深水隔水管疲勞監測方法初探

李保軍，鄧 欣，申曉紅，黎 昵，何 軻，姜 喆 ，王海燕*

(1. 西北工業大學航海學院，陜西 西安 710072;2. 湛江南海西部石油勘察設計有限公司，廣東 湛江 524057)

深水隔水管疲勞監測方法初探

李保軍1，鄧 欣2，申曉紅1，黎 昵2，何 軻1，姜 喆1，王海燕1*

(1. 西北工業大學航海學院，陜西 西安 710072;2. 湛江南海西部石油勘察設計有限公司，廣東 湛江 524057)

深水隔水管是海洋油氣鉆探開發的關鍵構成，也是最脆弱、最危險的部件。深水隔水管疲勞監測技術在預防隔水管事故方面具有不可或缺的作用。我國已踏上深水油氣鉆探開發的新征程，迫切需要強大的隔水管監測技術作支撐。為此，介紹了隔水管監測的目的和意義，探討了深水隔水管疲勞監測的相關方法，特別對疲勞參數檢測及其傳輸方法兩個關鍵難題給予足夠關注。隨后介紹了我國的隔水管疲勞監測技術以及南海試驗，旨在為深水油氣鉆探開發的安全進行提供技術支持。

深水隔水管； 疲勞； 監測； 水聲監測網絡

0 引 言

鑒于油氣資源需求的持續走高和陸地油氣資源的日漸枯竭，人類將目光投向廣袤的海洋[1]。進入21世紀，隨著國際石油勘探轉向深海大趨勢的形成和南海深水資源的發現，中國向深海進軍的步伐明顯加快[2]。2012年5月9日，隨著具有3 000 m水深作業能力的第六代深水半潛式鉆井平臺“海洋石油981”在南海1 500 m水深海域開鉆，我國邁進深水油氣勘探開發的新時代。

隔水管是深水油氣勘探開發的重要武器，也是深水油氣開發技術上要求最高、最具挑戰性的部分。首先，隔水管是海上鉆井作業的先決條件，是鉆井要下水的第一層管柱，并一直起到提供循環通道、支撐井口防噴器組、提供海面平臺到海面通道的作用[3-4]。其次，在深水區，隔水管自身特點和深水環境使得其極易疲勞損傷[5-8]。近年來發生在墨西哥灣、北海、西非海域、巴西海域等地的一系列隔水管疲勞失效事故[9]，不僅體現了深水油氣勘探開發的高風險，更充分說明了隔水管疲勞監測的必要性、重要性和緊迫性[10-11]。

隔水管疲勞監測發軔于其服役期間遭遇的慘痛事故和深刻教訓[12-14]。國外的相關單位涉足深水區域較早[15-16]，已在隔水管疲勞監測方面積累了豐富的經驗[17-18]，并制定了隔水管完整性管理技術[19-20]。通過對監測和檢測設備獲得的信息數據進行分析、處理和評價，識別危害立管安全的危害、失效因素，并結合公司效益開展風險評估，制定合理的、必要的檢測、維護、維修計劃和實施方案。其目的是保證隔水管系統物理和功能上的完整，使之始終處于受控狀態，通過及時采取措施防止失效事故發生，減少人員、財產、操作和環境等方面的損失。

隨著我國海洋油氣鉆探開發不斷朝深水區邁進，隔水管用量將急劇攀升。沒有一流的監測技術作保障，隔水管將面臨疲勞失效乃至斷裂的風險。但是，國外對我國要么采取技術保密策略，要么索要高昂的費用，單套設備每月租賃費用便高達百萬元人民幣。此外，基于水聲的隔水管疲勞監測設備，其性能嚴重依賴于所在區域的海洋環境，而我國的海洋環境之獨特，世界罕有。因此，掌握擁有自主知識產權的深水隔水管疲勞監測技術是最佳對策。

本文介紹了隔水管監測的目的和意義，探討了深水隔水管疲勞監測的相關方法，特別對疲勞參數檢測及其傳輸方法兩個關鍵難題給予了足夠關注。介紹了我國隔水管疲勞監測樣機的南海試驗，旨在促進擁有自主知識產權的深水隔水管疲勞監測技術的發展，為我國深水油氣鉆探開發的安全進行提供技術支持。

1 隔水管疲勞監測的目的與意義

1.1 隔水管疲勞誘因

隔水管疲勞損傷受多種因素影響，其中渦激振動(VIV)、位移、碰撞與摩擦等需要進行長期監測，其危害詳述如下。

(1) VIV。VIV產生周期性交變應力，在若干周期內就能導致隔水管失效, 是隔水管疲勞的最重要因素[21-22]。與淺水相比，深水隔水管更易發生VIV，主要原因為：①隔水管長度大幅增加，質量增大，固有頻率變小，降低了VIV的誘發條件；②深水區海域開闊，海洋流速大，提高了VIV的頻率模態和高次諧振的概率。

(2) 位移(偏移)。在深水區，海面采用浮式平臺，隔水管失去固定支撐和毗連物。在海流力作用下，隔水管會擴大拖曳而增大變形，產生大的準靜態橫向位移[23]，即偏離海底井口正上方的位置，如圖1所示。在風浪作用下，平臺漫漂亦使隔水管橫向位移增大。隔水管橫向位移的直接后果是產生應力累積和集中，加速隔水管疲勞損傷。此外，橫向位移增大還會導致隔水管強度降低，也將加速隔水管的疲勞損傷。

圖1 隔水管偏移與包絡線圖解Fig. 1 Offset and envelopes of marine riser

(3) 碰撞與摩擦。碰撞與摩擦是鉆井隔水管疲勞的第三種因素[24]，其原因是隔水管位移超出其作業包絡線[25]。海水深度增加，隔水管的安全包絡線將變窄，但隔水管的轉角卻變大。當底部轉角超過額定范圍時，隔水管與旋轉鉆桿之間發生摩擦而導致隔水管磨損、變薄、應力累積超過屈服應力極限乃至爆裂，從而引發更嚴重的鉆井事故。

1.2 監測的目的與意義

深水油氣勘探開發是高風險活動。為了降低其風險、避免疲勞損傷事故、確保資源完整性，隔水管監測在海洋油氣勘探開發中占有獨一無二的地位[26]。其重要意義體現在：(1)隔水管疲勞壽命評估。隔水管疲勞監測是疲勞壽命評估的前提和基礎。通過分析監測數據，可知其環境載荷實況、自身的動靜態響應特性和應力水平，進而利用各種方法計算其疲勞狀態、預測其剩余壽命[27-28]。(2)掌控隔水管空間姿態，對潛在危害進行預警，為其安全運行提供保障，為隔水管的維護、維修提供依據。(3)檢驗隔水管設計理論，改進設計規范[15]。

2 隔水管疲勞監測內容

一個典型的隔水管疲勞監測系統包含監控中心和若干監測設備[29]。監控中心一般位于海面平臺或浮式設備中，由工控機或者計算機以及相應的軟件系統構成，用于接收、顯示、存儲來自下位機的疲勞參數，為隔水管作業狀態和疲勞壽命評估提供原始數據。監測設備包含傳感模塊、存儲模塊、通信模塊、電源模塊和控制模塊(CPU)。傳感模塊負責監測參數的傳感與采集，監測參數既包含海洋環境載荷，又包含隔水管自身的真實響應。存儲模塊負責數據存儲，其空間大小由監測設備工作期間所采集的數據量決定。通信模塊負責將數據傳輸至監控中心。電源模塊為監測設備供電。控制模塊監控前述各模塊的工作模式。由于監測設備長期在深水中工作，前述各模塊必須有機結合地放置在防水防腐耐壓儀器艙內。

參數檢測及其傳輸是隔水管疲勞監測的核心內容，詳述如下。

2.1 監測內容

隔水管疲勞監測的內容包含VIV、偏移以及碰撞與摩擦，具體參數與作用如下。

(1) 洋流。洋流監測的作用：①為隔水管配置和頂張力大小提供參考；②用于隔水管準靜態分析，估計隔水管的位移；③用于VIV分析，根據洋流估計VIV的頻響范圍。因原理差異，隔水管周圍海洋流速監測方法有兩種：聲學多普勒剖面儀(ADCP)[30]和機械式海流計。ADCP精度高，信息量大，解算復雜，價格昂貴。機械式海流計結構比較簡單，功耗甚微，但精度稍低。目前，國際流行的海洋流速監測儀器是ADCP。無論何種方案，流速監測都應消除隔水管尾流區紊流的影響。

(2) 應變。通過隔水管整體的應力[31-34]狀態，可以直接計算其疲勞壽命，是監測VIV的重要方法；另一方面，應變監測還可以監測隔水管的軸向張力和偏移導致的靜態應變。目前，隔水管裸單根和鋼懸鏈式立管(SCR)的應力應變監測主要用光纖布拉格光柵(FBG)傳感器[35-37]；頂張緊式立管(TTR)法蘭盤間的應力監測設備有應力環。FBG應變傳感器的加裝有兩種形式，即管外固定和管壁內嵌。對于TTR和SCR等，FBG傳感器采用管外固定；對于柔性管，將FBG應變傳感器內嵌在管壁中[37]。管外固定法應用更廣泛。但是，由于隔水管結構的特殊性和海洋環境的限制，FBG傳感器面臨著安裝和傳感精度方面的挑戰。

(3) 三維(3D)加速度。隔水管加速度監測屬于運動監測范疇。通過加速度數據來分析隔水管VIV是監測VIV的另一重要方法[38-39]。由于存在多種因素的耦合，直接測量隔水管交變應力存在困難[40]，通過監測隔水管加速度進而間接獲取其疲勞壽命的方法被業界廣泛使用。由加速度數據很容易得知隔水管VIV的頻率響應。但是，因VIV的復雜性，隔水管振幅(位移)的均方根被用來表征VIV特性。由加速度直接到振幅須經三次濾波和兩次積分運算。但是，VIV為低頻多模態振動，積分運算擴大低頻誤差，而濾波器的低頻截止頻率既不能太大以至將信號濾除，又不能過小而增大誤差，所以將Welch功率譜算法[41]和相關陣分解法[42]等間接法用于計算VIV的均方根位移。

(4) 傾角。監測傾角的作用體現在：①剔除混雜在加速度數據中的重力分量[43]；②掌握隔水管姿態。主要傳感器有雙軸傾角傳感器、陀螺儀等。在具體的監測應用中，主要根據隔水管的類型來判斷傾角監測的作用。

(5) 轉角。隔水管兩端撓性接頭的轉角是表征隔水管作業窗口的重要參數，主要用姿態導航系統、陀螺儀、羅盤等共同完成[44]。

(6) 位移(偏移)。偏移是表征隔水管姿態和海面平臺位置的重要參數。目前隔水管偏移監測有兩種方法：①監測隔水管兩端和中跨的傾角、壓力與溫度以及海面平臺偏移[45]；②通過監測流經隔水管的海洋流速，結合隔水管管徑、密度等參數，利用有限元等方法計算[46]。

BP公司、2H公司等的監測實踐表明[47-49]，為了達到最佳的監測效果，多種參數常常一并監測，如海洋流速和3D加速度、3D加速度和傾角、加速度和應變等[50]。

2.2 數據傳輸方法

監測設備至監控中心的疲勞數據傳輸是隔水管疲勞的另一核心技術。根據供電和數據通信方式的差別，將現有的離線、有線和水聲三種監測方法[51-54]及其優劣對比如下。

(1) 離線監測[圖2(a)]。離線監測設備由電池供電，數據傳輸待設備被取回后，利用通信線纜與監控系統進行數據讀取。不過離線監測設備的取回由(ROV)實現或待隔水管回收時進行。

(2) 有線監測[圖2(b)]。有線監測供電和數據傳輸用電纜實現。

(3) 水聲監測[圖2(c)]。其由電池供電，數據經水聲通信傳至監控中心。

圖2 三種隔水管疲勞數據傳輸方式圖解Fig. 2 Three kinds of marine riser fatigue data transmission methods

三種方法的優劣對比如表1所示。

表1 三種方法優劣對比

在2H公司多年的隔水管VIV監測[55-66]中，離線監測法最常用(表2)。現場實測的隔水管VIV

頻率有0.09 Hz、0.1 Hz、0.11～0.42 Hz、0.15～0.2 Hz及0.55～4.65 Hz等，而且隔水管越短，響應頻率越高，與理論相符。上述結果不僅表明隔水管VIV的低頻多模特性，而且可為后續監測設備采樣頻率的選擇提供參考。

但是，離線監測無法及時對隔水管狀態進行預警。有線監測不僅費用高昂，而且可靠性差，在深水隔水管監測中應用越來越少。隨著水聲通信技術的成熟，基于水聲的隔水管監測成為新的發展方向。Sonardyne公司的隔水管剖面系統[67]、隔水管防噴器(BOP)轉角[44]監測設備[圖2(c)]全是基于水聲的。但在已公開的資料中，尚未發現大量部署基于水聲的VIV監測設備用于隔水管疲勞監測。

表2 隔水管VIV監測實例

注：DrillR表示鉆井隔水管，ACC表示3D加速度記錄儀。

3 我國深水隔水管疲勞監測研究現狀

“十一五”期間，中海油研究總院與西北工業大學聯合研制出適用于3 000 m水深的隔水管疲勞監測系統。該系統由監控中心和監測設備兩部分構成。監控中心以運行監測軟件的專業工控機、數據接收機為基礎，并配備全球定位系統(GPS)，負責隔水管疲勞數據的接收、顯示、存儲與預警。監測設備能記錄海洋環境載荷和隔水管響應兩方面的海洋流速、3D加速度、傾角和隔水管應變4類參數，而且數據傳輸利用水聲通信實現。深水隔水管監測系統樣機于2012年在HYSY981鉆井平臺上順利通過海試。圖3和圖4給出了監測系統樣機海試的安裝過程。圖5是數據接收端界面。海試所測傾角與HYSY981鉆井平臺的Kongsberg所測結果大體一致。該監測系統的測量精度與國外同類產品持平，總體性能略優于國外產品。同時，與國外的監測儀器相比，我國的隔水管疲勞監測樣機體積較大，不易安裝。下一步應對其進行優化，在保證監測指標要求的前提下，減小體積，降低質量，以便于運輸和安裝操作。

圖3 隔水管監測系統樣機加裝Fig. 3 Prototype installation of riser monitoring system

圖4 監測系統樣機海試照片Fig. 4 Sea trials of riser monitoring system

圖5 監控中心操作界面Fig. 5 Operation interface of monitoring and command center

4 深水隔水管疲勞監測研究展望

我國深水隔水管疲勞監測技術的研究工作起步較晚，但在掌握先進技術的基礎上，避免了國外遭遇的曲折，起點較高。目前正在進行由多套監測設備構成的深水隔水管疲勞全局監測的研究工作，如圖6所示。

圖6 深水隔水管疲勞監測網絡Fig. 6 Network architecture for fatigue monitoring of deepwater riser

在參數監測方面，監測系統不僅具有VIV、應變、海洋流速、偏移、防噴器(BOP)處轉角等參數的監測能力，而且還有隔水管姿態報警功能，是一種全新的監測策略。在數據傳輸方面，是一個水聲網絡組網問題。隔水管疲勞監測受以下幾方面的制約：(1)水聲信道，其可用帶寬有限、時延大、衰減嚴重[68-70]、速率距離之積不超過40 km·kb/s[71]、環境噪聲和其他聲源干擾嚴重[72]。(2)監測裝置本身由電池供電，為能量受限系統。

下一步應重點解決隔水管疲勞監測網絡所遇制約因素，提高其效用。

5 結束語

本文首先介紹了隔水管疲勞監測的原因、目的與意義，隨后介紹了疲勞監測的原理與內容，重點關注參數檢測與數據傳輸兩個核心技術，并對各種參數監測的作用、數據傳輸方法進行比較。基于水聲傳輸的監測技術代表著深水隔水管疲勞監測技術的發展方向。

與國外相比，我國的隔水管疲勞監測技術起步較晚，但起點較高，且避免了國外所走的彎路。基于水聲網絡的深水隔水管疲勞監測技術將進一步提高監測性能，為我國深水石油勘探開發的安全、可靠進行提供強有力的技術保障。

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PreliminaryInvestigationonMonitoringMethodsforDeepwaterRisers

LI Bao-jun1, DENG Xin2, SHEN Xiao-hong1, LI Ni2, HE Ke1, JIANG Zhe1, WANG Hai-yan1

(1.SchoolofMarineScienceandTechnology,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an,Shaanxi710072,China;2.Survey&DesignCompany,CONHW,Zhanjiang,Guangdong524057,China)

Marine riser is the key but the most brittle assembly in deepwater oil exploration and production. The fatigue and fracture accident of deepwater risers, which are caused by factors such as vortex-induced vibration(VIV), offset of platform and so on, not only lead to huge economic loss, but also bring out marine ecological disaster and even create international political problems. The deepwater riser monitoring technology, starting from the fatigue and fracture accident the risers encountered, is the important guaranty for them to run safely during service and plays a vital role in the evaluation of structural fatigue damage and early warning of fracture accident. The advanced fatigue monitoring technologies are required urgently to meet the new journey of deepwater exploration and production industry that our country has embarked on. The why and how on fatigue monitoring of deep water riser is reviewed. The key parameters to monitor, the detecting methods and the manners of data transmission for their fatigue monitoring are introduced, and more attention is paid to the latter two. At last, the states of the art of fatigue monitoring methods in China and the test in South China Sea are discussed. Some suggestions on deepwater riser monitoring are given to support exploration and operation of deepwater oil and gas industry in a safe and environmentally responsible manner.

deepwater riser; fatigue; monitoring; underwater acoustic monitoring network

TE973.92

A

2095-7297(2014)01-0062-08

2014-02-21

國家科技重大專項(2011ZX05026-001-06)、國家自然科學基金(51249005,60972153)、教育部博士點基金(20106102120013,20096102110038)

李保軍(1983—)，男，博士研究生，主要從事海洋油氣管線監測方面的研究。

*通信作者