深水水下井口系統疲勞監測損傷評估研究進展*

王金龍 許亮斌

(中海油研究總院有限責任公司鉆采研究院)

0 引 言

海洋是全球石油戰略接替的重點區域之一，我國南海的油氣資源極為豐富，海洋油氣開發正在向深遠海延伸[1-5]，但南海惡劣的自然環境和極端海況(內波和臺風)對南海深水油氣開發帶來了巨大挑戰。深水水下井口系統作為深水鉆井過程中的重要裝備，為鉆井作業提供安全屏障。目前深水水下井口系統技術裝備全被FMC、GE和Aker等國際公司壟斷，投資成本高昂，其安全性至關重要，一旦失效可能造成油氣泄漏停產等嚴重的經濟損失和惡劣的環境污染。為了促進深水水下井口系統技術進步，提高水下井口系統的安全利用水平，筆者總結了深水水下井口系統特點，調研了水下井口在南海的應用現狀和前景；詳細分析了水下井口在損傷預測、疲勞監測、多源監測數據融合處理等疲勞損傷評估研究中的進展；總結了水下井口疲勞損傷評估研究難點；最后提出了水下井口疲勞損傷評估技術的發展方向及研究建議。所得結論可為水下井口系統技術發展及深海應用提供參考。

1 水下井口系統疲勞損傷特點

深水水下井口系統主要承力結構由高壓井口頭、低壓井口頭、導管及表層套管等組成，如圖1所示。當前我國南海共有117套開發井水下井口，探井水下井口數量更多且重復利用，其中超過設計壽命20 a以上超期服役的開發井井口有29套，當前未能完全掌握其疲勞損傷等安全狀態。水下井口系統在鉆完井、修井等連接作業過程中，受到波浪和海流引起的隔水管振動、平臺運動以及作業性動載荷等傳遞而來的循環載荷作用[6-9](見圖1)。這些循環載荷主要使水下井口產生循環彎矩，導致水下井口疲勞損傷不斷累積，而且隨著水深的增加、鉆井作業時間的延長、防噴器組體積和重力增大，水下井口疲勞損傷會更加嚴重。當其超過水下井口的疲勞極限時，井口會產生失效甚至斷裂[10]。疲勞失效是水下井口失效的主要形式。水下井口的疲勞極限位置主要在高壓井口頭、低壓井口頭、高壓井口與表層套管焊縫處、低壓井口與隔水導管焊縫處、表層套管接頭及隔水導管接頭等位置。英國北海油田曾有水下井口使用29 d因高壓井口頭底部和套管連接處的焊縫發生疲勞失效的事故[11]以及在役井口因疲勞失效導致的多次事故[12-13]。

圖1 深水鉆井平臺-隔水管-水下井口系統耦合模型Fig.1 Coupling model of deepwater drilling platform, riser,and subsea wellhead system

2 研究進展

當前，國際上對深水水下井口系統疲勞損傷研究主要基于環境設計數據，利用深水平臺-隔水管-水下井口系統耦合模型進行疲勞損傷預測，并在水下井口連接作業狀態時進行疲勞監測，評估水下井口當前的疲勞損傷等安全狀態。國內針對水下井口系統疲勞損傷機理進行了一些研究，取得了一些成果，但主要集中在基于環境設計數據的井口疲勞損傷預測；在水下井口疲勞監測以及監測數據評估方面研究較少，仍有待深入和全面研究。

2.1 基于設計數據的水下井口系統疲勞損傷預測方法

國外對基于環境設計數據的深水水下井口系統振動和疲勞損傷預測進行了較多研究，形成了相關推薦做法并指導工程實踐。

DNV-RP-E104[14]對波浪作用下的水下井口系統疲勞分析給出了指導方法，如圖2所示，但局限于波致疲勞，未對渦激振動引發疲勞給出計算指導方法。K.H.ARONSEN等[15]利用此方法進行了實例分析。M.MACKE等[16]對水下井口系統疲勞影響因素進行敏感性分析，探討水下井口疲勞預測中的保守程度。G.SIGURDSSON[17]等提出一種基于RBI應用的評估水下井口疲勞壽命的方法。A.FJELDSTAD等[18]利用壓力測試數據，基于斷裂力學方法對水下井口進行疲勞損傷評估。L.REINAS等[19]基于JIP項目“井口作業期間井口結構完整性”的研究成果，總結了井口疲勞預測方法，分析了深水鉆完井或修井期間極端波浪載荷作用下的井口疲勞損傷。L.C.SEVILLANO等[20]在水下井口疲勞分析方面考慮了井口溫度效應。N.PILISI等[21]對新、老井口在6種不同作業和服役狀態時井口疲勞進行了整體建模和分析。

圖2 水下井口疲勞損傷計算流程Fig.2 Calculation workflow of the subsea wellhead fatigue damage

國內中海油研究總院、中國石油大學(華東)和中國石油大學(北京)等對深水水下井口系統展開深入研究，利用隔水管-水下井口系統模型和水下井口等效簡化子模型，采用時域或頻域分析法，建立水下井口疲勞損傷評估方法，進行水下井口疲勞損傷分析。暢元江等[22]利用基于局部等效方法的深水水下井口半解耦分析模型進行井口動態強度和疲勞分析，并對深水水下井口疲勞分析中的耦合模型、半解耦模型及解耦模型的優缺點進行比較分析[23]。劉續等[24-25]利用商業有限元軟件Abaqus分析了水下井口的波致疲勞壽命。盛磊祥等[26]采用Flexcom軟件建立了鉆井平臺-隔水管-水下井口系統的動態耦合模型，分析了平臺動態漂移軌跡與漂移情況下的隔水管-井口系統載荷狀態。甘武祥等[27]建立了隔水管系統-井口有限元模型，分析了隔水管-井口彎矩分布以及隨波流參數、平臺運動的變化特征。劉秀全等[28]利用隨機波浪參數，基于頻域法計算隔水管-井口波激疲勞壽命，計算結果與時域計算結果吻合良好。暢元江等[29]對深水鉆井隔水管-井口系統，利用Shear7軟件計算不同超越概率流剖面下的渦激疲勞損傷。

從國內外研究現狀來看：

(1)水下井口(含導管、表層套管等淺層管柱)與深水隔水管-鉆井平臺相互耦合作用，需要利用鉆井平臺-隔水管-井口系統耦合模型整體分析，從而得到水下井口系統動態響應、疲勞損傷及其疲勞壽命。

(2)由于基于波浪海流土壤等服役環境條件的不確定性和波流流固耦合模型的高非線性，所以基于設計數據的水下井口系統疲勞損傷預測精度有所欠缺，與實際作業時的井口疲勞安全狀態差別較大，亟需利用疲勞監測方法對水下井口系統進行疲勞狀態評估。

2.2 水下井口系統疲勞監測損傷評估方法

水下井口在設計階段，利用合適的設計方法確保工況結構能夠抵抗不可預測的極端環境載荷造成的損傷，但是在鉆完井或修井作業的服役期間疲勞損傷不可避免。為了更好地評估實際作業工況下的井口疲勞損傷，對水下井口系統進行疲勞損傷監測成為一種更直接的疲勞評估手段。目前，水下井口系統因位置在防噴器下且隔水導管/表層套管部分位于海床土壤中，直接安裝傳感器較為困難，一般通過對深水平臺-隔水管系統進行監測，間接實現對水下井口的疲勞監測。水下井口系統疲勞損傷監測數據多源，具體包括：波浪海流平臺運動等監測信息、隔水管不同位置處的振動數據、隔水管重點部位的應變/應力監測數據。隔水管振動監測位置不連續且測點有限，如何利用監測位置不連續且測點有限情況下的多源監測數據，并利用高精度評估方法進行水下井口疲勞損傷評估成為當前的技術難題。

E.MYHRE等[30]嘗試在高壓井口、導管及表層套管外部布置應變傳感器實時監測水下井口系統，并進行了室內和海上安裝作業試驗，技術整體水平仍處于試驗階段，并未進行工業應用。E.B.KEBADZE等[31]通過監測鉆井隔水管-水下井口系統，對土壤剛度、隔水管附加質量等進行參數修正和調整優化，提高水下井口疲勞評估準確性。LANG D.W.等[32]將井口-隔水管監測數據與數值模型融合，并對鉆井作業裝備進行實時監控，對土壤模型進行修正和校準，使井口疲勞評估更加精確。H.HOWELLS等[33]介紹了井口疲勞監測方法，并對不同方法的優缺點進行了介紹，特別指出，有限元模型中的相關參數需要進行修正，從而使傳遞函數法具有更高的魯棒性。B.MERCAN等[34]利用BOP處的振動傳感器數據修正海床土壤參數，再利用傳遞函數法進行疲勞損傷評估，并利用JIP項目“井口疲勞”[35]成果，總結了大量井口疲勞監測案例，指出利用監測數據評估疲勞損傷和基于設計數據預測疲勞損傷的差距，探討波致疲勞預測時通過修正有限元模型中的背景流和水動力系數，可使監測和預測結果更加匹配。S.MCNEILL等[36-37]研究了基于監測數據和傳遞函數法的水下井口系統疲勞損傷評估方法和疲勞監測系統，認為疲勞壽命監測可以快速做出預警判斷，測量數據在對分析模型校準修正中具有重要作用，并降低常規疲勞預測中的高保守性。S.GAUTHIER[38]介紹了水下井口和隔水導管系統無線實時監測裝置，探討了傳感器測點位置的布置方法。GE M.L.等[39-40]基于監測數據，利用傳遞函數法分析波浪和海流引起渦激振動共同作用下水下井口疲勞損傷，指出在高環形流作用下的隔水管-水下井口疲勞損傷主要由渦激振動效應引起。D.WILLIAMS[41]基于監測數據，通過振動位移-應力傳遞函數評估井口疲勞損傷。A.RIMMER等[42]制定了水下井口疲勞監測方案，分析了基于監測數據的疲勞評估和基于環境設計數據的疲勞預測的差別及其原因。

國內對水下井口系統監測評估研究相對較少，僅進行了初步探索。李清培等[43]對比分析了疲勞監測方法在鉆井隔水管-水下井口系統上的應用，通過加速度運動監測可以間接獲得隔水管和水下井口疲勞狀態。王金龍[44]利用加速度監測數據通過傳遞函數法探討了鉆井隔水管疲勞損傷評估，但未深入研究水下井口疲勞難題。

綜上所述，基于監測數據的疲勞損傷評估方法主要有模態匹配法、理論解析法、半解耦法及傳遞函數法等。模態匹配法基于振型重構[45]，側重于評估渦激振動引起的隔水管疲勞損傷，使模態振幅和頻率匹配不同位置的實測隔水管響應。模態匹配法對渦激振動具有很強的適應性，但若隔水管的響應主要由波浪引起時，隔水管的動力響應和疲勞響應將遭到低估。理論解析法僅可計算監測位置的疲勞壽命，無法計算別的目標位置的疲勞響應，使用上有一定限制。半解耦法需提前計算水下井口等效模型，使用上有一定難度。傳遞函數法利用隔水管監測位置處的加速度振動監測數據來預測水下井口疲勞極限位置的疲勞響應[46]，利用時域模態或動力學分析生成頻域傳遞函數，考慮了隔水管-水下井口動態響應的部分非線性特性，如結構阻尼、水動力學參數和土壤剛度等。雖然傳遞函數法在精度和效率上達到平衡，但也存在忽略不同海況等部分非線性因素的缺點。

從國內外研究現狀可發現：

(1)國內對水下井口系統監測工程實踐和研究處于探索階段，仍有待深入研究。

(2)基于監測數據的水下井口系統疲勞損傷評估方法中，傳遞函數法在精度與效率上較為平衡；但目前常規傳遞函數法依賴于單一傳感器的振動監測數據，具有一定的隨機性，忽視了不同海況下的強非線性；傳遞函數的生成精度與所建立的有限元模型、水動力學參數和阻尼參數的正確性關聯較大。

(3)基于傳遞函數法原理，如何生成高精度傳遞函數進行多源監測數據下的高效疲勞損傷評估，仍有待深入研究。

2.3 基于多源監測數據融合的水下井口修正有限元模型

當前多源數據融合技術飛速發展，水下井口系統疲勞監測產生的海量監測數據，應引入多源數據融合新方法來提高水下井口安全保障技術水平。

多源數據融合技術能夠提高對目標信號特征提取性能，降低數據信號噪聲干擾。多源數據融合在風電等設備故障診斷及海洋裝備等領域開始應用[47-48]，在深水鉆井行業已利用信息融合中的粗糙集理論和規則提取算法設計了鉆井智能預警系統[49]。閆天紅等[50]開發了風和波浪環境監測與平臺振動、應變響應結構監測系統，根據監測數據提出了基于雙重有限元模型修正的導管架平臺結構數字孿生，并修改平臺結構安全評估及壽命預測模型。蔣愛國等[51]通過運用數字孿生技術將物理實體映射到修正有限元模型中，運用大數據挖掘技術并集成人工智能技術，實現多源信息數據的融合，開發了半潛式鉆井平臺智能監測系統。GE M.L.等[52]介紹了利用固定點法和振動主頻法對水下井口整體有限元模型修正的方法。

深水水下井口系統環境載荷工況復雜，同時單一傳感器采集到的信息可能會受到周圍環境的干擾而存在一定不精確性，因此利用振動、應力/應變、波浪海流等傳感器監測到的多源監測數據進行融合處理，能夠獲取更準確的信號特征，得到更精確的水下井口修正有限元模型。水下井口多源監測數據融合能夠最大效率利用多個維度的信息對信號特征進行描述，實現水下井口系統疲勞狀態特征信息的準確提取，有效提高信息特征提取效率，提高對干擾和噪聲的抵抗能力。

綜上所述，可以發現：

(1)還未見將多源數據融合新方法、新理念引入到水下井口疲勞監測評估研究中。

(2)通過多源數據的冗余性和互補性，利用多源數據融合提取疲勞狀態特征，修正水下井口動力學理論計算模型和疲勞損傷評估方法，提高有限元模型和疲勞監測數據處理精度。

(3)建立基于多源監測數據融合的深水水下井口系統修正有限元模型，實現水下井口物理模型與監測數據的交互，真實反映深水水下井口的靜態和動態特征(模態參數)，依據監測數據不斷修正井口結構有限元模型，生成高精度傳遞函數，隨時掌握深水水下井口系統服役期間的結構行為狀態。

3 研究難點

深水水下井口疲勞預測和基于監測數據的疲勞損傷評估研究，具有如下難點需引起高度關注。

(1)水下井口疲勞監測水池試驗待開展。目前深水鉆井平臺-隔水管-井口耦合動力學響應試驗集中在隔水管振動響應研究，未見針對波流耦合作用下的深水水下井口疲勞監測試驗及試驗數據處理方法研究。深水平臺-隔水管耦合振動水池試驗中雖有部分設計了井口模型管段，但較少對井口進行振動監測。等效土箱中井口模型管段的監測傳感器安裝可靠性和數據采集穩定性難度客觀存在。波浪海流耦合作用下的深水水下井口系統疲勞監測水池試驗仍有待開展和深入研究。

(2)缺乏多源監測數據融合的水下井口修正有限元模型。由于服役環境條件的不確定性、海床土壤性質的不精確性、管土作用的強非線性及隔水管-井口波流流固耦合效應等影響因素，當前隔水管-水下井口整體耦合模型與水下井口實際受力環境仍有較大差別，基于環境設計數據的水下井口疲勞損傷預測與實際作業情況仍有較大差距。為了精確評估實際作業工況下的井口疲勞損傷，對水下井口進行疲勞損傷監測成為一種更直接、更高效的井口疲勞評估手段。但目前多源監測數據未能良好融合處理，監測數據信息與有限元模型參數無法交互修正，缺乏水下井口修正有限元模型，導致水下井口結構評價及疲勞損傷壽命預測出現偏差。

(3)缺乏基于多源監測數據融合的水下井口系統疲勞損傷高效評估方法。當前基于振動、應變及波流監測數據等多源監測數據的水下井口系統疲勞損傷評估方法主要有模態匹配法、理論解析法、半解耦法、傳遞函數法等。模態匹配法主要針對VIV(渦激振動)引起的疲勞，忽略了波浪引起的疲勞響應。常規傳遞函數法在精度和效率上較好，但常依賴于單一的振動監測數據，具有一定的隨機性，需提高針對不同海況的適應性和精度。基于多源監測數據融合的水下井口系統疲勞損傷高精度評估方法仍需進行深入研究。

4 結束語

我國當前油氣對外依存度高，受中美戰略競爭影響，國外油氣進口存在一定的風險。我國正在加大勘探力度，大力開發南海深遠海域油氣資源，維護能源安全。在南海深遠海域油氣資源開發中，水下井口作為深水油氣開發的必需裝備，對水下井口系統的疲勞損傷評估亟待開展以下研究：

(1)開展波流耦合作用下的深水水下井口系統疲勞監測水池試驗研究，揭示基于水池試驗數據的深水水下井口系統疲勞損傷規律。

(2)建立基于多源監測數據融合的深水水下井口系統修正有限元模型，提出基于高精度傳遞函數的深水水下井口系統疲勞損傷評估方法。