海洋钻井隔水管系统用挠性装置技术研究及发展趋势.pdf

2 0 1 5年 第 3期 第 4 4卷 第 1 9页 石油 矿场 机械 OI L F I E LD E QUI PMENT 文 章 编 号 1 0 0l I 34 8 2 2 01 5 0 3 一 O 01 9 - 0 5 [ 7 ] [ 8 ] E 9 ] 海洋钻井隔水管系统用挠性装置 技术研 究及 发展趋 势 刘红芳 ， 王耀锋 ， 华小涛。 1 ． 宝鸡石油机 械有 限责任公司 ， 陕西 宝鸡 7 2 1 0 0 2 ； 2 ． 国家油气钻井装备工程 技术 研究 中心 ， 陕西 宝鸡 7 2 1 0 0 2 ； 3 ． 渤海装备辽河重 工有 限公 司 ， 辽 宁 盘锦 1 2 4 0 1 0 摘 要 深水 海 洋钻 井隔 水 管 系统 用挠 性装 置是 海 洋钻 井隔水 管 系统 中的 关键 装 置之 一 ， 能够有 效补 偿隔水管 系统在波、 浪、 流等环境载荷作用及船体运动时产 生的较大局部偏转角度 ， 有效减少该处 局 部 弯 曲应 力 。针 对海 洋钻 井 隔水 管 系统 用挠 性装 置 的 功 能和 技 术现 状 进 行 了介 绍 ； 重 点 对 国外 专业公 司所研 制 的上 、 中、 下 3种 不 同类 型 的挠 性装 置进 行 了深入 研 究和 分析 ， 剖析 了其 结构特 点 、 性能参数和适用范围。给出了海 洋钻 井隔水管最大设计指 南及提 高挠 性装置使用寿命的工程方 法 。提 出 了海 洋钻 井 隔水 管挠性 装 置的发 展趋 势及 若 干建议 。 关 键词 钻 井 隔水 管 ； 挠 性装 置 ； 技 术 现状 ； 性 能特 点 ； 发展 趋 势 中图 分类 号 TE 9 5 1 文 献标 识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 i - 3 8 4 2 ． 2 O 1 5 ． 0 3 ． 0 0 5 Re s e a r c h o n T e c h n o l o g y a n d D e v e l o p me n t T r e n d s f o r Ma r i n e Dr i l l i n g Ri s e r F l e x j o i n t LI U H o ng f a n g ， - 。 W A NG Ya o f e n g ． HU A Xi a ot a o 。 1 ． Ba o J i Oi l f i e l d Ma c h i n e r y Co ． ， Lt d． ， Ba o J i 7 2 1 0 0 2 ， C h i n a； 2 ． Na t i o n a l Oi l Ga s Dr i l l i n g Eq u i p me n t En g i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r ， Ba o j i 7 2 1 0 0 2 ， Ch i n a； 3 ． Ba o h a i Eq u i p me n t Li a o h e He a r y I n d u s t r y Co mpa n y， Pa n j i n， 1 2 4 0 1 0， C h i n a Ab s t r a c t Fl e x j o i n t i s o n e o f k e y e q u i p me n t o f ma r i n e d r i l l i n g r i s e r ， wh i c h c a n f l e x i b l y a n d e f f e c ～ t i ve l y c o mpe ns a t e r i s e r s ys t e m i n l a r ge l o c a l d e f l e c t i on a ngl e a nd r e d uc e l oc a l be nd i ng s t r e s s g e n ～ e r a t e d b y wa v e ， c u r r e n t a n d v e s s e l mo t i o n ．F i r s t l y ， t h e f l e x j o i n t f u n c t i o n a n d t e c h n i c a l s t a t u s we r e i nt r o duc e d ． Se c on dl y， t hr e e di f f e r e n t t y pe s o f f o r e i g n pr o f e s s i o na l c o mp an y we r e r e s e a r c he d a n d a n a l y z e d i n d e t a i l s u c h a s d i v e r t e r f l e x j o i n t ，mi d d l e f l e x j o i n t a n d s u b s e a f l e x j o i n t ，a n d s t r u c t u r e Cha uh a n V ， Swa n ki e T D，Es pi ne r R，e t a 1 ．De v e l op- m e nt s i n me t ho ds f o r a s s e s s i ng t he r e ma i n i ng s t r e ng t h of c or r o de d p i p el i ne s I nt e r na t i o na l Au t ob ody Con gr e s s E x p o s i t i o n E C ； ／ ／ Ho u s t o n Na t i o n a l As s o c i a t i o n o f Co l l e g e s a n d Emp l o y e r s ， 2 0 0 9 1 - 2 9 ． Fr e i r e J L F， Vi e i r a R D， Be n i a mi n A C， e t a 1 ．B u r s t t e s t s of p i pe l i ne wi t h e xt e n s i v e l o ng i t ud i na l me t a l l os s [ J ] ． E x p e r i me n t a l T e c h n i q u e s ， 2 0 0 6 1 1 6 0 6 5 ． 崔铭伟 ， 曹学文． 腐蚀 缺陷对 中高强度油气管道 失效压 [ 1 o ] [ 1 1 ] E 1 2 ] 力的影响E J ] ． 石油学报 ， 2 0 1 2 ， 3 3 6 1 0 8 6 1 0 9 2 ． 帅健 ， 张春娥 ， 陈福来． 非线性有限元法用于腐蚀管 道 失效压力预测[ J ] ． 石油学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 6 9 3 3 9 3 7 ． 崔铭伟 ， 曹学文． 不 同钢级腐 蚀管道剩 余强度 分析 方 法 的对 比E J ] ． 油气储 运 ， 2 0 1 2 ， 3 1 7 4 8 6 4 9 0 ． 王钟羡 ， 黄建业． X1 0 0管线钢裂纹体 的弹塑性 断裂失 效分 析 [ J ] ． 江 苏 大 学 学报 自然 科 学 版 ， 2 0 1 1 ， 3 2 2 17 5 l 7 8． 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 8 基金项 目 国家高技术研究发展 8 6 3 计划 项 目“ 深水钻井 隔水管系统工程化研制” 2 0 1 3 AA 0 9 A2 2 2 作者简介 刘 红芳 1 9 6 4 一 ， 女 ， 陕西宝鸡 人 ， 工程 师 ， 主要从 事石 油装 备技 术和标 准化 研究 工作 ， E ma i l l h f l 9 9 6 6 1 6 3 石 油矿 场 机械 2 0 1 5年 3月 f e a t ur e s ， pe r f or ma n c e c ha r a c t e r i s t i c s a n d s c o pe o f a p pl i c a t i on we r e a n a l y z e d． Ag a i n， ma x i m u m de s i gn g ui de l i n e s o f ma r i ne d r i l l i n g r i s e r a nd e n gi n e e r i n g m e t ho ds o f i mpr o v i n g t h e e q ui pme nt l i f e we r e i n t r o d u c e d a s we l 1 ． Fi n a l l y， t h e d e v e l o p me n t t r e n d s o f F i e x J o i n t a n d a n u mb e r o f r e c o mme n d a t i ons we r e pr o po s e d ． Ke y wo r d s ma r i n e d r i l l i n g r i s e r ； f l e x j o i n t ； t e c h n i c a l s t a t u s ； p e r f o r ma n c e c h a r a c t e r i s t i c s ； d e v e l o p m e nt t r e n dS 海洋 钻井 隔水 管是 连通水 下 防喷器 组到 钻井平 台之间的一条“ 咽喉通道” ， 其主要功能包括提供钻 井泥浆循环通道 ， 水下防 喷器组 等设 备的起 、 放安 装 ， 引导钻具 、 支撑辅助管线及远程信息传输等n ] 。 海洋钻 井平 台 或 船 在 波 浪 和 海 流作 用 下 ， 除 了会 发生前 后左 右摇 摆 外 ， 还 将 随 波 浪产 生 漂 移 。 随着 海洋钻井向深水发展 ， 海洋环境载荷更加苛刻， 这些 都将严 重影 响钻 井隔 水管 系统稳 定性 及井 口装 置安 全性 。如 果刚性 连接 的钻井 隔水 管 系统不 能有效 补 偿这些运动， 将会使钻井隔水管系统损坏 ， 无法继续 钻进 ， 给海洋钻井工程造成巨大的损失 ， 甚至带来灾 难性 后果 。 深水海洋钻井隔水管系统用挠性装置是海洋钻 井 隔水管 系统 中 的关 键装 置 之 一 ， 能 够 有效 补偿 隔 水管系统在波 、 浪、 流等环境载荷作用及船体运动产 生的较大偏转角度 ， 有效减少该处局部弯曲应力 ， 保 证海 洋钻 井 隔 水管 系统 安 全可 靠 。美 国 Oi l S t a t e s I n d u s t r i e s 公司是全球最大 的挠性装置生 产商 ， 约 占市场 份额 的 9 5 。 目前 ， 国 内现 有 浮 式钻 井 平 台 船 使用的海洋钻井隔水管系统用挠性装置全部依 靠 进 口。 1 隔水管系统关键装 备 一 个 完 整 的深 水 钻井 隔 水 管系 统 包括 卡 盘 、 万 向节 、 分流器、 上部挠性装置、 伸缩节、 隔水管短节、 灌 注阀 可 选 、 隔水 管 标 准 单 根 、 节 流 与压 井 管 线 、 液压管线 、 泥浆增压管线 、 隔水管浮力块单根 、 终端 装置 、 下部挠性装置、 底部隔水管总成 L o we r Ma r i n e R i s e r P a c k a g e ， 简 称 L MR P 等组 成口 ] 。 图 1是 I S O 1 3 6 2 4 1 l 】 和 AP I 1 6 Q ] 标 准 给 出 美国东海岸 S P I C E D J AR半 潜式平 台 6 0 9 ． 6 m水 深隔水管系统配置图。该海洋钻井隔水管系统配置 有上 部挠性 装 置 、 下部 挠 性 装 置 、 1 1根 浮 力 单 根 和 2 8根裸 单根 等关 键 装 备 。该 配 置 足 以说 明挠 性 装 置在海洋钻井隔水管系统 中的重要作用 。 图 1 6 0 9 ． 6 m 水 深 隔 水 管 系 统 配 置 2 挠性装置 的分类及性 能特点 2 ． 1 上 部挠 性装 置 上部挠性装置主要用来柔性补偿由于钻井船定 位 失控 或推进 损失 而 引起漂 离和船 只 的纵荡 、 横 荡 、 升沉运 动 以及波 、 浪 等 载荷 作 用 在 隔 水管 系统 上 部 产生的较大刚性偏 转角度 ， 有效减少该处局部弯 曲 应力 。 Oi l S t a t e s I n d u s t r i e s 简称 O S I 公司所研制 的 Ⅱ型 上部 挠性装 置 如 图 2所示 ， 主要 由上装 置 、 上 部 主挠性 单元 、 上部 连 接 件 、 上 部 副 挠性 单 元 、 中心 连接 件 、 下 部 副挠性 单 元 、 下 部 连 接 件 、 下 部 主挠 性 单元 、 下装置及螺栓等组成。 第 4 4卷 第 3 期 刘红芳 ， 等 海洋钻井隔水管系统用挠性装置技术研究及 发展趋 势 挠性装置 2个金属旋转件之间的磨损率取决于 接触力 、 相对速度 、 材 料参数 、 周 围流体 性能 这 4 个 参 数 。对 于隔水管 系统 中 的钻柱 ， 通 过作 业来规 定相 对 速度和材料性能， 周围流体是钻井液， 受控的唯一参 数是接 触 力 。可 见 ， 优化 海 洋 钻 井 隔 水 管 系 统 顶 张 力， 使挠性装置的耐磨环与球铰磨损率降低， 可显著 提高挠性装置的使用寿命。 3 发展趋势 通过对 海洋钻 井 隔水 管 系统用 挠 性装 置 的分 析 研究 ， 认 为虽然各种类 型 的挠 性装 置均 有 自己的结构 特点 ， 但从 近年来海洋 钻井 隔水 管系统 以及 结合海 洋 勘探装备开发发展趋势来看 ， 海洋钻井隔水管系统用 挠性装 置将会朝 以下方 向发 展 。 1 型 式 更 加 多 样 化 ， 适 用 范 围 更 广 。常 规 的挠性 装 置 是 作 为 海 洋 钻 井 隔水 管 系 统 一 个 较 为 独立的部 件 ， 通过 预 留合适 的接 口接 入隔水 管相 应 部 位 。 随 着 海 洋 石 油 勘 探 开 发 向 深 水 、 超 深 水 发展 ， 为 了减少非生产 作业时间和连接操 作成本 ， 可将 隔水 管 下 部 挠 性 装 置 与 下 部 终 端 装 置 设 计 于 一 体 。这 样 一 方 面 可 避 免 下 部 挠 性 装 置 与 下 部 终 端 装 置之 间费 时 费 力 的螺 栓 、 法 兰 连 接 ， 简 化 生 产 加 工 工艺 ； 另 一 方 面 也 可 减 少 常 规 下 部 挠 性 装 置 与 连接 法 兰 焊 接 时 的 电 流 损 坏 挠 性 元 件 的 可 能 性 ， 从 而 利 于保 证 产 品 质 量 。 2 研 发适 应超 高温 高压 工况 的挠 性装 置 。随 着海 洋 油气 勘探 开发 日渐 向深 水 、 特 深水 领域 迈进 ， 海洋 水 下装备 工 况 更 加 恶 劣 ， 可 靠 性要 求 更 高 。 目 前 ， 法 国石油 公 司和 新 能 源研 究 院 已经 研 制 了一 种 1 3 8 MP a 2 0 0 0 0 p s i 超 高 压 力 的钻 井 隔 水 管 。因 此 ， 开发适用超高温高压 、 超深井 、 超高张力工况的 挠性 装 置研 究就 显得 尤为 必要 。 3 挠性 元 件总成 结 构趋 于主 、 副双 单元 型式 。 主、 副双单元型式 即每个挠性元件 总成 由主挠性单 元和副挠性单元组成 。主、 副挠性单元结构使其在 控制钻井隔水管角度方面比单个挠性元件更有效 ， 且适 应任 意方 向的转 动 ， 减 震 和阻尼 效果 好 。 4发展建议 我国海洋石油钻采设备 已进入快速发展阶段 ， 为打破 技 术和 贸 易垄 断 ， 加 快 研 发 隔水 管 系 统 关键 部件一 挠性装置的步伐势在必行 ， 因此 ， 对下一步 研发 该 产 品提 出以下建 议 1 将 隔水 管用下 部 挠性装 置 与下部 终端 装置 设计 于 一 体 ， 简 化 安 装 步 骤 ， 提 高 效 率 ， 保 证 产 品 质量 。 2 开展适用超高温高压 、 超深井、 超高张力工 况 的挠 性装 置研 究 ， 跟 踪 海洋 钻 井 隔 水 管 发展 前 沿 技术 ， 提前储备相关技术 。 3 主 、 副双挠性单元结构使其在控 制钻井隔 水管角度方面比单个挠性元件更有效 ， 且适应任意 方 向的转动 ， 减震 和 阻尼效 果好 。 4 以挠 性 元件 结 构 和 性 能 为 突破 口， 综 合 采 用先 进仿 真技 术 、 精 密成型 技术及 现 场试验 等 ， 有效 提高挠性元件力学性能， 扩大产品适用范围广 。 5 考虑挠性装置本身 的结构特点， 优化挠性 装 置焊 接工 艺 ， 最 大 程 度 减少 焊 接 工 艺 对 挠 性元 件 的影 响 。 6 优 化海 洋 钻井 隔水 管 系 统 顶 张力 ， 研 发 挠 性装置耐磨环与球铰超高耐磨 、 超高结合力的防腐 涂层材料 ， 有效提高挠性装置的使用寿命 。 5 结语 对 海洋 钻井 隔水 管 系统用 挠性 装置 的功 能和技 术 现状 进行 了分 析 ， 重点 对 Oi l S t a t e s I n d u s t r i e s 公 司所 研 制 的上 、 中 、 下 3种 类型 的挠性 装置 进行 了深 入研究 ， 剖析 了其结构特点 、 性能参数和适用范 围。 依据海洋钻井隔水管最大设计指南 ， 提 出了提高挠 性 装置 使用 寿命 的工 程 方 法 。在 此 基 础上 ， 指 出海 洋钻 井 隔水 管系 统 用挠 性 装 置 发 展 趋势 ， 同 时对 该 产 品 的研发 提 出了建 议 。 参考 文献 [ 1 ]I S 0 1 3 6 2 4 - 1 --2 O 0 9 ． D e s i g n a n d Op e r a t i o n o f Ma r i n e D r i l l i n g R i s e r e q u i p me n t s ] ． [ 2 ] AP I RP 1 6 Q一1 9 9 3 ． D e s i g n ， S e l e c t i o n ， O p e r a t i o n a n d Ma i n t e n a n c e o f Ma r i n e D r i l l i n g R i s e r S y s t e ms [ S ] ． [ 3 ] 王进全 ， 王定亚． 国外海洋钻井隔水管与 国产化研 究建 议[ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 9 ， 3 7 9 1 4 7 1 5 0 ． [ 4 ] 王耀锋 ， 王定亚 ， 任克忍 ， 等 ． 海洋钻井隔水管浮力块 配 置方法[ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 6 3 5 3 8 ． [ 5 ] 王定亚 ， 李 爱利． 海 洋 钻井 隔水 管系统 配套 技 术研 究 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 7 1 2 1 5 ． [ 6 ] P r o d u c t o v e r v i e w [ 0L ] ． [ 2 0 1 3 3 1 ] ． h t t p ／ ／ ww w． o i 1 一 s t a t e s ． c o m／ f w／ ma i n ／ S u b s e a - Ov e r v i e w- 3 7 4 C4 7 1 ． h t m1 ．