鉆井隔水導管穩定性校核模型改進與應用

桑 軍，謝 濤，于 辰，周健一，吳曉東，劉 詢，胡南丁

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452

2.中國石油大學（北京），北京 102249

隔水導管作為海上石油天然氣開發過程中的重要井口持力結構，起到隔絕海水、提供鉆井液循環通道、支撐井口設備等重要作用。一方面，隔水導管需要插入海底淺層土體一定的深度，以保證有足夠的承載力支撐井口設備以及內部各層套管的坐掛重量；另一方面，隔水導管承受風浪流甚至海冰等環境載荷，需要具備一定的抗失穩能力，以保障在長期的生產周期內隔水導管能夠始終保持穩定狀態[1]。

針對隔水導管穩定性的研究，國內外相關學者已經開展過大量的工作，但是在有限元模型中未考慮生產周期內的腐蝕情況以及海生物的附著情況，而且將隔水導管下端入泥一定深度處設置為固定端，這對于不同海水深度、不同海底土質分布的情況不一定普遍適用。

本文在前人研究的基礎上，針對隔水導管有待完善的穩定性影響因素進行研究，綜合考慮風浪流載荷、限位孔約束、隔水導管腐蝕以及海生物附著等多種影響因素建立有限元模型，并且在模型中根據海底土質實際分層情況，模擬隔水導管受到的海底土載荷作用，創新提出分段校核、定點加厚的解決措施，在保障隔水導管穩定性的基礎上，能夠大幅節約開發成本。

1 隔水導管穩定性校核模型

1.1 隔水導管穩定性影響因素分析

在海上油氣井生產周期內，隔水導管長期處于海洋環境中。在軸向方向上，當隔水導管受到的海底土承載力不小于頂部井口設備壓載、內部各層套管坐掛重量以及隔水導管自重時，隔水導管停止貫入，達到軸向穩定狀態[2]；在水平方向上，隔水導管受到風浪流的長期往復作用力、限位孔的約束力以及泥面以下的管體部分受到海底土的橫向支撐力[3]。隔水導管受力如圖1所示。

圖1 隔水導管受力示意

在飛濺區的部分管段以及全浸區的全部管段的管體外壁附著海生物，海生物附著層具有不容忽視的厚度與密度，會引起隔水導管的環境載荷作用面積增大，增加管體自重，從而對隔水導管穩定性產生較大影響。

此外，隔水導管周圍環境潮濕、空氣含鹽量大，生產周期內的隔水導管腐蝕也不容忽視，腐蝕將導致管體管徑和壁厚減小，降低隔水導管穩定性[4]，如果在設計初期未充分考慮隔水導管的腐蝕情況，將導致導管無法滿足長時間安全承載的要求，帶來一系列重大安全問題。

1.2 隔水導管穩定性校核模型

在進行隔水導管強度與穩定性校核時，需要綜合考慮以上各種影響因素，以導管架平臺限位孔為分段基點，將隔水導管分段，分別展開校核工作。

在軸向應力方面，計算井口壓載重量、套管坐掛重量以及管體自重，結合隔水導管橫截面面積，得到隔水導管軸向應力：

式中：σa為隔水導管軸向應力，MPa；G為截面上部管體重量，N；Wc為井口壓載重量，N；A為隔水導管橫截面積，mm2。

將計算得到的隔水導管軸向應力與軸向許用應力相比，得到軸向應力系數：

式中：K1為軸向應力系數，無因次；[σa]為隔水導管軸向許用應力，MPa。

其中：

式中：K為有效長度系數，隔水導管取1.0；l為隔水導管計算長度，即限位孔之間的距離，m；r為隔水導管回轉半徑，m；σs為隔水導管鋼材屈服強度，MPa；E為隔水導管鋼材彈性模量，MPa。

隔水導管在橫向載荷的作用下產生彎矩，分段計算可得到隔水導管的彎曲應力：

式中：σb為隔水導管彎曲應力，MPa；M為隔水導管所受彎矩，N·mm；Wz為隔水導管抗彎截面系數，mm3。

將計算得到的隔水導管彎曲應力與許用彎曲應力對比，得到彎曲應力系數：

式中：K2為彎曲應力系數，無因次；[σb]為隔水導管彎曲許用應力，MPa。

其中：

式中：D為隔水導管外直徑，m；t為隔水導管壁厚，m；λ、φ、ω均為常數。

將軸向應力系數與彎曲應力系數相加，得到隔水導管組合應力系數：

式中：K組合為隔水導管組合應力系數，無因次；σbx、σby為隔水導管沿x、y方向的彎曲應力，MPa。

組合應力系數取倒數得到隔水導管安全系數：

式中：α為隔水導管安全系數，無因次。

以此安全系數作為判斷隔水導管能否滿足安全穩定性要求的重要依據，對于常規油田，要求隔水導管安全系數不小于1.0[5-6]。

2 隔水導管有限元單元的建立

2.1 管單元類型

針對隔水導管存在狀態，將隔水導管管體分為兩部分建立隔水導管單元：對于泥面以上的管體部分，考慮到存在海水作用，采用PIPE59單元類型，該單元具有承受壓、拉、彎作用能力，可用于模擬海浪海流的作用，具有浮力效應；對于泥面以下的管體部分，不需要考慮流體作用，因此采用PIPE20單元模擬泥面以下的管體部分，該單元具有承受扭轉、拉壓、彎曲的能力，可在無流體作用的情況下進行靜力學分析。

泥面以下的隔水導管受到海底淺層土的作用力，當管體發生橫向位移時，海底土將支撐隔水導管抵抗橫向移動。在ANSYS有限元模型中，借助COMBIN39單元模擬海底土對隔水導管的作用力，該單元具有非線性廣義力-變形能力，可以根據海底淺層土體力學性質，設置相應的力-變形曲線，用以模擬海底土的橫向力[7]。

2.2 建立隔水導管力學模型

在模型中，將隔水導管限位孔設置為橫向位移為0的固定約束點，以模擬限位孔對隔水導管的限制作用；將腐蝕環境分為大氣區、飛濺區和全浸區，分別設置不同的管體腐蝕速率；根據海洋生物附著情況，分段設置PIPE59單元中的海生物附著密度與附著厚度，泥面以下60 m范圍內，每隔1 m設置固定點，然后在這些固定點與隔水導管管單元之間構建COMBIN39彈簧單元。隔水導管有限元模型見圖2，圖中“KO”位置為彈簧單元。

圖2 COMBIN39彈簧單元模型

2.3 隔水導管穩定性校核方法

考慮正常作業工況和極端工況條件，設置如表1所示的不同工況下的隔水導管許用應力值，將數值模擬得到的隔水導管最大等效應力與隔水導管許用應力對比，求得強度安全系數，進行強度校核。

表1 隔水導管強度校核許用應力

結合導管架平臺限位孔分布情況，以限位孔位置作為分段基點，對隔水導管進行分段研究，計算得到每段的最大彎矩值，結合該段限位孔間距，計算組合應力系數，進行穩定性校核。

結合強度校核結果和穩定性校核結果，共同作為隔水導管選材依據。如果無法滿足強度要求，則考慮整體改變隔水導管尺寸以提高強度與穩定性；如果隔水導管強度校核結果滿足安全要求，但是存在少數的隔水導管失穩段，則考慮在這些不滿足穩定性要求的危險管段增加隔水導管壁厚，定點提高該段穩定性。增加隔水導管壁厚之后，考慮隔水導管自重增加量，重新進行穩定性校核，判斷隔水導管是否滿足強度與穩定性要求。

3 實例分析

3.1 南海某區塊海洋環境參數

將本研究成果應用于南海某區塊，該區塊水深330 m，井口海拔高度為30 m，導管架平臺限位孔布置較為復雜，該區塊的限位孔高度以及相關的環境參數見表2～表5。

表2 隔水導管約束情況

表3 南海某區塊海洋環境參數

表4 南海某區塊海洋生物附著情況

表5 南海某區塊隔水導管腐蝕情況

3.2 強度穩定性校核

極端作業工況下的環境載荷更大，隔水導管更易失穩，本文選取極端作業工況進行隔水導管強度與穩定性分析?？紤]隔水導管外徑為24 in（1in=25.4 mm），管體壁厚為1in，利用ANSYS有限元模擬軟件開展數值模擬分析，圖3為隔水導管應力圖，圖4為隔水導管彎矩分布圖。

圖3 隔水導管應力分布/Pa

圖4 隔水導管彎矩分布/（N·m）

將模擬得到的隔水導管最大等效應力與許用應力值對比分析，進行強度校核；根據限位孔分布情況將隔水導管分段，針對每段展開穩定性校核，發現存在不滿足隔水導管穩定性要求的危險管段。隔水導管強度與穩定性校核結果見表6、表7。

表6 D24 in×1 in隔水導管強度校核結果（極端作業工況，X52鋼材）

表7 D24 in×1 in隔水導管穩定性校核結果（極端作業工況，X52鋼材）

由表6中強度校核結果可知，對于D24in×1in的隔水導管，選用X52鋼材時，在極端作業工況下的強度安全系數為1.57（＞1），隔水導管的強度校核滿足安全要求。

由穩定性校核結果可知，對于D24 in×1 in的隔水導管，選用X52鋼材時，在極端作業工況下存在不滿足穩定性要求的危險管段，分別為-186～-156 m、-220～-186 m、-254～-220 m三段，其余管段穩定性安全系數均大于1，滿足安全要求。

3.3 加強穩定性措施

針對不滿足安全要求的D24 in×1 in隔水導管危險管段，考慮采取在危險管段增加管體壁厚提高穩定性的解決方案，因為該區塊隔水導管入泥深度為107 m，每根隔水導管長度為12 m，由此確定隔水導管增加壁厚的管段范圍為-257～-149 m，加厚段總長108 m，涉及9根隔水導管，將該9根隔水導管危險管段壁厚由1 in增加至1.5 in（如圖5所示），以提高該段隔水導管穩定性。

圖5 隔水導管加厚管段示意

對9根危險段隔水導管壁厚由1 in增加至1.5 in后，發現該井隔水導管質量增加了18.47 t，隨之將引起隔水導管入泥深度增加至108.2 m，通過分析發現，隔水導管入泥深度增加之后，108 m的加厚管段仍然可以覆蓋之前確定的隔水導管危險段，加重帶來的管體自重變化導致的入泥深度增加量很小。

針對增加壁厚的隔水導管重新開展穩定性校核，求得隔水導管的穩定性系數見表8。

表8 加厚的D24 in×1in隔水導管穩定性校核結果（極端作業工況，X52鋼材）

對比增加危險段管體壁厚之前的穩定性校核結果，分析重新校核的結果，進而可以看出標高-156～30m管段、-322～-254 m管段穩定性安全系數依然均大于1，無明顯變化。標高為-186～-156m、-220～-186 m、-254～-220 m的原危險管段，在重新校核時穩定性安全系數轉變為大于1，滿足安全及穩定性要求。

由以上重新校核的結果可知，增加危險段管體壁厚之后，有效提高了隔水導管穩定性安全系數，最終D24 in×1 in隔水導管穩定性達到安全要求，分段校核、定點加厚的解決方案效果良好。

4 結論

（1）考慮環境載荷、井口壓載、導管腐蝕與海生物附著等多種因素，對隔水導管的穩定性影響展開研究，采用有限元模型充分模擬海上作業情況，可靠度高。

（2）結合南海某區塊實例進行隔水導管穩定性分析，通過對-257～-149 m的隔水導管危險管段采取增加壁厚的處理方式，使得隔水導管穩定性增強，滿足安全要求，同時也驗證了分段校核、定點加厚方案的可行性。

（3）本文提出的分段校核、危險管段定點加厚的方案對于水深較大的水上井口隔水導管的穩定性研究具有重要意義，應用前景廣闊。