于交流電磁場技術的隔水管電磁檢測裝置，進行隔水管檢測位置優化，確定隔水管單根檢測方案。同時，開展隔水管監測方法研究，設計隔水管監測裝置安裝架，設計并優化隔水管監測裝置安裝位置。探索將完整性管理理論與深水隔水管系統全壽命期間的“知識與經驗管理”有機結合的途徑，提出隔水管系統完整性管理各階段的推薦做法，并將隔水管結構的完整性管理與深水隔水管系統的生產運行管理相集成，形成指導深水隔水管系統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安全風險評價

5.1 關鍵部件的失效模式與影響分析

深水鉆井隔水管系統由一系列的部件組成，任何部件失效均有可能造成整個隔水管系統失效，產生嚴重后果。進行張緊器、伸縮節、隔水管單根、浮力塊、填充閥和撓性接頭等關鍵部件的失效模式和影響分析(failure mode and effects analysis，簡稱FMEA)，確定各關鍵部件的失效模式、原因、后果及預防措施，確保隔水管系統各關鍵部件的完整性。隔水管系統關鍵部件FMEA分析包括:①確定各關鍵部件的結構組成與工作原理，進一步將每個關鍵部件劃分為多個獨立元件，并識別各元件的失效模式。②建立各失效模式的故障樹，識別每種失效模式對應的失效原因。③建立各失效模式的事件數，推理每種失效模式對應的事故后果。④綜合考慮各關鍵部件的失效模式、原因和后果，從結構設計、定期檢測、維護保養和設備更換等方面提出失效預防措施［7］。

5.2 深水鉆井隔水管系統作業風險評估

深水鉆井隔水管作業是一個復雜的作業過程，大量風險因素給隔水管系統作業帶來巨大挑戰。隔水管作業風險因素主要包括環境、裝備、工藝和管理因素，每類都有若干個次影響因素。在此基礎上，考慮深水鉆井隔水管作業風險的各影響因子，建立深水鉆井隔水管作業風險評價指標體系。提出基于模糊層次分析法(fuzzy analytical hierarchy process，簡稱FAHP)的深水鉆井隔水管作業風險模糊評價方法，建立其作業模糊評價模型。采用FAHP計算各風險因素的權重，克服了風險各因素之間相互關聯的復雜性以及各評價專家主觀差異性，使權重劃分更為合理。FAHP中將難以量化的風險因素定量化，能更全面地評估深水鉆井隔水管的作業風險及各因素的影響情況。在深水鉆井隔水管作業風險識別與評價的基礎上，從設計、制造與運輸存儲、作業監測與管理、檢查與維護、人員教育及管理等方面提出降低隔水管作業風險的安全措施［7］。

5.3 臺風環境下深水鉆井隔水管安全保障技術

中國南海海洋環境十分惡劣，頻繁發生的臺風等災害性天氣影響深水鉆井隔水管系統安全。為此，率先開展臺風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、隔水管避臺撤離、隔水管觸底事故分析與對策研究，構建一套完整的臺風環境下的隔水管安全保障技術框架。

臺風來臨時隔水管系統須進行脫離，其脫離的時機以及脫離后的隔水管響應至關重要。進行深水鉆井平臺漂移分析和隔水管系統安全性校核，根據海況特點和風險級別確定隔水管脫離預警界限［20］。研究深水鉆井隔水管回彈問題的產生、發展、演化及其內在機制，識別隔水管反沖響應過程，主要包括隔水管彈性勢能的釋放、鉆井液下泄和隔水管在頂張力作用下的加速運動。綜合考慮張緊器和隔水管建立深水鉆井隔水管系統反沖分析模型，并進行不同影響因素下的隔水管反沖分析。分析表明，隔水管反沖響應的主要影響因素為張緊器系統、反沖控制系統、隔水管配置以及隔水管內鉆井液的摩擦力［30］。

隔水管脫離后為了避開臺風的侵襲，一般須進行隔水管避臺撤離，撤離過程中隔水管受到強烈的海流載荷作用，使平臺的撤離航向與航速受到嚴重限制。研究了隔水管避臺撤離分析方法，進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窗口，并對隔水管懸掛長度進行優化。推薦平臺采用軟懸掛模式進行撤離，如不具備軟懸掛實施條件，提前回收部分隔水管并將其余部分硬懸掛在平臺上進行撤離也是一種可行的方案［31-32］。

若平臺沒有避開臺風的侵襲，在臺風作用下平臺懸掛隔水管可能會向淺水區漂移，隔水管面臨觸底風險。研究深水鉆井隔水管觸底事故分析方法，識別隔水管觸底力學特性分析和潛在的失效風險，建立隔水管觸底后的回收作業窗口。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重，易造成平臺月池、張緊器和下撓性接頭損壞，當水深較小時還會發生隔水管斷裂失效;回收隔水管作業必須保證平臺位移和隔水管提升高度在作業窗口區域，否則會造成隔水管斷裂或LMRP的的損壞。

6 工程應用

6.1 現場應用

2012年，HYSY981平臺開啟南海“鉆探之旅”，標志著中國海洋石油工業的“深水戰略”由此邁出了實質性的一步。HYSY981平臺先后在中國南海完成LW6-1-1、LH29-2-1等多口井的鉆完井作業。與此同時，中海油服從國外收購一艘半潛平臺命名為南海8號，南海8號平臺也在南海先后完成LH26-2-1、LH29-2-2等深水井的鉆完井作業。受中海油深圳分公司和中海油服的委托，先后承擔6口自營井的隔水管與井口系統鉆前設計與作業技術研究工作，成功將深水鉆井隔水管與井口技術研究成果應用到鉆井實踐中，實現中國深水鉆井隔水管與井口系統鉆前設計與作業技術的自主設計目標，為中國深水鉆完井作業提供技術支撐。具體應用情況如下:

(1)進行中國首口超深水井LW21-1-1(水深2 451 m)的導管入泥深度設計，通過整個鉆井周期的導管與井口載荷研究與強度分析，形成導管入泥深度確定方法和設計模板。設計導管入泥深度為100 m，實際噴射入泥深度為99 m。

(2)進行 LW6-1-1、LH29-2-1、LW21-1-1、LH26-2-1、LH29-2-2和LH33-1-1井的隔水管系統鉆前設計與作業技術研究，確定此6口自營井的隔水管系統配置、下放列表、張緊力、下放/回收作業窗口、鉆井作業窗口、軟懸掛與硬懸掛作業窗口，指導隔水管系統現場作業，有效提高作業效率。

(3)進行LH33-1-1井的避臺撤離策略研究，確定LH33-1-1井的隔水管懸掛長度和平臺避臺撤離的航速與航向，成功應對臺風“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間，減小鉆井成本。

6.2 作業管理軟件

以深水鉆井隔水管與井口技術的研究成果為基礎，與中海油研究總院、2H公司合作采用MATALB語言將相關的設計、分析和計算技術集成，形成深水鉆井隔水管作業管理軟件，簡稱DDROM，軟件界面如圖3所示。DDROM可以實現隔水管系統數據存儲、系統設計、靜動態分析、作業窗口計算、作業監測參數的實時采集和作業指導等功能，基本滿足整個鉆完井過程隔水管系統設計與作業的現場需求，且該軟件已用于中國南海的深水鉆井隔水管系統的鉆前設計和作業指導，實用性較強，更好地為現場提供技術支持［33］。

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

DDROM軟件集成包括隔水管數據庫模塊、仿真模塊、鉆前指導模塊和作業指導模塊等多個模塊，各大模塊之間通過數據文件傳遞控制信號和數據，確保各個模塊的獨立性。DDROM軟件各模塊的主要功能包括:

(1)隔水管作業數據庫模塊。包含隔水管單根的類型、材料特性、力學特性等信息的隔水管單根數據庫和包含隔水管系統信息的配置數據庫，提供友好的數據顯示界面，并支持數據的增加、修改、刪除等操作。

(2)隔水管作業仿真模塊。連接模式和懸掛模式下的隔水管靜動力分析。

(3)鉆前指導模塊。鉆前的隔水管配置設計，頂張力評估，鉆井作業、下放/回收作業和懸掛作業窗口計算。

(4)作業指導模塊。可采集隔水管作業參數并實時顯示，比較當前鉆井作業狀態和作業極限，針對某個參數接近或超過作業極限的情況發出警告，并提供決策建議。

7 結論與展望

(1)提出了深水鉆井隔水管與井口系統靜態和動態分析方法、深水鉆井平臺－隔水管－井口耦合系統分析方法和深水鉆井隔水管渦激振動仿真分析方法，建立了深水鉆井隔水管與井口系統力學分析方法體系，為隔水管鉆前設計與作業指導提供理論基礎。

(2)對深水鉆井隔水管系統設計影響因素進行了系統分析，提出了一套完整的集成隔水管系統配置、隔水管張緊力計算、井口出泥高度設計和導管入泥深度設計等要素的隔水管與井口系統鉆前設計方法。

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

(4)提出了隔水管與井口系統的波激疲勞、渦激疲勞和磨損評估方法，以及隔水管接頭完整性評估流程，進一步完善了深水鉆井隔水管與井口完整性管理方案。

(5)提出了隔水管系統關鍵裝備的FMEA分析方法和基于FAHP的深水鉆井隔水管作業風險分析方法，建立了深水鉆井隔水管關鍵裝備與作業風險評價體系。

(6)對臺風環境下的隔水管系統安全保障的關鍵技術進行探索，包括隔水管脫離與反沖控制技術、隔水管避臺撤離技術以及隔水管觸底事故分析技術與對策。

(7)開發了深水鉆井隔水管作業管理軟件DDROM，承擔中國南海6口自營深水井的隔水管與井口系統鉆前設計與作業技術研究工作，成功將科研成果應用到中國南海深水鉆井實踐中，并取得良好的應用效果。

(8)考慮工程應用的需求，建議今后進一步開展深水鉆井隔水管動態風險評估、防臺風鉆井隔水管研究、隔水管完整性管理系統開發等方向的工作，完善深水鉆井隔水管與井口技術，為中國深水鉆井作業提供更全面的技術支撐。

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