國外深水鉆井隔水管發展現狀及主管性能分析*

牛愛軍，畢宗岳，牛 輝，關尚虎，黃曉輝

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.天水天力特種管有限公司，甘肅 天水741020）

國外深水鉆井隔水管發展現狀及主管性能分析*

牛愛軍1,2，畢宗岳1,2，牛 輝1,2，關尚虎3，黃曉輝1,2

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.天水天力特種管有限公司，甘肅 天水741020）

闡述了國外海洋鉆井隔水管的發展狀況，并對海洋鉆井隔水管的關鍵技術進行了分析。結合我國深水隔水管的發展現狀，對國外某X80鋼級φ533.4 mm×25.4 mm深水鉆井隔水管主管進行外觀幾何尺寸、力學性能及顯微組織試驗。結果表明，該深水鉆井隔水管主管壁厚和橢圓度等外觀幾何尺寸精度控制嚴格，管體及焊接接頭的拉伸性能和沖擊韌性良好且穩定，具有優異的低溫斷裂韌性，鋼管綜合性能優異。

焊管；鉆井隔水管；力學性能；斷裂韌性

隨著油氣資源的持續開采，陸地油氣資源逐漸減少，油氣開發難度越來越大。占地球面積70%以上的海洋有著豐富的油氣資源，油氣開發重點正逐步由陸地轉向海洋，并走向深海[1]。海洋鉆井隔水管是一條從海洋鉆井平臺(或鉆井船)通往海底BOP裝置的液體輸送管道，其主要功能是提供井口防噴器與鉆井船之間鉆井液往返的通道，支持輔助管線，引導鉆具，下放與撤回井口防噴器組的載體等[2]。受海洋風、浪、流等惡劣環境和氣候的影響，深水海洋鉆井隔水管是一種具有高風險、高難度、高技術和高附加值的石油鉆井裝備[3]。海洋鉆井隔水管是海洋深水油氣勘探開發中的重要裝備單元，作為連接海底BOP至海面鉆井平臺之間的咽喉通道，目前其研究工作已引起了世界多個國家的普遍關注[4]。研究和開發具有高技術、高難度和具有高可靠性的海洋鉆井隔水管及其系統已成為一個新的技術亮點。

1 國外海洋鉆井隔水管發展現狀

隔水管技術起源于20世紀40年代末期，當時設計者的想法僅僅是為海上鉆井提供一個鉆桿導管和鉆井液、鉆屑的回路。直至20世紀50年代末期，在加利福尼亞的近海，Offshore公司在D-1號鉆井船上，首次成功地使用了一個真正意義上的隔水管，配備有頂部伸縮接頭。20世紀60年代，隨著技術的進一步發展，隔水管增加了節流管線和壓井管線，功能更加齊備。從此，隔水管技術才真正開始進入一個比較系統的發展過程[5]。

近年來，隨著海洋勘探技術的不斷進步，海洋鉆井隔水管適應海水深度的能力已超過3000 m，其系統配置更加完備，為深水鉆井技術的發展提供了良好的裝備。目前，具有較強海洋鉆井隔水管開發能力的國家為數不多，僅海洋鉆井隔水管及系統配套而言，其生產供應商主要集中在美國、挪威、法國、俄羅斯等部分發達國家[6]。美國GE-Vetco Gray公司和Cameron公司是當前世界上最大的海洋鉆井隔水管生產制造廠，不僅系統配套設施完善，系列規格較全，且以生產制造深水鉆井隔水管技術見長；法國于20世紀80年代由法國石油研究院（IFP）和Framatome公司聯合開發了夾式隔水管；俄羅斯ZAO公司于1996年開始研究用鋁合金隔水管來滿足深水和超深水鉆井等；挪威AkerKvaerner公司、美國國民油井公司NATIONAL Oil也生產制造不同形式和規格的鉆井隔水管[7]。

國外的深水鉆井技術發展速度很快，深水鉆、完井裝備的設計能力與配套水平較高，鉆井水深紀錄不斷被刷新。1965年鉆井水深紀錄僅為183m，1976年達到914m，1984年達到1 965m[8]。當前世界最大鉆井作業水深已超過3 000 m，鉆井裝備鉆深能力達11 000 m。目前，深水鉆井隔水管系統整體設計與分析技術僅被美國、俄羅斯、法國、挪威和日本等少數幾個國家相關公司所掌握， 如INTEC， Saipem， Technip， MCS， 2Hoffshore，Kingdom Drilling， Stress Engineering Seivice， JP Kenny等公司[9]。海洋鉆井隔水管作為海洋鉆井裝備的一個重要單元,其技術與產品一直被國外專業公司所壟斷。國內開展隔水管的研究較多,但系統介紹國外鉆井隔水管技術與產品的相對較少[10]。我國深海油氣勘探開發尚處于起步階段，深海鉆井隔水管技術基本處于空白，盡管國內已經建造完成3 000 m水深鉆井裝置，并開展深水鉆井技術研究，但與國外相比，我國深水鉆、完井技術仍有巨大差距，缺乏自主深水鉆井關鍵技術，且引進中存在技術壁壘，深海鉆井隔水管管材基本上依賴進口，嚴重制約著我國深水石油開發進度。

2 海洋鉆井隔水管關鍵技術分析

鉆井隔水管是海底井口與鉆井船之間最弱、最重要的連接部件，隨著海洋鉆井向深水和超深水發展，工況環境更加惡劣，開采難度大、風險高，海水腐蝕、浪涌、洋流環境、海洋渦激振動和深水壓力等對深海鉆井裝備提出了更嚴格的要求[11]。相對于常規水深（水深＜500 m）和深水（水深為 500～1 500 m）隔水管， 超深水（水深＞1 500 m）鉆井隔水管結構更加復雜，作業環境更加惡劣[12]。受深水鉆井隔水管服役工況及作業因素等影響，深水鉆井隔水管壁厚大、直徑小，對管材的強度、塑性、韌性、疲勞性能、耐蝕性、耐磨性能和可焊性均提出更高的要求，尤其對焊接鋼管焊接接頭的斷裂韌性有更嚴格的要求。同時，隨著鉆井水深的增加，隔水管單根管壁越來越厚（抗擠毀、提高強度），長度越來越長（提高作業效率），材料鋼級越來越高（提高屈服極限），接頭強度越來越高（焊接接頭的斷裂韌性），給深水鉆井隔水管的研發帶來了一系列的新問題[13]。

深水鉆井隔水管是深海石油勘探開發的關鍵技術裝備，是深水鉆井船或者鉆井平臺設計的決定性因素，也是決定深水鉆井成敗的關鍵之一。我國海洋石油勘探開發正在向深水和超深水進軍，開展超深水鉆井隔水管技術研究，掌握超深水鉆井隔水管系統設計及制造技術，對提升我國深海石油勘探開發能力具有重要意義[14]。

3 國外海洋鉆井隔水管主管性能分析

為提高我國深水鉆井隔水管的設計及制造技術能力，有必要結合我國目前深水開發的現狀，充分借鑒國外的研究成果與研究經驗，開展深水鉆井隔水管設計及制造技術研究，通過基礎理論研究與核心技術自主研發，掌握深水鉆井隔水管系統設計的關鍵技術。為此，對日本某公司生產的X80鋼級φ533.4 mm×25.4 mm深海鉆井隔水管主管進行了力學性能及顯微組織試驗分析。

3.1 外觀幾何尺寸

對鋼管壁厚不均勻度、外徑及內徑橢圓度等外觀幾何尺寸進行實體檢測，檢測結果見表1。

表1 鋼管外觀幾何尺寸檢測結果

從表1可看出，國外制造的X80深海鉆井隔水管主管具有較高的外觀幾何尺寸精度，對壁厚和橢圓度等外觀幾何尺寸控制達到了DNVOS-F101海底管道系統規范中對鋼管增強尺寸的補充要求。

3.2 化學成分

采用ARL3460金屬光譜儀對X80鋼級φ533.4 mm×25.4 mm深海鉆井隔水管的材料進行化學成分分析，結果見表2。

表2 X80深海鉆井隔水管的主管化學成分 %

從表2可看出，國外X80深海鉆井隔水管主管用管材采用低C、高Mn的合金化設計，加有微合金化元素Nb，V，Ti和合金元素Mo，Ni，Cu，Cr等。w（C）嚴格控制在0.07%以下，加入較多的Mn，既達到管材所要求的強度，又降低了合金化成本。加入適量的Mo，Ni，Cu和Cr，使管線鋼獲得細小、均勻的貝氏體/針狀鐵素體組織。S和P等夾雜物得到控制嚴格，碳當量CEPcm處于較低水平，焊接中出現淬硬組織的傾向較小。

3.3 拉伸性能

在鋼管管體及焊接接頭位置分別取橫向拉伸試樣，進行試驗，結果見表3。

表3 X80深海鉆井隔水管橫向試樣拉伸試驗結果

從表3可看出，鋼管的力學性能表現優越。管體屈服強度和抗拉強度滿足API SPEC 5L規定的X80管材Rt0.5=555～675 MPa，Rm=625～825 MPa的指標要求，屈服強度和抗拉強度實測值基本上處于指標上下限的中間區域，且試驗結果比較穩定，波動在15 MPa以內；鋼管具有較高的延伸率和較低的屈強比，表現出良好的塑性；焊接接頭的平均抗拉強度略高于管體母材，焊接材料的選擇為高強匹配。

3.4 夏比沖擊性能

在鋼管管體及焊接接頭位置分別取管體母材橫向、縱向及焊縫和熱影響區全尺寸（10 mm×10 mm×55 mm）夏比沖擊試樣，進行試驗，結果見表4。系列溫度下管體橫向夏比沖擊溫度轉變曲線如圖1所示。

表4 －20℃下X80深海鉆井隔水管管體和焊接接頭的夏比沖擊試驗結果

圖1 系列溫度下管體橫向夏比沖擊溫度轉變曲線

從表4可以看出，鋼管管體及焊接接頭沖擊韌性較高，穩定性好。在－20℃下焊接接頭熱影響區和焊縫沖擊功平均值在210 J以上，沖擊功的波動較小，控制在20J以內。從圖1可以看出，在－60℃下，鋼管管體夏比沖擊功在280 J以上，剪切面積在98%以上，具有優異的低溫韌性。

3.5 金相組織和硬度

在鋼管管體及焊接接頭位置分別取檢測試樣，進行金相組織分析及硬度檢測。管體母材顯微組織如圖2所示，焊接接頭的宏觀照片及各部分的顯微組織如圖3所示。

圖2 管體母材的金相組織

圖3 焊接接頭宏觀照片及各部分的顯微組織

從圖2可以看出，鋼管基體組織均為鐵素體+彌散分布的貝氏體雙相組織，具有典型高強度管線鋼的組織形貌。基體組織晶粒細小，細小晶粒在有效提高強度的同時，通過晶界的延長，有效阻止裂紋擴展，提高韌性，降低材料的轉變溫度。從圖3可以看出，焊接接頭外觀形貌美觀，焊縫金屬與母材過渡平滑，從內焊與外焊縫上看幾乎無焊偏；焊縫組織以針狀鐵素體為主，熱影響區組織以粒狀貝氏體為主，熱影響區寬度較窄，晶粒尺寸較小，保證了焊接接頭整體具有較高的沖擊韌性。

焊接接頭硬度檢測位置如圖4所示，維氏硬度檢測結果見表5。

圖4 硬度檢測位置示意圖

表5 硬度檢測結果

從表5可以看出，鋼管整體最大硬度不超過245 HV10，管體母材與熱影響區之間的平均硬度最大相差14 HV10，表明鋼管在焊接過程中存在熱影響區軟化現象，但受到的影響較小。

3.6 裂紋尖端張開位移（CTOD）

分別取管體母材橫向、縱向及焊縫和熱影響區的CTOD試樣，采用MTS810材料試驗機，按照GB/T 21143—2007進行裂紋尖端張開位移試驗，試樣尺寸為16 mm×32 mm×160 mm，試驗溫度為0℃，試驗結果見表6。

表6 CTOD試驗結果

從表6可以看出，X80深海鉆井隔水管主管的管體及焊接接頭具有良好的斷裂韌性，在0℃下，焊縫位置處的裂紋尖端張開位移（CTOD）特征值最小為0.34 mm，滿足API SPEC 5L和DNV-OS-F101等相關技術規范中對海洋服役環境下焊接鋼管母材和焊接接頭CTOD特征值最小為0.2 mm的指標要求。

4 結 論

（1）海洋鉆井隔水管作為海洋深水油氣勘探開發的一個重要裝備單元，是一種具有高風險、高難度、高技術、高附加值的石油鉆井裝備。隨著全球范圍內海洋油氣勘探開發工作不斷向深水領域進軍，研究和開發具有高技術、高難度和高可靠性的海洋鉆井隔水管及其系統已成為一個新的亮點。

（2）國外的深水鉆井技術發展速度很快，深水鉆、完井裝備的設計能力與配套水平較高，鉆井水深記錄不斷被刷新。我國深海油氣勘探開發尚處于起步階段，缺乏自主深水鉆完井關鍵技術，深水鉆井隔水管主要依賴進口。

（3）惡劣的深海服役工況和復雜的作業因素對深水鉆井隔水管管材的強度、塑性、韌性、可焊性、疲勞性能、耐蝕性、耐磨性能及抗壓潰性等提出更高要求，尤其對鋼管外觀幾何尺寸精度及焊接接頭的斷裂韌性的要求更為嚴格。

（4）對日本某公司制造的X80級φ533.4mm×25.4 mm深水鉆井隔水管主管進行外觀幾何尺寸及實物性能檢測分析，結果表明，國外生產的深水鉆井隔水管主管壁厚和橢圓度等外觀幾何尺寸精度控制嚴格；采用低C、高Mn的微合金化設計，嚴格控制S，P等有害元素含量，管材可焊性好；管體及焊接接頭的拉伸性能和沖擊韌性良好且穩定性好，具有優異的低溫斷裂韌性；鋼管綜合性能優異，可靠性高。

［1］候福祥，王輝，任榮權，等.海洋深水鉆井關鍵技術及設備[J].石油礦場機械， 2009， 38（12）： 1-4.

［2］BAI Y， BAI Q.Subsea Pipelines and Risers[M].[s.l.]：Elsevier Science Ltd.， 2005.

［3］王進全，王定亞.國外深水鉆井隔水管與國產化研究建議[J].石油機械， 2009， 39（9）： 147-150.

［4］彭朋，陳國明.深水鉆井隔水管多模式損傷評估[J].石油礦場機械， 2009， 38（7）： 10-14.

［5］周俊昌.海洋鉆井隔水管系統分析[D].成都：西南石油學院，2001.

［6］王定亞，李愛利.深水鉆井隔水管系統配套技術研究[J].石油礦場機械， 2010， 39（7）： 12-15.

［7］王定亞.海洋鉆井隔水管國外技術與國產化研究[C]//深水半潛式平臺立管及錨泊技術演習會論文集.天津：中國石油天然氣股份有限公司，2007.

［8］JOHNSON A S， SMITH G D.The technology of drilling in 7500 ft of water[C]//SPE California Regional Meeting.USA： California， 1984： 12793-MS.

［9］王進全，王定亞.國外海洋鉆井隔水管與國產化研究建議[J].石油機械， 2009， 37（9）： 147-150.

［10］暢元江，陳國明，鞠少棟.國外深水鉆井隔水管系統產品技術現狀與發展[J].石油機械， 2008， 36（9）：205-209.

［11］武占學，黨恩，劉宏亮，等.X80鋼管焊接接頭斷裂韌性試驗分析[J].焊管， 2011， 34（3）： 29-32.

［12］暢元江，陳國明，許亮斌，等.超深水鉆井隔水管設計影響因素[J].石油勘探與開發， 2009， 36（4）：523-528.

［13］蘭洪波，張玉霖，菅志軍，等.深水鉆井隔水管的應用及發展趨勢[J].石油礦場機械， 2008， 37（3）：96-98.

［14］陳國明，殷志明，許亮斌，等.深水雙梯度鉆井技術研究進展[J].石油勘探與開發， 2007，34（2）： 246-251.

［15］楊進，曹式敬.深水石油鉆井技術現狀及發展趨勢[J].石油鉆采工藝， 2008（2）： 10-13.

Development Status of Overseas Deepwater Drilling Riser and Main Pipe Performance Analysis

NIU Aijun1,2,BI Zongyue1,2,NIU Hui1,2,GUAN Shanghu3,HUANG Xiaohui1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods， Baoji 721008， Shaanxi，China；2.Steel Pipe Research Institute，Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008，Shaanxi，China;3.Tianshui Tianli Special Steel Pipe Co.,Ltd.,Tianshui 741020,Gansu,China)

In this article,it expatiated the development status of overseas marine drilling riser,and analyzed its key technology.Combined with the development status of China deepwater drilling riser,some tests were carried out for some overseas X80 φ533.4 mm×25.4 mm deepwater drilling riser,such as geometrical dimension test,mechanical performance test and microstructure test.The results showed that the wall thickness,ovality and geometrical dimension precision are strictly controlled,the tensile properties and impact toughness of pipe body and welded joints are good and stable,the low temperature toughness is excellent,and the comprehensive performance of the riser pipe is excellent.

welded pipe;drilling riser;mechanical peoperties;fracture toughness

TGE832

A

1001－3938（2015）09-0006-06

國家高技術研究發展計劃（863計劃）課題“深水鉆井隔水管系統工程化研制”（項目號2013AA09A222）。

牛愛軍（1980—），男，陜西武功人，主要從事油氣管材的新產品開發、新工藝和新技術研究工作。

2015-01-05

李 超