深海钻井隔水管的研究与开发

1、深海钻井隔水管的研究与开发深海钻井隔水管的研究与开发白 勇www.opr-baiopr-中国中国北京北京 2011年年7月月深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发主主 要要 内内 容容 深海钻井隔水管的结构组成深海钻井隔水管的结构组成 深海钻井隔水管的研究背景深海钻井隔水管的研究背景 国外典型的深海钻井隔水管国外典型的深海钻井隔水管 深海钻井隔水管的性能要求深海钻井隔水管的性能要求 深海钻井隔水管设计与生产深海钻井隔水管设计与生产深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发1、深海钻井隔水管的研究背景深海钻井隔水管的研究背景国际

2、上众多石油公司已将开发重点转移到深水区域。如墨西哥湾、国际上众多石油公司已将开发重点转移到深水区域。如墨西哥湾、巴西、西非与北海周边地区等，我国南海也有丰富的油气资源。巴西、西非与北海周边地区等，我国南海也有丰富的油气资源。深海油气田开采环境十分恶劣，开采难度大、风险高，海水腐蚀、深海油气田开采环境十分恶劣，开采难度大、风险高，海水腐蚀、浪涌、洋流环境、海洋涡激振动和深水压力等对深海钻井装备提出浪涌、洋流环境、海洋涡激振动和深水压力等对深海钻井装备提出了严格的要求。深海钻井隔水管系统就是最关键的组成部分。了严格的要求。深海钻井隔水管系统就是最关键的组成部分。深海钻井隔水管技术仅掌握在美国、挪威

3、、日本等国，如深海钻井隔水管技术仅掌握在美国、挪威、日本等国，如INTEC、Saipem、JP Kenny、Technip、MCS、2Hoffshore公司。公司。我国的研究开发起步较晚，深海钻井隔水管技术基本处于空白。开我国的研究开发起步较晚，深海钻井隔水管技术基本处于空白。开发深海钻井隔水管，不仅在世界范围内有着广阔的市场前景，对我发深海钻井隔水管，不仅在世界范围内有着广阔的市场前景，对我国东海和南海的油气田开发具有重要战略意义，已经成为亮点。国东海和南海的油气田开发具有重要战略意义，已经成为亮点。深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发2、深海钻井隔水管

4、的结构组成深海钻井隔水管的结构组成 卡盘卡盘/万向节万向节 分流器分流器 上部挠性接头上部挠性接头 伸缩节伸缩节 隔水管短节隔水管短节 填充阀填充阀 隔水管母管隔水管母管 节流与压井管线节流与压井管线 液压管线液压管线 钻井液增压管线钻井液增压管线 浮力块浮力块 终端接头终端接头 下部挠性接头下部挠性接头 底部隔水管总成底部隔水管总成LMRP 井口防喷器井口防喷器BOP 隔水管接头隔水管接头深海钻井隔水管主要结构深海钻井隔水管主要结构: :深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发2、深海钻井隔水管的结构组成深海钻井隔水管的结构组成深海钻井隔水管主要作用深海钻井

5、隔水管主要作用: :隔离油井与外界海水；隔离油井与外界海水；钻井工作液的循环；钻井工作液的循环；安装水下防喷安装水下防喷BOP系统；系统；支撑各种控制管线；支撑各种控制管线；钻杆、钻井工作从钻台到海钻杆、钻井工作从钻台到海底进口装置的导向；底进口装置的导向；节流和压井管线节流和压井管线泥浆补充管线泥浆补充管线液压传输管线液压传输管线深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发3、国外典型的深海钻井隔水管国外典型的深海钻井隔水管HMF型法兰式隔水管型法兰式隔水管 Cameron公司公司LoadKing隔水管系统隔水管系统 符合符合API 16R标准中的标准中的D、E

6、、G和和H级别要求级别要求 ；接头衬套采用不同直径的台阶式的结接头衬套采用不同直径的台阶式的结构，简化连接，能快速、准确装卸；构，简化连接，能快速、准确装卸； 能承受大工作载荷，使用于深海钻井能承受大工作载荷，使用于深海钻井条件条件；法兰椭圆形的圆弧过渡，既保证了强法兰椭圆形的圆弧过渡，既保证了强度也减轻了质量度也减轻了质量法兰式连接，隔水管连接强度大适法兰式连接，隔水管连接强度大适用于用于3048m或以上的深海钻井或以上的深海钻井 ；接头的上、下法兰结构相同，可互接头的上、下法兰结构相同，可互换简化了安装换简化了安装；接头的法兰间采用内衬套，既起到接头的法兰间采用内衬套，既起到密封的作用也延

7、长法兰使用寿命密封的作用也延长法兰使用寿命；深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发3、国外典型的深海钻井隔水管国外典型的深海钻井隔水管CLIP卡箍连接式钻井隔水管卡箍连接式钻井隔水管 Aker Kvaerner公司设计公司设计；接头上、下两层拨盘式的法兰等接头上、下两层拨盘式的法兰等分凸凹扣压入后旋转定位安装，分凸凹扣压入后旋转定位安装，可快速装卸可快速装卸 ； 内螺纹部件对接焊在主管上端并内螺纹部件对接焊在主管上端并设圆凸缘可承受载荷；外螺纹部设圆凸缘可承受载荷；外螺纹部件对接焊在主管下端有密封缘件对接焊在主管下端有密封缘 ；设计满足设计满足API 16R

8、的要求。的要求。MR-6H SE和和MR-6E钻井隔水管钻井隔水管 GE-Vetco Gray公司设计和开发的；公司设计和开发的；MR-6H SE曾获得曾获得2007年美国年美国OTC奖；奖；卡扣式的固定连接方式，能实现快速卡扣式的固定连接方式，能实现快速和便捷的连接，结构简单且质量轻；和便捷的连接，结构简单且质量轻；能适用于深海环境下的钻井作业。能适用于深海环境下的钻井作业。深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发4、深海钻井隔水管的性能要求深海钻井隔水管的性能要求隔水管事故的严重影响隔水管事故的严重影响: : 钻井船、海底装备和油井将受到破坏，造成巨大的经

9、济损失；钻井船、海底装备和油井将受到破坏，造成巨大的经济损失； 钻井液的泄漏以及石油的泄露，造成环境的严重污染。钻井液的泄漏以及石油的泄露，造成环境的严重污染。隔水管性能要求的标准隔水管性能要求的标准: :API Spec 5L 管线管规范管线管规范DNV-OS-F101 海底管线系统海底管线系统DNV-OS-F201 动态立管动态立管API Spec 16F 海洋钻井隔水管设备规范海洋钻井隔水管设备规范API RP 16Q 海洋钻井隔水管系统设计、选择、操作和维护的推荐做法海洋钻井隔水管系统设计、选择、操作和维护的推荐做法ISO 13628-7/API RP 17G 石油和天然气工业水下才有

10、系统的设计与操作石油和天然气工业水下才有系统的设计与操作.第第7部分部分 完井修井隔水管系统完井修井隔水管系统7. SY/T 10037 海底管道系统规范海底管道系统规范 是深海钻井隔水管设计的基础是深海钻井隔水管设计的基础也是其余几个设计标准的基础也是其余几个设计标准的基础深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发4、深海钻井隔水管的性能要求深海钻井隔水管的性能要求隔水管集合尺寸及性能的具体要求隔水管集合尺寸及性能的具体要求: :根据根据API 5L和和DNV-OS-F101：深海钻井隔水管的主要材料是深海钻井隔水管的主要材料是API 5L X80管线钢，需满

11、足：管线钢，需满足： 最小屈服强度最小屈服强度 555MPa 最大屈服强度最大屈服强度 705MPa 最小抗拉强度最小抗拉强度 625MPa 最大抗拉强度最大抗拉强度 825MPa 屈强比最大值屈强比最大值 0.93 延伸率最小值延伸率最小值 21% CTOD最小值最小值 0 oC时时0.20mm进行进行ECA工程临界分析、疲劳寿工程临界分析、疲劳寿命预测、静水压爆破试验等验证命预测、静水压爆破试验等验证其可靠性。其可靠性。深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发5、深海钻井隔水管设计与生产深海钻井隔水管设计与生产隔水管（准）静态性能分析隔水管（准）静态性能分

12、析: :载荷分析载荷分析应力分析应力分析极限载荷制定极限载荷制定隔水管的结构设计隔水管的结构设计隔水管的非线性动力学分析隔水管的非线性动力学分析: :时域和频域分析时域和频域分析确定性和非确定性确定性和非确定性（规则波和不规则波）（规则波和不规则波）线性和非线性波浪理论线性和非线性波浪理论LMRP和和BOP脱离后的脱离后的悬挂模式影响轴向动态悬挂模式影响轴向动态波致疲劳性能的分析波致疲劳性能的分析深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发5、深海钻井隔水管设计与生产深海钻井隔水管设计与生产影响隔水管设计的主要因素影响隔水管设计的主要因素: : 环境因素环境因素和

13、和作业因素作业因素两大类两大类环境因素：环境因素：水深、波浪、海流等；水深、波浪、海流等；水深对深海隔水管系统的影响：水深对深海隔水管系统的影响：深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发5、深海钻井隔水管设计与生产深海钻井隔水管设计与生产波浪对深海钻井隔水管系统的影响波浪对深海钻井隔水管系统的影响: 影响隔水管设计的机理是对深海钻井隔水管产生水动力载荷以及通过平台的响应影响隔水管设计的机理是对深海钻井隔水管产生水动力载荷以及通过平台的响应幅值算子影响钻井平台运动进而形成隔水管顶端的动边界条件。钻井船运动和波浪幅值算子影响钻井平台运动进而形成隔水管顶端的动边界条

14、件。钻井船运动和波浪载荷是隔水管动态响应分析主要的动载荷，对于深水隔水管来说，由于波浪载荷导载荷是隔水管动态响应分析主要的动载荷，对于深水隔水管来说，由于波浪载荷导致钻井船运动对隔水管的位移有较大影响，且会造成隔水管的疲劳损伤，因为起到致钻井船运动对隔水管的位移有较大影响，且会造成隔水管的疲劳损伤，因为起到显著的影响。显著的影响。深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发5、深海钻井隔水管设计与生产深海钻井隔水管设计与生产海流对深海钻井隔水管系统的影响海流对深海钻井隔水管系统的影响:四种典型流剖面下隔水管涡激疲劳损伤四种典型流剖面下隔水管涡激疲劳损伤目前全球典型

15、的深水流剖面目前全球典型的深水流剖面深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发5、深海钻井隔水管设计与生产深海钻井隔水管设计与生产海流对深海钻井隔水管系统的影响海流对深海钻井隔水管系统的影响:海流对钻井船运动的影响海流对钻井船运动的影响挠性接头影响挠性接头影响涡激振动示意图涡激振动示意图深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发5、深海钻井隔水管设计与生产深海钻井隔水管设计与生产影响隔水管设计的主要因素影响隔水管设计的主要因素: : 环境因素环境因素和和作业因素作业因素两大类两大类作业因素：作业因素：钻井液密度、脱离后隔水管系统的

16、悬挂模式、浮力块的分布钻井液密度、脱离后隔水管系统的悬挂模式、浮力块的分布 涡激抑制设备、节流与压井管线的工作压力等。涡激抑制设备、节流与压井管线的工作压力等。 钻井液通过影响顶部张紧力影响整个钻井隔水管包括主管与辅助管线的有效钻井液通过影响顶部张紧力影响整个钻井隔水管包括主管与辅助管线的有效张力，因此深海钻井隔水管的强度必须依据最大钻井液密度（根据油层工程研究张力，因此深海钻井隔水管的强度必须依据最大钻井液密度（根据油层工程研究确定）进行设计。确定）进行设计。 钻井液密度还通过影响顶部张紧力进而影响隔水管底部挠性接头的转角，在钻井液密度还通过影响顶部张紧力进而影响隔水管底部挠性接头的转角，在

17、低密度钻井液时通过调整顶部张紧力可使底部挠性接头转角顺利进入正常钻井的低密度钻井液时通过调整顶部张紧力可使底部挠性接头转角顺利进入正常钻井的转角范围，而在高密度钻井液时使用较大的顶部张紧力也较难实现。转角范围，而在高密度钻井液时使用较大的顶部张紧力也较难实现。钻井液密度对深海钻井隔水管的影响钻井液密度对深海钻井隔水管的影响:深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发5、深海钻井隔水管设计与生产深海钻井隔水管设计与生产硬硬 悬悬 挂挂软软 悬悬 挂挂脱离后的悬挂方式对深海钻井隔水管的影响脱离后的悬挂方式对深海钻井隔水管的影响: 当环境载荷超过隔水管作业极限时需要将

18、钻井隔水管系统下部的当环境载荷超过隔水管作业极限时需要将钻井隔水管系统下部的LMRP与与BOP断开，使隔水管处于悬挂状态。特别是风暴成长速度太快时，来不及将钻井隔水管断开，使隔水管处于悬挂状态。特别是风暴成长速度太快时，来不及将钻井隔水管收回，只能将钻井隔水管收回，只能将钻井隔水管LMRP与与BOP脱离以保护井口。脱离以保护井口。 设计深海钻井隔水管系统时应根据海洋环境参数、系统初步配置、张力极限、设计深海钻井隔水管系统时应根据海洋环境参数、系统初步配置、张力极限、浮力块布置等进行悬挂模式的选择与分析。浮力块布置等进行悬挂模式的选择与分析。 硬悬挂：硬悬挂：通通常折叠并锁定常折叠并锁定伸缩节，

19、将钻伸缩节，将钻井隔水管悬挂井隔水管悬挂于分流器外壳于分流器外壳并解开张力器，并解开张力器，此时钻井船运此时钻井船运动直接作用其动直接作用其上可能产生严上可能产生严重载荷导致隔重载荷导致隔水管压缩。水管压缩。 软悬挂：软悬挂：张力器和伸缩张力器和伸缩节仍起作用，由张力器来节仍起作用，由张力器来支持从伸缩节的外筒至支持从伸缩节的外筒至LMRP的隔水管重量以及的隔水管重量以及可能的可能的BOP重量，其优点重量，其优点是伸缩节和张力器能吸收是伸缩节和张力器能吸收钻井船的垂直运动从而大钻井船的垂直运动从而大大减小作用于钻井隔水管大减小作用于钻井隔水管系统的动载荷，能够减小系统的动载荷，能够减小风暴条件

20、下隔水管失效的风暴条件下隔水管失效的风险。风险。 深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发5、深海钻井隔水管设计与生产深海钻井隔水管设计与生产脱离后的悬挂方式对深海钻井隔水管的影响脱离后的悬挂方式对深海钻井隔水管的影响:浮力块隔水管单根浮力块隔水管单根 由于受张力器的附近隔水管和接头强度的限制，隔水管由于受张力器的附近隔水管和接头强度的限制，隔水管可以承受的顶张力很有限，加上横向海洋环境载荷特别是自可以承受的顶张力很有限，加上横向海洋环境载荷特别是自身重量的作用，因而需要足够大的顶张力才能维持自身的稳身重量的作用，因而需要足够大的顶张力才能维持自身的稳定性，深

21、海钻井隔水管系统必须配置浮力块以提供分布式的定性，深海钻井隔水管系统必须配置浮力块以提供分布式的浮力才能改善隔水管的局部力学性能、减小柔性接头转角、浮力才能改善隔水管的局部力学性能、减小柔性接头转角、拓宽深水钻井作业窗口、降低对张力器的要求，进而降低对拓宽深水钻井作业窗口、降低对张力器的要求，进而降低对钻井装置性能的要求。钻井装置性能的要求。浮力块的选择主要需要考虑隔水管曲浮力块的选择主要需要考虑隔水管曲率、可能的率、可能的VIV抑制措施、钻井隔水管悬挂模式等因素。抑制措施、钻井隔水管悬挂模式等因素。浮力块的配置形式主要有两种方案：浮力块的配置形式主要有两种方案：（1）所有的隔水管单根均配置浮

22、力块；）所有的隔水管单根均配置浮力块；（2）隔水管系统的下部不配置浮力块。）隔水管系统的下部不配置浮力块。深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发5、深海钻井隔水管设计与生产深海钻井隔水管设计与生产涡激抑制设备对深海钻井隔水管的影响涡激抑制设备对深海钻井隔水管的影响: 当海流流速比较高时，为避免隔水管出现比较大的涡激振动响应同时造成严重的疲劳损伤，当海流流速比较高时，为避免隔水管出现比较大的涡激振动响应同时造成严重的疲劳损伤，深海钻井隔水管往往需在海流流速较高的海平面下方安装涡激抑制设备。深海钻井隔水管往往需在海流流速较高的海平面下方安装涡激抑制设备。 研究结

23、果表明：研究结果表明：采用涡激抑制设备可以使隔水管涡激疲劳减采用涡激抑制设备可以使隔水管涡激疲劳减80%以上，但是无论采用何种以上，但是无论采用何种涡激抑制设备都将会引起隔水管作业更困难，显著降低隔水管下放与回收速度。涡激抑制设备都将会引起隔水管作业更困难，显著降低隔水管下放与回收速度。 螺旋轮铁式涡激抑制设备螺旋轮铁式涡激抑制设备减震器式涡激抑制设备减震器式涡激抑制设备深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发5、深海钻井隔水管设计与生产深海钻井隔水管设计与生产深海钻井隔水管生产的主要方法有两种：深海钻井隔水管生产的主要方法有两种： 无缝钢管无缝钢管 和和 直

24、缝埋弧焊钢管直缝埋弧焊钢管无缝钢管无缝钢管：加工范围为管径加工范围为管径100-700mm、壁厚、壁厚4-150mm； 具有良好的力学性能，可很好地满足使用要求；具有良好的力学性能，可很好地满足使用要求； 加工成本高、设备投入成本高、加工范围受到限制。加工成本高、设备投入成本高、加工范围受到限制。直缝埋弧焊钢管：直缝埋弧焊钢管：获得满足要求的性能的同时具有较低的成本和较高的效率；获得满足要求的性能的同时具有较低的成本和较高的效率； 主要有主要有UOE成形和成形和JCOE成形两种类型的直缝埋弧焊钢管。成形两种类型的直缝埋弧焊钢管。深海钻井隔水管生产的主要方法有两种：深海钻井隔水管生产的主要方法有两种： 无缝钢管无缝钢管 和和 直缝埋弧焊钢管直缝埋弧焊钢管深深 海海 钻钻 井井 隔隔 水水 管管 的的 研研 究究 与开与开 发发5、深海钻井隔