鉆井隔水管渦激振動監測裝置海上試驗*

盛磊祥 許亮斌 金學義 劉正禮 田 波

(1. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028； 2. 中海油田服務股份有限公司 河北燕郊 101149；3. 中海石油深海開發有限公司 廣東深圳 518067)

鉆井隔水管是海底井口與鉆井船的重要連接設備，鉆井隔水管的狀態將直接影響鉆井作業時效，當其轉角、伸縮節沖程、應力等超過安全作業允許的臨界值時，隔水管必須停止作業，進而影響了鉆井時效[1-3]。然而，實際鉆井作業對隔水管的直接或間接監測卻較少，通常情況下鉆井隔水管僅配置了撓性接頭轉角監測的功能，缺乏對波流引起振動和隔水管應力等關鍵作業參數的監測。渦激振動引起的疲勞損傷和應力超標是影響深水鉆井隔水管作業的重要因素：一方面隔水管長期的渦激振動會引起隔水管結構的應力循環，產生疲勞損傷；另一方面頻率鎖定產生的渦激振動可能產生較大的應力值，一旦超過屈服應力，將引起隔水管結構的屈服破壞。

一般在進行深水鉆井作業之前，需要針對目標海域開展鉆井隔水管系統設計和作業窗口設計[4]，并開展相應的渦激振動研究。現有設計方法多以恒定海流剖面為環境條件，假設隔水管受到恒定海流引起的渦激振動，由于實際海流的大小、方向在隔水管作業期間會發生變化，因而實際作業海流渦激振動引起的隔水管損傷與設計階段存在一定的差異。隔水管渦激振動監測裝置大多采用離線監測方案，即不將監測數據實時傳輸回平臺并進行計算，而是在隔水管回收之后進行數據讀取和分析，以評估渦激振動對隔水管的疲勞損傷。這種方案無法對數據做出在線反饋及實時預測評估。因此，本文分析了隔水管渦激振動監測的技術原理，采用新研制的無線聲吶傳輸渦激振動在線監測系統，對南海X-1井(作業水深1 363 m)鉆井隔水管開展了渦激振動監測，并根據其實測數據分析了渦激振動引起的動態載荷響應，以評估隔水管的作業安全性。深水鉆井隔水管的實時渦激振動監測，對深水鉆井作業期間隔水管系統的安全保障具有重要意義。

1 隔水管渦激振動監測的技術原理

渦激振動是海流繞流結構引起的漩渦泄放頻率和隔水管系統固有頻率共同作用的結果，本質上是一種結構振動，可通過加速度監測裝置進行監測。因此，監測系統工作制度的設置需參考渦激的泄放頻率和隔水管系統固有頻率。

1) 漩渦泄放頻率。

海流繞流產生的漩渦泄放頻率可表達為

(1)

式(1)中：fSt為隔水管漩渦泄放頻率，Hz；St為斯特勞哈數，無量綱，一般取值0.2；U為海流的來流速度，m/s；D為隔水管迎流面直徑，m。

(2)

(3)

式(2)、(3)中：fmin和fmax分別為漩渦泄放的最小和最大頻率，Hz；Umin和Umax分別為海流剖面的最小與最大來流速度，m/s。若隔水管結構某階固有頻率處于最小和最大泄放頻率范圍內，則認為該模態被激勵參與引起渦激振動。

為了確保適應更廣的海流條件，根據式(2)、(3)按照5年一遇的環境條件(表1)，計算得到的最小和最大漩渦泄放頻率分別為0.05 Hz和0.2 Hz。

表1 南海X-1井海域5年一遇的海流剖面[4]Table 1 Current profile of Well X-1 block occurred once in five years in South China Sea[4]

2) 隔水管結構固有頻率。

對于底部由球鉸約束、頂部受張力作用的鉆井隔水管，其力學模型為頂張力簡支梁模型，相應的隔水管的n階角速度ωn表示為[1]

(4)

fn=2π/ωn

(5)

式(4)、(5)中：T為張力，N；E為彈性模量，MPa；I為截面慣性矩，m4;m為單位長度質量，kg/m；ωn為角速度，rad/s；L為隔水管長度，m；fn為隔水管結構的n階固有頻率，Hz；n為模態階次；z為隔水管軸向坐標距離，m。

3) 監測系統采樣頻率的設置。

建立科學的教師專業標準是教師從一種“職業”成為一種“專業”的基本標志，是客觀評價教育質量的依據[10]。然而，體育教育在整個教育領域中處于邊緣地位，與其他學科的教師相比，體育教師似乎也低人一等。體育教師的專業發展的生涯始于進入大學的體育教育專業，但是，無論是職前的培養、畢業，還是新體育教師的準入、職后的培訓，都處于“無章可循”的狀態[11] 。因此，制定體育教師的專業標準迫在眉睫。在個體層面，職前、職后的專業標準為體育教師提供衡量自身專業水平的基本準則；在群體層面，專業標準形成體育教師之間專業對話的交流工具；在組織層面，為機構在選擇、培訓體育教師方面提供準則。

在5年一遇的海流條件下，根據參與渦激振動的模態階次的判斷方法：如果fn

為了盡可能捕捉到所有可能參與渦激振動的模態范圍，采樣頻率應設置為大于隔水管結構固有頻率和漩渦泄放頻率中的最大值，采樣時間應設置為大于隔水管結構固有頻率和漩渦泄放頻率中最小值的倒數，這樣即可保證采樣數據能夠涵蓋所有可能參與渦激振動的模態數據。因此，對于南海X-1井鉆井隔水管，最終推薦的隔水管渦激振動監測裝置采樣頻率為5 Hz，采樣周期為120 s，作業期間內每間隔1 h進行1個采樣周期內監測數據的回傳。

2 隔水管渦激振動監測裝置工作原理及安裝

隔水管渦激振動監測系統裝置包括3部分，即水下的監測裝置、近水面的聲吶信號接收裝置和地面數據顯示裝置。其主要設計原理為：首先通過振動傳感器采集隔水管的加速度信息，通過數字信號處理器或單片機處理、編碼、調制和功率放大，將模擬信號轉化為數字信號，利用水下發射換能器周期性發射聲吶載波信號，將采集到的振動信息傳遞給地面接收換能器，再通過對數字信號的解調、解碼反演出振動加速度及其傅里葉變換，最終得到振動頻率和周期。

為了便于現場安裝，該裝置將振動傳感器、后處理電路、電池封裝在一起，加速度傳感器主要采集隔水管的振動信息，處理電路主要將采集到的模擬信號轉化為數字信號，濾掉低頻干擾振動信息，形成聲吶載波信號回傳，為了簡化長距離的供電造成的安裝復雜，在監測裝置內部集成了電池系統用于供電。

在南海X-1井的鉆井期間，隔水管2個渦激振動監測裝置分別安裝在靠近井口(水深約1 300 m)和水面以下約60 m的位置，這樣既可降低井口振動對水下井口和導管的風險，又可得到相對穩定的數據，避免落在振型零點[2-3]。監測裝置對安裝空間的需求不大于隔水管護板的包絡范圍，因此可以考慮采用離線安裝，即在隔水管存放區安裝，從而最大程度地避免了對鉆井作業的影響。

3 隔水管監測系統海上試驗及渦激振動分析

3.1 渦激振動的監測與識別

根據渦激振動理論，只要海流繞流的漩渦泄放頻率接近隔水管結構的某一階固有頻率，則一定會發生渦激振動，但實際監測結果卻表明渦激振動并不存在于整個作業過程。主要原因在于實際波流的大小和方向有可能發生變化，渦激振動只發生在部分海流相對穩定的時間段內。例如，BP公司于2008年在墨西哥灣進行了9口井(作業深度300～2 000 m)的鉆井隔水管監測[5-6]，結果表明在其中7口井監測到了隔水管的渦激振動，渦激振動實際發生的概率僅為2%～26%(圖1)。南海X-1井鉆井期間的渦激振動監測結果如圖2所示。發生渦激振動時(圖2a)，隔水管結構振動頻率出現了 3個窄頻峰值，通常認為窄頻峰值為渦激振動發生的標志[6-7]；而未發生渦激振動時(圖2b)，隔水管結構振動頻率分布廣泛，沒有明顯的峰值，這種寬頻帶振動通常被認為是波浪運動和平臺運動引起的隔水管隨機振動。

圖1 2008年BP公司在墨西哥灣監測到的鉆井隔水管發生渦激振動的概率分布Fig .1 VIV probability according to BP monitor experiment of drilling risers in Mexico Gulf in 2008

圖2 南海X-1井鉆井期間實測隔水管渦激振動頻譜圖Fig .2 Measurdd frequency domain figure of monitor riser VIV of Well X-1 in South China Sea

因此在評估渦激振動產生的疲勞損傷時，須結合實際監測到的渦激振動進行分析，避免參考設計工況導致的評估結果過于保守。

3.2 渦激振動導致的隔水管應力計算

隔水管結構應力可表達為

(6)

其中

(7)

式(6)、(7)中：σ為隔水管結構應力，MPa；M為隔水管結構的彎矩，MN·m；系數An=αD，α為隔水管結構渦激振動最大響應振幅與隔水管外徑的比值，一般取1.5；Yn為位置z的橫向位移，m；d為隔水管結構應力外徑，m。

按照簡化常張力梁的處理方法，式(7)可表示為

(8)

式(8)中：L為隔水管長度，m。

將式(8)代入式(6)，得到結構應力的分布為

(9)

則隔水管結構應力的最大范圍可表達為

(10)

式(10)中:σRmax為隔水管結構的最大應力幅范圍，MPa。

根據式(6)～(10)，可得不同激勵模態階次條件下的隔水管結構最大應力，如圖3所示。根據API 16Q對鉆井作業的要求[8]，當最大應力超過隔水管材料的最大屈服應力σmax(一般情況下取值551 MPa)的67%時，應停止鉆井作業；當最大應力超過σmax的80%時，應停止鉆井作業并準備解脫隔水管；當最大應力超過σmax時，應完成解脫隔水管。因此，如果南海X-1井的隔水管監測中出現了振動頻率超過18階模態的頻率，則其最大應力將超過67%σmax，此時的鉆井作業須要對安全性保持密切關注。

圖3 渦激振動激勵模態階數與隔水管最大應力的關系Fig .3 Relationship between VIV mode order with max stress of drilling riser

分析式(10)可知，渦激振動引起的隔水管結構最大應力計算的關鍵，依然是確定隔水管振動模態的最高階數n。通常情況下，在設計階段如果沒有實際監測數據，可以通過作業期間可能出現的最大流速計算漩渦最大泄放頻率fmax與隔水管的各階固有頻率，確定n的取值[9-11]。

南海X-1井現場實測獲得的隔水管振動頻率范圍為0.019～0.234 Hz，對比隔水管結構1～15階模態的固有頻率，發現隔水管結構的14、15階固有頻率分別為0.227、0.246 Hz，滿足0.227<0.234<(0.227+0.246)/2。因此，根據實測數據確定的參與渦激振動的模態最高為14階，即f14= 0.227 Hz。對比圖3可知，在隔水管的實際作業過程中，其最大應力水平大于設計值。

4 結論

1) 隔水管渦激振動的監測可通過對其振動加速度的監測實現。渦激振動發生時，隔水管渦激振動的頻譜圖具有明顯的鎖頻特征。該特征可為渦激振動產生的疲勞損傷評估提供參考，避免設計工況導致的評估結果過于保守。

2) 隔水管渦激振動監測數據表明，渦激振動并不是持續作用的，因此在隔水管作業期間應安裝渦激振動監測裝置，并根據實際監測數據和可能出現的最大流速，確定參與渦激振動的模態最高階，再進行隔水管渦激振動的安全評估。