超深水鉆井作業(yè)隔水管頂張力確定方法

鞠少棟,暢元江,陳國(guó)明,許亮斌,殷志明

(1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東 東營(yíng) 257061;2.中海油研究中心,北京 100027)

超深水鉆井作業(yè)隔水管頂張力確定方法

鞠少棟1,暢元江1,陳國(guó)明1,許亮斌2,殷志明2

(1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東 東營(yíng) 257061;2.中海油研究中心,北京 100027)

對(duì)于深水和超深水鉆井作業(yè),確定鉆井隔水管系統(tǒng)頂張力是鉆前設(shè)計(jì)非常重要的工作。研究三種隔水管系統(tǒng)頂張力確定方法,分別是理論方法、基于隔水管系統(tǒng)底部殘余張力方法和基于下放隔水管系統(tǒng)的最大鉤載方法。算例計(jì)算與超深水鉆井實(shí)踐對(duì)比表明,在相同的隔水管系統(tǒng)配置下,三種方法計(jì)算結(jié)果都接近于實(shí)際鉆井作業(yè)時(shí)的頂張力設(shè)定值。但研究認(rèn)為,基于下放最大鉤載的頂張力計(jì)算方法簡(jiǎn)單實(shí)用,推薦作為優(yōu)選方法。

超深水;鉆井隔水管;頂張力;確定方法

Abstract:In deepwater and ultradeepwater drillingoperation,the determination of top tensionof drilling riser system for pre-spud design is the main consideration.Three determination methods of top tension of drilling riser system are proposed,which are theoriticalmethod,method based on the residual tension at bottom of the drilling riser system,andmethod based on themaximal hook load during the running procedure of the drilling riser system respectively.An example is presented and its results by differentmethods are compared with the ultradeepwater drilling practice,which illustrates that all the values by differentmethods fitwellwith the pre-defined value of the top tension in the actual drilling operation in case of the identical drilling riser configuration.The research indicates that themethod based on themaximal hook load during the running procedureof the drilling riser system is simple and applicable,which is recommended as the preferredmethod for determination of the top tension.

Key words:ultradeepwater;drilling riser;top tension;determinationmethods

(超)深水鉆井隔水管是連接海底井口與鉆井船的重要部件,其主要功能是提供井口防噴器與鉆井船之間鉆井液往返的通道,支撐輔助管線,引導(dǎo)鉆具,作為下放與撤回井口防噴器組的載體等[1-2]。隔水管張力器用于向鉆井隔水管頂部施加垂直力,從而控制其應(yīng)力和位移,在深水鉆井船因風(fēng)、海浪和海流的影響而垂向、橫向移動(dòng)時(shí),張力器能夠?yàn)楦羲芴峁┙鹾愣ǖ妮S向拉力[3]。

合理設(shè)計(jì)的張力器張力可以防止隔水管發(fā)生屈曲、限制隔水管底部撓性接頭轉(zhuǎn)角以及確保鉆桿以較小的摩擦力在隔水管內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn),理論上要求隔水管頂部的張力必須高于隔水管和鉆井液的表觀重量(即為沒水重量),同時(shí)隔水管上需要施加額外的載荷以限制其彎曲應(yīng)力[4-5]。關(guān)于隔水管頂張力的計(jì)算,國(guó)外普遍采用API規(guī)范的理論方法,計(jì)算過(guò)程繁瑣且不適于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)應(yīng)用[6]。目前我國(guó)正致力于超深水油氣田勘探開發(fā),超深水域相對(duì)惡劣的海況對(duì)鉆井隔水管系統(tǒng)的張力設(shè)置提出了更高的要求,確定隔水管頂張力算法并形成指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)行之有效的方法對(duì)于保證整個(gè)隔水管系統(tǒng)的作業(yè)安全具有重要意義。

研究三種確定隔水管頂張力的計(jì)算方法,分別為防止隔水管失穩(wěn)的理論算法、基于隔水管底部殘余張力算法和適合于海洋鉆井作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算方法。算例根據(jù)某超深水井隔水管系統(tǒng)配置,結(jié)合底部撓性接頭處張力需求和隔水管屈服強(qiáng)度要求,分別計(jì)算了采用不同算法的頂張力計(jì)算值,并與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)際的設(shè)置張力進(jìn)行了對(duì)比分析。本方法與相關(guān)結(jié)論可為我國(guó)超深水鉆井隔水管系統(tǒng)頂張力的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 隔水管頂張力計(jì)算方法

1.1 理論算法

根據(jù)APIRP 16Q規(guī)范,頂張力設(shè)置是確保隔水管穩(wěn)定性的條件之一。頂張力的設(shè)置要確保即使有部分張力器失效,也能保證隔水管底部會(huì)產(chǎn)生有效張力。最小頂張力Tmin按如下公式確定:

式中:TSRmin為滑力環(huán)張;N為支撐隔水管的張力器數(shù)目;n為出現(xiàn)突然失效的張力器數(shù)目;Rf為用以計(jì)算傾角和機(jī)械效率的滑環(huán)處垂直張力與張力器設(shè)置之間的換算系數(shù),通常為0.90～0.95。

式(1)中滑環(huán)張力TSRmin計(jì)算公式:

式中:Ws為參考點(diǎn)之上的隔水管沒水重量;fwt為沒水重量公差系數(shù)(除精確測(cè)量外,一般取1.05);Bn為參考點(diǎn)之上的浮力塊凈浮力;fbt為因彈性壓縮、長(zhǎng)期吸水和制造容差引起的浮力損失容差系數(shù)(除精確測(cè)量外,一般取0.96);Ai為隔水管(包括節(jié)流、壓井和輔助管線)內(nèi)部橫截面積;dm為鉆井液密度;Hm為至參考點(diǎn)的鉆井液柱高度;dw為海水密度;Hw為至參考點(diǎn)的海水柱高度。

為了確定隔水管最小頂張力,還需要計(jì)算隔水管沒水重量、隔水管凈浮力以及隔水管內(nèi)部鉆井液橫截面積等相關(guān)參數(shù)。

式中:Ariser為隔水管主管內(nèi)部橫截面積,Akill為壓井管線內(nèi)部橫截面積,Achoke為節(jié)流管線內(nèi)部橫截面積,

Abooster為增壓管線內(nèi)部橫截面積,Ahydraulic為液壓管線內(nèi)部橫截面積。

1.2 基于底部殘余張力的頂張力確定方法

法國(guó)石油研究院提出的隔水管頂張力計(jì)算必須保證隔水管底部撓性接頭處的殘余張力等于或大于隔水管底部總成(lowermarine riser package,簡(jiǎn)稱LMRP)的表觀重量,以確保惡劣海況條件下啟動(dòng)緊急脫離程序時(shí)能夠安全提升整個(gè)隔水管系統(tǒng)。

隔水管頂張力Ttop計(jì)算公式:

式中:WMP、WPL和WB分別為隔水管主管、外圍管線和浮力塊的表觀重量。

1.3 基于下放鉤載的頂張力確定方法

該方法的提出源于現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)經(jīng)驗(yàn),普遍適用于深水和超深水鉆井隔水管頂張力設(shè)置。鉆井作業(yè)前,需要針對(duì)每口井進(jìn)行詳細(xì)的隔水管系統(tǒng)配置,并計(jì)算下放隔水管和防噴器(blowout preventor,簡(jiǎn)稱BOP)系統(tǒng)時(shí)大鉤所承受的最大載荷。根據(jù)我國(guó)南海深水區(qū)塊多口井鉆井作業(yè)日?qǐng)?bào),現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí),下放BOP到井口位置后至BOP與海底高壓井口連接之前,需要進(jìn)行張力器張緊力設(shè)置。一般可以按7∶3或8∶2的比例將此時(shí)的大鉤載荷(也即下放重量)重新分配給張力器和大鉤,也就是說(shuō),隔水管張力器張力設(shè)置值一般取作業(yè)時(shí)大鉤最大下放重量的70%或80%,一般情況下在正常鉆井作業(yè)過(guò)程中不再對(duì)其進(jìn)行調(diào)整,除非遭遇惡劣天氣或者鉆井過(guò)程中采用大密度鉆井液。

隔水管張力器設(shè)置張力T計(jì)算公式:

式中:η為張力器張力所占最大下放重量的比例,Whook為大鉤所承受的最大下放重量,也即BOP與海底高壓井口即將連接時(shí)的最大鉤載。理論上,最大鉤載計(jì)算應(yīng)考慮隔水管和BOP系統(tǒng)下放過(guò)程中由于鉆井船升沉運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)載效應(yīng)的影響,其值可通過(guò)系統(tǒng)軸向動(dòng)力學(xué)分析獲得。實(shí)際上,由于隔水管與BOP系統(tǒng)的下放作業(yè)常常在較好的海況條件下進(jìn)行,鉆井船的升沉運(yùn)動(dòng)相對(duì)較小,于是忽略動(dòng)載效應(yīng)可滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)的需要。

2 算例及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以某超深水井為例,水深近1 600 m,鉆井作業(yè)時(shí)配置的隔水管系統(tǒng)如表1所示,隔水管系統(tǒng)配置使用兩種浮力單根和四種隔水管短節(jié)。海水密度為1 025 kg/m3,采用的鉆井液最大密度為1 140 kg/m3。

隔水管單根各部分基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示,隔水管主管四周總共布置5根周圍管線,包括節(jié)流、壓井、泥漿增壓管線各1根,液壓管線2根。

表1 隔水管系統(tǒng)配置Tab.1 Configuration of drilling riser system

表2 隔水管單根結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Parameters of drilling riser joint

2.1 隔水管頂張力理論計(jì)算結(jié)果

根據(jù)API規(guī)范,確定隔水管頂張力時(shí)需要的參數(shù)計(jì)算如下:隔水管沒水重量為12.831 t,浮力單根1浮力塊凈浮力為12.416 t,浮力單根2浮力塊凈浮力為10.291 t。隔水管沒水重量公差系數(shù)取1.05,浮力塊浮力損失容差系數(shù)取0.96,垂直張力與張力器設(shè)置之間的換算系數(shù)取0.90。

支撐隔水管系統(tǒng)的張力器數(shù)目為6,假定突然失效的張力器數(shù)目為0,根據(jù)式(1)和式(2)隔水管系統(tǒng)滑環(huán)張力TSRmin和頂張力Tmin計(jì)算結(jié)果如表3所示,隔水管滑環(huán)張力為405.19 t,頂張力為450.21 t。

隔水管頂張力與鉆井液密度關(guān)系如圖1所示,隨著鉆井液密度的增大,隔水管系統(tǒng)所需的滑環(huán)張力和頂張力呈線性增大,根據(jù)此圖可確定不同鉆井液密度下的隔水管頂張力。

表3 隔水管滑環(huán)張力和頂張力計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of slip ring tension and top tension for drilling riser

2.2 底部殘余張力法計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(6)和式(7),隔水管頂張力計(jì)算結(jié)果如表4所示,隔水管表觀重量為288.65 t,鉆井液表觀重量為47.85 t,底部殘余張力RTB值取為L(zhǎng)MRP的表觀重量107 t,則隔水管頂張力為443.50 t。

表4 隔水管頂張力計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of top tension for drilling riser system

隔水管頂張力與底部殘余張力之間對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示,隨著底部殘余張力的增加,所需求的頂張力線性增加。

圖1 隔水管頂張力與鉆井液密度關(guān)系Fig.1 Relationship befween drilling fluid density and top tension

圖2 隔水管頂張力與底部殘余張力關(guān)系Fig.2 Relationship between top tension and residual tension on bottom

2.3 下放鉤載法計(jì)算結(jié)果

根據(jù)前述算法,結(jié)合表1、2給出的超深水鉆井隔水管系統(tǒng)詳細(xì)配置,下放隔水管系統(tǒng)時(shí),其下放單根數(shù)量與大鉤載荷變化對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖3所示。圖中大鉤載荷變化平緩的區(qū)域?yàn)楦羲芨×胃路艆^(qū)域,而變化較大的區(qū)域?yàn)楦羲苈銌胃路艆^(qū)域。計(jì)算得到的大鉤載荷值起始于LMRP/BOP和最底部連接LMRP/BOP的2根浮力單根入水后,其最大值發(fā)生時(shí)間為隔水管系統(tǒng)部件全部下放之后至LMRP/BOP與海底高壓井口連接前。

由于隔水管系統(tǒng)的最大下掛重量為642.51 t,按7∶3的比例重新分配給張力器和大鉤,其中張力器張力為449.76 t,大鉤載荷為192.75 t,由式(8)可得到隔水管頂張力計(jì)算結(jié)果,如表5所示。

圖3 隔水管部件下放數(shù)目與大鉤載荷關(guān)系Fig.3 Relationship between hook load and running joints for drilling risers

表5 隔水管總濕重和設(shè)置頂張力計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of top tension and overall wet weight for drilling riser system

根據(jù)表5,隔水管的頂張力為449.76 t,正常作業(yè)時(shí)隔水管底部有效張力為113.26 t,緊急脫離情況下LMRP的過(guò)提力為54.11 t。

2.4 三種方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

三種方法都以確保隔水管系統(tǒng)全部濕重由張力器承擔(dān)及隔水管的安全脫離為前提條件,從不同角度出發(fā)分別基于隔水管穩(wěn)定性、底部殘余張力和大鉤載荷計(jì)算頂張力。在相同的隔水管系統(tǒng)配置條件下,三種計(jì)算方法的結(jié)果:采用API規(guī)范理論方法求得的隔水管系統(tǒng)頂張力為450.21 t,采用其他兩種方法計(jì)算出的隔水管系統(tǒng)頂張力分別為443.50 t和449.76 t。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆井記錄,此井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)時(shí)6個(gè)張力器的設(shè)置為161 kips(73.094 t)、161 kips(73.094 t)、165 kips(74.91)、163 kips(74.002 t)、162 kips(73.548 t)和 163 kips(74.002 t),張力器提供的全部頂張力為442.65 t。對(duì)比表明,三種方法計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際頂張力設(shè)置相差不大,其所得結(jié)果都可直接應(yīng)用于隔水管現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。前兩種方法需要確定的參數(shù)較多且各個(gè)參數(shù)的計(jì)算繁瑣,而第三種方法只需要獲得大鉤載荷即可確定頂張力。考慮第三種方法的簡(jiǎn)便性,對(duì)于我國(guó)超深水現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)推薦采用此方法。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)研究三種隔水管系統(tǒng)頂張力確定方法,分別是理論方法、基于隔水管系統(tǒng)底部殘余張力方法和基于下放隔水管系統(tǒng)的最大鉤載方法,并就每一種方法給出了理論依據(jù)或原理。

2)分別采用三種方法進(jìn)行算例計(jì)算并與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)參數(shù)對(duì)比,實(shí)際鉆井作業(yè)頂張力設(shè)定值為442.65 t,三種方法計(jì)算結(jié)果分別為450.21 t、443.50 t和449.76 t,表明與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)際頂張力設(shè)置值吻合較好。

3)研究認(rèn)為,理論算法可考慮多個(gè)因素的影響,適應(yīng)范圍較廣但計(jì)算繁瑣;基于隔水管系統(tǒng)底部殘余張力方法計(jì)算簡(jiǎn)單但適用性較差;基于下放隔水管系統(tǒng)的最大鉤載方法簡(jiǎn)單實(shí)用,推薦作為首選方法。

[1] 暢元江,陳國(guó)明,孫友義,等.深水鉆井隔水管的準(zhǔn)靜態(tài)非線性分析[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,32(3):114-118.

[2] 暢元江.深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用研究[D].東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué),2008.

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Determinationmethods for the top tension of ultradeepwater drilling risers

JU Shao-dong1,CHANG Yuan-jiang1,CHEN Guo-ming1,XU Liang-bin2,YIN Zhi-ming2
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering,China University of Petroleum,Dongying 257061,China;2.China Offshore Oil Research Center,Beijing 100027,China)

P751

A

1005-9865(2011)01-0100-05

2010-04-30

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題資助項(xiàng)目(2008ZX05026-001-07);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50904078);中國(guó)石油大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文培育資助項(xiàng)目(Z10-08)

鞠少棟(1984-),男,山東濰坊人,博士生,主要從事深水鉆井技術(shù)與裝備的研究。E-mail:jsd1984@126.com