摘要：采用通用組合確定準(zhǔn)則和非線性搜索方法研究深水鉆井隔水管連接作業(yè)窗口，建立隔水管-井口-導(dǎo)管整體有限元分析模型，并以鉆井平臺(tái)偏移值、表面海流流速和伸縮節(jié)沖程組合參數(shù)形式確定隔水管連接作業(yè)窗口。研究表明，隔水管鉆井窗口總體上呈倒錐形：表面海流流速較小時(shí)（小于 1.0 m/s），鉆井窗口主要受底部撓性接頭轉(zhuǎn)角的影響，順流方向海流流速增加會(huì)增大底部撓性接頭轉(zhuǎn)角，減小允許的平臺(tái)最大偏移值，逆流方向相反；當(dāng)表面海流流速超過 1.0 m/s 時(shí)，鉆井窗口主要受頂部撓性接頭轉(zhuǎn)角的影響，此時(shí)在逆流方向海流流速增加會(huì)顯著增大頂部撓性接頭轉(zhuǎn)角，導(dǎo)致鉆井窗口迅速縮小。隔水管連接非鉆井和啟動(dòng)脫離程序窗口主要受導(dǎo)管最大等效應(yīng)力限制，隨海流流速增大向逆流方向偏移。另外，通過對(duì)隔水管連接作業(yè)窗口影響因素進(jìn)行分析，可知適當(dāng)提高頂張力和降低鉆井液密度可有效擴(kuò)展隔水管的鉆井窗口。

 

  0 引言鑒于石油資源特別是陸上資源的日漸枯竭，具有高投入、高技術(shù)和高風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)的深水油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域已成為全球熱點(diǎn)領(lǐng)域。深水鉆井隔水管是深海石油勘探開發(fā)的重要裝備，是決定鉆井成敗的關(guān)鍵因素。

 

  隨著中國石油開采向深海發(fā)展，南海復(fù)雜的海況條件將給鉆井隔水管的作業(yè)管理帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。作業(yè)窗口能有效地確定隔水管正常鉆井、連接非鉆井和啟動(dòng)脫離程序的界限，為隔水管不同作業(yè)階段的實(shí)時(shí)決策提供指導(dǎo)。分析不同模式下隔水管作業(yè)窗口是構(gòu)建隔水管作業(yè)管理體系的基礎(chǔ)，國外常規(guī)做法是采用鉆井船偏移值與水深比值建立水圈形成作業(yè)包絡(luò)線[5]，或利用隔水管最大等效應(yīng)力和撓性接頭轉(zhuǎn)角劃分作業(yè)界限，或?qū)⑸炜s節(jié)沖程的極限長(zhǎng)度作為隔水管作業(yè)窗口的制定依據(jù)，由此得到的隔水管連接作業(yè)窗口主要有鉆井平106 石油勘探與開發(fā)·石油工程 Vol. 39 No.1臺(tái)偏移形式、隔水管撓性接頭轉(zhuǎn)角形式和風(fēng)浪流組合載荷形式等[6-7]。上述隔水管作業(yè)窗口確定準(zhǔn)則及其表現(xiàn)形式都比較單一，由此確定的作業(yè)窗口具有很大的應(yīng)用局限性。

 

  本文采用鉆井平臺(tái)偏移值、表面海流流速和伸縮節(jié)沖程的組合參數(shù)確定隔水管連接作業(yè)窗口，建立隔水管、井口和導(dǎo)管整體有限元分析模型，確定隔水管不同作業(yè)模式劃分的極限準(zhǔn)則，分析不同工況下隔水管的作業(yè)窗口，研究頂張力和鉆井液密度對(duì)隔水管連接作業(yè)窗口的影響，提出改善作業(yè)窗口的措施。

 

  1 隔水管連接作業(yè)窗口分析模型圖 1 為深水鉆井隔水管系統(tǒng)連接作業(yè)示意圖。由圖可見，整個(gè)系統(tǒng)包括鉆井平臺(tái)、頂部撓性接頭、伸縮節(jié)、隔水管、底部撓性接頭、隔水管底部總成(LowerMarine Riser Package，簡(jiǎn)稱 LMRP)、防噴器(BlowoutPreventor，簡(jiǎn)稱 BOP)、井口以及導(dǎo)管等。

 

  基于隔水管與導(dǎo)管數(shù)學(xué)模型，建立隔水管-井口-導(dǎo)管整體有限元分析模型，模型的上部邊界終止于頂部撓性接頭與張緊器，下部邊界終止于導(dǎo)管，導(dǎo)管下2012 年 2 月 鞠少棟 等：深水鉆井隔水管連接作業(yè)窗口分析 107圖 3 考慮大變形的導(dǎo)管彎矩分析示意圖端采用固支約束。自伸縮節(jié)至導(dǎo)管的整個(gè)海洋鉆井管柱系統(tǒng)采用管單元進(jìn)行模擬；撓性接頭采用鉸單元進(jìn)行模擬，鉸單元截面屬性為連接、可轉(zhuǎn)動(dòng)，頂部撓性接頭的抗轉(zhuǎn)剛度一般設(shè)為零，而底部撓性接頭的抗轉(zhuǎn)剛度隨水深的增大而變大。張緊器的模擬通過在隔水管頂部施加垂直張力來實(shí)現(xiàn)[10]。

 

  2 隔水管連接作業(yè)窗口確定準(zhǔn)則與流程隔水管連接狀態(tài)下不同作業(yè)模式的限制因素主要包括頂部、底部撓性接頭轉(zhuǎn)角，隔水管和導(dǎo)管最大等效應(yīng)力，伸縮節(jié)沖程長(zhǎng)度等[11-12]，由此得到的隔水管連接作業(yè)窗口確定準(zhǔn)則見表 1。

 

  表 1 不同作業(yè)模式下隔水管連接作業(yè)窗口確定準(zhǔn)則作業(yè)模式頂部撓性接頭最大轉(zhuǎn)角/(°)底部撓性接頭最大轉(zhuǎn)角/(°)隔水管最大等效應(yīng)力與屈服強(qiáng)度比值導(dǎo)管最大等效應(yīng)力與屈服強(qiáng)度比值伸縮節(jié)沖程/m連接鉆井模式 2 2 0.67 0.67 ≤19.8連接非鉆井模式 9 9 0.67 0.80 ≤19.8啟動(dòng)脫離模式 9 9 0.67 1.00 ≤19.8為了快速得到各種作業(yè)模式下的臨界鉆井平臺(tái)偏移值和海流流速值，筆者設(shè)計(jì)了作業(yè)窗口臨界值搜索方法。該方法先按不同的作業(yè)極限準(zhǔn)則劃分工況，然后采用一維非線性搜索求出不同海流流速下的臨界鉆井平臺(tái)偏移值，計(jì)算完一種工況后，進(jìn)行極限準(zhǔn)則和海流流速的更新，直至完成所有工況的分析。圖 4 為連接工況下隔水管作業(yè)窗口確定流程示意圖。

 

  上述深水鉆井隔水管連接作業(yè)窗口確定方法與國外一般方法相比，在分析模型、確定準(zhǔn)則、搜索方法以及作業(yè)窗口表現(xiàn)形式等方面均有明顯不同（見表 2）。

 

  本文方法采用隔水管-井口-導(dǎo)管整體有限元模型，充分考慮了導(dǎo)管對(duì)隔水管響應(yīng)的影響，更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

 

  本文方法提出了通用的組合確定準(zhǔn)則并采用非線性搜索方法，相對(duì)于單一確定準(zhǔn)則和線性搜索方法得到的窗口更可靠；窗口表現(xiàn)形式為多參數(shù)組合形式，比單一參數(shù)形式更直觀。盡管國外方法已被海洋鉆井實(shí)踐證明行之有效，但對(duì)于中國南海海域惡劣的環(huán)境和多變的海況條件，采用本文方法獲得的作業(yè)窗口更加精確，對(duì)于安全作業(yè)更有利，且通過自主研發(fā)獲得了隔水管作業(yè)窗口分析核心技術(shù)，打破了國外在這一領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。

 

  圖 4 隔水管連接作業(yè)窗口確定流程表 2 隔水管連接作業(yè)窗口分析方法對(duì)比分析方法 分析模型 確定準(zhǔn)則 搜索方法 窗口表現(xiàn)形式國外方法 隔水管單一模型單一確定準(zhǔn)則線性搜索 單一參數(shù)形式本文方法隔水管-井口-導(dǎo)管整體模型組合確定準(zhǔn)則非線性搜索海流流速、平臺(tái)偏移值與伸縮節(jié)沖程組合形式108 石油勘探與開發(fā)·石油工程 Vol. 39 No.13 隔水管連接作業(yè)窗口分析實(shí)例3.1 深水鉆井隔水管系統(tǒng)配置以南海 3 048 m（10 000 ft）水深為例，鉆井作業(yè)隔水管系統(tǒng)配置見表 3。伸縮節(jié)沖程 17.28 m；底部撓性接頭抗轉(zhuǎn)剛度為 92 kN·m/(°)；導(dǎo)管到固定端的長(zhǎng)度設(shè)為導(dǎo)管外徑的 4 倍；隔水管材料為 X80 鋼，屈服強(qiáng)度 552 MPa；導(dǎo)管材料為 X56 鋼，屈服強(qiáng)度386 MPa。

 

  表 3 隔水管系統(tǒng)配置隔水管部件名稱 數(shù)量 外徑/m 壁厚/mm 長(zhǎng)度/m伸縮節(jié)外筒 1 0.609 6 25.400 22.86浮力單根 1 7 0.533 4 25.400 22.86浮力單根 2 26 0.533 4 23.813 22.86浮力單根 3 33 0.533 4 22.225 22.86浮力單根 4 34 0.533 4 22.225 22.86浮力單根 5 33 0.533 4 19.050 22.86LMRP 1 7.10BOP 1 8.00井口 1 0.80導(dǎo)管 1 0.914 4 50.800 3.70根據(jù)隔水管系統(tǒng)配置，參考 API RP 16Q-1993[13]

 

  的最小頂張力計(jì)算方法，算得最小頂張力為 9.32 MN，計(jì)算所用參數(shù)如下：隔水管濕重 1 678 993 kg，浮力塊凈浮力 1 381 493 kg，系統(tǒng)總濕重 297 500 kg，鉆井液密度 1 680 kg/m3，最小滑環(huán)張力 7.17 MN，安全系數(shù)1.30。

 

  3.2 隔水管連接作業(yè)窗口確定根據(jù)表 3 給出的隔水管配置以及算得的頂張力結(jié)果（9.32 MN），建立隔水管有限元分析模型，計(jì)算不同海流流速下的隔水管極限偏移值，根據(jù)隔水管作業(yè)窗口限制準(zhǔn)則確定作業(yè)窗口（見圖 5）。圖中，綠色區(qū)域內(nèi)為可進(jìn)行正常鉆井范圍；當(dāng)鉆井平臺(tái)偏移值和表面海流流速達(dá)到連接非鉆井模式報(bào)警線（進(jìn)入黃色區(qū)域）時(shí)，需要停止鉆井并進(jìn)行解脫準(zhǔn)備，此時(shí)隔水管處于連接非鉆井模式；當(dāng)鉆井平臺(tái)偏移值和表面海流流速達(dá)到啟動(dòng)解脫程序報(bào)警線（進(jìn)入紅色區(qū)域）時(shí)，需要啟動(dòng)解脫程序；紅色區(qū)域之外為已完成解脫作業(yè)范圍，隔水管處于懸掛模式。

 

  由圖 5 可知，隨著表面海流流速的增大，隔水管鉆井窗口先向逆流方向偏移，當(dāng)達(dá)到一定流速時(shí)窗口圖 5 深水鉆井隔水管連接作業(yè)窗口收縮，總體上呈倒錐形。表面海流流速較小時(shí)（小于1.0 m/s），鉆井窗口主要受底部撓性接頭轉(zhuǎn)角的影響，在順流方向海流會(huì)增大底部撓性接頭轉(zhuǎn)角，流速增大，允許的平臺(tái)最大偏移值減小；而逆流方向剛好相反。

 

  當(dāng)表面海流流速超過 1.0 m/s 時(shí)，鉆井窗口主要受頂部撓性接頭轉(zhuǎn)角的影響，此時(shí)在逆流方向海流流速的增加會(huì)顯著增大頂部撓性接頭轉(zhuǎn)角，導(dǎo)致鉆井窗口迅速縮小。

 

  底部導(dǎo)管等效應(yīng)力是連接非鉆井模式和啟動(dòng)脫離模式的主要限制因素，隨海流流速的增大，隔水管連接非鉆井窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口向逆流方向偏移。

 

  4 隔水管連接作業(yè)窗口影響因素分析在依據(jù)隔水管連接作業(yè)窗口確定準(zhǔn)則完成隔水管連接作業(yè)窗口設(shè)計(jì)后，實(shí)際鉆井過程中，如果遭遇較惡劣的海況條件，平臺(tái)偏移值很可能會(huì)增大，從而使鉆井窗口變小，這時(shí)可以通過改變隔水管頂張力或鉆井液密度的方法擴(kuò)展安全鉆井窗口，保證鉆井繼續(xù)進(jìn)行。以下詳細(xì)分析頂張力、鉆井液密度對(duì)隔水管作業(yè)窗口的影響。

 

  4.1 頂張力對(duì)隔水管作業(yè)窗口的影響圖 6 為 1.4 倍和 1.6 倍張力比（隔水管頂張力與隔水管系統(tǒng)總濕重的比值）條件下的隔水管作業(yè)窗口。

 

  由圖可見，頂張力越大，隔水管鉆井作業(yè)窗口越大，連接非鉆井窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口越小。這是因?yàn)檩^大的頂張力可以提高隔水管抗彎剛度，減小撓性接頭轉(zhuǎn)角，從而增大鉆井窗口的平臺(tái)允許偏移值。同理，頂張力增大會(huì)使導(dǎo)管底部彎矩變大，導(dǎo)致相應(yīng)的連接非鉆井窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口變小。

 

  4.2 鉆井液密度對(duì)隔水管作業(yè)窗口的影響圖 7 為鉆井液密度為 1 440 kg/m3（12 ppg）和2012 年 2 月 鞠少棟 等：深水鉆井隔水管連接作業(yè)窗口分析 109圖 6 頂張力對(duì)隔水管作業(yè)窗口的影響圖 7 鉆井液密度對(duì)隔水管作業(yè)窗口的影響1 800 kg/m3（15 ppg）時(shí)的隔水管作業(yè)窗口。由圖可見，隨著鉆井液密度的增大，隔水管鉆井窗口變小，連接非鉆井窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口變大，即對(duì)于鉆井窗口而言，鉆井液密度越大，隔水管底部殘余張力越小，隔水管抗彎剛度越小，引起隔水管轉(zhuǎn)角增大，導(dǎo)致鉆井窗口平臺(tái)允許偏移值變??；而對(duì)于連接非鉆井窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口而言，鉆井液密度增大，隔水管有效張力減小，引起導(dǎo)管底部彎矩減小，導(dǎo)致連接非鉆井作業(yè)窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口變大。

 

  基于上述影響因素分析，認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)適當(dāng)提高隔水管頂張力和降低鉆井液密度，可有效擴(kuò)展安全鉆井窗口，保證鉆井作業(yè)的順利進(jìn)行。

 

  5 結(jié)論本研究在充分考慮導(dǎo)管對(duì)隔水管影響的基礎(chǔ)上，建立隔水管-井口-導(dǎo)管整體有限元模型，提出以通用組合確定準(zhǔn)則和非線性搜索方法獲得不同海流流速下的臨界鉆井平臺(tái)偏移值，從而建立了多參數(shù)組合形式作業(yè)窗口，較之用國外方法獲得的作業(yè)窗口更精確可靠，窗口表現(xiàn)形式更直觀，更適用于中國南海海域惡劣的環(huán)境和多變的海況條件。

 

  深水鉆井隔水管連接作業(yè)窗口分析表明，表面海流流速較小（小于 1.0 m/s）時(shí)，鉆井窗口主要受底部撓性接頭轉(zhuǎn)角影響；當(dāng)表面海流流速超過 1.0 m/s 時(shí)，鉆井窗口主要受頂部撓性接頭轉(zhuǎn)角限制，隨流速增大，鉆井窗口迅速減?。浑S著表面海流流速的增大，隔水管鉆井窗口總體上呈倒錐形。底部導(dǎo)管等效應(yīng)力是隔水管連接非鉆井模式和啟動(dòng)脫離模式的主要限制因素，隨著海流流速的增大，相應(yīng)的窗口向逆流方向偏移。

 

  較大的頂張力可以提高隔水管抗彎剛度，減小撓性接頭轉(zhuǎn)角，增大導(dǎo)管底部彎矩，從而使得隔水管鉆井窗口變大、連接非鉆井窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口變小；鉆井液密度越大，隔水管底部殘余張力越小，導(dǎo)致隔水管轉(zhuǎn)角變大，鉆井窗口變?。煌瑫r(shí)，鉆井液密度增大使隔水管有效張力減小，引起導(dǎo)管底部彎矩變小，導(dǎo)致連接非鉆井窗口和啟動(dòng)脫離程序窗口變大。110 石油勘探與開發(fā)·石油工程 Vol. 39 No.1符號(hào)注釋：

 

  E——隔水管彈性模量，Pa；I——隔水管截面慣性矩，m4；z——沿隔水管軸向的垂直距離，m；y——隔水管水平位移，m；T——隔水管軸向力，N；W——單位長(zhǎng)度隔水管重量，N/m；f——沿水平方向作用于單位長(zhǎng)度隔水管上的波流聯(lián)合作用力，N/m；Ttop——隔水管承受的頂張力，N；L——隔水管全長(zhǎng)，m；H——隔水管作業(yè)水深，m；yoffset——隔水管頂部水平位移，m；uW——波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)速度，m/s；uC——海流引起的水質(zhì)點(diǎn)速度，m/s；fD——波流產(chǎn)生的拖曳力（由水質(zhì)點(diǎn)的水平速度引起），N/m；fI——波流產(chǎn)生的慣性力（由水質(zhì)點(diǎn)的水平加速度引起），N/m；CD——拖曳力系數(shù)；ρ——海水密度，kg/m3；D——隔水管外徑，m；CM——慣性力系數(shù)；aW——波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)加速度，m/s2；ymax——底部撓性接頭處最大水平位移，m；Tb——底部撓性接頭處沿隔水管軸向殘余張力，N；Th——Tb的水平分量，N；Tv——Tb的垂直分量，N；M——導(dǎo)管任一部位的彎矩，MN·m；t——隔水管底部總成和防噴器組高度，m；h——井口出泥高度，m；d——海底泥線至導(dǎo)管固定端距離，m。