海上鉆井隔水管系統組成及設計關鍵技術研究

田瑞瑞

摘 要：隔水管系統是海上鉆井作業時連接浮式平臺與水下井口系統的關鍵裝備，結構組成復雜，需要承擔風浪流海洋環境、浮式平臺偏移以及作業工況等復合條件作用下的復雜力學載荷。通過技術調研、設計分析以及現場作業實踐，研究鉆井隔水管系統基本配置及要求，分析隔水管鉆井工程設計的關鍵技術，包括隔水管配長及管串排列設計、隔水管最小頂部張力計算和隔水管作業窗口分析，明確隔水管設計分析的基本原則，對深水鉆井隔水管作業安全具有指導作用。

關鍵詞：鉆井隔水管;浮力塊;頂部張力;配長;作業窗口

中圖分類號：TE951 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）11-0071-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.016

Research on Composition and Key Design Technology for Offshore Drilling Riser System

TIAN Ruirui

（CNOOC Energy Deepwater Drilling & Production Technology Branch.， Shenzhen 518054，China）

Abstract：The riser system is the key equipment connecting the floating platform and the underwater wellhead system during offshore drilling operation. Its structural composition is complex and needs to bear the complex mechanical loads under the combined conditions of wind， wave and current marine environment， floating platform offset and operating conditions. Through technical investigation， design analysis and field operation practice， study the basic configuration and requirements of drilling riser system， analyze the key technologies of riser drilling engineering design， including riser length and pipe string arrangement design， riser minimum top tension calculation and riser operation window analysis， and clarify the basic principles of riser design and analysis， which plays a guiding role in the safety of deepwater drilling riser operation.

Keywords：drilling riser; buoyancy block; top tension force; spacer out; operation window

0 引言

海上浮式鉆井裝置包括半潛式鉆井平臺和鉆井船，進行鉆完井作業時，需要隔水管系統連接海面的平臺和水下井口，起到隔離海水，建立鉆完井液閉路循環通道、起下井下鉆具及水下防噴器組等[1]。由于海上風浪流等海洋環境力的持續存在，隔水管系統需要承受惡劣的海洋環境力作用，并需補償平臺的偏移和升沉運動[2]。此外，隔水管本體支撐的邊管（阻流/壓井管線、防噴器組控制管線）是井控系統的重要組成部分。

1 鉆井隔水管系統主要組成部分

海上鉆井隔水管系統按照從平臺到海底有轉噴器、上部球接頭、張力器、伸縮節、隔水管單根、灌注閥、隔水管底部總成以及阻流/壓井和輔助管線等，具體如圖1所示。此外還有隔水管送入工具和卡盤等起下隔水管的工具。

1.1 轉噴器

轉噴器又稱為分流器，主要由隔水管環空密封設備、鉆井液返出管及控制系統組成，安裝在轉盤下方，用于發生井涌、井噴時，關閉隔水管環空，將流體引導至放噴管線。上部球接頭位于轉噴器下方，由特制橡膠和金屬彈片組合而成，用來承擔隔水管系統的頂部彎矩，便于鉆機動作。撓性接頭的撓曲件通常為球形鋼環組之間的彈料黏合疊片。彈性材料可實現撓曲和壓力密封。

1.2 張力器

張力器安裝在平臺月池處，其產生的拉力與隔水管系統的重力相平衡，保證了隔水管相對于海底位置固定和力學穩定性。張力器有兩種常用的形式，一種是張力繩結構，另一種是張力腿結構。張力繩裝置一端通過8～12股鋼絲繩拉住隔水管系統，另一端連接布置在鉆臺周邊的液壓缸系統，由液壓缸系統提供拉力以及升沉補償運動，這種結構占用月池區域空間小。張力腿結構由6個張力器液缸形式替代了張力繩，通過液缸產生一個向上的近乎常量的力，緊緊拉住隔水管系統。這種結構需要占用較多的月池區域空間，但能提供較大的張力，具有很好的防回彈功能，在超深水海域具有良好的適應性。

1.3 伸縮節

隔水管伸縮節由內外筒和張力環組成。作業時解鎖內外筒，外筒通過張力環掛在張力器上，內筒可以上下運動補償浮式平臺的升沉運動，外筒上還設有隔水管邊管的連接裝置。

1.4 隔水管

隔水管是單根大直徑、高強度無縫或電焊管（隔水管主管），由本體和接頭組成，長度通常為22.86 m和15.24 m，以及配長用的短節。外徑為0.05 m，內徑與隔水管壁厚有關，而壁厚與隔水管單根適應的水深有關，安裝在上部位置的隔水管壁厚要比安裝在下部位置的厚，因此內徑相對要小一點，通常內徑為0.048 m，內徑所提供的環空必須與預期套管程序一致。隔水管主管應具有足夠的強度，能夠經受來自波浪、海流施加的張力，鉆機運動以及鉆井液重量等的綜合負荷[3]。此外，還應考慮塌陷壓力和裝卸載荷。主管的強度特征由其直徑、壁厚、鋼級決定。隔水管一般采用的鋼級是X-52、X-65和X-80。隔水管單根上可安裝浮力塊，用于減輕隔水管系統的重量，根據適應的水深不同浮力塊等級不同。隔水管安裝的水深決定了浮力塊的密度，水越深密度越大，以承受更大的海水擠毀壓力。浮力塊的外徑則受鉆臺轉盤開口直徑限制。

1.5 隔水管接頭

隔水管接頭用于連接相鄰的兩根隔水管，接頭連接形式有法蘭連接和快速扣兩種。深水鉆井作業時，為防止隔水管內部因井漏等原因造成掏空現象，導致隔水管被海水壓壞，一般在隔水管系統中安裝灌注閥，當隔水管內液面下降到危險位置后，灌注閥會自動打開將海水灌入隔水管。該閥通常安裝在水面以下300～500 m處。

1.6 隔水管底部總成

隔水管底部總成（LMRP）指安裝在水下防噴器組與隔水管低端的設備，由下部球接頭、1個環形防噴器、隔水管連接器以及防噴器水下控制盒（藍黃盒）組成。作業時，通過藍黃盒對水下防噴器進行功能控制，藍黃盒一用一備。在應急情況下，隔水管底部總成可與防噴器組解脫，如浮式平臺在惡劣海況條件下偏移范圍超出設計范圍，同時恢復作業時，底部總成可與隔水管再次連接。下部撓性接頭用于使隔水管和水下防噴器組之間產生角位移，從而減小隔水管上的撓距。

1.7 阻流/壓井及輔助管線

阻流/壓井及輔助管線附著在隔水管本體上，作業時順著隔水管系統循環流體。輔助管線包括增壓管線、注水合物抑制劑管線以及防噴器電液控制管線。一般情況下，隔水管單根的阻流/壓井和輔助管線通過支架與隔水管主管外部相連。阻流/壓井管線用于循環關閉水下防噴器組時從井眼至平臺的流體，包括油氣水和鉆井液等。增壓管線用于鉆進作業時，增加隔水管內的鉆井液排量，從而增大隔水管內的環空返速提高攜巖能力。注水合物抑制劑管線用于給水下防噴器系統內注入水合物抑制劑，防止深水海底低溫環境下防噴器處結晶形成水合物堵塞。防噴器電液控制管線把操作信號傳遞至水下防噴器系統，藍盒和黃盒各有一根控制管線。

1.8 隔水管卡盤和送入工具

隔水管卡盤和送入工具用于起下隔水管作業。起下隔水管作業時，卡盤固定在鉆臺轉盤處，為隔水管和水下防噴器系統提供支撐力，萬向節配合卡盤一起使用，可減輕卡盤的彎矩。送入工具用于在鉆臺處連接和提升隔水管，具有與隔水管一致的接頭結構形式。

2 鉆井隔水管設計關鍵技術

在兩個階段需要進行隔水管設計分析。在建造浮式鉆井平臺階段，對隔水管系統選型及配置時，要確立隔水管系統配置條件和要求，進而確立材料的鋼級、壁厚和材質等設計規格。在鉆井作業前期準備階段，需要根據作業井位海域海洋環境特點和作業工況進行隔水管設計分析，包括根據平臺氣隙及水深進行隔水管配長及管串排列設計、確定不同作業工況下隔水管頂部張力大小調節方案、連接作業窗口分析、起下隔水管系統作業窗口分析和避臺撤臺分析等設計關鍵技術。

2.1 隔水管配長及管串排列設計

作業水深、平臺氣隙和水下高壓井口頭出泥高度是隔水管配長設計的基礎數據。作業水深通過一開鉆頭探海底泥面可準確獲得。平臺氣隙根據作業吃水情況確定。表層套管固井作業結束后可通過水下機器人精確測得水下高壓井口頭出泥高度。確定海上隔水管的長度時，要選擇構成隔水管柱的隔水管單根的數量。隔水管柱長度的設計應保證：水下防噴器組坐好井口后，浮式平臺處于平均海平面吃水位置時，隔水管伸縮節內筒伸長位置為其額定沖程的一半，以滿足惡劣海況調節下伸縮節補充平臺升沉運動的需求。伸縮節內筒如果伸長或收回超出沖程極限，則會損壞隔水管和配套設備。如伸長超出極限，則拉伸負荷將大幅增加;如果收回至極限，則隔水管將發生折皺。隔水管串排列設計中，帶浮力塊隔水管單根能減輕系統重量，便于隔水管起下作業，且因有浮力塊可起到保護作用，隔水管邊管也不容易損壞。

2.2 隔水管最小頂部張力計算

隔水管系統的頂部張力是隔水管力學響應的主控因素，頂張力的大小通過張力器提供和調節。頂部張力設置不合理可能會導致撓性接頭轉角過大、水下井口下沉和損壞等風險[4]。隔水管最小頂部張力計算常有三種計算方法。一是美國石油協會（API）推薦算法要求在即使有隔水管張力器失效的情況下，張力器提供的頂部張力要確保水下的隔水管系統最低端處于受拉的力學狀態。二是法國石油研究院推薦的底部殘余張力計算法考慮了深水浮式鉆井平臺應急解脫時能夠安全提升所有隔水管以及LMRP系統，在設計和現場作業時應用較為廣泛。三是現場經驗算法基于深水或超深水平臺現場下入鉆井隔水管系統時，由鉆井大鉤提升和下入隔水管。根據作業井隔水管系統的配置、防噴器組重量，考慮邊管以及浮力塊的影響，可以求得下入隔水管及防噴器組時需要的最大鉤載荷。現場作業時，隔水管頂部張力應根據不同作業工況實時調整。一般情況下，隨著鉆井液密度增加，應提高隔水管頂部張力，以保證隔水管及LMRP始終處于受拉狀態。

2.3 隔水管作業窗口分析

隔水管作業窗口分析包括連接作業、起下隔水管作業以及懸掛隔水管作業，分析的目的在于考慮隔水管的應力、彎矩和形變安全條件下，計算允許的浮式平臺偏移范圍和海洋環境力。此外，限制條件還包括隔水管伸縮節的額定沖程，上下部球接頭的轉角，水下井口系統和表層導管的應力、彎矩限制等。設計原則如表1所示。

正常鉆井模式的平均和最大球接頭角限制的目的是防止對隔水管和球接頭造成磨損和溝槽損壞。連通非鉆井模式和斷開模式的最大球接頭角限制的目的是防止對隔水管、球接頭和水下防噴器組造成損壞。最大應力分析的目的是確保隔水管的強度足以支持最大設計負荷，防止發生結構失效[5]。

2.4 波致疲勞分析

海上鉆井隔水管系統由于長度較長，屬于動力疲勞敏感結構。隔水管的波致疲勞損傷可分為短期疲勞和長期疲勞，短期疲勞為每一海況及每一工況下的疲勞損傷，長期疲勞則為所有短期疲勞按照發生概率進行的疊加。

垂直于長度方向，隔水管受到多種循環載荷，如波浪載荷、洋流載荷、浮式鉆井裝置運動引起的載荷以及作業引起的動載荷等，其中波浪載荷與鉆井船運動是引起隔水管波致疲勞損傷的主要影響因素。而波浪載荷主要是通過影響鉆井船的運動間接導致隔水管系統的疲勞。鉆井船運動對隔水管彎曲應力幅值的影響如圖2所示。從圖2可以看出，在考慮鉆井船波頻與低頻運動的情況下，隔水管彎曲應力相比不考慮波頻和低頻運動明顯增大，特別是在水面附近及泥線附近，隔水管的彎曲應力幅值較大，但具體疲勞壽命的計算需結合該處部件的疲勞系數來分析。總體來說鉆井船的運動對隔水管系統的疲勞損傷影響較大，通過動力定位系統提高鉆井船的位置保持能力，控制鉆井船的動態響應可大幅度降低隔水管的疲勞損傷。

3 結論及建議

海上鉆井隔水管系統結構組成復雜，并受到惡劣的海洋環境力作用。浮式鉆井平臺在設計建造階段應全面考慮平臺結構特點、根據作業海域的海洋環境特點和業主作業要求，系統進行鉆井隔水管系統的選型配置，嚴格校核安全系數。在鉆井工程設計前期，應結合目標井位海況和作業工況，進行隔水管設計分析，包括隔水管配長及管串排列設計、隔水管最小頂部張力計算、隔水管作業窗口分析及疲勞分析等，分析范圍應涵蓋浮式鉆井平臺允許偏移范圍劃分，水下井口系統和表層導管應力及抗彎能力校核。

參考文獻：

[1] 周建良，許亮斌.深水鉆井隔水管關鍵技術研究進展[J].中國海上油氣，2018，30（4）：135-143.

[2] 王冬石.深水鉆井隔水管系統關鍵技術研究與發展建議[J].石油機械，2018，46（7）：39-44.

[3] 暢元江，段夢蘭.南海深水鉆井隔水管設計與作業技術[J].天然氣工業，2014，34（5）：106-111.

[4] 陳國明，劉秀全，暢元江，等.深水鉆井隔水管與井口技術研究進展[J].中國石油大學學報（自然科學版），2013，37（5）：129-139.

[5] 陳錕，黃劍，馮超，等.深水隔水管系統安全作業窗口分析[J].中國安全生產科學技術，2021，17（6）：79-84.