深水钻井隔水管漂浮减重技术.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 5期 石 油机械 CHI NA P ET ROL EUM MACHI NER Y ． ． 钻井新技术 深水钻 井隔水 管漂浮减重技术 张 炜 范春英 王 娜 中国石油大学 北京石油工程教育部重点实验室2 ．北京石油机械厂 摘要 为 了降低深水钻井作业成本的压力，钻井平 台有向着小型化发展 的趋势 ，为适应这种 趋势，有必要对钻井隔水管 自身重力进行控制。分析 了隔水管 的主要结构组成部分，提 出了隔水 管结构重力减小的几种技术，包括采用新型轻质材料 的隔水管 、超静定集成结构隔水管和变刚度 结构隔水管，通过减小隔水管的 自身重力，可 以增加隔水管 的极限作业水深，改善 隔水管的动态 性能，使其 固有频率避开共振区，从而延长其疲劳寿命 。 关键词钻井隔水管 深水钻探 漂浮减重 轻质材料 张紧机构 0 引 言 随着陆地油气资源的逐渐匮乏 ，海上油气的勘 探开发逐渐成为热点。近年来 ，各大石油公司在深 水海域的投资不断增加。 目前 ，墨西哥湾、西非和 巴西成为世界深水油气勘探的热点地区。海洋石油 开发与陆地石油开发主要不同点在于海洋具有一层 汹涌澎湃的海水 ，而随着水深的增加 ，开发难度骤 增。为了避免海水的影响，在平 台和海底井 口之间 需建立通道 ，这一通道就是隔水管。通过隔水管建 立通道以后 ，海上钻井作业就和陆上钻井作业没有 什么本质区别了。目前 的深水钻井几乎都采用隔水 管，无隔水管钻井技术还处于不成熟阶段。钻井作 业区域水深每增加 1 m，则隔水管的长度也就要增 加 1 m，因此，钻井隔水管的技术水平在很大程度 上体现 了深水钻井技术 的发展水平 。 深水钻井作业中，限制钻井装置可钻深度 的主 要因素有甲板载荷 w e i g h t o n b o a r d ，钻井组分 的库容能力 s t o r a g e c a p a c i t y f o r d r i l l i n g c o m p o n e n t s 和张力载荷 t e n s i o n l o a d i n g L 2 J 。而这几个方面和 隔水管 自身 的重力都密切相关。随着水深增加，钻 井作业就需要更长的隔水管 ，更大的甲板容量，张 紧机构提供更大的张紧力，更多钻井所需要的材料 ， 钻井平台体积就会增大， 那么，就会造成钻井成本 的增加。而降低钻井作业成本也是深水钻探需要解 决的一个难题。由于钻井作业成本的压力 ，现在深 水钻井作业平台有 向着小型化发展的趋势。这种发 展趋势也要求对钻井隔水管 自身重力进行控制。 1 隔水管的结构分析 1 ． 1 张紧机构 隔水管在钻井作业过程中，必须要保持一种近 似垂直状态 ，如果不能提供一个足够的轴 向拉力 ， 隔水管就会发生屈曲，使隔水管发生毁坏 ，造成钻 井作业 中断 ，发生事故。这种轴 向拉力需要通过张 紧机构来提供。张紧机构和隔水管通过 滑轮组相 连 ，或张紧装置液压缸活塞直接和隔水管相连，虽 然这一方式机械效率高，但要求液压缸的尺寸大 ， 增加平台的制造成本。但是 ，如果隔水管的自身重 力减小 ，即使作业水深增加了，现有平 台上的张紧 装置还可以提供足够 的张紧力 ，或者对现有平台稍 加改造 ，就可以使作业水深增加 ，不必建造或者租 借更大的平台。 1 ． 2浮力 单元 浮力单元是深水钻井隔水管必不可少的重要组 成部分 。在深水情况下 ，受顶部张紧系统附近隔水 管强度的限制 ，上部 隔水 管承受着很大 的轴 向载 荷 ，隔水管承受的顶部张力受到限制。隔水管受到 基金项 目国家 8 6 3计划重点课题 “ 深水钻完井关键技术” 2 0 0 6 A A 0 9 A 1 0 6 。 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 5期 横 向载荷 ，特别是由于其 自身的巨大重力 ，需要足 够大的顶部张力才能维持 自身的稳定性 ，所 以必须 增加浮力单元来提供分布式浮力并改善隔水管局部 力学性能，同时降低张紧系统的性能要求。考虑海 流拖曳力及安装位置的优化 ，浮力单元的安装一般 在 中间位置。 浮力单元一般为空气舱式浮力单元及合成泡沫 塑料浮力单元。其中，空气舱式浮力单元采用钢制 材料 ，制造成瓶状 ，安装到隔水管单根上。这种结 构的优点是可以保证强度要求 ，浮力效果也很好 ， 但是加工成本高 ，本身重力较大 ，而且要求有注气 管线和注气设备 ，结构复杂 ，现在深水作业中一般 不采 用 。 合成泡沫塑料浮力单元 中的合成泡沫塑料是一 种热成型材料 ，成型过程中得到硬化。正确的安装 使用可 以抵 消隔 水管 串在 空气 中重力 的 9 0 ％ ～ 9 5 ％。同时它能提供浮力 ，改善隔水 管的受力状 态 ，降低管子顶部应力 和弯矩 的合理分 布 J 。合 成泡沫塑料成型包裹在隔水管外面。根据使用深度 的不同，合成泡沫塑料密度不 同，强度不 同。 C u m i n g 公司是 当前浮力单元浮力块 的主要供 应商 ，该公司 的 CF L O A T产 品是 最高效 的隔水 管浮力模块。该浮力模块具有强度高、质量轻 、吸 水性能差 、抗挤毁 能力 高、弹性损失小 压缩 比 小等优点 。现在经过改进的浮力块 材料密度更 低 ，改善了单位体积的浮力性能。 当钻井隔水管与井 口连接时 ，作业者希望其视 重尽可能小，以减轻张紧机构负担 ，降低管 的应力 水平。在此情况下需要较高的浮力补偿 ，如果全部 补偿最好。但在脱 开模式下 ，希望有较大 的浮重 ， 使隔水管有较好 的轴向稳定性，因此，就需要较低 的浮力补偿水平。浮力单元提供补偿浮力 的大小以 隔水管在脱开模式下，以不存在动态压缩为最优 。 在希望脱开时，不存在多余 的浮力。考虑底部残余 张力的存在以及水深影响 隔水管长度或者质量 ， 通过计算可以得到比较合理的浮力补偿百分数。由 浮力单元材料的密度 ，就可计算得出所需浮力单元 数量。计算表明，所需浮力由下式决定 B 1一P G 船 1 式中 ， 所需补偿浮力 ，k N； G 隔水管重力 ，k N； P 、P p 海水密度及管子密度 ，k g ／ m ； R 阳 底部残余张力 ，一般与 隔水管下部 组合重力接近，k N 。 由式 1 可知 ，所需浮力补偿 与材料密度 、 海水密度和底部残余张力密切相关。 2 隔水管结构重力减小技术 隔水管的减重概念很简单 ，就是在保证安全钻 进的前提下，尽量减小隔水管的自身重力。如果隔 水管发生故障 ，就会造成极大的经济损失，同时污 染 环境 。 隔水管重力减小的优点有 以下几个方面 1 不必建造大 的新钻井平 台，只需对现有 平 台稍加改造就可以向更深水域进军。 2 虽然 总长度 增加 ，但是 重力增 加不 多， 张紧装置不用再增加张紧能力 ；主管的轴 向拉力增 加不大 ；所需浮力单元体积变小。 3 动态性 能得 以改善，纵向、横 向固有频 率降低 ，可以避免共振发生 ，疲劳寿命增加 ；有效 增加平台甲板的利用率。 通常情况下 ，隔水管结构重力减小主要有以下 几项技术。 2 ． 1 使 用新型 轻质材 料 钻井隔水 管的材料问题 ，本质就是需要增强隔 水管单根的强度／ 重力 比，从 而降低对顶部张紧系 统和浮力单元 的要求 。目前 ，主要是用质量相对 轻 、强度相对大的纤维复合材料 、钛合金 、铝合金 替代高合金钢。钢的主要局限性在于它的相对密度 较高或其强度系数较低 ，这一特性就决定了钢制隔 水管延伸的局限性 。 2 O世纪 9 0年代早期 ，研究人员研究钛合金与 复合材料作为隔水管的结构材料 ，但是钛合金的成 本极其昂贵，限制了工业应用。 铝合金 由于其材料的特性 ，已经成功用于深水 钻井隔水管。从 2 0 0 3年 N o b l e公 司在 巴西作业开 始 ，使用新型铝合金材料的隔水管 ，已经在下列情 况下成功作业 1 水深从 1 0 0 0 m到 1 5 0 0 13 1 ； 2 钻井液密度达到 1 ． 0 51 0 k g ／ m ； 3 从水面到海底在 1 ． 2 9～ 0 ． 5 1 m ／ s 流速下 安全作业 ； 4 顶部张力范围为 1 8 0 0～ 3 5 0 0 k N； 5 隔水管可 以安全悬挂防喷器组在平台 甲 板下。 N o b l e 公 司组织 工程 师 团队与俄 罗斯 企业 合 作 ，设计制造了新型铝合金隔水管。这种新型钻井 隔水管使 N o b l e 公司的钻井平 台可 以在更深的水域 进行钻探作业。如 N o b l e T h e a r l d Ma r t i n ，作业水深 2 0 1 0年 第3 8卷第5期 张炜等深水钻井隔水管漂浮减重技术 从 7 0 1 ． 0 m增加至 0 了 1 2 1 9 ． 2 I n ；N o b l e R o g e r E a - s o n ，作业水深由 l 8 2 8 ． 8 m增加到了 2 1 9 4 ． 6 m。 这些 巨大的成功，促使该公司很快就展开了超 深水 U D W隔水管 的研究和制造 ，以期使钻探 水深从 2 1 3 3 ． 6 m增 加到 3 0 4 8 ． 0 n 3 。而这些 目标 的实现 ，不需要对钻井平 台进行成本高昂的改造。 图 1为新型铝合金隔水管 ，目前最长的隔水管单根 已经达到了 3 O ． 5 m；图 2为装备新型钻井隔水管 的钻井平台。 图 1 铝合金 隔水管 图 2装 备 新 型 铝 合 金 钻 井 隔水 管 的钻 井平 台 研究表明，钻井隔水管如果采用传统结构 ，其 作业极限为 3 0 0 0 I T I 左右 ，而如果采用铝合金隔水 管 ，其作业极限可大大提高。 2 ． 2改变隔水管结构 2 ． 2 ． 1 超 静 定 集 成 结 构 隔 水 管 H y p e r s t a t i e i n t e ． g r a t i o n ，H S I - 6 ] 传统结构隔水管附属管线不分担轴向载荷 ，具 有结构简单的优点 。但是也存在下述不足 1 相邻管线存在撞击 ，需要较长 的末 端装 配和可靠的紧固； 2 附属管线 不承担轴 向载荷 ，只是单纯增 加重力 ，恶化了隔水管轴 向的动力性能 ； 3 管线在 内压 作用下有可能发 生屈 曲，需 要沿着隔水管安装导向套环。 超静定结构就是把附属管线两端 固定到隔水管 主管上 ，两端全部 固定 ，没有 自由滑动端，因此 ， 附属管线就分担了隔水管轴向的载荷。附属管线分 担的轴向载荷要根据不同的管子进行计算。超静定 结构和传统结构隔水管对比如 图 3所示 。 a ． 传 统 结 构 b ． 超 静 定 结 构 图3 2种结构 隔水管对 比图 如果将附属管线采用新型复合管线 ，结合超静 定结构 ，隔水管 的重 力可 以减小 4 0 ％。其主要优 势如下 1 壁厚 变薄，总体重力降低 ，减小 了浮力 单元 的体积 ，动态性能改善。 2 附属管线 由于承担轴 向载荷 ，一直处 于 受拉状态 ，避免屈曲。 3 附属管线无滑动端 ，性能更加可靠。 这一设计已经在 2 0 0 5年进行 了现场测试 ，通 过现场测试发现 了许多亟待改进 的问题。 隔水管重力减小 以后 ，不仅降低 了张紧力，其 动态性能也得以改善 ，纵向、横 向的固有频率都有 显著减小，避免共振现象，疲劳寿命增加。横 向共 振 涡激振动通过加装涡激抑制装置，虽然避免 了共振 ，但是其安装和回收时间大大增加，而隔水 管重力减小以后 ，频率减小 ，避开了共振区域 ，也 就节约了时问。横向振动固有频率计算公式如下 ∞ √ √ 十 骊 S L 2 2 式 中 第 i 阶固有频率 ，H z ； 隔水管长度 ，m； 杨氏模量，P a ； ， 转动惯量 ，k g m ； m管子单位长度质量 ，k g ； 5 轴向力 ，N 。 影响横 向固有频率的因素有 3个 单位长度重 力 ，轴向力和抗弯刚度。隔水管重力减小直接会影 响其他 2个因素。 涡旋发放频率．， 计算式为 i vS ， v ／ D 3 一 2 6一 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 5期 式中5 斯托尔哈系数 ，无量纲，与结构的表 面粗糙度和雷诺数有关 ； 海流速度 ，m ／ s ； D 结构水动力外径 ，m。 当涡旋发放频率 ． ， 与隔水管的任一模态 的固 有频率接近，就会发生共振 ，即所谓 的频率锁定。 而在深水作业 区域 ，当 在 0 ． 7～1 ． 3 之 间 时 ． 为海浪的作用频率 ，就会 发生共振 ，产生 较大的振动应力。影响隔水管 的疲劳寿命 ，严重时 甚至会使隔水管毁坏。 在脱开模式下 ，如果纵向发生共振 ，会引起很 大 的附加动力 ，甚至会超过隔水管强度 ，导致隔水 管断裂。纵向固有频率计算公式如下 r 2 4 式 中r 固有频率，H z ； m 隔水管有效质量 ，k g ； 刚度 ，N ／ m。 由式 2 、式 4 可以看到 ，质量与固有频 率密切相关 ，直接影响固有频率的大小。 而在纵向振动情况下 ，隔水管纵向振动的放大 系数 。 ， 由下式计算 5 式中t n 隔水管振动周期 ，S ； 船升沉周期 海浪波动周期 ，S 。 假设 隔水管的振动周期为 5 S ，船的运动周期 为 1 0 S ，则 n ， 1 ． 3 3 。也就是把纵向载荷可 以放大 1 ． 3 3倍 。船的运动周期与 隔水管 的固有周期越接 近，放大系数越大 ，则隔水管越危险，其动态载荷 甚至会超过材料的极限强度。 通过具体例子计算发 现，隔水管实现减 重 以 后 ，动态性能可得到改善。 2 ． 2 ． 2 变刚度 结构 隔水管 变刚度隔水管原理图如图 4所示。隔水管应该 一 直处于受拉状态 ，所 以隔水管上端承受着最大的 一 概念来 源 于材 料力学 中等 强度 实际 的概 念 j 。 随着深度增加 ，轴 向拉力减小 ，可以使 壁厚减小， 使强度保持基本一致。但这一设计会使现场操作变 得很复杂 ，操作时间变长。 3 结 论 1 经过研究 ，当前传统 隔水 管的作业 极限 为 3 0 4 8 m水深大关和 7 6 2 0 IT I 的总完钻深度。随 着钻探深度的不断增加 ，隔水管的发展技术会影响 到深水、超深水油 田的勘探开发 ； 2 通过减小 隔水 管的重力 ，可 以增加 隔水 管的极限作业水深 ；使隔水管 的动态性能得到改 善 ，固有频率避开共振区域 ，疲劳寿命延长 ； 3 隔水管减重 既解 决 了水深问题 ，又可 以 降低对平台张紧系统的性能要求 ，同时还节约了钻 井作业成本 。 轴向拉力 ，于是就提出了变刚度隔水管的设想 ，这 [ 6 ] 图4 变刚度 隔水管原理 图 参考文献 曾恒一 ． 深水钻井技术译丛 [ M]． 北京 [ 出版者 不详] ，2 0 0 4 ． De u l H． A l u mi n u m a l l o y ri s e r a l l o ws f o r d e e p e r d ri l l i n g o n e x i s t i n g r i g s[ C]． S P E ／ I A D C D ri l l i n g C o n f e r e n c e he l d i n Ams t e r da m ， Th e Ne t h e r l a n ds ， 2 32 5 Fe br ua r Y 2 00 5， I ADC／S PE 92 5 59 ． D i e t z N， Da n i e l ， De l ft U． U s e o f flo a t mo d u l e s t o s u p p l e m e n t m e c h a n i c al t e n s i o n i n g ri s e r s[ J ]． J o u r n a l o f P e t r o l e u m T e c h n o l o g y ，1 9 7 4 ，2 6 4 ． P e r s e n t E，Gu e s n o n J ，He i t z S ，e t a 1 ． Ne w r i s e r d e s i g n a n d t e c h n o l o g i e s for g r e a t d e p t h a n d d e e p e r d r i l l i n g o p e r a t i o n s[ C]． S P E ／ I D A C D r i l l i n g C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n，2 0 0 9， I ADC ／ S P E 1 1 9 5 1 9 ． P o i r e t t e Y，F r a n c a i s J G， D u p u i s D． F i r s t h y p e r s t a t i e ri s e r j o i n t fi e l d t e s t e d f o r d e e p o f f s h o r e d r i l l i n g[ C ]． I AD C ／ S P E D r i l l i n g Co n f e r e n c e h e l d i n Mi a mi ，F l o rid a ， U．S ．A． 212 3 F e b r ua r y，2 00 6， I ADC／S PE 99 0 05 ． 刘鸿文 ． 材料力学 [ M]． 3版 ．北京高等教育出 版社 ，1 9 9 2 ． 第一作者简介张炜，生于 1 9 7 4年，在读博士研究 生，研究方向为管柱力学与控制。地址 1 0 2 2 4 9 北京市昌 平 区。 电话 0 1 0 8 9 7 3 3 7 0 2 。Ema i l z h a n g w e i h a o z h e 1 2 6． e o m。 收稿 日期 2 0 1 0一 O 1 2 0 本文编辑刘峰 ] j] J] J] ] J _一_