超深井隔水管設計安裝影響因素與解決對策

劉娟

摘要：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，引導鉆具，作為下放與撤回井口防噴器組的載體。分析可以看出，超深水井隔水管設計的主要影響因素就是鉆井液密度、渦激抑制設備、脫離后隔水管系統懸掛模式以及水深和海流載荷等幾個方面。在設計安裝時都應給予考慮，這對提升超深水井隔水管設計，以及深海石油開采帶來幫助。

關鍵詞：超深水井隔水管；作業與環境因素；設計理論；安裝

1 概述

影響超深水井隔水管的兩個重要因素就是作業與環境因素。作業因素主要是指鉆井液密度、渦激抑制設備、脫離后隔水管系統懸掛模式等；而環境因素主要是指海流、水深、波浪等方面。對這些因素進行分析，可以為超深水井隔水管的設計提供理論指導。

2 作業因素

2.1 懸掛模式

在懸掛過程中，隔水管可能會發生動態壓縮現象。這時隔水管的彎曲應力也會相應增加，導致隔水管的上部觸到月池的危險系數大大提高。因此在設計隔水管時，必須把隔水管在懸掛狀態時的動態響應加入其中，以防止隔水管發生動態壓縮。

2.2 渦激抑制

如果水流的速度很快，隔水管還可能會出現嚴重的渦激振動，造成渦激疲勞，從而產生疲勞損傷。對此可以采用在流速較快的水域中加裝渦激抑制設備的方法。有實驗證明，使用渦激抑制設備能夠讓隔水管的渦激疲勞降低80%以上。

2.3 鉆井液密度

鉆井液密度對于隔水管的設計是十分重要的。這是因為鉆井液會對頂部漲緊力產生影響，進而影響到隔水管的有效張力。因此在進行隔水管的材質選擇時，必須按照最大鉆井液的密度來選擇。

3 環境因素

環境因素對深水管造成的影響也不應忽視，在設計時也必須考慮。

3.1 超深水井隔水管在設計時，必須考慮到水深對其造成的影響

一是水深的增加，使得隔水管的施工管理難度增加。隔水管施工管理的難度是指懸掛模式下的軸向動力響應，以及隔水管在緊急脫離后的反沖控制兩個方面。在超深水施工條件下，隔水管管柱都很長。這樣就會造成井口防噴器和隔水管的底部總成的切斷，隔水管柱就會帶來一個非常大的反沖力。這種反沖力使得隔水管產生了向上的加速運動，這給鉆井平臺帶來了不穩定因素，這就是所謂的隔水管的反沖。處于懸掛模式的隔水管系統會在鉆井船的運

動中發生軸向的動態響應，這會造成動態壓縮、動態張力放大以及軸向共振等問題。

二是水深的增加，會對隔水管的外形參數和材質等帶來影響。通常為了便于運輸，不會選擇太長的單根隔水管。同時，隔水管的壁厚也應隨著水深而加厚。這是因為水的深度加大，需要的張力也增加了。另外，還要注意管的腐蝕余量與尺寸的偏差，這些都應綜合起來考慮，然后確定隔水管的各參數。由于在超深水區的水質和環境都不好，因此隔水管的材質也應比其他區域要好，鋼級更高，抗疲勞特性也應更強。這種隔水管除了按照標準化制造以外，還要使用無縫焊接的方式進行焊接。

三是水深的增加，會使得隔水管結構更加復雜化。在超深水鉆井隔水管的設計中必須使用填充閥以及浮力塊等，以滿足超深水鉆井的需求。填充閥是為了避免隔水管擠毀現象的發生而設置的。使用浮力塊是因為它可以大大減少隔水管的單根濕重。隔水管系統的小范圍的重量補償比例可以大于1。

3.2 海流

海流載荷對于深水鉆井隔水管的施工方式有著很大的影響。在對隔水管進行設計和安裝時，必須加進對海流載荷的考慮。海流流速的增加，帶來了拖曳載荷的增加，增加了隔水管因強度不夠帶來損傷的危險，嚴重的還可能造成鉆井事故的發生，這表現在：一是海流載荷對鉆井船的偏移量產生影響。鉆井船的偏移是因為海浪載荷、海流載荷以及風載荷的共同作業而產生的。鉆井船偏移量的加大會帶來隔水管底部球鉸轉角增大。降低鉆井船的偏移量可

以降低隔水管底部球鉸轉角，也即增加了鉆井施工的時間。二是海流載荷更易造成渦激振動和疲勞。海流載荷的增加使得渦激振動也相應地加大，從而產生渦激疲勞。這種常見的渦激疲勞就是井口破壞以及隔水管損傷。三是在放置隔水管時，因隔水管在懸掛狀態，因此這時的海流對其的影響主要對隔水管的拖曳力。

3.3 波浪

波浪對隔水管設計的影響主要體現在以下兩點。第一點是鉆井平臺的相應幅值算子會對鉆井平臺運動帶來影響，從而影響隔水管頂端的動邊界條件。第二點就是波浪對隔水管會帶來水動力載荷。經過實驗分析，波浪載荷與鉆井船的升沉運動是隔水管動態響應分析的兩個最大動載荷。但是對于深水鉆井的隔水管，波浪對隔水管的局部才有影響，而升沉運動才是主要的動載荷。

4 結束語

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，引導鉆具，作為下放與撤回井口防噴器組的載體。隔水管可靠性關系到整個鉆井作業的順利完成，甚至整個鉆井平臺的安全。建立了深水鉆井隔水管連接模式和懸掛模式下的力學分析模型，識別了隔水管系統在不同作業模式下的限制準則；分別進行了連接作業窗口、下放與回收作業窗口、硬懸掛作業窗口和軟懸掛作業窗口分析，并建立隔水管系統作業可靠性分析方法；以隔水管疲勞為研究對象，介紹隔水管波激疲勞和渦激疲勞分析方法，建立隔水管綜合疲勞壽命及其可靠性分析模型；考慮失效概率和失效后果建立隔水管失效風險矩陣，形成一套深水鉆井隔水管完整性管理方案，主要包括風險分析、基于風險的檢測及監測和隔水管完整性管理3部分。相關研究成果為隔水管可靠性評估、海上鉆完井作業和隔水管完整性管理提供參考，同時也為進一步豐富隔水管規范的組織機構提供參考。

參考文獻：

[1]深水輕型隔水管發展概述[J].孫浩玉，周延軍，馬清明.中外能源. 2016（12）

[2]勘探三號平臺鉆井隔水管升級改造技術研究[J].陳才虎，王定亞，張彩瑩，王小通，王耀峰，張彬.石油機械.2016（12）

[3]深海石油鉆采隔水管浮力材料的制備及其強度分析[J].周云，易強，王莉萍，王東勝，尹衍升，董麗華.重慶大學學報.2017（07）