浅析海洋隔水管

浅析海洋隔水管浅析海洋隔水管摘要海洋隔水管（waterriserpipesystem）水下器具的部件之一。它是整个海洋钻井装备中重要而又薄弱的环节，是海洋石油勘探开发的“瓶颈”，具有高技术、高投入、高风险的特点，是影响海上钻井安全的重要因素。本文从概述、事故类型及对策分析、发展趋势及我国深水海洋隔水管的发展等几个方面对海洋隔水管进行介绍，其中对深海隔水管的事故类型及对策分析做了重点论述。关键词隔水管概述事故类型及对策发展引言隔水管是从海上钻井平台下到海底浅层的套管，是在钻井作业时隔绝海水、循环泥浆的安全通道，上接导流器，下连防喷器，是一组重要的水下钻井装备。隔水管结构貌似简单，由于载荷与作业过程的复杂性，自身结构的大变形非线性，分析方法的不确定性，实际响应的抽象性等，使得隔水管成为海洋石油装备开发的难点与重点。研究海洋隔水管特别是海洋深水隔水管对我国海洋石油开采有关键意义。一．概述（一）海上隔水管系统组成及隔水管的制造材质1.海上隔水管系统组成图1.海上隔水管系统组成表1.海上隔水管系统组成名称2.隔水管的制造材质a.钢质b.铝合金c.钛合金d.其它复合材料（二）海洋隔水管系统主要功能1.隔开海水，提供井口与钻井船之间的液体传输的通道：a．正常钻井条件下，在隔水管环空内。b．当BOP组正用于井控时，通过节流和压井管线。2.支撑节流压井及辅助管线；3.把工具导向井内；4.BOP组送入或回收管体。（三）特点1.海上隔水管特点：a.工况多变；b.操作频繁；c.深水对钻井隔水管的作用效率与安全有重要的影响；d.其安全性与钻井过程及钻井参数密切相关。2.深水隔水管的特点：a.结构更为复杂；b.隔水管设计时所考虑的主要因素不同；c.受力状态更加恶劣和复杂，动态响应更为明显，动态分析时与浅水也有很大的不同；d.操作时间长，导致非钻井时间变长，容易出现操作不当导致结构损伤。（四）所受载荷或主要存在的问题1.浅海隔水管所受载荷图2.浅海隔水管所受主要载荷图由图2可知，浅海隔水管所受载荷主要为顶重、自重、风、浪、流、冰、地震等。2.深海隔水管存在的问题a.钻井船、平台定位：靠动力定位；b.隔水管振动：海水、管内流体引发振动；c.隔水管稳定性：重力、海水、管内流体轴向失稳；d.隔水管回弹：在隔水管底端突然断裂时，顶部张紧力和流体都使隔水管回弹；e.共振：船吊着隔水管，隔水管下端断开时就会随船起降，因而有惯性，可能发生共振；f.隔水管结构：浮力装置、接头。二．深水海洋隔水管事故类型及对策分析海洋隔水管的失效形式主要有隔水管灾难性破坏、隔水管爆裂、隔水管塌陷(静水压溃)、涡激振动导致井口破坏、隔水管磨损、隔水管最下部接头处（LMRP上部）断裂等。近年来我国向深水发展的战略推进对深水隔水管的研究进程。下面重点说一下深水隔水管的事故类型及相应对策。1.隔水管意外脱离1.1人为失误原因分析对于隔水管意外脱落，人为失误因素占主要部分。随着钻井自动化程度的提高，钻井人员只需操作控制面板就可以执行大部分钻井程序，但同时导致操作失误的概率不断上升，许多的意外脱离事故都是由于操作错误引起的。人为因素占所有意外脱离事故的50%。预防措施（1.）设计连续的底部隔水管总成分离程序，以保证底部隔水管总成脱离是周密计划的结果；（2.）确保操作板按钮标签与其他按钮有明显的不同，底部隔水管总成和防喷器连接按钮配备保护套；（3.）移除临时用来区分按钮的金属标签，依靠模压标识确保井口和底部隔水管总成连接的控制环路没有被扰乱；（4.）当井口易于溢出时禁止执行削弱隔水管或防喷器系统完整性的作业，做出操作决定之前应执行风险分析程序，并详细了解海流的变化情况。1.2动力定位失效分析随着钻井水深的进一步加深，传统锚链定位钻井设备的劣势越来越突出。当钻井作业的水深超过1500m时，钻井作业一般由动力定位（dynamicallypositioned，DP）的钻井平台或钻井船实施。动力定位系统根据环境条件和钻井船的位置，自动将钻井船控制在固定的位置或预先设定的轨迹内，钻井船图3.钻井隔水管意外脱离位置的控制依靠推进器来完成。动力定位系统发生失效时，就有可能发生定位失效，造成动力定位失效事故。最严重的定位失效事故是驱离或漂移。定位系统指引钻机离开既定位置或推进器曲解指令时，驱离发生，导致钻机远离井位。当钻机失去动力时，外界环境力驱使钻机离开既定位置，此时漂移发生。这两种情况下，隔水管必须脱离以便保证井口的完整性。正常情况下钻井平台或钻井船应保持在原位。发生紧急情况而导致定位失效时，应使作业有规则地停止并将隔水管从井口脱开。但是如果发生意外脱离，就有可能导致以下后果：井口溢流、设备损坏或使井报废。在最不利的情况下，这样的事故还可能引发海底的井喷，给作业海域造成巨大的损害。1.3隔水管发生意外脱离时应采取的措施隔水管意外脱离时容易导致严重的井控事故，此时要注意保护井口的完整性，主要措施就是及时关闭井口，防止溢出。深水井控受一系列因素影响，主要有地层压力、井控设备、水深、节流压井管线及关井方法等。特别是对隔水管意外脱离这种突发状况，及时关井是最有效的井控措施。保持井口安全的系统主要是防喷器控制系统，同时还有三种备用系统能够实现快速关井：①ROV干涉;②关闭系统或自动切断系统;③声控系统。每一种备用系统都有不同的优缺点:ROV干涉是应用最简单和紧急情况下保护井口最可靠的方法，自动关闭或切断系统仅次于ROV干涉，正常条件下声控系统能够达到要求，但新一代的声控系统还没有可靠性方面的记录。因此，针对不同的平台和井口特征应选择最快速有效的备用系统。2.隔水管断裂隔水管断裂是严重的钻井事故，除造成污染外，后期打捞散落于海底的于海底的隔水管部件还需要花费大量的人力物力。2.1原因分析事故原因为突然遭遇未预料的海浪，钻井船偏移过大导致钻井隔水管破裂。图4.底部隔水管总成上部单根折断3.辅助管线泄露3.1辅助管线失效分析钻井隔水管上节流和压井管线失效是浮式钻井装置停工的主要原因之一。节流压井管线失效的影响因素主要有：外接头密封区域的外径尺寸及表面粗糙度、密封槽和内接头内径尺寸及表面粗糙度、节流压井管线的校准。外接头外径处为动密封，此区域的表面粗糙度至关重要。外端作业时表面增大的主要原因是划痕和凿孔，而内端密封槽内径上的点蚀是压力完整性损失的主要原因，内端使用低合金钢材料以及隔水管储存时残留于密封槽与密封圈间的海水，加剧了潜在的腐蚀问题。大多数节流压井管线需要校准，当隔水管弯矩和压力施加到管线上时，外端和内端的间隙及支撑架是限制运动的重要因素。制造商的研究表明，间隙减小时外端密封划痕减少。但是，若间隙消除或太小，隔水管弯曲载荷传递到支撑架和节流压井管线将引起支撑架破裂和管线失效。3.2预防辅助管线失效的措施（1.）改进外接头保护器能减少划痕和凿孔；（2.）首选内接头在下方的结构配置；（3.）制定向导辅助，确定合适的内端密封内径表面，表面镀层使用抗腐蚀材料；（4.）检查标准应包括外端外径和密封表面粗糙度、内端密封表面内径、管线之间的校准；（5.）辅助管线应标记，以确保检修之后能够重新安装在隔水管系统的正确位置上。4.隔水管挤毁4.1挤毁机理对于深水和超深水钻井而言，如果隔水管内部压力损失使内外压差变大，最下部的隔水管将无法承受过高的外部静水压力而导致隔水管被挤毁。由于小的厚度/半径比和大的长度/直径比，隔水管挤毁受弹性屈曲的直接影响。挤毁压力公式为:式中Pc———最小挤毁压力；Cm———载荷和材料不确定性因子；Cg———几何缺陷不确定性因子；E———杨氏弹性模量；μ———泊松比；t———隔水管壁厚；r———隔水管外径。应用上述公式需要注意:①大的壁厚仅仅适用于压力最高的底部单根;②隔水管张紧器的作用没有提及，事实上轴向张紧应力对弹性区的临界屈曲压力没有影响，因此隔水管张力不是挤毁的影响因素。4.2预防措施预防隔水管挤毁的关键问题是井控，而不仅仅是保护隔水管。深水使用分流器可能导致严重的隔水管破坏，即使隔水管挤毁能够避免，深水中启动分流器无法有效地处理大范围的钻井液漏失，还可能使深水浮式钻井装置处于更危险的状况。因此采取以下措施预防隔水管挤毁:①底部使用壁厚大的单根;②添加外部加强筋板;③增加自动流量阀防止大的压力变化。如果深水钻井过程中发生泄漏时防喷器是打开的，推荐的措施是立即关闭海底防喷器，这样做的危险性比将钻井液返回钻井船分流小得多。使用分流器代替海底防喷器可能导致隔水管在45.72m或更深处挤毁，如果可能，隔水管应该分级配备以获得足够的压差。5.附属设备失效5.1隔水管附属设备主要包括伸缩节、挠性接头、分流器、张紧器和隔水管接头等部件，附属设备易发生破坏、泄漏等类型的失效。5.2预防措施长期经受恶劣天气条件的管线即使没有发现损坏也应及时更换，对于密封圈内部的缺陷，建议改进密封系统测试规程，确保使用前检测出所有制造缺陷，对钻井液较易泄漏的位置进行重点监测。6.隔水管磨损6.1磨损原因海洋环境载荷使隔水管弯曲和偏移，当钻杆以一定转速和前进速度通过隔水管时，钻杆和隔水管内壁发生接触和摩擦，隔水管壁厚变薄极易破裂。6.2预防措施预防隔水管磨损事故需要详细分析造图5.隔水管磨损成钻杆磨损的机理，根据磨损效率推荐最优的隔水管单根更换频率；采用新型工具接头加硬层、钻杆保护器等装置可有效防止或减缓隔水管内壁的磨损。三．海洋隔水管的发展趋势目前,由于世界范围内的浅海油田大多数已经进入中晚期开发,油气资源日益枯竭。为此,海上油气资源的开发正逐步从浅海地区转向深海地区。随着水深从百米以内逐渐递增到几千米,传统的钢制隔水管随着长度的增加,质量不断增大,钻井船已经不能负载,而钻井船的更新会导致成本增加;而且水深的增加会导致采用传统法兰连接式隔水管作业时间的增加,这也会增大作业成本。所以,传统的隔水管已经不能满足深水钻井的需要,为了满足深水钻井的需要,更好、更快、更安全地满足深水钻井的要求，未来深水钻井隔水管必须具备以下特点：⑴采用轻质高强度合金材料,降低隔水管质量,减轻钻井船负载,增加隔水管下入长度。⑵采用快速连接方式,减少下隔水管的作业时间,节约成本。⑶加长单根隔水管长度,将单根隔水管长度从现在的22.86m(75英尺)增加到27.43m(90英尺)。⑷安装抑制天然气水合物形成的装置,抑制天然气水合物的形成,减少钻井中事故的发生。深水钻井隔水管失效类型包括隔水管意外脱离、隔水管断裂、辅助管线泄漏、隔水管挤毁、附属设备失效和隔水管磨损等。其中，意外脱离和辅助管线失效占钻井隔水管事故的比例较大，这会导致钻井船或平台停工时间延长，钻井成本增加。减少此类事故的发生可显著提高钻井作业效率。四．我国海洋隔水管的发展我国首根海洋深水钻井隔水管接头浮出水面。目前，我国首根可满足3000m水深作业的海洋深水钻井隔水管接头，已运抵美国休斯敦，准备进行最后一项试验———抗疲劳试验。钻井隔水管接头由宝石机械公司研制，是海洋钻井隔水管系统的关键部件之一，具有连接隔水管串、固定辅助管线、隔离管内外高压钻井液和海水等用途。其技术与产品一直被欧美发达国家垄断。目前该钻井隔水管接头在20000KN提升设备静载试验装置上，通过了H级额定载荷拉伸试验，通过10级加载，承载能力达到15583kN，设计要求承载最大拉力为15568kN，可满足3000m水深作业。这是目前世界最深作业水域。同时，该钻井隔水管接头也通过了E级载荷试验，通过10级加载，承载能力达到8936kN，设计要求承载最大拉力为8896kN，可满足2000m水深。E级和H级型号钻井隔水管接头的拉伸试验，均按设计要求进行了两次，各项试验数据符合设计要求。钻井隔水管接头对所选材料、焊接技术、涂层、防腐、密封和疲劳强度等要求较高。该钻井隔水管接头前期已通过过压力试验和密封试验，由于国内目前没有相关的抗疲劳检测设施，最后一项试验要到美国去做。迄今为止国内还为未实现隔水管的生产，因此开发自主知识产权的海洋钻井隔水管生产技术，不仅有着广阔的市场前景，对我国的南海开发也具有重要的战略意义。五．结论海洋隔水管是整个海洋钻井装备中重要而又薄弱的环节，其结构貌似简单，由于载荷与作业过程的复杂性，分析方法的不确定性，实际响应的抽象性等，使得隔水管成为海洋石油装备开发的难点与重点。本文通过对海洋隔水管的系统组成、主要功能、事故类型及相应措施、海洋隔水管的发展等几方面的简要分析，从文中可以看出，我国对海洋隔水管的研究已经有很大进展，但仍不能自主生产深水隔水管，我国南海蕴藏着丰富的石油资源，因此开发自主知识产权的海洋钻井隔水管生产技术，有着广阔的市场前景，特别是海洋深水隔水管对我国海洋石油开采有关键意义。【参考文献】［1］彭朋，陈国明.深水钻井隔水管磨损评估及保护措施分析［C］//吴有生.2008年度海洋工程学术会议论文集，2008:427－432.［2］畅元江，陈国明，许亮斌，等.超深水钻井隔水管设计影响因素［J］.石油勘探与开发，2009，36(4):523－528.［3］弓大为.海洋隔水管故障分析，2003,32（5）：4~7.［4］廖谟圣,杨本灵.世界石油设备发展的新特点及机遇与挑战[J].石油矿场机械,2007,36