台风条件下深水钻井隔水管触底事故分析及对策.pdf

7 3 8 2 0 1 3年 1 2月 石油勘探与开发 PETROLEUM EXPLORAT1 0N AND DEVEL0PM ENT Vl0 l _ 4 0 NO． 6 文 章编号 1 0 0 0 0 7 4 7 2 0 1 3 0 6 0 7 3 8 0 5 DOI 1 0 ． 1 1 6 9 8 ／ P E D． 2 0 1 3 ． 0 6 ． 1 4 台风 条件下深水钻井隔水管触底事故分析及对策 刘秀全 ，陈国明 ，畅元江 ，刘康 ，张磊 ，许亮斌 2 1 ．中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心；2 ．中海油研究总院 基金项 目国家科技重大专项课题 “ 深水钻井隔水管作业管理及安全评价技术” 2 0 1 1 Z X0 5 0 2 6 ． 0 0 1 ． 0 5 ；长江学者和创新团队发 展计划 “ 海洋油气井钻完井理论与工程” I R T 1 0 8 6 ；中央高校基本科研业务费专项资金资助项 目 1 1 C X0 5 0 0 9 A；1 2 C X 0 6 0 6 5 A 摘要 针对中国南海深水钻井隔水管面临的触底事故风险，建立了深水钻井隔水管触底事故力学分析模型，并以某 深水浮式钻井平 台隔水管触底事故为例进行隔水管触底力学特性分析和事故分析， 确定触底后隔水管 回收作业窗口。 力学特性分析和事故分析结果表 明触底后隔水管呈悬链线形状，隔水管弯矩和等效应力的最大值均发生在下挠性 接头处；触底后隔水管顶部和底部的弯曲变形较为严重，上下挠性接头转角较大，导致平台月池、张紧器和下挠性 接头损坏，若平台继续向浅水 区漂移，可能发生隔水管断裂。触底后回收隔水管 时，必须保证平 台位移和隔水管提 升高度在作业窗 口内，否则会导致隔水管断裂或进一步损坏隔水管底部总成；隔水管脱离海底后不再移动平 台并继 续回收作业。图 8表 1参 1 1 关键词台风；深水；钻井；隔水管；触底事故；事故分析 中图分类号T E 5 2 文献标识码A An a l y s e s a n d c o u n t e r m e a s u r e s o f d e e p wa t e r dr i l l i n g r i s e r g r o u nd i n g a c c i de n t s u nd e r t y ph o o n c o n d i t i o ns L i u X i u q u a n ， C h e n G u o mi n g ， C h a n g Y u a n j i a n g ， L i u K a n g ， Z h a n g L e i ， Xu L i a n g b i n 1 ． C e n t r e ’ f o r O f f s h o r e E n g i n e e r i n g a n d S a f e ty T e c h n o l o g y ， C h i n a U n i v e r s i t y o fP e t r o l e u m， Q i n g d a o 2 6 6 5 8 0 ， C h i n a 2 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a N a t i o n a l O f f s h o r e O i l C o r p o r a t i o n ， B e ij i n g 1 0 0 0 2 7 ， C h i n a Abs t r a c t Fo r d e e p wa t e r d r i l l i n g r i s e r s ys t e m f a c i n g g r o u n di n g r i s k i n t h e S o u t h Chi n a S e a ，a me c h a n i c a l a na l y s i s mo de l of d e e p wa t e r d r i l l i ng ris e r g r o u nd i n g a c c i d e nt wa s e s t a b l i s he d． Fo c u s i n g o n d r i l l i n g ris e r g r o un d i n g a c c i d e n t s o f a de e p wa t e r flo a t i ng d r i l l i ng pl a t f o r m i n t he So u t h Chi na Se a ，me c h a n i c a l c ha r a c t e ris t i c s a nd g r o un d i n g a c c i d e n t s o f ris e r we r e a na l yz e d． An d t he ris e r r e t rie vi n g wi nd o w wa s d e t e r mi n e d ．Th e r es ul t s s h o we d t ha t t h e s h a p e o f t h e ris e r s ys t e m a f t e r r i s e r gr ou n d i n g i s c a t e n a r y ． The ma x i mu ms o f b e n di n g mo me n t a n d y o n Mi s e s a r e l o c a t e d a t l o we r fl e x j o i n t ． P l a t f o rm m o o n p o o l ， t e n s i o n e r a n d l o w e r fl e x j o i n t a r e d a ma g e d d u e t o s e v e r e b e n d i n g d e f o rm a t i o n i n t he u p pe r a n d l o we r d ril l i n g ris e r s y s t e m a fte r ris e r gr o un d i n g a c c i de nt s ．Th e r i s e r ma y fra c t ur e i f d r i l l i ng pl a t f o rm c o n t i n u e s t o mo v e t o wa r d s h a l l o w wa t e r ．Dr i l l i n g pl a t f o rm d i s p l a c e me n t a n d r i s e r l i ft he i g h t mu s t b e wi t hi n t he r i s e r o p e r a t i o n wi n d ow d u r i ng r i s e r r e t r i e vi n g， o r e l s e t h e r i s e r ma y f r a c t u r e a nd t he LMRP ma y s u ffe r f ur t he r d a ma g e ． Re s i d ua l r i s e r a n d LMRP c a n be r e t r i e ve d i n a fix e d p os i t i o n wh e n t he dri l l i n g r i s e r s y s t e m i s s e pa r a t e d f r o m s e a be d ． Ke y wor ds t y p h oo n； d e e pwa t e r ； d r i l l i ng ； r i s e r ； g r o un d i n g a c c i de n t ； a c c i d e n t a n a l y s i s 0引言 深水钻井隔水管是连接海底井 口和钻井平 台的重 要部件 ，其主要功能是提供井 口防喷器与钻井平台之 间的钻井液往返通道 ，支撑辅助管线 ，引导钻具 ，并 作为下放与撤回防喷器的载体_ 1 ] 。深水钻井隔水管系 统作为柔性体 ，极易受到恶劣天气条件的影响，尤其 是中国南海频繁发生的台风等灾害性天气。2 0 0 9年 ， 南海某深水浮式平 台在进行钻完井作业时遭到 台风 “ 巨爵”的袭击 ，造成钻井 隔水管底部脱离井 口，且 此后没有及时回收隔水管 ，平台在台风作用下 向浅水 区漂移 ， 隔水管底部总成 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与海底发生接触 ，导致平台月池 、张紧 器 、L MR P 和下挠性接头损坏 ，极大地影响了作业进 度，造成了严重损失[ 7 - 9 ] 。本文以该深水浮式平台的钻 井隔水管触底事故为研究对象 ，建立隔水管触底事故 力学分析模型 ，进行力学特性分析，识别设备损坏原 因和潜在失效风险 ，提出隔水管触底事故处理措施 。 水钻井隔水管触底力学分析 1 ． 1基 本方程 正常情况下 ，隔水管顶部通过张紧器悬挂在钻井 7 4 0 石油勘探与开发 石油工程 向力平衡方程 ，即可得到隔水管轴向力变化规律 dT s f 1 C O S 0W S C O S 3 I I L j J 、 波浪与海流的联合作用非常复杂 ，不能简单地分 别计算波浪和海流的作用力再将二者线性迭加 ，通常 采用修正形式的 Mo r i s o n方程近似计算作用于隔水管 的波流联合作用力 I s 去 c D v w 一 I 一 l C M D 2 a w - C M 一 1 4 1 ． 2 边界 条件 隔水管顶部与钻井平 台相连接 ，其水平位移即为 钻井平台的偏移 Y 5 隔水管顶部垂向位移受钻井平台升沉运动影响 x s l A s in 6 ．2 8 t ／ T p 6 隔水管顶部一般连有上挠性接头，则隔水管绕轴 向转动的边界条件为 0 7 隔水管底部与海底接触 ，垂 向位移始终为零 ，水 平方向有摩擦约束 ，其边界条件为 。 瓮 1 ． 3 分析方 法 基于隔水管触底力学分析模型 ， 采用 AB A Q US软 件建立隔水管． 海底有限元分析模型用管单元模拟隔 水管系统 ，用刚体模拟海底 ；隔水管系统的上边界终 止于上挠性接头 ，采用铰单元模拟挠性接头 ，并定义 相应 的转动刚度 ；下边界终止于海底 ，定义隔水管和 海底间的摩擦系数； 定义环境载荷时激活 F O L L O WE R 参数 ，保证环境载荷垂直于隔水管系统 ，以模拟大角 度变形下的隔水管受力情况。然后 ， 采用 A B A Q US的 露 磐 1 出 * 窿 乓 窖 磐 1 出 啦 * 匿 海洋工程模块 AB AQ US ／ Aq u a 进行力学分析。 2深水钻井隔水管触底事故分析 2 ． 1基本参数 本文以前文所述 2 0 0 9 年南海某深水浮式平台因遭 到台风 “ 巨爵”袭击而发生的钻井隔水管触底事故为 分析对象 ，表 1为隔水管系统配置。隔水管触底水深 1 0 7 5 m；隔水管外径 0 ． 5 3 3 4 I l l ，壁厚 0 ． 0 2 2 2 2 5 m， 材料为 X8 0钢，屈服强度 5 5 2 MP a ；上挠性接头抗弯 刚度 1 2 ． 8 5 k N m ／ 。 ，最大转角 1 0 。 ；下挠性接头抗 弯刚度 9 2 k N m／ 。 ，最大转角 1 0 。 。钻井平台月池 宽度 9 ． 6 13 3 ，平台升沉运动幅值 2 ． 4 I l l ，周期 1 2 ． 1 S 。 表 1 隔水管系统配置 已知触底后 隔水管顶部与底部 间的水平距 离为 1 7 8 m，进行不同摩擦系数下隔水管触底力学分析 ，得 到不 同摩擦系数下隔水管顶部与底部间的水平距离 ， 进而确定隔水管顶部与底部水平距离为 1 7 8 m 时对应 的摩擦系数为 0 ． 1 5 。因此 ，隔水管与海底 间摩擦系数 为 0 ． 1 5 。 2 ． 2隔水管触底力学特性 根据本文建立的隔水管触底力学分析模型及隔水 管- 海底有 限元分析模型进行隔水管触底力学特性分 析 ，得到触底后的隔水管水平位移 、弯矩和等效应力 见 图 5 。 由图 5可知 受浮式钻井平台偏移和隔水管 自重 的影响 ，隔水管触底后基本上呈悬链线形状 ；隔水管 上下挠性接头处弯矩较大 ，其余位置弯矩较小 ，下挠 图 5 触底后隔水管力学特l生分析 吕 窖 非 世 1 她 窿 7 4 2 石油勘探与开发 石油工程 V O 1 ． 4 0 No ． 6 4 结论 建立了钻井隔水管正常连接状态下及触底后的力 学分析模型 ，采用有限元分析方法 ，以 2 0 0 9年南海某 深水浮式平台因遭到台风 “ 巨爵”袭击而发生的隔水 管触底事故为分析对象 ，进行了深水钻井隔水管力学 特性分析及事故分析。结果表明隔水管触底后基本 呈悬链线形状 ，变形较大 ；隔水管上下挠性接头处的 弯矩和等效应力较大 ，最大值发生在下挠性接头处 ； 触底后隔水管顶部和底部弯曲变形 比较严重 ，上下挠 性 接头转 角较大 ，L MR P 、平 台月池 、张紧器 和下挠性 接头出现不 同损坏 ，若平 台继续向浅水 区漂移 ，可能 发 生隔水 管断裂 。 确定了触底事故发生后的隔水管 回收作业窗 口， 只要保证平 台位移和隔水管提升高度在作业窗口内， 就可以顺利回收隔水管及 L MR P 。 符号 注释 7 ，_一隔水管轴向力 ， N；F r_一隔水管法向力，N； ， -_一 隔水管弯矩 ，N m； 隔水管弹性模量 ，P a ；， 一隔水 管截面惯性矩 ，m ； 隔水管任一点垂直高度 ，m； y 隔水管任一点水平位移，m；w隔水管单位长度重 量 ，N／ m； 隔水管单位长度质量 ，k g ／ m；a 隔水管 加速度 ，m／ s ；／ ．_～沿水平方向作用于单位长度隔水管上的 波流联合作用力 ， N ／ m； 隔水管与垂直方向的夹角， 。 ； 隔水管任一点距底端的长度 ，IT I ；a N 隔水管法向加 速度 ，m／ s ；JD 海水密度 ，k g ／ m ；D隔水管水动力外 径 ，1T I ；C D 拖曳力系数 ；C M 惯性力系数 ；a w 波 浪引起的沿隔水管法向的水质点加速度 ，m／ s ；V w 波浪 引起的沿隔水管法向的水质点速度 ，m ／ s ；V c 海流引起的 沿隔水管法 向的水质点速度 ，r n ／ s ；V N 隔水管法向速度 ， m／ s ； 隔水管长度 ，m； Y H 钻井平台在水平方 向的偏 移 ，m； 钻井平 台升沉运动幅值 ，IT I ；f 时间 ，S ； 钻井平台升沉运动周期 ，S ；K 上挠性接头转动刚 度 ，N m／ 。 ；F H 隔水 管底 部水 平方 向作 用 力 ，N； F 隔水管底部垂直方向作用力，N；“ 隔水管底部与 海 底问摩擦 系数 。 参考文献 [ 1 ] 鞠少栋 ，畅元江 ，陈 国明，等．深水钻 井隔水管连接作业 窗 口分 析[ J 】 l 石油勘探与开发， 2 0 1 2 ， 3 9 1 1 0 5 1 1 0 ． J u S h a o d o n g ， C h a n g Y u a n j i a n g ， C h e n G u o mi n g ， e t a 1 ． E n v e l o p e s f o r c o n n e c t e d o p e r a t i o n o f t h e d e e p wa t e r d r i l l i n g r i s e r [ J ] ．P e t r o l e u m Ex pl o r a t i o n a n d De v e l o pme n t ， 2 01 2 ， 3 9 1 1 0 5 1 1 0 ． 【 2 ] 畅元江 ，陈 国明，许亮斌，等．超 深水钻井隔水管 系统设 计影响 因素分析[ J ] l石油勘探 与开发， 2 0 0 9 ， 3 6 4 5 2 3 5 2 8 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] C h a n g Y u a n j i a n g ，C h e n G u o mi n g ，X u L i a n g b i n ，e t a 1 ．I n fl u e n t i a l f a c t o r s for t h e d e s i g n o f u l t r a d e e p w a t e r d r i l l i n g r i s e r s [ J ]P e t r o l e u m Ex p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 0 0 9 ， 3 6 4 5 2 3 - 5 2 8 ． 陈 国明，殷 志明，许亮斌，等 ．深水双梯度钻井技术研究进展[ J 1 l 石油勘探 与开发， 2 0 0 7 ， 3 4 2 2 4 6 ． 2 5 1 Ch e n Gu o mi n g， Yi n Zh i mi n g ， Xu L i a n g h i n ， e t a l Re v i e w o f d e e p wa t e r d u a l g r a d i e n t d r i l l i n g t e c h n o l o g y [ J ] ． P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 0 0 7 ， 3 4 2 2 4 6 2 5 1 C h a n g Y u a n j i a n g ，C h e n Gu o mi n g ，S u n Y o u y i ，e t a l No n l i n e a r d y n a mi c a n a l y s i s o f d e e p wa t e r d r i l l i n g r i s e r s s u b j e c t e d t o r a n d o m l o a d s [ J ] ． C h i n a O c e a n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， 2 2 3 6 8 3 - 6 9 1 ． I n t e r n a t i o n a l Or g a n i z a t i o n f o r S t a n d a r d i z a t i o n ．I S O 1 3 6 2 4- 1 2 0 0 9 P e t r o l e u m a n d n a t u r a l g a s i n d u s t r i e s Dr i l l i n g a nd p r o d u c t i o n e q u i p me n t p a r t 1 De s i g n a n d o p 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 ] ． G e n e v a I n t e r n a t i o n a l O r g a n i z a t i o n for S t a n d a r d i z a t i 0 n ． 2 0 0 9 ． Ame r i c a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e ．AP I R P 1 6 Q- 1 9 9 3 R e c o mme n d e d p r a c t i c e f o r 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 m[ S ] ． Wa s h i n g t o n Ame r i c a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e ， l 9 9 3 刘 秀全，陈国明，雒 晓康 ，等．防台风钻井隔水 管技术现状及 适 用性分析[ J ] ．石油机械， 2 0 1 3 ， 4 1 1 4 0 - 4 4 ． L i u Xi u q u a n ，Ch e n Gu o mi n g ，Lu o Xi a o k a n g ， e t a 1 ． P r e s e n t s i t u a t i o n o f t h e a n t i - t y ph o o n d r i l l i n g r i s e r t e c h no l o g y a n d a n a l y s i s o f i t s a p p l i c a b i 1 j t y [ J ] _ C h i n a P e t r o l e u m Ma c h i n e r y ， 2 0 1 3 ， 4 1 1 4 0 4 4 陈黎明，陈国明，孙友 义，等．深水钻井 隔水 管避台撤离动 力和 长度优化[ J ] ．海洋工程， 2 0 1 2 ， 3 0 2 2 6 3 1 Ch e n L i mi n g ， Ch e n Guo m i n g ， S u n Yo u y i ， e t a 1 ．Dy n a m i c a n d l e n g t h o p t i mi z a t i o n o f t y p h o o n a v o i d a nc e e v a c u a t i o n f o r d e e p wa t e r d r i l l i n g r i s e r s [ J ] ． T h e O c e a n E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 2 ， 3 O 2 2 6 3 1 X u L B ， J i a n g S Q， Z h o u J L ． T h e c h a l l e n g e s a n d s o l u t i o n s for d e e p w a t e r d r i l l i n g i n t h e S o u t h C h i n a S e a [ R ] ． O T C 2 3 9 6 4 ， 2 0 1 3 畅元江，陈国明，孙友义，等．深水钻井 隔水管 的准静 态非线性 分析[ J 1 ．中国石油大学学报自然科学版， 2 0 0 8 ， 3 2 3 1 1 4 ． 1 I 8 C h a n g Y u a n j i a n g ，C h e n Gu o mi n g ，S u n Y o u y i ，e t a 1 ．Q u a s i - s t a t i c n o n l i n e a r a n a l y s i s o f d e e p w a t e r d r i l l i n g r i s e r s [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e umE d i t i o n of Na t u r a l S c i e n c e ，2 0 0 8 ，3 2 3 l 1 4． 1 1 8 ． S p a r k s C． F u n d a me n t a l s o f ma r i n e r i s e r me c h a n i c s [ M] ． T u l s a P e n n W e l l ， 2 0 0 7 第一作者简介刘秀全 1 9 8 7 ． ，男，山东枣庄人，现为中国石油大学 华东 机 电X - 程学院博士研究生，主要从事深水钻井隔水管完整性技术 研究。地址山东省青岛经济技术开发区长江西路 6 6号，中国石油大学机 电学院，邮政编码2 6 6 5 8 0 。E ． ma i l l x q m c a e 1 6 3 ．c o rn 联系作者 陈国明 1 9 6 2 ． ，男，浙江绍兴人 ， 博士 ，中国石油大学 华 东机 电工程学院教授 、博士生导师。地址山东省青岛经济技术开发区 长江西路 6 6号 ，中国石 油大学机 电学院，邮政编码2 6 6 5 8 0 。E ． ma i l o f f s h o r e 1 2 6 ． c o rn 收稿日期2 0 1 3 - 0 4 ． 1 9 修回 日期2 0 1 3 ． 0 9 ． 2 3 编辑胡苇玮 绘 图 刘方方