深水鉆井隔水管防臺懸掛裝置的選型設計*

劉 健 張紅生 顧純巍 李夢博 劉正禮 張春杰 王志坤

(1. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028； 2.中海石油(中國)有限公司 北京 100010；3. 中海石油深海開發有限責任公司 廣東深圳 518000； 4. 中國石油大學(華東) 山東青島 266580)

隨著我國南海深水油氣田的開發，深水鉆井作業越來越多。臺風工況下，連接水下井口和鉆井平臺的關鍵設備——隔水管很容易受到破壞，例如隔水管串落海、LMRP(隔水管下部總成)觸底等事故，因此隔水管防臺是南海深水鉆井作業的關鍵技術挑戰之一[1]。雖然我國在南海深水海域鉆井已有多年經驗并形成了深水鉆井防臺的方法和作業程序[2]，但由于南海臺風路徑多變，特別是土臺風預報困難，對于深水和超深水井，避臺時機和防臺方式的選擇非常困難。因而如何有效地應對臺風，降低臺風對深水鉆井作業帶來的風險，成為深水鉆井必須解決的關鍵問題[1,3]。

針對南海深水鉆井隔水管防臺的研究已開展很多，例如深水鉆井隔水管避臺撤離分析、隔水管完整性管理、隔水管監測技術[4]、隔水管懸掛安全分析技術[5-7]、隔水管懸掛方法和工具[8]、臺風事故應對策略[9]、避臺作業窗[10]及作業參數[11]等。但研究方向多為如何在現有的設備條件下制定合理的防臺策略、確定防臺作業參數和安全作業窗口等。本文從裝備的角度出發，考慮采取一種隔水管懸掛裝置，通過該裝置減少臺風時隔水管受到的應力，從而大大提高深水鉆井臺風期隔水管的安全性，為深水和超深水鉆井作業提供安全保障。

1 深水鉆井防臺隔水管處理方式與懸掛模式

1.1 深水鉆井防臺隔水管處理方式

南海深水鉆井防臺目前采取的隔水管處理方式主要包括3種[3]：①保護井筒—解脫LMRP—等待天氣的方式抗臺。由于臺風路徑和強度時刻發生變化，該方案存在一定的風險，因此目前深水鉆井平臺現場作業較少采用該處理方式。②保護井筒—解脫LMRP并回收所有隔水管—移船至安全區域的方式避臺。該處理方式人員、平臺最為安全，但要求提前進行作業準備，會增加非生產作業時間和作業費用。特別是我國南海臺風路徑多變，臺風路徑預報的準確性有待提高，因此經常由于臺風路徑預報不準確，造成“十防九空”的情況。③保護井筒—解脫LMRP懸掛隔水管—移船至安全區域。撤離航線一般選取能最快避開臺風行進路徑的方向，并駛向深水海域以防懸掛的LMRP碰撞海床。該處理方式尤其適合于超深水鉆井作業和土臺風突然發生的情況。

1.2 隔水管懸掛模式

懸掛隔水管防臺是深水鉆井的常見防臺方式。目前懸掛隔水管包括軟懸掛和硬懸掛2種模式[3,6]。在硬懸掛模式下，隔水管通過安裝工具坐于轉盤面上并與平臺剛性連接，平臺運動直接傳遞到隔水管頂部。在軟懸掛模式下，隔水管在張力器處進行懸掛，隔水管系統的重量由張力器承擔或由張力器和升沉補償器共同承擔，平臺升沉運動通過張力器傳遞給伸縮節外筒，緩解了隔水管的受力情況。2種懸掛模式對比見表1。

表1 鉆井隔水管不同懸掛模式對比Table 1 Comparison of two suspension modes of drilling risers

從表1可看出：

1) 硬懸掛模式作業窗口較小。當懸掛隔水管超過1 000 m時，即使在一年一遇的西太平洋臺風工況下，硬懸掛模式也無法滿足作業要求。如果增大作業窗口則必須起出更多的隔水管。這意味著需要更早啟動避臺程序，不僅增加了避臺時間，還使“無效防臺”的概率也增大。如果遇到作業海域附近驟發的強土臺風，還可能沒有足夠的時間進行回收隔水管作業。

2) 軟懸掛模式作業窗口大，但軟懸掛全部隔水管防臺可能存在隔水管觸底的風險。在臺風時期，平臺的撤離方向不一定是更深的水域方向，一旦平臺向淺水方向行駛，則必然導致隔水管串觸底，導致隔水管張力器及部分隔水管的損壞，我國南海曾經發生過類似的事故[12]。也曾考慮先回收部分隔水管再重新掛回到張力器以避免發生隔水管觸底事故，但由于臺風來臨前海況非常惡劣，月池區域作業困難，在回收部分隔水管后，很難再將隔水管串掛到張力器上，因此該方案無法實施。

對于超深水作業，由于懸掛隔水管較長而導致了安全作業窗口很小，因此無論是硬懸掛還是軟懸掛，均無法滿足避臺風的作業要求，而完全回收隔水管則沒有時間窗口，所以通常情況下，我國的超深水鉆井仍采取完全避開臺風期作業的策略。

2 隔水管加速度控制方案分析

對于超深水及平臺附近驟起土臺風的情況，可以考慮將硬懸掛和軟懸掛相結合的懸掛模式[13]，既能快速操作，又能緩沖隔水管運動。為了方便懸掛，隔水管仍然懸掛于鉆臺上的隔水管卡盤處，但鉆臺和隔水管串之間增加緩沖液壓缸(緩沖液壓缸可以放在鉆臺和卡盤之間，也可以放在卡盤和隔水管之間)，從而減少平臺升沉運動對隔水管串的激勵，降低隔水管的加速度。針對硬懸掛和軟懸掛相結合懸掛模式隔水管加速度降低方法，本文提出了被動液壓缸、主動控制-比例補償和加速度峰值控制等3種解決方案。

2.1 被動液壓缸方案

在隔水管串與平臺之間放置液壓缸即為被動液壓缸方案[8,14]，其裝置包括外環固定托盤、內環滑動托盤、液壓缸、滑輪和活塞、導引滑軌、懸掛楔塊等(圖1)。其中，滑輪組用于增加行程；液壓缸承受隔水管串重量，并且通過伸縮來補償平臺升沉運動導致的隔水管上下運動；液壓缸連接高壓空氣瓶，可簡化為空氣彈簧。該裝置放于鉆臺面上井口中心，而原隔水管卡盤放置在該裝置上。

圖1 隔水管懸掛被動液壓缸方案示意圖Fig .1 Sketch map of passive cylinder scheme of riser suspension

為了方便分析計算降低隔水管加速度的效果，整個系統可簡化為支座激勵的強迫振動模型(圖2)；隔水管串簡化為質量塊m；液壓缸簡化為彈簧k和阻尼c；支座運動即為鉆井平臺在波浪作用下的升沉運動。平臺升沉運動位移可表示為

圖2 被動液壓缸方案簡化模型示意圖Fig .2 Sketch map of simplified model of passivity cylinder scheme

y=Aysinωt

(1)

式(1)中：Ay為平臺升沉運動幅值，m；ω為平臺正弦周期運動的角頻率，rad/s；y為平臺的升沉運動位移，m；t為時間，s。

隔水管的升沉運動可表示為

(2)

隔水管相對于平臺的運動z=x-y可表示為

(3)

根據式(2)～(3)，可得隔水管絕對升沉運動及其相對平臺升沉運動的曲線，以及隔水管絕對升沉運動的幅值和相對運動的幅值[15]。

(4)

(5)

式(4)、(5)中：Az為隔水管相對升沉運動的幅值，m；Ax為隔水管絕對升沉運動的幅值，m；γ為頻率比，無量綱；ξ為阻尼比，無量綱，一般液壓缸的阻尼比較小，可忽略不記。

2.2 主動控制-比例補償方案

主動控制-比例補償方案，采用主動液壓缸方案和比例控制補償，即液壓缸有液壓源提供能量實現主動控制，而且通過液壓缸在隔水管串施加主動力，按照比例反向補償平臺運動。該方案的簡化模型示意圖見圖3，其原理為在隔水管串上增加了一個主動力Fac，通過主動力來降低隔水管加速度的幅值，從而降低隔水管軸向應力。該主動力由變量泵提供，即液壓缸的運動受變量泵輸入流量的控制。在該補償方式中，液壓缸的運動周期與平臺運動周期相等，補償液壓缸的運動趨勢與平臺運動趨勢相反[16]。

圖3 隔水管主動控制-比例補償簡化模型示意圖Fig .3 Sketch map of active control - scale compensation simplified model of riser

平臺懸掛隔水管避臺時如采用本方案，在平臺升沉運動和主動液壓缸的激勵下，運動隔水管串的運動可表示為

(6)

式(6)中：Fac為主動力，N。

實現比例補償的條件為隔水管位移與平臺位移相位差為零，為調整隔水管絕對位移相位角，令

(7)

則可以解出相對位移的穩態隔水管位相對移z=x-y，并在此基礎上計算變量泵的輸入功率Pp

(8)

式(8)中：Pp為變量泵輸入功率，W。

該方案理論上可降低隔水管加速度，但仍需通過計算來判斷是否滿足現場懸掛隔水管避臺需求。根據平臺實際作業條件限制，隔水管避臺懸掛裝置液壓缸最大行程為2.4 m，因此取隔水管相對位移的幅值Az=2.4 m，計算極端海況下(Ay=4.55 m)加速度補償效果為25%的變量泵最大功率隨頻率比的變化，如圖4所示。

圖4 主動控制-比例補償方案的變量泵最大功率隨頻率比的變化曲線Fig .4 Variation curve of maximum power of variable pump with frequency ratio by active control-scale compensation

根據圖4可知，在工程常用的頻率比0.5、阻尼比0.1條件下，變量泵最大功率須大于4 000 kW。也就是說，采用主動補償方案要求變量泵較高的功率，才能夠實現隔水管加速度控制，而現場設備的功率卻難以滿足這一要求。

2.3 加速度峰值控制方案

隔水管串的損壞是由其加速度峰值導致的，因此只要減小加速度峰值即可保證隔水管串的安全。該方案的原理是當平臺加速度較小時液壓缸保持不動，當平臺加速度較大時，通過液壓缸運動來補償平臺傳遞到隔水管串的加速度，從而減少隔水管串的加速度峰值。因此該方案也被稱為加速度削峰控制方案。

圖5a為臺風工況下的平臺升沉運動曲線：0—t1時刻，平臺加速度沒有達到閾值，這時液壓缸是鎖死的，隔水管和平臺沒有相對運動；t1—t2時刻，平臺加速度超過了閾值，為了保證隔水管加速度不超過閾值則液壓缸開始運動，使隔水管相對于平臺發生相對運動；t2—t3時刻，平臺加速度不超過閾值，液壓缸再次鎖死，隔水管和平臺沒有相對運動；t3—t4時刻，平臺加速度又超過了閾值，液壓缸再次開始運動。也就是說，在平臺的一個升沉運動周期(一般為12～14 s)內，液壓缸上下各運動一次，且向上運動的位移等于向下運動的位移，1個升沉運動周期后液壓缸恢復原位。由此得到液壓缸活塞加速度、速度和位移的曲線，如圖5b所示。

圖5 加速度峰值控制方案中平臺與活塞運動曲線Fig .5 Acceleration,velocity and displacement curve of platform and piston by acceleration peak control scheme

在液壓缸運動對隔水管運動的補償過程中，活塞加速度和位移分別表示為

(9)

(10)

式(9)、(10)中：ah為活塞相對于缸筒的加速度，即為隔水管相對于平臺的加速度，m/s2；apmax為平臺升沉運動加速度最大值，m/s2；ηa為隔水管加速度補償能力；ap為平臺升沉運動加速度，m/s2；xh為活塞相對于缸筒的位移，即為隔水管相對于平臺的位移，m,xhmax為活塞相對于缸筒的最大位移，即為液壓活塞最大行程，m。

考慮到液壓缸質量的限制及平臺作業條件限制，要求活塞位移小于液壓缸行程。根據式(9)、(10)可知，在10年一遇西太平洋臺風的海況條件下，平臺升沉運動幅值為4.55 m，平臺運動周期為14 s，隔水管加速度補償能力33%。此時加速度峰值控制方案能夠達到的最大補償效果33%。

與被動液壓缸方案、主動控制-比例補償方案相比，加速度峰值控制方案具有制造安裝簡單、具備現場實施條件等優勢，因此推薦采用加速度峰值控制的隔水管懸掛方案。

3 加速度峰值控制方案散熱方法

加速度峰值控制方案是通過隔水管主動節流控制裝置實現的。主動節流控制裝置主要包括：蓄能器、氣瓶、比例節流閥和液壓缸(圖6)。蓄能器和氣瓶用于存儲平臺輸入的能量并為液壓缸提供動力，通過控制比例節流閥的控制活塞運動，從而達到消減隔水管加速度峰值的目的。隔水管主動節流控制裝置的液壓系統是封閉高壓系統，在懸掛2 500 m隔水管、10年一遇西太平洋臺風的工況下發熱功率高達700 kW，因此必須通過高壓散熱器達到散熱的目的。常規高壓散熱器為管式冷卻器，由于其體積大而很難在平臺上安放。因此可在原主動節流控制裝置的基礎上，增加新的差動散熱裝置，利用液壓缸上沖程差動的冷卻方法，實現主動節流控制裝置液壓系統的半開式循環及散熱，如圖7所示。

圖6 隔水管懸掛主動節流控制裝置Fig .6 Active control throttling device of riser suspension

圖7 隔水管懸掛差動散熱-主動控制節流裝置Fig .7 Differential cooling-active control throttling device of riser suspension

4 結論

1) 本文針對深水鉆井防臺隔水管作業窗口小、作業模式選擇困難、易發生事故等問題，提出了將隔水管硬懸掛與軟懸掛相結合的隔水管防臺懸掛新方法，該方法具有操作速度快、緩沖效果好的優點。

2) 針對隔水管防臺懸掛新方法中降低隔水管加速度問題，提出了被動液壓缸、主動控制-比例補償和加速度峰值控制等3種方案，分析結果表明，加速度峰值控制方案具有制造安裝簡單、具備現場實施條件等優勢，可較好地滿足現場臺風期作業避臺的需求。

3) 加速度峰值控制方案中隔水管主動節流控制裝置的液壓系統封閉高壓難散熱，可采用隔水管差動散熱-主動控制節流裝置解決主動節流控制裝置中高壓液壓油的散熱問題。