深水钻井隔水管信息化管理研究与应用

刘宗鑫

摘 要：钻井隔水管是整个海洋钻井装备中重要而又薄弱的环节。考虑隔水管运动和波浪引起的水质点运动，采用理论分析的方法对隔水管进行了频域随机振动分析。采用软件对进行了海洋钻井隔水管的动力分析，研究隔水管弯曲应力的影响因素，指出长隔水管受钻井船运动尤其是慢漂运动的影响大于波浪载荷。采用泛函变分法导出了隔水管的振动微分方程，采用模态分析方法确定了动力响应的通式，得到了研究指出，对于深水钻井隔水管而言，钻井船运动是首要的动载荷，而波浪仅仅对隔水管局部产生作用。

关键词：隔水管钻井；系统优化设计；信息化管理；应用

隔水管钻井需要进行隔水管的下放、脱离、悬挂和回收等一系列关键作业。深水隔水管钻井需要更多的隔水管下放和回收时间和高昂的费用，一旦失效其后果也会更加严重。随着海洋钻井向更深的水域进军，钻井隔水管的分析、设计和作业管理技术越来越受到人们的重视。目前国内对隔水管系统的分析与设计大多依赖通用的软件，国外已有一些钻井隔水管的专用分析软件，但都难以实现深水钻井隔水管作业的信息化管理。對隔水管系统进行适当简化，建立隔水管系统有限元模型，得到隔水管系统的静态有限元平衡方程和动态有限元平衡方程。探讨平衡方程中刚度矩阵、质量矩阵、载荷矩阵和收敛准则的确定方法，研究非线性有限元方程的求解方法，进行隔水管系统优化设计方法，顶张力设计方法和作业窗口确定方法的研究。

一、隔水管系统设计

深水钻井隔水管的设计主要依据规范进行，该规范对隔水管设计的最大等效应力和部挠性接头转角做出了限制，在静水压溃、疲劳破坏、椭圆度等方面则没有提供相应准则。详细的隔水管系统设计可以同时参考其它的相关规范来进行。深海环境恶劣，钻井隔水管事故时有发生，给海洋钻井带来巨大的损失。随着钻井活动向深水进军，隔水管系统在作业过程中的受力越来越复杂，人们对于隔水管系统作业分析研究的要求无论是在分析周期、分析手段、数据量、实时性还是数据准确性等方面都提出了越来越高的标准。在这种情况下，使用一个信息化的管理系统来科学的对大量信息进行监测、维护和管理，同时又有效地利用这些有用的信息来指导作业过程是很有必要的。信息化管理技术是一门以计算机为核心的智能化管理技术，近年来，随着计算机及其软件系统性能的提升，信息化管理技术在生产和生活中各个领域的作用越来越明显。进行深水钻井隔水管作业信息化管理技术研究，开发相应的软件系统用于进行隔水管作业的信息化管理对于保障深水隔水管。

隔水管系统分析主要包括隔水管的静态分析、动态分析、波致疲劳分析、涡激振动与涡激疲劳分析、悬挂分析、弱点分析和钻井船漫漂分析等。设计首先进行脱离模式悬挂分析，通过不同浮力系数下动态张力的安全裕量确定最佳的浮力系数。然后进行钻井作业模式分析，通过正常钻井作业模式下隔水管系统每一部分的应力来进行隔水管壁厚的调整和优化。隔水管壁厚调整以后，须根据新的隔水管参数重新计算最佳浮力系数。初步设计完成后需要进行顶部张力和接头强度的校核，最后进行动态分析和验证。

二、基于隔水管仿真隔水管系统监测

隔水管监测装置包括响应监测装置和应变监测装置。响应监测大量使用单机数据记录仪，采用低能耗元件及智能电源管理电路，将数据测量、采集、存储等功能集成在一个密封管材中，一般可兼容多种传感器，如倾角仪、角速度传感器、加速度仪、压力计、温度传感器、线性位移计以及张力载荷传感器等。应变监测装置可方便记录特定位置的应变时间历程，能够用于结构疲劳的计算，代表性的应变监测装置有应变监测系统、水下应变传感器、光纤应变测量系统等。包括柔性软管、隔水管、电缆、管道和空间框架结构。能够进行静态和动态时域的分析、模态分析和频域分析，适合于处理大位移小应变问题。可以实现三维的平移和旋转，预测隔水管之间的干涉，模拟热、压力和段塞流载荷，能仿真由锚系装置失效引起的垂直位移。钻井隔水管作业环境复杂，作业环境中的风、波浪、海流、温度、地震等都会引起一定的载荷，这些载荷可根据结构物的设计环境条件进行计算。海洋钻井隔水管主要部分位于水下，风载荷的直接影响不大，设计时主要考虑的环境载荷为海流载荷和波浪载荷。另外，风、波浪、海流以及钻井船的动力定位系统精度都会引起钻井平台的运动，平台运动以动态边界的形式作用于隔水管，从而引起较大的动态应力。

隔水管内充满钻井液不考虑钻柱对隔水管的影响；通过相关参数的调整，考虑浮力块、附属管线等的影响。隔水管系统受到动态载荷作用时，结构的位移将随时间变化，因而速度、加速度、应力、应变也均与时间有关。隔水管系统设计阶段常常需要进行动力响应分析确定其在波浪、海流等外力作用下的运动、变形以及应力状况等。动力响应分析可在时域内进行也可在频域内进行。频域分析基于线性叠加原理，故限于在线性系统中应用。时域分析可考虑各种非线性因素计算瞬态的动力响应。

建立隔水管系统有限元模型，得到隔水管系统的静态有限元平衡方程和动态有限元平衡方程。深水钻井隔水管作业信息化管理离不开隔水管系统的有限元分析技术、深水钻井隔水管系统设计技术和深水钻井隔水管作业监测与指导技术，前面的章节分别针对三个方面的内容展开了研究，在此基础上设计了深水钻井隔水管有限元分析软件、深水钻井隔水管系统设计软件和深水钻井隔水管作业监测指导软件。三套软件相辅相成，隔水管系统设计和作业指导是有限元分析的最终目标，有限元分析则为隔水管系统设计和作业指导提供关键的仿真结果数据。三套软件的相互协作构成深水钻井隔水管作业信息化管理系统。深水钻井隔水管作业信息化管理系统的整体工作流程如图所示。

深水钻井隔水管作业信息化管理系统的工作流程

深水钻井隔水管系统有限元分析软件通过隔水管系统响应的预测，给出实时监测无法获得的关键信息，为隔水深水钻井管系统的信息化管理提供保障；深水钻井隔水管系统设计软件提供信息丰富的数据库系统，并在此基础上开发隔水管系统配置和顶张力优化设计模块，实现信息化管理对信息量的要求；深水钻井隔水管作业监测指导软件收集隔水管系统作业的参数信息，满足信息化管理对实时性的要求。

参考文献：

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[3] 赵建亭，薛颖，潘云，程峰.浮式钻井装置隔水管张紧系统研究[J]. 上海造船. 2010（04）