摘 要：深水鉆井隔水管設計與作業技術是深水鉆井最重要的考慮內容之一。為此，針對我國南海深水油氣鉆井作業的迫切需要，考慮了平臺與裝備的實際條件，開展了深水鉆井隔水管設計與作業技術研究，具體包括隔水管系統配置、排列設計和張緊力、鉆井作業窗口、下放／回收作業窗口和懸掛作業窗口等。結果認為，排列設計就要確定隔水管具體的下放列表供現場司鉆使用，而張緊力的確定既要滿足API規范關于最小張緊力的要求，同時也應更適合于現場作業。算例所用基礎數據依托南海某深水鉆井平臺，依據某井位具體的水深和環境條件，最后給出了隔水管設計與作業技術的具體應用情況，設計方案與作業參數已在南海深水鉆井實踐中得到成功應用。相關結論可為深水鉆井隔水管設計與作業提供參考。
關鍵詞：深水鉆井 隔水管設計 系統配置 作業窗口 限制準則 中國南海 深水油氣
Design and operation of marine drilling risers：A case history of deepwater drilling in the South China Sea
Abstract：The design and operation of risers are one of the most important items considered in deepwater drilling．To meet the urgent need of deepwater drilling operation in the South China Sea，based on the actual conditions of the drilling platform and equipments，a study was made on the design and operation technology for deepwater drilling risers，specifically including the configuration and arrangement design of a riser system，tensioning force，and operability envelops for the operations such as runninf，hang-off，etc．It is emphasized that a detailed riser run in schedule should be made in the arrangement design and handed over to the on site driller and that the defined tensioning force should not only meet the requirements of the minimal tensioning force in API regulations but be more suitable for field operation．The basic data for computation was acquired from one deepwater drilling platform in the South China Sea．According to the specific water depth and environmental conditions of one well，an example was put forward to illustrate the practical application of the design and operation technology of the riser．The design proposal and operation parameters have been successfully applied to deepwater drilling operation in the South China Sea．This study provides a valuable reference for design and operation of marine drilling risers．
Keywords：deepwater drillin9，riser design，system configuration，operation envelope，limit criteria，South China Sea，deepwater oil and gas
深水鉆井隔水管設計與作業技術是海上鉆井設計關鍵問題之一。就隔水管設計來說，須考慮隔水管幾何尺寸、管材強度、浮力塊位置和尺寸、張力器極限張力、海洋環境載荷和永深等因素。就隔水管作業技術來說，需要依據作業工況，通過作業窗口計算確定不同工況下允許的平臺最大偏移和環境載荷極限條件，為深水鉆井隔水管的現場作業提供參考[1-2]。
目前，已經有較多文獻介紹了南海深水鉆井隔水管與井口技術。本文參考文獻[3]綜述了深水鉆井隔水管與井口技術研究進展，指出了南海深水鉆井隔水管鉆前設計與作業技術應用的關鍵問題。本文參考文獻[4]研究了深水和超深水鉆井隔水管設計影響因素，分析了隔水管設計應考慮的問題；本文參考文獻[5]研究并提出采用通用組合確定準則和非線性搜索方法研究深水鉆井隔水管連接作業窗口，并給出鉆井作業窗口的確定流程、方法及其具體應用。本文參考文獻[6]研究并提出隔水管懸掛模式作業窗口分析方法，基于隔水管懸掛作業限制準則，進行不同海況條件下的隔水管懸掛窗口研究。本文參考文獻[7]研究并提出3種隔水管系統頂張力確定方法，并給出相關方法的具體應用。本文參考文獻[8—9]等給出了如何采用有限元分析軟件進行深水鉆井隔水管分析。
筆者在上述研究成果的基礎上，結合我國南海深水鉆井作業的需要，依托南海某深水鉆井平臺和某井位具體的條件，特別是考慮了現場實際作業條件，具體開展了深水鉆井隔水管設計與作業技術研究，具體包括隔水管系統配置、排列設計和張緊力、鉆井作業窗口、下放／回收作業窗口和懸掛作業窗口等。本文相關結果與結論可為南海深水鉆井隔水管分析與設計提供參考。
1 深水鉆井隔水管設計
深水鉆井隔水管設計主要包括隔水管系統配置、排列設計和張緊力確定等。
1．1 隔水管系統配置與排列設計
參考規范API RP l6Q[10]開展隔水管配長設計，計算過程與方法為：
1)隔水管系統總長度＝水深+鉆臺距水面高度-分流器頂面至鉆臺的距離。
2)隔水管附屬部件總長度＝分流器長度+上球鉸長度+伸縮節(位于中沖程)長度+LMRP／BOP組高度+井口高度。
3)需要的總隔水管單根長度＝隔水管系統總長度一隔水管附屬部件總長度。
4)隔水管單根數量＝需要的總隔水管單根長度(或隔水管單根長度)，剩余長度采用短節進行補償即可。
需要指出，上述只能形成隔水管系統配置而不是形成具有實際指導意義的隔水管下放列表。在確定具體的隔水管下放列表過程中，還要充分考慮浮力單根的浮力等級、現場作業效率和隔水管在堆放區的排列情況，然后對隔水管單根的使用做出取舍。
1．2 隔水管所需張緊力確定
確定隔水管系統所需的張緊力主要有3種方法，分別為API理論算法、基于過提力(隔水管底部總成與防噴器之間的張力)的確定方法和現場作業時參考用的基于下放鉤載的張緊力確定方法。
1．2．1API規范推薦方法
根據API RP l6Q規范，張緊力設置是確保隔水管穩定性的條件之一。張緊力的設置要確保即使有部分張力繩失效，也能保證隔水管底部會產生有效張力。最小張緊力(Tmin)按如下公式確定：
式中TSRmin為滑環張力；N為支撐隔水管的張力繩數目；n為出現突然失效的張力繩數目；Rf為用以計算傾角和機械效率的滑環處垂直張力與張力繩設置之間的換算系數，通常為0.90～0.95。
式(1)中滑環張力TSRmin計算公式為：
TSRmin＝Ws¦wt-Bn¦bt+Ai(dmHm-dwHw) (2)
式中Ws為參考點之上的隔水管沒水重量；¦wt為沒水重量公差系數；Bn為參考點之上的浮力塊凈浮力；¦bt為因彈性壓縮、長期吸水和制造容差引起的浮力損失容差系數；Ai為隔水管內部橫截面積；dm為鉆井液密度；Hm為至參考點的鉆井液柱高度；dw為海水密度；Hw為至參考點的海水柱高度。
1．2．2基于底部殘余張力的張緊力確定方法
根據此方法，隔水管張緊力計算必須保證隔水管底部撓性接頭處的殘余張力等于或大于隔水管底部總成的濕重，以確保惡劣海況條件下啟動緊急脫離程序時能夠安全提升整個隔水管系統。
隔水管張緊力Ttop計算公式如下：
式中Wriser為隔水管濕重；Wmud為鉆井液濕重；RTB為底部殘余張力，一般取至少225kN(不包含隔水管底部總成的濕重)[11]。
此外還有現場作業時參考采用的基于下放鉤載的張緊力確定方法，具體可見本文參考文獻[7]。
2 深水鉆井隔水管作業技術
從指導隔水管作業的角度出發，作業技術研究的目的是要確定鉆井作業窗口和隔水管下放／回收窗口和隔水管懸掛作業窗口，也就是確定各種作業條件下的容許作業參數和環境條件，為隔水管的安全作業提供參考。深水鉆井隔水管作業技術框架如圖l所示。
由圖l可知，隔水管系統作業技術主要包括管柱排列設計、張緊力、隔水管鉆井作業窗口、下放／回收作業窗口、懸掛作業窗口和避臺撤離作業窗口等。其中避臺撤離作業技術分析是否開展取決于平臺定位方式，如果平臺采用動力定位，則需要開展研究以確定避臺撤離的方向和速度，如果平臺采用錨泊定位，則一般不予考慮，具體方法可參考本文參考文獻[12]。
2．1 鉆井作業窗口
鉆井隔水管系統鉆井作業窗口分析與確定的目的是明確進行正常鉆井作業、連接非鉆井作業和解脫作業的環境載荷條件和鉆井平臺偏移范圍，形成相應的綠圈、黃圈和紅圈，可為隔水管的連接作業提供指導。
為此，需要首先明確鉆井作業窗口的確定準則，參考API RP l6Q規范[10]和相關研究成果[5，11]，確定的鉆井作業窗口限制準則見表l。
在明確上述準則的基礎上，可采用有限元分析軟件建立隔水管—井口—導管整體有限元分析模型，并以鉆井平臺偏移值、表面海流流速和伸縮節沖程組合參數形式確定隔水管鉆井作業窗口。
2．2 隔水管懸掛作業窗口
在惡劣的海況條件下，當環境載荷超過隔水管作業極限時，需要將隔水管從底部斷開，使隔水管處于懸掛狀態。在懸掛狀態時，隔水管可能會出現動態壓縮。一旦出現嚴重的動態壓縮，一方面會導致隔水管的局部屈曲失穩，增加隔水管的彎曲應力，另一方面也增加了隔水管上部碰撞月池的風險，于是在設計和使用中應該考慮懸掛狀態下隔水管的動態響應。
在計算隔水管懸掛作業窗口時，同樣也需要首先明確隔水管懸掛作業窗口的限制準則，參考相關研究成果[6，11]，確定的隔水管懸掛作業窗口限制準則見表2。
然后采用有限元軟件建立懸掛隔水管柱軸向與側向耦合分析動力學模型，通過計算確定容許進行隔水管懸掛的極限海況條件(包括波高和海流流速等)。
2．3 下放／回收作業窗口
在海上鉆井過程中，需要將隔水管與LMRP／BOP下放至海底，此過程形成隔水管下放工況；另外，當每口井完鉆后，需要將隔水管與LMRP／BOP回收到平臺上，此過程形成隔水管回收工況。與前述的隔水管懸掛工況類似，兩種工況下唯一不同之處是下放／回收工況下隔水管系統下端除了有LMRP(懸掛工況也有)之外，在LMRP下部還有BOP(懸掛工況沒有)。
下放與回收工況在分析模型、分析方法與流程完全相同，其作業窗口的限制準則與上述懸掛作業也相同。為避免隔水管下放／回收模式隔水管頂部在平臺升沉運動作用下產生動態壓縮，必須針對不同的環境條件進行分析，確定允許進行下放／回收作業的最大環境載荷，從而保證隔水管的作業安全。
3 算例
3．1 基礎數據
南海某深水井[11]，水深為492m，依托平臺為某深水鉆井平臺，鉆臺距水面的高度為26m，吃水深度為20m。設計海況條件為：一年一遇條件下，波高為8.4m，波浪周期為l2.1s；采用近似三角形流剖面，表面流速為l.07m／s，海底流速為0.31m／s。井幾抗彎能力為2.7MN·m。
3．2 隔水管排列設計和張緊力
依據前述的隔水管設計技術，針對某深水鉆井平臺隔水管配備情況，參考API RP l6Q規范[10]設計出的隔水管系統見表3。
根據上述隔水管系統配置可以很方便形成隔水管下放列表，用以指導現場作業。
根據上述隔水管系統配置，可以采用3種方法計算該隔水管系統所需的張緊力，基于API理論算法得到隔水管系統所需的最小張緊力為908kN，基于底部殘余張力法確定的張緊力為l460kN，基于下放鉤載法確定的張緊力為l755kN。考慮到API理論算法得到的僅為最小張緊力，而基于下放鉤載法確定的張緊力會導致底部殘余張力過大，最終推薦采用基于底部殘余張力法確定的張緊力，設計結果為l460kN。
3．3 作業窗口計算與分析
3．3．1鉆井作業窗口
根據底部殘余張力法確定的l460kN張緊力，針對表3給出的隔水管系統配置并形成詳細的下放列表，采用前述的海洋環境條件，通過有限元計算得到鉆井作業窗口(圖2)。
圖2中橫軸與縱軸確定了可進行各種作業模式的極限鉆井船偏移和表面海流流速。綠色區域內可進行正常鉆井作業，當鉆井船偏移和表面海流流速參數達到黃色報警線時，需要停止鉆井并進行解脫準備，此時隔水管處于連接非鉆井模式；當鉆井船偏移和表面海流流速參數達到紅色報警線時，需要啟動解脫程序；當鉆井船偏移和表面海流流速參數達到最外圍的白色區域時，解脫作業應當已經完成，隔水管處于懸掛模式(自存狀態)。圖2中，綠圈與黃圈的外圍邊界均是由于上球鉸和下部撓性接頭轉角的限制，而紅圈的外圍邊界主要是受低壓井口抗彎能力的限制。
3．3．2懸掛作業窗口
隔水管懸掛作業窗口如圖3所示(具體數據略)。圖3中綠色部分為允許懸掛作業區域，紅色區域為不允許在當前配置下進行硬懸掛作業的區域。
由圖3可知，隔水管懸掛模式下，隔水管作業窗口主要受隔水管應力、動態張力放大(懸掛裝置過載)與隔水管壓縮等因素的影響。相對該井作業海域具體的海況數據，海流和波浪載荷對硬懸掛作業影響顯著，隨著海流增大隔水管允許懸掛作業的最大波高不斷減小。
3．3．3下放／回收作業窗口
隔水管下放／回收作業窗口的確定是在獲得作業海域詳細環境條件的基礎上，進行不同工況組合下下放／回收隔水管的懸掛有限元分析，根據下放／回收作業限制準則判斷是否能夠進行下放／回收作業，允許作業的工況組合起來即為隔水管的下放／回收作業窗口。
隔水管的下放／回收作業窗口如圖4所示(具體數據略)。圖4中綠色部分為允許作業區域，紅色區域為不允許在該配置下進行下放／回收的環境條件。
由圖4可知，隔水管下放／回收作業窗口對海流極為敏感，隨著波高的增大允許作業的最大海流迅速減小，根據計算結果顯示限制作業的主要因素為隔水管最大等效應力，這是由于隔水管下放過程中上球鉸安裝之前，隔水管頂部約束被簡化為固定端，高速海流作用于隔水管使其頂部產生很大彎矩，在隔水管頂部造成大應力，導致隔水管頂部等效應力超出限制。此外，在所有計算工況下，隔水管有效張力與月池位移均未超出限制，等效應力是限制隔水管下放／回收作業的最重要因素。
此外，由于該平臺采用錨泊定位，不再考慮避臺撤離作業窗口。
4 結論與展望
1)深水鉆井隔水管設計主要包括隔水管系統配置、排列設計和張緊力確定。隔水管系統配置主要確定隔水管系統各個部件的長度、單根數量和短節長度等。排列設計就要確定隔水管具體的下放列表供現場司鉆使用，而張緊力的確定既要滿足API規范關于最小張緊力的要求同時也應更適合于現場作業。
2)隔水管作業技術研究主要是依據設計得到的管柱排列和張緊力，結合給定海域的海況條件和依托平臺的具體情況，同時也要考慮井口、導管參數以及土壤條件，確定隔水管鉆井作業窗口、下放／回收作業窗口和硬懸掛作業窗口，確定各個窗口對應的極限作業參數與極限環境條件，保證隔水管作業的安全性。
3)對于懸掛作業窗口，本文僅僅考慮回收一部分隔水管后采用卡盤與萬向節支撐剩余管柱重量的作業窗口，即硬懸掛的作業窗口，雖然可行但相對保守。后續將進一步研究軟懸掛作業窗口，并研究硬懸掛條件下萬向節的鉸支作用對于懸掛作業窗口的影響。
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本文作者：暢元江 段夢蘭
作者單位：中國石油大學(北京)石油工程學院
中國石油大學(北京)海洋油氣研究中心
中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術研究中心
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