2. 宝鸡石油机械有限责任公司技术中心, 陕西宝鸡 721002 ;
3. 中海油研究总院, 北京 100027
2. Technical Center, CNPC Baoji Oilfield Machinery Co. Ltd., Baoji, Shaanxi, 721002, China ;
3. CNOOC Research Institute, Beijing, 100027, China
深水钻井隔水管是海上钻井作业过程中关键而又薄弱的环节[1-2],隔水管系统张紧力的合理设置是确保隔水管系统作业安全的关键因素。正常深水钻井过程中,张紧力使隔水管系统保持竖直站立状态,防止隔水管系统稳定性失效事故的发生。但在隔水管系统紧急脱离时,若张紧力设置过大,隔水管系统内储存的巨大势能被释放出来,隔水管系统迅速向上反冲并在短时间内产生很大的轴向位移和加速度,存在隔水管张力波动过大、张紧器冲程超过极限冲程、隔水管与平台碰撞等作业风险;若张紧力设置过小,又将导致隔水管底部总成(lower marine risers package,LMRP)与防喷器(blowout preventer,BOP)无法正常解脱[3]。因此,需要合理设计张紧力以保证隔水管系统的作业安全。
目前,隔水管张紧力的基本设计方法主要包括API算法[4]、基于底部残余张力算法[5]以及基于下放最大钩载算法。鞠少栋等人[6]对上述3种张紧力计算方法进行了对比分析,结果表明基于下放最大钩载方法简单实用;杨进等人[7]针对API算法仅考虑隔水管稳定性而没有考虑LMRP过提力的问题,以及基于底部残余张力算法考虑LMRP过提力为有效张力施加并非真实张力施加的问题,提出了满足隔水管稳定性和底部承载能力要求的张紧力计算新方法;阮庆等人[8]运用COMSOL软件分析了不同张紧力对隔水管球角转角、隔水管变形等的影响,但未开展隔水管张紧力设计算法研究。A.M.Rustad等人[9]针对丛式钻井隔水管或生产立管的防碰撞问题,提出了一种防碰撞的隔水管张紧力设计方法。上述研究主要针对正常海上钻井作业过程中的隔水管稳定性问题开展了隔水管张紧力设计方法研究,并没有考虑紧急脱离作业过程中隔水管系统的反冲响应。为此,笔者在已有研究成果的基础上,在保证正常海上钻井作业过程中隔水管系统稳定性的前提下,考虑紧急脱离时隔水管系统的反冲响应,对API算法进行了修正,根据反冲控制要求建立了隔水管系统张紧力设计准则,提出了基于反冲响应的隔水管张紧力设计方法及计算流程,最终确定合理的隔水管系统张紧力推荐值,保证深水钻井隔水管系统的作业安全。
1 张紧力API算法分析API算法为隔水管张紧力的基础算法,主要根据隔水管湿重和考虑张紧器失效计算张紧力,保证隔水管系统的稳定性,其计算公式为[4]:
(1) |
其中
(2) |
式中:Tmin为最小张紧力,N;TSRmin为滑力环张力,N;N为支撑隔水管的张力器数量;n为失效张力器的数量;Rf为用以计算倾角和机械效率的滑环处垂直张力与张力器设置之间的换算系数,通常为0.90~0.95;Ws为参考点之上的隔水管湿重,N;fwt为隔水管湿重公差系数(除精确测量外,一般取1.05);Bn为参考点之上浮力块的净浮力,N;fbt为因弹性压缩、长期吸水和制造容差引起的浮力损失容差系数(除精确测量外,一般取0.96);Ai为隔水管(包括节流、压井和辅助管线)内部横截面积,m2;ρm为钻井液密度,kg/m3;Hm为至参考点的钻井液柱高度,m;ρw为海水密度,kg/m3;Hw为至参考点的海水柱高度,m。
API算法未考虑隔水管系统底部脱离问题,易导致隔水管紧急脱离时无法提起LMRP。目前,常用的解决方法是在最小滑环张力的基础上增加大于LMRP重量的底部残余张力,可表示为:
(3) |
式中:W为底部残余张力,N。
式(3)中的底部残余张力一般为经验值,无法定量评估张紧力是否合理。如果隔水管系统张紧力过大或过小,隔水管紧急脱离反应时间往往很短,无法及时调整张紧器的张紧力设置,会导致紧急脱离时隔水管作业风险较高。为此,需根据隔水管系统反冲响应规律,建立基于反冲响应的隔水管系统张紧力计算方法。
2 考虑反冲响应的隔水管张紧力计算隔水管系统紧急脱离前,在张紧力作用下隔水管系统内储存着巨大势能,脱离后势能瞬间释放导致隔水管系统产生剧烈的反冲响应,然后隔水管系统通过张紧器和伸缩节软悬挂于平台上,在平台升沉运动的激励下隔水管和张紧器系统发生振动响应[3, 10]。整个过程中横向载荷对隔水管系统的作用相对于钻井平台和张紧器来说可以忽略[11]。张紧器作用下隔水管的运动情况如图 1所示。
将隔水管视为具有集中质量的质量块,隔水管运动方程为:
(4) |
式中:M为隔水管质量,kg;x″p为隔水管运动加速度,m/s2;F为隔水管系统施加的张紧力,N;α(t)为t时刻活塞杆与垂直方向的夹角,rad;g为重力加速度,m/s2;f为隔水管受到的流体剪切摩阻,N。
任意时刻活塞杆与垂直方向的夹角α(t)为:
(5) |
式中:L为平衡位置时隔水管距张紧器顶部的垂直距离,m;xp为隔水管位移,m;xh钻井平台位移,m;d为张紧器顶部距隔水管中心的水平距离,m。
假设海水为牛顿流体,根据牛顿流体内摩擦定律计算隔水管升沉运动过程中与海水的摩阻:
(6) |
式中:μsea为海水稠度系数,Pa·sn;d1为隔水管外径,m;d2为隔水管内径,m;l为隔水管系统长度,m;x′p为隔水管的运动速度,m/s。
综合式(5)和式(6),可得隔水管的运动微分方程为:
(7) |
张紧器的冲程变化为:
(8) |
式中:ΔLm为张紧器冲程变化,m。
由式(7)和式(8)可知,反冲过程中隔水管位置、张紧器冲程等参数均会发生变化,为确保隔水管系统紧急脱离作业的安全,结合深水钻井对隔水管系统反冲控制的要求[12-17],确定隔水管张紧力的设计准则为:1) 脱离后LMRP与BOP保持一定安全距离;2) 张紧器冲程和伸缩节冲程不允许超过0.9倍极限冲程;3) 张紧器冲程和伸缩节冲程始终大于0;4) 隔水管最大张力不允许超过0.9倍极限承载力;5) 隔水管最小张力大于0,即不能出现动态压缩;6) 隔水管应力小于0.67倍隔水管屈服应力;7) 隔水管系统底部不能发生屈曲。
基于隔水管张紧力设计准则,开展基于反冲响应的隔水管系统张紧力计算,在API算法的基础上增加修正的可变底部张力,可表示为:
(9) |
式中:Tr为修正的可变底部张力,N。
为了定量确定修正的可变底部张力,建立了张紧力修正API算法的计算流程,如图 2所示。其中,由于隔水管系统的反冲过程较为复杂,为了提高隔水管反冲响应数值仿真精度,采用隔水管专业分析软件DeepRiser分析隔水管系统的反冲响应,以保证张紧力推荐值的准确性。
3 实例分析以南海某深水半潜平台为例,目标井水深为742.00 m,隔水管系统的配置见表 1。该平台共有12个钢丝绳式张紧器,海水密度1 025 kg/m3,钻井液密度1 140 kg/m3,波高为4.4 m,波浪周期为12.1 s。
隔水管部件 | 数量 | 单根长度/m | 单根湿重/kg |
伸缩节 | 1 | 29.718 | 7 549.545 0 |
短节1 | 1 | 7.620 | 3 251.404 8 |
裸单根 | 1 | 18.288 | 7 813.714 0 |
浮力单根1 | 30 | 18.288 | 610.545 6 |
浮力单根2 | 6 | 18.288 | 821.002 0 |
短节2 | 1 | 15.240 | 6 502.356 0 |
裸单根 | 1 | 18.288 | 7 813.714 0 |
LMRP和BOP | 1 | 11.250 | 177 811.200 0 |
基于上述基础参数,应用API算法计算张紧力为1.12 MN,应用修正API算法确定张紧力为1.40 MN,为了验证修正API算法的优越性,分别研究了API算法和修正API算法下的隔水管反冲性能,并进行了对比。采用DeepRiser软件进行隔水管系统反冲响应分析,直接确定反冲过程中LMRP位移和张紧器冲程变化规律,如图 3、图 4所示。其中,为了便于观察隔水管紧急脱离前后的隔水管系统运动规律,假设20 s时隔水管系统进行紧急脱离进入隔水管系统反冲阶段。
由图 3可知,反冲过程中LMRP位移随着时间推移不断发生振荡并最终趋于稳定,API算法下稳定后的LMRP位移小于BOP距泥面高度,修正API算法下LMRP位移趋于稳定后大于BOP距泥面高度,可以避免LMRP和BOP的碰撞。由此可知,由于API算法计算的张紧力偏小,在隔水管紧急脱离过程中无法保证LMRP运动处于安全位置;而修正API算法计算的张紧力则能满足隔水管系统反冲过程中的要求,可保证反冲过程中隔水管系统的安全。
由图 4可知:API算法下张紧器冲程已经超出张紧器极限冲程,威胁张紧器安全;修正API算法下张紧器冲程随时间推移不断振荡最终趋于稳定,并始终低于张紧器极限冲程,从而保证了反冲过程中张紧器系统的安全。
基于深水钻井隔水管反冲分析结果,提取反冲过程中不同位置处隔水管的动态有效张力,并统计隔水管有效张力波动范围(见图 5),校核隔水管系统有效张力是否满足要求。反冲过程中,API算法下隔水管系统有效张力波动范围为-325~1 350 kN,由于有效张力存在负值,故隔水管底部出现了明显动态压缩,将导致隔水管破坏;修正API算法下隔水管系统有效张力波动范围为5~2 000 kN,且隔水管系统有效张力安全范围为0~8 000 kN,则隔水管紧急脱离反冲过程中始终处于安全状态。与API算法相比,修正API算法可保证有效张力始终大于0,保证隔水管系统在反冲过程中的安全。
4 结论1) 建立了深水钻井隔水管系统反冲响应分析模型,识别了隔水管系统反冲过程中的关键响应参数,并建立了隔水管张紧力设计准则,主要包括隔水管紧急脱离后LMRP与BOP的距离、张紧器冲程和伸缩节冲程、隔水管最大张力、隔水管最小张力、隔水管应力以及隔水管系统的稳定性。
2) 在隔水管张紧力API算法的基础上,进一步考虑隔水管系统紧急脱离时的反冲作用,提出了基于反冲响应的隔水管张紧力计算方法及流程,形成了张紧力的修正API算法,弥补了现有张紧力算法的不足,保证连接作业下隔水管的稳定性以及紧急脱离时隔水管的安全。
3) 修正API算法可以较好地改善反冲过程中的LMRP位移、张紧器冲程以及有效张力波动范围,满足隔水管系统的反冲性能要求,对隔水管系统反冲有较好的控制作用,防止反冲过程中LMRP、BOP、隔水管和张紧器等装备失效。
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