深水鉆井隔水管防臺(tái)懸掛裝置的選型設(shè)計(jì)*

劉 健 張紅生 顧純巍 李夢(mèng)博 劉正禮 張春杰 王志坤

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

隨著我國(guó)南海深水油氣田的開(kāi)發(fā)，深水鉆井作業(yè)越來(lái)越多。臺(tái)風(fēng)工況下，連接水下井口和鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)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(tái)是南海深水鉆井作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一[1]。雖然我國(guó)在南海深水海域鉆井已有多年經(jīng)驗(yàn)并形成了深水鉆井防臺(tái)的方法和作業(yè)程序[2]，但由于南海臺(tái)風(fēng)路徑多變，特別是土臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)困難，對(duì)于深水和超深水井，避臺(tái)時(shí)機(jī)和防臺(tái)方式的選擇非常困難。因而如何有效地應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)，降低臺(tái)風(fēng)對(duì)深水鉆井作業(yè)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，成為深水鉆井必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題[1,3]。

針對(duì)南海深水鉆井隔水管防臺(tái)的研究已開(kāi)展很多，例如深水鉆井隔水管避臺(tái)撤離分析、隔水管完整性管理、隔水管監(jiān)測(cè)技術(shù)[4]、隔水管懸掛安全分析技術(shù)[5-7]、隔水管懸掛方法和工具[8]、臺(tái)風(fēng)事故應(yīng)對(duì)策略[9]、避臺(tái)作業(yè)窗[10]及作業(yè)參數(shù)[11]等。但研究方向多為如何在現(xiàn)有的設(shè)備條件下制定合理的防臺(tái)策略、確定防臺(tái)作業(yè)參數(shù)和安全作業(yè)窗口等。本文從裝備的角度出發(fā)，考慮采取一種隔水管懸掛裝置，通過(guò)該裝置減少臺(tái)風(fēng)時(shí)隔水管受到的應(yīng)力，從而大大提高深水鉆井臺(tái)風(fēng)期隔水管的安全性，為深水和超深水鉆井作業(yè)提供安全保障。

1 深水鉆井防臺(tái)隔水管處理方式與懸掛模式

1.1 深水鉆井防臺(tái)隔水管處理方式

南海深水鉆井防臺(tái)目前采取的隔水管處理方式主要包括3種[3]：①保護(hù)井筒—解脫LMRP—等待天氣的方式抗臺(tái)。由于臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度時(shí)刻發(fā)生變化，該方案存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此目前深水鉆井平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)較少采用該處理方式。②保護(hù)井筒—解脫LMRP并回收所有隔水管—移船至安全區(qū)域的方式避臺(tái)。該處理方式人員、平臺(tái)最為安全，但要求提前進(jìn)行作業(yè)準(zhǔn)備，會(huì)增加非生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間和作業(yè)費(fèi)用。特別是我國(guó)南海臺(tái)風(fēng)路徑多變，臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性有待提高，因此經(jīng)常由于臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確，造成“十防九空”的情況。③保護(hù)井筒—解脫LMRP懸掛隔水管—移船至安全區(qū)域。撤離航線一般選取能最快避開(kāi)臺(tái)風(fēng)行進(jìn)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(yè)和土臺(tái)風(fēng)突然發(fā)生的情況。

1.2 隔水管懸掛模式

懸掛隔水管防臺(tái)是深水鉆井的常見(jiàn)防臺(tái)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(guò)安裝工具坐于轉(zhuǎn)盤(pán)面上并與平臺(tái)剛性連接，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)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(jìn)行懸掛，隔水管系統(tǒng)的重量由張力器承擔(dān)或由張力器和升沉補(bǔ)償器共同承擔(dān)，平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)通過(guò)張力器傳遞給伸縮節(jié)外筒，緩解了隔水管的受力情況。2種懸掛模式對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 鉆井隔水管不同懸掛模式對(duì)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(yè)窗口較小。當(dāng)懸掛隔水管超過(guò)1 000 m時(shí)，即使在一年一遇的西太平洋臺(tái)風(fēng)工況下，硬懸掛模式也無(wú)法滿足作業(yè)要求。如果增大作業(yè)窗口則必須起出更多的隔水管。這意味著需要更早啟動(dòng)避臺(tái)程序，不僅增加了避臺(tái)時(shí)間，還使“無(wú)效防臺(tái)”的概率也增大。如果遇到作業(yè)海域附近驟發(fā)的強(qiáng)土臺(tái)風(fēng)，還可能沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行回收隔水管作業(yè)。

2) 軟懸掛模式作業(yè)窗口大，但軟懸掛全部隔水管防臺(tái)可能存在隔水管觸底的風(fēng)險(xiǎn)。在臺(tái)風(fēng)時(shí)期，平臺(tái)的撤離方向不一定是更深的水域方向，一旦平臺(tái)向淺水方向行駛，則必然導(dǎo)致隔水管串觸底，導(dǎo)致隔水管張力器及部分隔水管的損壞，我國(guó)南海曾經(jīng)發(fā)生過(guò)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(fā)生隔水管觸底事故，但由于臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前海況非常惡劣，月池區(qū)域作業(yè)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(wú)法實(shí)施。

對(duì)于超深水作業(yè)，由于懸掛隔水管較長(zhǎng)而導(dǎo)致了安全作業(yè)窗口很小，因此無(wú)論是硬懸掛還是軟懸掛，均無(wú)法滿足避臺(tái)風(fēng)的作業(yè)要求，而完全回收隔水管則沒(méi)有時(shí)間窗口，所以通常情況下，我國(guó)的超深水鉆井仍采取完全避開(kāi)臺(tái)風(fēng)期作業(yè)的策略。

2 隔水管加速度控制方案分析

對(duì)于超深水及平臺(tái)附近驟起土臺(tái)風(fēng)的情況，可以考慮將硬懸掛和軟懸掛相結(jié)合的懸掛模式[13]，既能快速操作，又能緩沖隔水管運(yùn)動(dòng)。為了方便懸掛，隔水管仍然懸掛于鉆臺(tái)上的隔水管卡盤(pán)處，但鉆臺(tái)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(tái)和卡盤(pán)之間，也可以放在卡盤(pán)和隔水管之間)，從而減少平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)隔水管串的激勵(lì)，降低隔水管的加速度。針對(duì)硬懸掛和軟懸掛相結(jié)合懸掛模式隔水管加速度降低方法，本文提出了被動(dòng)液壓缸、主動(dòng)控制-比例補(bǔ)償和加速度峰值控制等3種解決方案。

2.1 被動(dòng)液壓缸方案

在隔水管串與平臺(tái)之間放置液壓缸即為被動(dòng)液壓缸方案[8,14]，其裝置包括外環(huán)固定托盤(pán)、內(nèi)環(huán)滑動(dòng)托盤(pán)、液壓缸、滑輪和活塞、導(dǎo)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(guò)伸縮來(lái)補(bǔ)償平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的隔水管上下運(yùn)動(dòng)；液壓缸連接高壓空氣瓶，可簡(jiǎn)化為空氣彈簧。該裝置放于鉆臺(tái)面上井口中心，而原隔水管卡盤(pán)放置在該裝置上。

圖1 隔水管懸掛被動(dòng)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(jì)算降低隔水管加速度的效果，整個(gè)系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為支座激勵(lì)的強(qiáng)迫振動(dòng)模型(圖2)；隔水管串簡(jiǎn)化為質(zhì)量塊m；液壓缸簡(jiǎn)化為彈簧k和阻尼c；支座運(yùn)動(dòng)即為鉆井平臺(tái)在波浪作用下的升沉運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)位移可表示為

圖2 被動(dòng)液壓缸方案簡(jiǎn)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(tái)升沉運(yùn)動(dòng)幅值，m；ω為平臺(tái)正弦周期運(yùn)動(dòng)的角頻率，rad/s；y為平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)位移，m；t為時(shí)間，s。

隔水管的升沉運(yùn)動(dòng)可表示為

(2)

隔水管相對(duì)于平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)z=x-y可表示為

(3)

根據(jù)式(2)～(3)，可得隔水管絕對(duì)升沉運(yùn)動(dòng)及其相對(duì)平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)的曲線，以及隔水管絕對(duì)升沉運(yùn)動(dòng)的幅值和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的幅值[15]。

(4)

(5)

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

2.2 主動(dòng)控制-比例補(bǔ)償方案

主動(dòng)控制-比例補(bǔ)償方案，采用主動(dòng)液壓缸方案和比例控制補(bǔ)償，即液壓缸有液壓源提供能量實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制，而且通過(guò)液壓缸在隔水管串施加主動(dòng)力，按照比例反向補(bǔ)償平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。該方案的簡(jiǎn)化模型示意圖見(jiàn)圖3，其原理為在隔水管串上增加了一個(gè)主動(dòng)力Fac，通過(guò)主動(dòng)力來(lái)降低隔水管加速度的幅值，從而降低隔水管軸向應(yīng)力。該主動(dòng)力由變量泵提供，即液壓缸的運(yùn)動(dòng)受變量泵輸入流量的控制。在該補(bǔ)償方式中，液壓缸的運(yùn)動(dòng)周期與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)周期相等，補(bǔ)償液壓缸的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相反[16]。

圖3 隔水管主動(dòng)控制-比例補(bǔ)償簡(jiǎn)化模型示意圖Fig .3 Sketch map of active control - scale compensation simplified model of riser

平臺(tái)懸掛隔水管避臺(tái)時(shí)如采用本方案，在平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)和主動(dòng)液壓缸的激勵(lì)下，運(yùn)動(dòng)隔水管串的運(yùn)動(dòng)可表示為

(6)

式(6)中：Fac為主動(dòng)力，N。

實(shí)現(xiàn)比例補(bǔ)償?shù)臈l件為隔水管位移與平臺(tái)位移相位差為零，為調(diào)整隔水管絕對(duì)位移相位角，令

(7)

則可以解出相對(duì)位移的穩(wěn)態(tài)隔水管位相對(duì)移z=x-y，并在此基礎(chǔ)上計(jì)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(guò)計(jì)算來(lái)判斷是否滿足現(xiàn)場(chǎng)懸掛隔水管避臺(tái)需求。根據(jù)平臺(tái)實(shí)際作業(yè)條件限制，隔水管避臺(tái)懸掛裝置液壓缸最大行程為2.4 m，因此取隔水管相對(duì)位移的幅值A(chǔ)z=2.4 m，計(jì)算極端海況下(Ay=4.55 m)加速度補(bǔ)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(dòng)控制-比例補(bǔ)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(jù)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(shuō)，采用主動(dòng)補(bǔ)償方案要求變量泵較高的功率，才能夠?qū)崿F(xiàn)隔水管加速度控制，而現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(dǎo)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(dāng)平臺(tái)加速度較小時(shí)液壓缸保持不動(dòng)，當(dāng)平臺(tái)加速度較大時(shí)，通過(guò)液壓缸運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償平臺(tái)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(tái)風(fēng)工況下的平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)曲線：0—t1時(shí)刻，平臺(tái)加速度沒(méi)有達(dá)到閾值，這時(shí)液壓缸是鎖死的，隔水管和平臺(tái)沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)；t1—t2時(shí)刻，平臺(tái)加速度超過(guò)了閾值，為了保證隔水管加速度不超過(guò)閾值則液壓缸開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，使隔水管相對(duì)于平臺(tái)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；t2—t3時(shí)刻，平臺(tái)加速度不超過(guò)閾值，液壓缸再次鎖死，隔水管和平臺(tái)沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)；t3—t4時(shí)刻，平臺(tái)加速度又超過(guò)了閾值，液壓缸再次開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)，在平臺(tái)的一個(gè)升沉運(yùn)動(dòng)周期(一般為12～14 s)內(nèi)，液壓缸上下各運(yùn)動(dòng)一次，且向上運(yùn)動(dòng)的位移等于向下運(yùn)動(dòng)的位移，1個(gè)升沉運(yùn)動(dòng)周期后液壓缸恢復(fù)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(tái)與活塞運(yùn)動(dòng)曲線Fig .5 Acceleration,velocity and displacement curve of platform and piston by acceleration peak control scheme

在液壓缸運(yùn)動(dòng)對(duì)隔水管運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償過(guò)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(duì)于缸筒的加速度，即為隔水管相對(duì)于平臺(tái)的加速度，m/s2；apmax為平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)加速度最大值，m/s2；ηa為隔水管加速度補(bǔ)償能力；ap為平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)加速度，m/s2；xh為活塞相對(duì)于缸筒的位移，即為隔水管相對(duì)于平臺(tái)的位移，m,xhmax為活塞相對(duì)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(zhì)量的限制及平臺(tái)作業(yè)條件限制，要求活塞位移小于液壓缸行程。根據(jù)式(9)、(10)可知，在10年一遇西太平洋臺(tái)風(fēng)的海況條件下，平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)幅值為4.55 m，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)周期為14 s，隔水管加速度補(bǔ)償能力33%。此時(shí)加速度峰值控制方案能夠達(dá)到的最大補(bǔ)償效果33%。

與被動(dòng)液壓缸方案、主動(dòng)控制-比例補(bǔ)償方案相比，加速度峰值控制方案具有制造安裝簡(jiǎn)單、具備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件等優(yōu)勢(shì)，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(guò)隔水管主動(dòng)節(jié)流控制裝置實(shí)現(xiàn)的。主動(dòng)節(jié)流控制裝置主要包括：蓄能器、氣瓶、比例節(jié)流閥和液壓缸(圖6)。蓄能器和氣瓶用于存儲(chǔ)平臺(tái)輸入的能量并為液壓缸提供動(dòng)力，通過(guò)控制比例節(jié)流閥的控制活塞運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到消減隔水管加速度峰值的目的。隔水管主動(dòng)節(jié)流控制裝置的液壓系統(tǒng)是封閉高壓系統(tǒng)，在懸掛2 500 m隔水管、10年一遇西太平洋臺(tái)風(fēng)的工況下發(fā)熱功率高達(dá)700 kW，因此必須通過(guò)高壓散熱器達(dá)到散熱的目的。常規(guī)高壓散熱器為管式冷卻器，由于其體積大而很難在平臺(tái)上安放。因此可在原主動(dòng)節(jié)流控制裝置的基礎(chǔ)上，增加新的差動(dòng)散熱裝置，利用液壓缸上沖程差動(dòng)的冷卻方法，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)節(jié)流控制裝置液壓系統(tǒng)的半開(kāi)式循環(huán)及散熱，如圖7所示。

圖6 隔水管懸掛主動(dòng)節(jié)流控制裝置Fig .6 Active control throttling device of riser suspension

圖7 隔水管懸掛差動(dòng)散熱-主動(dòng)控制節(jié)流裝置Fig .7 Differential cooling-active control throttling device of riser suspension

4 結(jié)論

1) 本文針對(duì)深水鉆井防臺(tái)隔水管作業(yè)窗口小、作業(yè)模式選擇困難、易發(fā)生事故等問(wèn)題，提出了將隔水管硬懸掛與軟懸掛相結(jié)合的隔水管防臺(tái)懸掛新方法，該方法具有操作速度快、緩沖效果好的優(yōu)點(diǎn)。

2) 針對(duì)隔水管防臺(tái)懸掛新方法中降低隔水管加速度問(wèn)題，提出了被動(dòng)液壓缸、主動(dòng)控制-比例補(bǔ)償和加速度峰值控制等3種方案，分析結(jié)果表明，加速度峰值控制方案具有制造安裝簡(jiǎn)單、具備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件等優(yōu)勢(shì)，可較好地滿足現(xiàn)場(chǎng)臺(tái)風(fēng)期作業(yè)避臺(tái)的需求。

3) 加速度峰值控制方案中隔水管主動(dòng)節(jié)流控制裝置的液壓系統(tǒng)封閉高壓難散熱，可采用隔水管差動(dòng)散熱-主動(dòng)控制節(jié)流裝置解決主動(dòng)節(jié)流控制裝置中高壓液壓油的散熱問(wèn)題。