內波流對井口吸入模塊穩定性的影響研究*

秦如雷 馮起贈 陳浩文 許本沖 李昌平 盧秋平 王嘉瑞

(1.中國地質科學院勘探技術研究所 2.中國地質大學(武漢)機械與電子信息學院 3.廣州海洋地質調查局)

0 引 言

海洋油氣資源富集，但與陸地鉆井和淺水鉆井相比，深水鉆井存在較多技術難題[1-4]。雙梯度鉆井技術是一種非常規鉆井技術，通過利用泵或改變液體密度的途徑，改變隔水管環空壓力梯度以控制井眼環空壓力，可以解決深水鉆井中與地層壓力相關的一些問題[5-10]。無隔水管鉆井液閉式循環鉆井 (Riserless Mud Recovery Drilling，RMR)技術是雙梯度鉆井的一種方案，該鉆井技術可形成封閉鉆井液循環系統，使鉆井液可回收，大大減少鉆井液用量，同時避免鉆井液排入海水之中，以保護海洋環境，在深海大洋鉆探中有廣泛的應用前景[11-15]。井口吸入模塊主要功能是隔離外部海水和井眼環空返回的鉆井液，在RMR系統中起關鍵性作用[16-18]。

國外井口吸入模塊的研制技術已經發展到第三代；國內的井口吸入模塊目前處于關鍵件的仿真研究階段，對洋流條件下整體模態研究較少。為此，筆者利用三維建模軟件SolidWorks設計并建立了井口吸入模塊三維模型，利用ABAQUS仿真軟件對井口吸入模塊進行了有限元分析，根據影響井口吸入模塊穩定性的各種因素，對整體結構進行靜力學分析以及模態分析，以總結井口吸入模塊的分析結果。

1 分析模型的建立

井口吸入模塊是無隔水管鉆井液返回鉆井系統中的關鍵組成部件，其主要功能是隔離外部海水和井眼環空返回的鉆井液，并將海水與井筒隔開，起到類似隔水管和防噴器的作用[19-20]，其外形如圖1所示。

圖1 井口吸入模塊外形圖Fig.1 Outside view of the wellhead suction module

井口吸入模塊主要由井口功能模塊、井口功能模塊支撐、電子艙安裝板、泥墊、鎖定油缸、導管連接短節以及球閥與牛眼等井口常用工具組成，該結構使得井口吸入模塊可與?914.4 mm導管及低壓井口頭耦合連接，可使用噴射下導管工藝與導管同時安放到位。國內RMR總體設計技術路線較之國外有所不同，其吸入模塊未配備旋轉總成外筒體、旋轉總成內筒體和旋轉軸承系統等組成內部防噴總成的部件[21]。

井口吸入模塊能使由井眼環空上返的鉆井液和鉆屑改變方向進入海底舉升系統，為鉆井液和巖屑返回管線提供接口，同時還起到扶正下入鉆具的作用[22]。

2 穩定性分析

本文利用p-y曲線法模擬土壤抗力，利用Morison方程求解內波流載荷，采用ABAQUS仿真軟件分析各種因素對井口吸入模塊穩定性的影響，并分析其處于極限工況下的穩定性。

2.1 土壤抗力的模擬方法

p-y曲線法是指在水平力F的作用下，土壤之下深度x處土壤反力P與該深度結構物側向變形y之間的關系曲線[23]。它綜合反映了樁周土的非線性、樁的剛度和外載荷作用的性質等特點，是一種彈塑性分析方法[24]。p-y曲線法不僅適用于靜載荷和循環載荷，而且也適用于結構物的大位移和小位移，避免了單一參數法的缺點，已經廣泛應用于海洋石油工程中[25]。所涉及到的黏土主要物理力學性能指標包括土的不排水抗剪強度、重度和主應力差[26-27]。

2.1.1 軟黏土中的p-y曲線

對于不排水抗剪強度Cu≤96 kPa的軟黏土，泥線x深度下單位樁長的極限土阻力pu可由下式確定：

(1)

式中：pu為極限土阻力，kPa；γc為泥線下深度x處土的單位有效容重，kN/m3；Cu為土的不排水抗剪強度；kPa；x為深度，m；D為結構物的直徑，m；ζ為無因次經驗常數，其值在0.25～0.50之間，土硬取小值；xr為極限水平承載力的轉折點深度，m，通常認為xr范圍以內的為淺層土，xr以下為深層土。

軟黏土在靜載荷下的p-y曲線可由下式確定：

(2)

式中：p為泥線下深度x處結構物發生橫向位移y時結構物橫向極限土阻力，kPa；y為泥線下深度x處構物發生橫向位移，m；y50為土橫向土阻力為極限橫向土阻力時結構物的橫向位移，m；ε50為原狀土不排水試驗中處最大應力發生的應變。

2.1.2 硬黏土中的p-y曲線

對于不排水抗剪強度Cu>96 kPa的硬黏土，用式(1)分別計算，取小值作為單位結構件上極限土阻力pu。硬黏土在靜載荷下的p-y曲線可由下式確定：

(3)

考慮到土壤特性對井口吸入模塊穩定性的影響，采用非線性彈簧模擬土壤對井口吸入模塊的作用。將處于泥土之下的井口吸入模塊部分分區，在不同泥土深度的井口吸入模塊上添加相應剛度的非線性彈簧單元，彈簧剛度由p-y曲線求得。井口吸入模塊在海底的受力情況如圖2所示。

圖2 井口吸入模塊受力情況示意圖Fig.2 Force diagram of the wellhead suction module

2.2 井口吸入模塊的穩定性分析

井口吸入模塊的穩定性會受到海況重現期、井口吸入模塊材質、土壤類型的影響，為了對實際作業提供參考，分析以上各因素對井口吸入模塊穩定性的影響。

分析所需的數據包括：水深為1 000 m，海水密度為1 034 kg/m3，拖曳力系數為0.7；Q235的彈性模量為210 GPa，不銹鋼的彈性模量為190 GPa，45鋼的彈性模量為200 GPa，銅鎳合金的彈性模量為150 GPa；Q235的泊松比為0.3，不銹綱的泊松比為0.3，45鋼的泊樺比為0.26，鋼鎳合金的泊松比為0.34；Q235的密度為7 930 kg/m3，不銹鋼的密度為7 850 kg/m3，45鋼的密度為7 850 kg/m3，銅鎳合金的密度為8 908 kg/m3；土壤K1等效剛度系數平均值為1.78×106，土壤K2等效剛度系數平均值為3.02×107，土壤K3等效剛度系數平均值為1.54×108，土壤K4等效剛度系數平均值為5.75×106。

2.2.1 海況重現期對穩定性的影響分析

海況重現期反映海洋流速的大小，直接影響井口吸入模塊所受內波流載荷的大小，對井口吸入模塊的穩定性有著重要影響。取某工區海平面下深度1 000 m，分析井口吸入模塊在海況重現期為1、5、10和25 a的工況下的穩定性。對工區進行環境實測得到的海洋流速分布如表1所示，根據該流速表和井口吸入模塊尺寸，利用Morison方程計算內波流載荷：

(4)

式中：fD為單位長度結構件上的拖曳力，N/m；ρ為流體的密度，kg/m3；CD為水動力系數，海平面以下0～150 m取1.2，海平面以下150 m至海底取0.7[28]；A為結構件水力外徑，m；ux為流體在該點處垂直于結構件的速度，m/s。

表1 海洋流速分布表Table 1 Distribution of current velocity

分析結果如圖3所示。由圖3可知，隨著海況重現期的增加，最大應力、最大位移和最大應變都增加，且海況重現期從1 a增加到5 a時，最大應力、最大位移和最大應變的增長幅度相似。因此需要考慮強臺風對井口吸入模塊的影響，在強臺風來臨之前，應采取必要措施提高井口吸入模塊的穩定性。

圖3 海況重現期對井口吸入模塊穩定性的影響Fig.3 Influences of the recurrence period on the wellhead suction module stability

2.2.2 模塊材質對穩定性的影響分析

井口吸入模塊的材質對其穩定性也有一定影響，常采用的材質有Q235、不銹鋼、45鋼和銅鎳合金。對采用以上各種材質的井口吸入模塊進行靜力學和模態分析，分析結果如圖4所示。由圖4可知，各種材質對井口吸入模塊靜力學強度的影響區別不大，井口吸入模塊材質為銅鎳合金時強度略低，但相差很小；井口吸入模塊前6階模態的固有頻率從高到低分別為Q235、45鋼、不銹鋼和銅鎳合金，井口吸入模塊的固有頻率隨著材料彈性模量的減小而降低，材質為銅鎳合金時，井口吸入模塊前6階模態的固有頻率最低。

圖4 井口吸入模塊材質對井口吸入模塊穩定性的影響Fig.4 Influences of the wellhead suction module material on the wellhead suction module stability

2.2.3 土壤類型對穩定性的影響分析

井口吸入模塊所處的土壤類型不同時，所受的土壤抗力也不同。硬質土壤相較于軟質土壤的土壤抗力更大，取土壤類型分別為K1、K2、K3和K4時對井口吸入模塊進行靜力學和模態分析，結果如圖5所示。由圖5可得：當土壤類型為K2時，井口吸入模塊最大應力最大，最大位移最小；當土壤類型為K4時則相反。因此對于軟質土壤K4，井口吸入模塊的最大位移最大，必要時需采取保護措施減少位移量；而對于井口吸入模塊前3階模態的固有頻率，土壤對其影響很小。其中3～6階模態的固有頻率從大到小依次是K2、K3、K1和K4。

圖5 土壤類型對井口吸入模塊穩定性的影響Fig.5 Influences of the soil type on the wellhead suction module stability

2.2.4 極限工況下穩定性的影響分析

為了保證作業時的安全性，有必要分析井口吸入模塊在極限工況下的穩定性。取各因素最危險的情況作為工作時的極限工況，如表2所示。

表2 極限工況參數Table 2 Parameters of extreme condition

利用仿真分析軟件得到靜力學分析結果如表3所示。由表3可知，極限工況下最大應力遠小于材料的屈服強度170 MPa，安全系數高達24；最大位移和最大應變也很小。前6階模態的固有頻率如圖6所示。由圖6可知，前6階模態的固有頻率分別為0.067、0.448、1.292、2.328、2.574和4.285 Hz。可見井口吸入模塊穩定性達到工作要求，但仍需避免極限工況的出現，應創造最合適的工作條件。

表3 極限工況分析結果Table 3 Analysis results of extreme conditions

圖6 極限工況下井口吸入模塊固有頻率Fig.6 Natural frequency of the wellhead suction module under extreme conditions

3 結 論

根據工區環境條件、土壤條件及井口吸入模塊尺寸，通過以上分析可得出以下結論：

(1)內波流載荷是影響井口吸入模塊穩定性的主要因素，而海況重現期直接影響洋流流速，因此井口吸入模塊各項穩定性參數均會隨海況重現期增大而增加。

(2)井口吸入模塊材質對井口吸入模塊穩定性影響非常小，故可考慮材質的耐腐蝕和抗氧化等因素選取合適的材質。井口吸入模塊前6階模態的固有頻率隨著材質彈性模量減小而降低；土壤的軟硬程度會影響井口吸入模塊穩定性，但相比于海況重現期，土壤影響較小。土壤硬度越小，井口吸入模塊位移越大，前6階模態的固有頻率越低。

(3)即使在極限工況下，井口吸入模塊的穩定性也能達到安全工作要求，安全系數可達24。