超深井隔水管设计安装影响因素与解决对策

刘娟

摘要：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泥浆往返通道，支持辅助管线，引导钻具，作为下放与撤回井口防喷器组的载体。分析可以看出，超深水井隔水管设计的主要影响因素就是鉆井液密度、涡激抑制设备、脱离后隔水管系统悬挂模式以及水深和海流载荷等几个方面。在设计安装时都应给予考虑，这对提升超深水井隔水管设计，以及深海石油开采带来帮助。

关键词：超深水井隔水管；作业与环境因素；设计理论；安装

1 概述

影响超深水井隔水管的两个重要因素就是作业与环境因素。作业因素主要是指钻井液密度、涡激抑制设备、脱离后隔水管系统悬挂模式等；而环境因素主要是指海流、水深、波浪等方面。对这些因素进行分析，可以为超深水井隔水管的设计提供理论指导。

2 作业因素

2.1 悬挂模式

在悬挂过程中，隔水管可能会发生动态压缩现象。这时隔水管的弯曲应力也会相应增加，导致隔水管的上部触到月池的危险系数大大提高。因此在设计隔水管时，必须把隔水管在悬挂状态时的动态响应加入其中，以防止隔水管发生动态压缩。

2.2 涡激抑制

如果水流的速度很快，隔水管还可能会出现严重的涡激振动，造成涡激疲劳，从而产生疲劳损伤。对此可以采用在流速较快的水域中加装涡激抑制设备的方法。有实验证明，使用涡激抑制设备能够让隔水管的涡激疲劳降低80%以上。

2.3 钻井液密度

钻井液密度对于隔水管的设计是十分重要的。这是因为钻井液会对顶部涨紧力产生影响，进而影响到隔水管的有效张力。因此在进行隔水管的材质选择时，必须按照最大钻井液的密度来选择。

3 环境因素

环境因素对深水管造成的影响也不应忽视，在设计时也必须考虑。

3.1 超深水井隔水管在设计时，必须考虑到水深对其造成的影响

一是水深的增加，使得隔水管的施工管理难度增加。隔水管施工管理的难度是指悬挂模式下的轴向动力响应，以及隔水管在紧急脱离后的反冲控制两个方面。在超深水施工条件下，隔水管管柱都很长。这样就会造成井口防喷器和隔水管的底部总成的切断，隔水管柱就会带来一个非常大的反冲力。这种反冲力使得隔水管产生了向上的加速运动，这给钻井平台带来了不稳定因素，这就是所谓的隔水管的反冲。处于悬挂模式的隔水管系统会在钻井船的运

动中发生轴向的动态响应，这会造成动态压缩、动态张力放大以及轴向共振等问题。

二是水深的增加，会对隔水管的外形参数和材质等带来影响。通常为了便于运输，不会选择太长的单根隔水管。同时，隔水管的壁厚也应随着水深而加厚。这是因为水的深度加大，需要的张力也增加了。另外，还要注意管的腐蚀余量与尺寸的偏差，这些都应综合起来考虑，然后确定隔水管的各参数。由于在超深水区的水质和环境都不好，因此隔水管的材质也应比其他区域要好，钢级更高，抗疲劳特性也应更强。这种隔水管除了按照标准化制造以外，还要使用无缝焊接的方式进行焊接。

三是水深的增加，会使得隔水管结构更加复杂化。在超深水钻井隔水管的设计中必须使用填充阀以及浮力块等，以满足超深水钻井的需求。填充阀是为了避免隔水管挤毁现象的发生而设置的。使用浮力块是因为它可以大大减少隔水管的单根湿重。隔水管系统的小范围的重量补偿比例可以大于1。

3.2 海流

海流载荷对于深水钻井隔水管的施工方式有着很大的影响。在对隔水管进行设计和安装时，必须加进对海流载荷的考虑。海流流速的增加，带来了拖曳载荷的增加，增加了隔水管因强度不够带来损伤的危险，严重的还可能造成钻井事故的发生，这表现在：一是海流载荷对钻井船的偏移量产生影响。钻井船的偏移是因为海浪载荷、海流载荷以及风载荷的共同作业而产生的。钻井船偏移量的加大会带来隔水管底部球铰转角增大。降低钻井船的偏移量可

以降低隔水管底部球铰转角，也即增加了钻井施工的时间。二是海流载荷更易造成涡激振动和疲劳。海流载荷的增加使得涡激振动也相应地加大，从而产生涡激疲劳。这种常见的涡激疲劳就是井口破坏以及隔水管损伤。三是在放置隔水管时，因隔水管在悬挂状态，因此这时的海流对其的影响主要对隔水管的拖曳力。

3.3 波浪

波浪对隔水管设计的影响主要体现在以下两点。第一点是钻井平台的相应幅值算子会对钻井平台运动带来影响，从而影响隔水管顶端的动边界条件。第二点就是波浪对隔水管会带来水动力载荷。经过实验分析，波浪载荷与钻井船的升沉运动是隔水管动态响应分析的两个最大动载荷。但是对于深水钻井的隔水管，波浪对隔水管的局部才有影响，而升沉运动才是主要的动载荷。

4 结束语

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泥浆往返通道，支持辅助管线，引导钻具，作为下放与撤回井口防喷器组的载体。隔水管可靠性关系到整个钻井作业的顺利完成，甚至整个钻井平台的安全。建立了深水钻井隔水管连接模式和悬挂模式下的力学分析模型，识别了隔水管系统在不同作业模式下的限制准则；分别进行了连接作业窗口、下放与回收作业窗口、硬悬挂作业窗口和软悬挂作业窗口分析，并建立隔水管系统作业可靠性分析方法；以隔水管疲劳为研究对象，介绍隔水管波激疲劳和涡激疲劳分析方法，建立隔水管综合疲劳寿命及其可靠性分析模型；考虑失效概率和失效后果建立隔水管失效风险矩阵，形成一套深水钻井隔水管完整性管理方案，主要包括风险分析、基于风险的检测及监测和隔水管完整性管理3部分。相关研究成果为隔水管可靠性评估、海上钻完井作业和隔水管完整性管理提供参考，同时也为进一步丰富隔水管规范的组织机构提供参考。

参考文献：

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