探井隔水導(dǎo)管在臺(tái)風(fēng)期間力學(xué)影響研究

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(1. 中海石油(中國(guó))有限公司 上海分公司，上海 200335； 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 海洋工程研究院，北京 102249)

隔水導(dǎo)管是近海油氣勘探開發(fā)使用最廣泛的裝備，在海洋油氣安全開發(fā)中扮演重要的角色[1]。隔水導(dǎo)管需要在惡劣的海況環(huán)境下作業(yè)，如果遇到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，可能會(huì)引發(fā)井口失穩(wěn)，造成嚴(yán)重的作業(yè)事故[2]。例如，海洋石油942平臺(tái)在某氣田延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)，曾出現(xiàn)隔水導(dǎo)管發(fā)生旋轉(zhuǎn)、偏移的復(fù)雜情況。

探井延長(zhǎng)測(cè)試一般需要持續(xù)數(shù)月，時(shí)間跨度長(zhǎng)。對(duì)于探井隔水導(dǎo)管而言，隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性是保證延長(zhǎng)測(cè)試安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[3]。隔水導(dǎo)管軸向受力主要來自于頂部集中載荷、張緊器上提力；橫向載荷主要來自于海風(fēng)、波浪力與海流力等[4]。當(dāng)遭遇超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)時(shí)，在軸向、橫向載荷的綜合作用下，隔水導(dǎo)管的橫向位移增大，等效應(yīng)力增加，使得隔水導(dǎo)管產(chǎn)生失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)增大[5]。

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)隔水導(dǎo)管與載荷相互作用關(guān)系進(jìn)行了較多研究，取得了不少的成果[4-8]。但只從理論角度對(duì)隔水導(dǎo)管進(jìn)行力學(xué)分析，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隔水導(dǎo)管現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工況下的受力還有一定難度，尤其是在臺(tái)風(fēng)極限工況下，隔水導(dǎo)管受力情況沒有定性或定量的研究，僅停留在數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)研究階段[9]。因此，有必要開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究在臺(tái)風(fēng)極限工況下，對(duì)隔水導(dǎo)管強(qiáng)度的影響，為海上探井作業(yè)提供技術(shù)支撐和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)原理與裝置

1.1 試驗(yàn)原理

圖1 探井隔水導(dǎo)管及井口的受力示意

隔水導(dǎo)管在工作過程中承受的主要載荷有頂部集中載荷、張緊上提力、橫向的波浪力與海流力等。在隔水導(dǎo)管管柱上取微元段dx，內(nèi)力符號(hào)Q和M分別為管柱的剪力和彎矩，如圖2所示。

圖2 微元段力學(xué)分析

微元段的力矩平衡關(guān)系可得到延長(zhǎng)測(cè)試工況下隔水導(dǎo)管受力模型。

(1)

式中:ECIC(x)為表層導(dǎo)管抗彎剛度，kN·m；DC(x)為套管柱外徑，m；N(x)為沿x方向變化的軸向力，kN ；p(x,y)為單位面積上的地基反力,kPa；q(x)為單位長(zhǎng)度上的分布載荷，kN。

1.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和不間斷電源系統(tǒng)(UPS)

在國(guó)內(nèi)外管柱試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套應(yīng)力采集系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)包括應(yīng)變采集儀(如圖4)、應(yīng)變傳感器(如圖5)、工業(yè)便攜機(jī)、防爆柵、數(shù)據(jù)線等。

UPS系統(tǒng)主要由穩(wěn)壓器、儲(chǔ)能器、免維護(hù)蓄電池組成，可以提供應(yīng)力采集系統(tǒng)15 d的電力供應(yīng)。

應(yīng)力采集系統(tǒng)將應(yīng)變采集儀和水文采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接到工業(yè)便攜機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。隔水導(dǎo)管在外載荷作用下產(chǎn)生應(yīng)變，該應(yīng)變被貼在隔水導(dǎo)管外壁的應(yīng)變片捕捉，并通過電纜傳遞給應(yīng)變采集儀，最后將數(shù)據(jù)在工業(yè)便攜機(jī)進(jìn)行處理，從而得到外載荷施加給管柱的真實(shí)應(yīng)變值。

1.3 隔水導(dǎo)管模型試驗(yàn)

選取在海上作業(yè)的海洋石油942平臺(tái)為試驗(yàn)場(chǎng)地；選取的管柱為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)的隔水導(dǎo)管。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查，隔水導(dǎo)管受力情況采用探井分析常用模型，模型參數(shù)如表1。

圖3 應(yīng)力采集系統(tǒng)工作原理

圖4 應(yīng)力采集儀

圖5 應(yīng)變傳感器

表1 模型參數(shù)

2 試驗(yàn)步驟

本試驗(yàn)只測(cè)定隔水導(dǎo)管管柱表面的應(yīng)變。

2.1 應(yīng)變片粘貼方案

為得到管柱不同位置處的應(yīng)變值，選取管柱頂部L/20處截面作為貼片位置，每個(gè)截面環(huán)向間隔90°選取4個(gè)點(diǎn)作為貼片位置，應(yīng)變片粘貼整體方案如圖6。測(cè)點(diǎn)采用半橋式應(yīng)變片連接方式，可忽略溫度變化的影響[10]。

圖6 應(yīng)變片粘貼整體方案

2.2 試驗(yàn)步驟

1) 根據(jù)井口情況，選擇應(yīng)變采集位置。

2) 粘貼應(yīng)變片，現(xiàn)場(chǎng)布置應(yīng)力采集系統(tǒng)。

3) 調(diào)試應(yīng)變采集系統(tǒng)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4) 水文采集器實(shí)時(shí)記錄平臺(tái)環(huán)境載荷數(shù)據(jù)。

5) 臺(tái)風(fēng)期間進(jìn)行全周期采集，記錄不同環(huán)境載荷工況下的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

6) 在特定環(huán)境載荷下，記錄不同張緊力下的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同環(huán)境載荷下管柱應(yīng)力分析

該試驗(yàn)采集了“泰利”臺(tái)風(fēng)前期、臺(tái)風(fēng)期、臺(tái)風(fēng)后期的隔水導(dǎo)管在極限工況下的應(yīng)變情況，臺(tái)風(fēng)期間隔水導(dǎo)管井口受力條件不變，為試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性提供了良好的基礎(chǔ)。應(yīng)變采集系統(tǒng)安裝完成后，各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變傳感器均在臺(tái)風(fēng)前24 h進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)選取了風(fēng)速為11、18、25、35 m/s 4種環(huán)境載荷下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

4種不同環(huán)境載荷下應(yīng)變值如表2。管柱采集應(yīng)力與理論計(jì)算對(duì)比曲線如圖7。

由圖7可知，臺(tái)風(fēng)期間隨著風(fēng)浪流載荷增大，隔水導(dǎo)管管柱應(yīng)變變大；當(dāng)臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速達(dá)到35 m/s時(shí)，隔水導(dǎo)管受到應(yīng)力達(dá)到最大值。經(jīng)過對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)可知，精確度達(dá)到98%。

表2 4種環(huán)境載荷下隔水導(dǎo)管應(yīng)變數(shù)據(jù)

3.2 不同張緊力下管柱應(yīng)力分析

該試驗(yàn)選取的環(huán)境載荷為風(fēng)速25 m/s工況，考慮800、1 300、1 700、2 000、2 300 kN 5種頂部張力，得到了不同張緊力工況下隔水導(dǎo)管的應(yīng)變受力情況，并與理論分析進(jìn)行對(duì)比，如表3。

由表3可知，隔水導(dǎo)管的應(yīng)變隨著頂部張緊力的增大而減小。在遇到臺(tái)風(fēng)期間時(shí)，應(yīng)及時(shí)適當(dāng)增加張緊力上提力，減少隔水導(dǎo)管的受力和橫向偏移。

表3 5種張緊力下的應(yīng)變數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1) 把環(huán)境載荷作為隔水導(dǎo)管橫向受力的重要組成部分，進(jìn)行管柱力學(xué)研究，結(jié)論與南海、中國(guó)海上眾多隔水導(dǎo)管試驗(yàn)受力結(jié)果相吻合，對(duì)隔水導(dǎo)管安全生產(chǎn)作業(yè)有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

2) 臺(tái)風(fēng)期間，必須要對(duì)采集設(shè)備進(jìn)行固定，以免造成損壞，影響數(shù)據(jù)采集工作。同時(shí)對(duì)應(yīng)變采集儀進(jìn)行調(diào)零，避免造成數(shù)據(jù)誤差。

3) 試驗(yàn)結(jié)果表明，隔水導(dǎo)管實(shí)際受力與理論受力較為吻合，說明試驗(yàn)方案合理，可為隔水導(dǎo)管受力分析提供理論支撐。