淺析海洋隔水管

淺析海洋隔水管淺析海洋隔水管摘要海洋隔水管（waterriserpipesystem）水下器具的部件之一。它是整個海洋鉆井裝備中重要而又薄弱的環(huán)節(jié)，是海洋石油勘探開發(fā)的“瓶頸”，具有高技術(shù)、高投入、高風(fēng)險的特點，是影響海上鉆井安全的重要因素。本文從概述、事故類型及對策分析、發(fā)展趨勢及我國深水海洋隔水管的發(fā)展等幾個方面對海洋隔水管進行介紹，其中對深海隔水管的事故類型及對策分析做了重點論述。關(guān)鍵詞隔水管概述事故類型及對策發(fā)展引言隔水管是從海上鉆井平臺下到海底淺層的套管，是在鉆井作業(yè)時隔絕海水、循環(huán)泥漿的安全通道，上接導(dǎo)流器，下連防噴器，是一組重要的水下鉆井裝備。隔水管結(jié)構(gòu)貌似簡單，由于載荷與作業(yè)過程的復(fù)雜性，自身結(jié)構(gòu)的大變形非線性，分析方法的不確定性，實際響應(yīng)的抽象性等，使得隔水管成為海洋石油裝備開發(fā)的難點與重點。研究海洋隔水管特別是海洋深水隔水管對我國海洋石油開采有關(guān)鍵意義。一．概述（一）海上隔水管系統(tǒng)組成及隔水管的制造材質(zhì)1.海上隔水管系統(tǒng)組成圖1.海上隔水管系統(tǒng)組成表1.海上隔水管系統(tǒng)組成名稱2.隔水管的制造材質(zhì)a.鋼質(zhì)b.鋁合金c.鈦合金d.其它復(fù)合材料（二）海洋隔水管系統(tǒng)主要功能1.隔開海水，提供井口與鉆井船之間的液體傳輸?shù)耐ǖ溃篴．正常鉆井條件下，在隔水管環(huán)空內(nèi)。b．當(dāng)BOP組正用于井控時，通過節(jié)流和壓井管線。2.支撐節(jié)流壓井及輔助管線；3.把工具導(dǎo)向井內(nèi)；4.BOP組送入或回收管體。（三）特點1.海上隔水管特點：a.工況多變；b.操作頻繁；c.深水對鉆井隔水管的作用效率與安全有重要的影響；d.其安全性與鉆井過程及鉆井參數(shù)密切相關(guān)。2.深水隔水管的特點：a.結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜；b.隔水管設(shè)計時所考慮的主要因素不同；c.受力狀態(tài)更加惡劣和復(fù)雜，動態(tài)響應(yīng)更為明顯，動態(tài)分析時與淺水也有很大的不同；d.操作時間長，導(dǎo)致非鉆井時間變長，容易出現(xiàn)操作不當(dāng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷。（四）所受載荷或主要存在的問題1.淺海隔水管所受載荷圖2.淺海隔水管所受主要載荷圖由圖2可知，淺海隔水管所受載荷主要為頂重、自重、風(fēng)、浪、流、冰、地震等。2.深海隔水管存在的問題a.鉆井船、平臺定位：靠動力定位；b.隔水管振動：海水、管內(nèi)流體引發(fā)振動；c.隔水管穩(wěn)定性：重力、海水、管內(nèi)流體軸向失穩(wěn)；d.隔水管回彈：在隔水管底端突然斷裂時，頂部張緊力和流體都使隔水管回彈；e.共振：船吊著隔水管，隔水管下端斷開時就會隨船起降，因而有慣性，可能發(fā)生共振；f.隔水管結(jié)構(gòu)：浮力裝置、接頭。二．深水海洋隔水管事故類型及對策分析海洋隔水管的失效形式主要有隔水管災(zāi)難性破壞、隔水管爆裂、隔水管塌陷(靜水壓潰)、渦激振動導(dǎo)致井口破壞、隔水管磨損、隔水管最下部接頭處（LMRP上部）斷裂等。近年來我國向深水發(fā)展的戰(zhàn)略推進對深水隔水管的研究進程。下面重點說一下深水隔水管的事故類型及相應(yīng)對策。1.隔水管意外脫離1.1人為失誤原因分析對于隔水管意外脫落，人為失誤因素占主要部分。隨著鉆井自動化程度的提高，鉆井人員只需操作控制面板就可以執(zhí)行大部分鉆井程序，但同時導(dǎo)致操作失誤的概率不斷上升，許多的意外脫離事故都是由于操作錯誤引起的。人為因素占所有意外脫離事故的50%。預(yù)防措施（1.）設(shè)計連續(xù)的底部隔水管總成分離程序，以保證底部隔水管總成脫離是周密計劃的結(jié)果；（2.）確保操作板按鈕標(biāo)簽與其他按鈕有明顯的不同，底部隔水管總成和防噴器連接按鈕配備保護套；（3.）移除臨時用來區(qū)分按鈕的金屬標(biāo)簽，依靠模壓標(biāo)識確保井口和底部隔水管總成連接的控制環(huán)路沒有被擾亂；（4.）當(dāng)井口易于溢出時禁止執(zhí)行削弱隔水管或防噴器系統(tǒng)完整性的作業(yè)，做出操作決定之前應(yīng)執(zhí)行風(fēng)險分析程序，并詳細(xì)了解海流的變化情況。1.2動力定位失效分析隨著鉆井水深的進一步加深，傳統(tǒng)錨鏈定位鉆井設(shè)備的劣勢越來越突出。當(dāng)鉆井作業(yè)的水深超過1500m時，鉆井作業(yè)一般由動力定位（dynamicallypositioned，DP）的鉆井平臺或鉆井船實施。動力定位系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境條件和鉆井船的位置，自動將鉆井船控制在固定的位置或預(yù)先設(shè)定的軌跡內(nèi)，鉆井船圖3.鉆井隔水管意外脫離位置的控制依靠推進器來完成。動力定位系統(tǒng)發(fā)生失效時，就有可能發(fā)生定位失效，造成動力定位失效事故。最嚴(yán)重的定位失效事故是驅(qū)離或漂移。定位系統(tǒng)指引鉆機離開既定位置或推進器曲解指令時，驅(qū)離發(fā)生，導(dǎo)致鉆機遠(yuǎn)離井位。當(dāng)鉆機失去動力時，外界環(huán)境力驅(qū)使鉆機離開既定位置，此時漂移發(fā)生。這兩種情況下，隔水管必須脫離以便保證井口的完整性。正常情況下鉆井平臺或鉆井船應(yīng)保持在原位。發(fā)生緊急情況而導(dǎo)致定位失效時，應(yīng)使作業(yè)有規(guī)則地停止并將隔水管從井口脫開。但是如果發(fā)生意外脫離，就有可能導(dǎo)致以下后果：井口溢流、設(shè)備損壞或使井報廢。在最不利的情況下，這樣的事故還可能引發(fā)海底的井噴，給作業(yè)海域造成巨大的損害。1.3隔水管發(fā)生意外脫離時應(yīng)采取的措施隔水管意外脫離時容易導(dǎo)致嚴(yán)重的井控事故，此時要注意保護井口的完整性，主要措施就是及時關(guān)閉井口，防止溢出。深水井控受一系列因素影響，主要有地層壓力、井控設(shè)備、水深、節(jié)流壓井管線及關(guān)井方法等。特別是對隔水管意外脫離這種突發(fā)狀況，及時關(guān)井是最有效的井控措施。保持井口安全的系統(tǒng)主要是防噴器控制系統(tǒng)，同時還有三種備用系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速關(guān)井：①ROV干涉;②關(guān)閉系統(tǒng)或自動切斷系統(tǒng);③聲控系統(tǒng)。每一種備用系統(tǒng)都有不同的優(yōu)缺點:ROV干涉是應(yīng)用最簡單和緊急情況下保護井口最可靠的方法，自動關(guān)閉或切斷系統(tǒng)僅次于ROV干涉，正常條件下聲控系統(tǒng)能夠達(dá)到要求，但新一代的聲控系統(tǒng)還沒有可靠性方面的記錄。因此，針對不同的平臺和井口特征應(yīng)選擇最快速有效的備用系統(tǒng)。2.隔水管斷裂隔水管斷裂是嚴(yán)重的鉆井事故，除造成污染外，后期打撈散落于海底的于海底的隔水管部件還需要花費大量的人力物力。2.1原因分析事故原因為突然遭遇未預(yù)料的海浪，鉆井船偏移過大導(dǎo)致鉆井隔水管破裂。圖4.底部隔水管總成上部單根折斷3.輔助管線泄露3.1輔助管線失效分析鉆井隔水管上節(jié)流和壓井管線失效是浮式鉆井裝置停工的主要原因之一。節(jié)流壓井管線失效的影響因素主要有：外接頭密封區(qū)域的外徑尺寸及表面粗糙度、密封槽和內(nèi)接頭內(nèi)徑尺寸及表面粗糙度、節(jié)流壓井管線的校準(zhǔn)。外接頭外徑處為動密封，此區(qū)域的表面粗糙度至關(guān)重要。外端作業(yè)時表面增大的主要原因是劃痕和鑿孔，而內(nèi)端密封槽內(nèi)徑上的點蝕是壓力完整性損失的主要原因，內(nèi)端使用低合金鋼材料以及隔水管儲存時殘留于密封槽與密封圈間的海水，加劇了潛在的腐蝕問題。大多數(shù)節(jié)流壓井管線需要校準(zhǔn)，當(dāng)隔水管彎矩和壓力施加到管線上時，外端和內(nèi)端的間隙及支撐架是限制運動的重要因素。制造商的研究表明，間隙減小時外端密封劃痕減少。但是，若間隙消除或太小，隔水管彎曲載荷傳遞到支撐架和節(jié)流壓井管線將引起支撐架破裂和管線失效。3.2預(yù)防輔助管線失效的措施（1.）改進外接頭保護器能減少劃痕和鑿孔；（2.）首選內(nèi)接頭在下方的結(jié)構(gòu)配置；（3.）制定向?qū)лo助，確定合適的內(nèi)端密封內(nèi)徑表面，表面鍍層使用抗腐蝕材料；（4.）檢查標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括外端外徑和密封表面粗糙度、內(nèi)端密封表面內(nèi)徑、管線之間的校準(zhǔn)；（5.）輔助管線應(yīng)標(biāo)記，以確保檢修之后能夠重新安裝在隔水管系統(tǒng)的正確位置上。4.隔水管擠毀4.1擠毀機理對于深水和超深水鉆井而言，如果隔水管內(nèi)部壓力損失使內(nèi)外壓差變大，最下部的隔水管將無法承受過高的外部靜水壓力而導(dǎo)致隔水管被擠毀。由于小的厚度/半徑比和大的長度/直徑比，隔水管擠毀受彈性屈曲的直接影響。擠毀壓力公式為:式中Pc———最小擠毀壓力；Cm———載荷和材料不確定性因子；Cg———幾何缺陷不確定性因子；E———楊氏彈性模量；μ———泊松比；t———隔水管壁厚；r———隔水管外徑。應(yīng)用上述公式需要注意:①大的壁厚僅僅適用于壓力最高的底部單根;②隔水管張緊器的作用沒有提及，事實上軸向張緊應(yīng)力對彈性區(qū)的臨界屈曲壓力沒有影響，因此隔水管張力不是擠毀的影響因素。4.2預(yù)防措施預(yù)防隔水管擠毀的關(guān)鍵問題是井控，而不僅僅是保護隔水管。深水使用分流器可能導(dǎo)致嚴(yán)重的隔水管破壞，即使隔水管擠毀能夠避免，深水中啟動分流器無法有效地處理大范圍的鉆井液漏失，還可能使深水浮式鉆井裝置處于更危險的狀況。因此采取以下措施預(yù)防隔水管擠毀:①底部使用壁厚大的單根;②添加外部加強筋板;③增加自動流量閥防止大的壓力變化。如果深水鉆井過程中發(fā)生泄漏時防噴器是打開的，推薦的措施是立即關(guān)閉海底防噴器，這樣做的危險性比將鉆井液返回鉆井船分流小得多。使用分流器代替海底防噴器可能導(dǎo)致隔水管在45.72m或更深處擠毀，如果可能，隔水管應(yīng)該分級配備以獲得足夠的壓差。5.附屬設(shè)備失效5.1隔水管附屬設(shè)備主要包括伸縮節(jié)、撓性接頭、分流器、張緊器和隔水管接頭等部件，附屬設(shè)備易發(fā)生破壞、泄漏等類型的失效。5.2預(yù)防措施長期經(jīng)受惡劣天氣條件的管線即使沒有發(fā)現(xiàn)損壞也應(yīng)及時更換，對于密封圈內(nèi)部的缺陷，建議改進密封系統(tǒng)測試規(guī)程，確保使用前檢測出所有制造缺陷，對鉆井液較易泄漏的位置進行重點監(jiān)測。6.隔水管磨損6.1磨損原因海洋環(huán)境載荷使隔水管彎曲和偏移，當(dāng)鉆桿以一定轉(zhuǎn)速和前進速度通過隔水管時，鉆桿和隔水管內(nèi)壁發(fā)生接觸和摩擦，隔水管壁厚變薄極易破裂。6.2預(yù)防措施預(yù)防隔水管磨損事故需要詳細(xì)分析造圖5.隔水管磨損成鉆桿磨損的機理，根據(jù)磨損效率推薦最優(yōu)的隔水管單根更換頻率；采用新型工具接頭加硬層、鉆桿保護器等裝置可有效防止或減緩隔水管內(nèi)壁的磨損。三．海洋隔水管的發(fā)展趨勢目前,由于世界范圍內(nèi)的淺海油田大多數(shù)已經(jīng)進入中晚期開發(fā),油氣資源日益枯竭。為此,海上油氣資源的開發(fā)正逐步從淺海地區(qū)轉(zhuǎn)向深海地區(qū)。隨著水深從百米以內(nèi)逐漸遞增到幾千米,傳統(tǒng)的鋼制隔水管隨著長度的增加,質(zhì)量不斷增大,鉆井船已經(jīng)不能負(fù)載,而鉆井船的更新會導(dǎo)致成本增加;而且水深的增加會導(dǎo)致采用傳統(tǒng)法蘭連接式隔水管作業(yè)時間的增加,這也會增大作業(yè)成本。所以,傳統(tǒng)的隔水管已經(jīng)不能滿足深水鉆井的需要,為了滿足深水鉆井的需要,更好、更快、更安全地滿足深水鉆井的要求，未來深水鉆井隔水管必須具備以下特點：⑴采用輕質(zhì)高強度合金材料,降低隔水管質(zhì)量,減輕鉆井船負(fù)載,增加隔水管下入長度。⑵采用快速連接方式,減少下隔水管的作業(yè)時間,節(jié)約成本。⑶加長單根隔水管長度,將單根隔水管長度從現(xiàn)在的22.86m(75英尺)增加到27.43m(90英尺)。⑷安裝抑制天然氣水合物形成的裝置,抑制天然氣水合物的形成,減少鉆井中事故的發(fā)生。深水鉆井隔水管失效類型包括隔水管意外脫離、隔水管斷裂、輔助管線泄漏、隔水管擠毀、附屬設(shè)備失效和隔水管磨損等。其中，意外脫離和輔助管線失效占鉆井隔水管事故的比例較大，這會導(dǎo)致鉆井船或平臺停工時間延長，鉆井成本增加。減少此類事故的發(fā)生可顯著提高鉆井作業(yè)效率。四．我國海洋隔水管的發(fā)展我國首根海洋深水鉆井隔水管接頭浮出水面。目前，我國首根可滿足3000m水深作業(yè)的海洋深水鉆井隔水管接頭，已運抵美國休斯敦，準(zhǔn)備進行最后一項試驗———抗疲勞試驗。鉆井隔水管接頭由寶石機械公司研制，是海洋鉆井隔水管系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，具有連接隔水管串、固定輔助管線、隔離管內(nèi)外高壓鉆井液和海水等用途。其技術(shù)與產(chǎn)品一直被歐美發(fā)達(dá)國家壟斷。目前該鉆井隔水管接頭在20000KN提升設(shè)備靜載試驗裝置上，通過了H級額定載荷拉伸試驗，通過10級加載，承載能力達(dá)到15583kN，設(shè)計要求承載最大拉力為15568kN，可滿足3000m水深作業(yè)。這是目前世界最深作業(yè)水域。同時，該鉆井隔水管接頭也通過了E級載荷試驗，通過10級加載，承載能力達(dá)到8936kN，設(shè)計要求承載最大拉力為8896kN，可滿足2000m水深。E級和H級型號鉆井隔水管接頭的拉伸試驗，均按設(shè)計要求進行了兩次，各項試驗數(shù)據(jù)符合設(shè)計要求。鉆井隔水管接頭對所選材料、焊接技術(shù)、涂層、防腐、密封和疲勞強度等要求較高。該鉆井隔水管接頭前期已通過過壓力試驗和密封試驗，由于國內(nèi)目前沒有相關(guān)的抗疲勞檢測設(shè)施，最后一項試驗要到美國去做。迄今為止國內(nèi)還為未實現(xiàn)隔水管的生產(chǎn)，因此開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋鉆井隔水管生產(chǎn)技術(shù)，不僅有著廣闊的市場前景，對我國的南海開發(fā)也具有重要的戰(zhàn)略意義。五．結(jié)論海洋隔水管是整個海洋鉆井裝備中重要而又薄弱的環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)貌似簡單，由于載荷與作業(yè)過程的復(fù)雜性，分析方法的不確定性，實際響應(yīng)的抽象性等，使得隔水管成為海洋石油裝備開發(fā)的難點與重點。本文通過對海洋隔水管的系統(tǒng)組成、主要功能、事故類型及相應(yīng)措施、海洋隔水管的發(fā)展等幾方面的簡要分析，從文中可以看出，我國對海洋隔水管的研究已經(jīng)有很大進展，但仍不能自主生產(chǎn)深水隔水管，我國南海蘊藏著豐富的石油資源，因此開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋鉆井隔水管生產(chǎn)技術(shù)，有著廣闊的市場前景，特別是海洋深水隔水管對我國海洋石油開采有關(guān)鍵意義?！緟⒖嘉墨I】［1］彭朋，陳國明.深水鉆井隔水管磨損評估及保護措施分析［C］//吳有生.2008年度海洋工程學(xué)術(shù)會議論文集，2008:427－432.［2］暢元江，陳國明，許亮斌，等.超深水鉆井隔水管設(shè)計影響因素［J］.石油勘探與開發(fā)，2009，36(4):523－528.［3］弓大為.海洋隔水管故障分析，2003,32（5）：4~7.［4］廖謨圣,楊本靈.世界石油設(shè)備發(fā)展的新特點及機遇與挑戰(zhàn)[J].石油礦場機械,2007,36