深水鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選型配置

劉雙瑩，孫明遠(yuǎn)(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075)

0 引言

海洋鉆井隔水管作為一個(gè)完整的系統(tǒng)，單個(gè)設(shè)備組件的設(shè)計(jì)和選擇應(yīng)匹配該系統(tǒng)的總體性能。一般而言，海上鉆井隔水管系統(tǒng)包括張緊系統(tǒng)以及上部撓性接頭與下部撓性之間的所有設(shè)備，是井眼從防噴器(BOP)組至鉆井船的延伸(如圖1)。

圖1 海上隔水管系統(tǒng)及其配套設(shè)備

隔水管系統(tǒng)主要功能如下：(1)提供井與鉆井船之間的液體傳遞；(2)提供節(jié)流、壓井及輔助管線(xiàn)的支撐；(3)把各種鉆井工具導(dǎo)入井內(nèi)；(4)用于下放和回收防噴器組。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型限制因素的考量

1.1 重量控制

由于水深的大幅增加，深水鉆井隔水管的甲板重量和存儲(chǔ)要求是常規(guī)隔水管的幾倍。這些隔水管的較大甲板重量及空間要求及其總體成本經(jīng)常占據(jù)可變甲板負(fù)荷及鉆井平臺(tái)(船)成本的相當(dāng)大比重。因此，在深水隔水管的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，應(yīng)采用成本和重量控制方案。

1.2 存儲(chǔ)和連接問(wèn)題

隔水管的送入或回收可能作業(yè)多日，還要考慮惡劣環(huán)境如臺(tái)風(fēng)，洋流因素的挑戰(zhàn)。鉆井平臺(tái)(船)上應(yīng)配備把隔水管單根從存儲(chǔ)區(qū)移出并有效、高效地移至鉆臺(tái)的設(shè)備。要在最短的時(shí)間內(nèi)送入或回收深水隔水管，現(xiàn)代深水鉆井船應(yīng)采用較長(zhǎng)的單根并使用自動(dòng)裝卸系統(tǒng)。由于起下防噴器從而進(jìn)行維護(hù)/修理所需的時(shí)間是一項(xiàng)非常重要的經(jīng)濟(jì)因素，所以在選擇聯(lián)軸器(隔水管公、母接頭)時(shí)，組接、測(cè)試和脫開(kāi)隔水管聯(lián)軸器所用的時(shí)間至關(guān)重要[1]。

1.3 隔水管擠毀因素

當(dāng)隔水管正常作業(yè)時(shí)，如果發(fā)生如井漏等意外情況，井筒內(nèi)鉆井液排空，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)外壓差，導(dǎo)致隔水管的擠毀。為了防止此種情況的發(fā)生，需配置隔水管自動(dòng)灌注閥平衡隔水管內(nèi)外部壓差，隔水管灌注閥的使用可有效提升隔水管系統(tǒng)的可靠性，保證海洋隔水管系統(tǒng)的安全運(yùn)行[2]。

2 主要設(shè)備部件的功能和選擇

2.1 隔水管張緊系統(tǒng)

浮式鉆井平臺(tái)(船)因風(fēng)、海浪和海流的影響產(chǎn)生縱向、橫向位移時(shí)，隔水管張緊系統(tǒng)施加在隔水管頂部的垂直張力，能夠?yàn)楦羲芴峁┙鹾愣ǖ妮S向張力，從而補(bǔ)償和控制平臺(tái)相對(duì)于隔水管因漂浮產(chǎn)生的應(yīng)力和位移[3]。

在對(duì)張緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一些重要因素包括：(1)導(dǎo)向輪傾角。應(yīng)安裝鋼絲繩導(dǎo)向輪，減小鋼絲繩相對(duì)于隔水管柱的傾角。這樣可以增加張緊器的垂直分力，減小水平分力，提高鋼絲繩的使用壽命。(2)儲(chǔ)能瓶和氣瓶。每個(gè)張緊單元均應(yīng)配備液壓油存儲(chǔ)容量大于氣缸容量的儲(chǔ)能瓶。大型氣瓶可以降低因張緊器來(lái)回沖擊時(shí)存儲(chǔ)空氣的壓縮和膨脹導(dǎo)致的壓力變化。(3)張緊器氣液要求。合適尺寸的繩索會(huì)減少因管路系統(tǒng)壓力損失導(dǎo)致的張力變化。張緊器制造商還應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)和功能調(diào)試提供與之相匹配的液壓油。(4)摩擦和慣性損失。鋼絲繩、滑輪、張緊桿和活塞的密封、滑動(dòng)摩擦及慣性都會(huì)對(duì)鋼絲繩的張力變化產(chǎn)生直接影響。(5)動(dòng)態(tài)張緊限制(DTL)。首先應(yīng)根據(jù)制造商確定張緊器的級(jí)別。本文中動(dòng)態(tài)張力限制確定為最大允許壓力乘以有效液壓面積再除以繩索段數(shù)所得的值：

式中：PA為最大允許系統(tǒng)操作壓力；ACYL為有效液壓面積；NLP為繩索段數(shù)。

隔水管系統(tǒng)裝置的所有組件(包括管路)均應(yīng)按照最大允許工作壓力設(shè)計(jì)。張力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)允許其中一個(gè)設(shè)備暫時(shí)停用接受維護(hù)或維修，而不會(huì)危害其他張力設(shè)備繼續(xù)為海上鉆井隔水管提供所需的張力。根據(jù)特定設(shè)計(jì)，該設(shè)備可以是一個(gè)張力器，也可以是一對(duì)張力器。

(6)最大張力設(shè)定值。最大張力設(shè)定值不得超過(guò)DTL的90%，這樣，最大張力(包括動(dòng)態(tài)變化)將小于DTL。

2.2 伸縮節(jié)

伸縮節(jié)的主要功能是補(bǔ)償鉆井平臺(tái)(船)與隔水管柱之間的相對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)。伸縮節(jié)分為外筒和內(nèi)筒，外筒與隔水管柱連接海底井口頭，內(nèi)筒與船體相連，通過(guò)張緊環(huán)的配合能夠把張緊系統(tǒng)的負(fù)荷傳遞至隔水管的外筒。選擇伸縮接頭時(shí)，應(yīng)考慮和評(píng)價(jià)以下基本項(xiàng)目：(1)強(qiáng)度。無(wú)論是在回收位置上還是在伸出位置上，伸縮節(jié)均應(yīng)能夠支撐隔水管和BOP組的重量。還應(yīng)考慮到伸縮節(jié)上的動(dòng)載荷。(2)沖程長(zhǎng)度。伸縮節(jié)最大沖程長(zhǎng)度應(yīng)考慮到定位失敗情況下預(yù)期升沉、船舶偏移、潮汐變化及最大預(yù)測(cè)船舶漂移量。(3)盤(pán)根密封元件。該元件用于內(nèi)筒外側(cè)與外筒內(nèi)側(cè)之間的密封。一般情況下，伸縮節(jié)至少有兩組盤(pán)根密封，當(dāng)其中一個(gè)密封元件失效時(shí)，可立即啟用另一個(gè)元件，從而保證鉆井液與外界保持封隔，而無(wú)需為搶修伸縮節(jié)盤(pán)根停止鉆井作業(yè)。(4)裝卸和存儲(chǔ)。與標(biāo)準(zhǔn)隔水管單根相比，伸縮節(jié)一般設(shè)計(jì)較長(zhǎng)、較重，因此，需要考慮特殊的裝卸和存儲(chǔ)要求。

2.3 隔水管單根

隔水管單根的主管是大直徑、高強(qiáng)度無(wú)縫或電焊管，兩端各焊有一個(gè)聯(lián)軸器(公接頭、母接頭)。聯(lián)軸器處有抬肩可懸掛在隔水管卡盤(pán)上，能夠支撐海上隔水管和BOP組的負(fù)荷件(靜態(tài)和動(dòng)態(tài))，還可以為節(jié)流、壓井和輔助管線(xiàn)提供支撐，并為浮力設(shè)備提供負(fù)荷反作用。

在選擇、設(shè)計(jì)或確定隔水管單根時(shí)，應(yīng)考慮到以下事項(xiàng)：

(1)隔水管主管應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，能夠經(jīng)受來(lái)自波浪、海流、施加的張力、鉆機(jī)運(yùn)動(dòng)以及鉆井液重量等的綜合負(fù)荷[4]。此外，還應(yīng)考慮塌陷壓力和裝卸載荷。主管的強(qiáng)度特征由其直徑、壁厚、鋼級(jí)決定。隔水管一般采用的鋼級(jí)是X-52、X-65和X-80，其中數(shù)字代表各鋼級(jí)的最小屈服強(qiáng)度(ksi)。

(2)短節(jié)。短節(jié)是指小于隔水管單根總長(zhǎng)的隔水管單根。為了適應(yīng)隔水管的加長(zhǎng)，應(yīng)準(zhǔn)備各種長(zhǎng)度的短節(jié)。

(3)隔水管聯(lián)軸器。接頭作為隔水管中的關(guān)鍵部件，API中明確隔水管的等級(jí)按照隔水管的額定載荷能力劃分，也就是隔水管的最大靜態(tài)抗拉能力，該拉力由其中最薄弱的結(jié)構(gòu)確定。在大多數(shù)情況下，最薄弱的結(jié)構(gòu)是隔水管之間的連接的接頭部位。

隔水管聯(lián)軸器應(yīng)依據(jù)以下內(nèi)容選擇：載荷等級(jí)、應(yīng)力放大系數(shù)(抗疲勞性)、可靠性、連接速度、維護(hù)要求。

2.4 隔水管送入設(shè)備

隔水管和分流器裝卸工具用于提升和下放隔水管和防噴器組。在起下隔水管和防噴器組時(shí)，隔水管卡盤(pán)總成為隔水管和防噴器提供支撐。

(1)裝卸工具。送入和收回隔水管的過(guò)程中，隔水管裝卸工具組接在隔水管的頂部。頂部連接件是一段較短的管子，由提升設(shè)備予以支撐。另一種重要工具是分流器裝卸工具，它可用于在把防噴器組放置到井口前承載整個(gè)隔水管系統(tǒng)的負(fù)荷。如果采用分流器裝卸工具支撐整體隔水管和防噴器組，則該工具應(yīng)達(dá)到與隔水管裝卸工具相同的標(biāo)準(zhǔn)。

(2)隔水管卡盤(pán)總成。隔水管卡盤(pán)總成包括卡盤(pán)和萬(wàn)向節(jié)，基本功能是為隔水管和防噴器組提供支撐。萬(wàn)向節(jié)的主要組成部件是橡膠支撐元件，用于緩沖隔水管支撐肩上的沖擊負(fù)荷。

(3)導(dǎo)向鋼絲繩。導(dǎo)向鋼絲繩用于把防噴器及隔水管等其他水下設(shè)備導(dǎo)引至海底指定裝置上。通常在浮式鉆井平臺(tái)(船)安裝有四條導(dǎo)向鋼絲繩，從臨時(shí)導(dǎo)向基座延伸至鉆井平臺(tái)，在鉆井平臺(tái)上，每條導(dǎo)向繩分別由一個(gè)導(dǎo)向繩張緊裝置(與隔水管張緊器相似)施加拉伸張力。一般情況下，導(dǎo)向繩接系點(diǎn)距井眼中心182.88 cm，構(gòu)成了一個(gè)邊長(zhǎng)約259.08 cm的正方形。

(4)選擇標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)根據(jù)以下因素對(duì)隔水管送入設(shè)備進(jìn)行選擇、評(píng)定和檢測(cè)：設(shè)計(jì)最大靜態(tài)載荷；船舶運(yùn)動(dòng)、波浪和海流導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)負(fù)荷；隔水管送入作業(yè)過(guò)程中的彎曲負(fù)荷；沖擊載荷。

3 結(jié)語(yǔ)

隔水管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從評(píng)估預(yù)期作業(yè)條件和工程分析開(kāi)始，確定拉伸、彎曲和組合應(yīng)力(最大值和平均值)等參數(shù)、浮力要求、頂部張力要求、船舶RAO(響應(yīng)幅度值)等。影響隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)的其他因素還包括隔水管長(zhǎng)度(水深)、尺寸要求(內(nèi)徑、壁厚等)、內(nèi)壓等級(jí)、節(jié)流/壓井及輔助管線(xiàn)要求、接成方法、存儲(chǔ)和裝卸條件、作業(yè)經(jīng)濟(jì)性等。一經(jīng)確定，這些隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)準(zhǔn)許選用適用的隔水管組件。