海上油氣井服役過程中隔水導管旋轉原因分析

楊進

中國石油大學（北京）安全與海洋工程學院

近年來，部分海上油氣田出現鉆井隔水導管以及井口發生旋轉的現象，旋轉幅度有時會很大，如東海某生產井，井口1天可以旋轉30°。井口發生大幅度旋轉會對采油樹、井口管匯以及油氣生產帶來嚴重的安全隱患和作業風險，如果不對旋轉加以約束，可能導致井口管匯的變形或者斷裂、隔水導管的剪切破壞、隔水導管的密封性能降低等作業風險。目前國內對隔水導管和井口發生旋轉的研究較少，因此，對海上生產井隔水導管和井口進行受力分析，找出隔水導管和井口發生旋轉的原因，評估旋轉風險，可以為現場生產、隔水導管的加工設計、井口的加工設計提供科學的理論指導。

1 海上油氣井井口受力模型

海上油氣井井筒和井口在生產過程中，受到的載荷主要包括自重、頂部載荷、風載、海流載荷、海浪載荷等。在實際導管架平臺中，沿隔水導管長度一定位置處安裝導向孔來保證隔水導管的橫向穩定性。對于導向孔，在計算中采用以下假設處理：導向孔為固定構件，為隔水導管提供穩定的橫向支撐。以東海某油氣田為例，導向孔的幾何位置分別為：水下-15.5 m、水下-37.5 m、底層甲板、海平面。

根據上述分析，海上單井井筒及井口力學模型如圖1所示。

圖1 海上單井井筒及井口力學模型Fig.1 Mechanical model for borehole and well of single offshore well

海上油氣井的隔水導管在海流環境載荷的作用下，會產生扭矩，具有旋轉的趨勢。隔水導管上的防轉銷釘可以阻止隔水導管發生旋轉。如果環境載荷引起的扭矩過大，使得作用在隔水導管防轉銷釘上的載荷大于其極限值，海上油氣井的隔水導管會發生較大幅度的旋轉，進而使得井口發生旋轉，給油氣井生產帶來嚴重的安全隱患和作業風險。

2 隔水導管在海流作用下旋轉受力分析

海流作用在柱體上的作用力可以分為與來流方向一致的力，以及和來流方向垂直的力。由于作用在隔水導管上的海流并不是隨水深均勻分布，作用方向也不是彼此一致，因此在不同方向、不同速度的海流作用下，隔水導管可能會受到橫向扭矩的作用而發生旋轉，如圖2所示。

圖2 隔水導管受到的海流力Fig.2 Ocean current force applied on the riser

隔水導管在受到不均勻的海流載荷作用時，其受到的扭矩大小為

式中，M為隔水導管橫截面受到的扭矩，N·m；F1、F2、F3、F4分別為海流力在互相垂直的方向上的分量，N；R為隔水導管半徑，m。

為了提高平臺空間利用率，海上生產平臺的井口布置非常緊密，如圖3所示。

圖3 海上生產井的井位布置示意圖Fig.3 Schematic well location arrangement of offshore production wells

平臺上生產井之間的間距較小，最小為1.5 m×1.8 m。在遇到同樣的海洋環境載荷時，井的位置不同，受到的環境載荷不同。在同樣的海洋環境載荷的沖擊下，處在外側的生產井會對海洋環境載荷起到削弱抵抗的作用，處在內側的生產井受到的載荷并沒有外側生產井受到的大，再加上海流的大小隨時間以及海水深度的變化而變化，因此在同一時間，處在同樣海況條件下的生產井，所受到的環境載荷不同，即生產井隔水導管受到的扭矩不同，因此在同一生產平臺，并不是所有生產井都發生旋轉。

海上生產井隔水導管受到海流載荷的影響，由于隔水導管兩側海流存在差異性，進而會產生導致隔水導管旋轉的扭矩。由于隔水導管底部受到海底的約束，隔水導管管體在不同深度處受到扶正孔、銷釘的約束，因此隔水管管體一般不會發生旋轉。如果扭矩過大，生產井隔水導管會發生旋轉，如果銷釘被扭矩剪切破壞，旋轉幅度就會很大。

3 海生物附著隔水導管條件下旋轉受力分析

海上生產平臺在服役過程中，大量海生物會附著在生產井隔水導管表面。海生物的附著會降低平臺抵抗環境載荷的能力。在水溫23 ℃左右的熱帶、亞熱帶海域內，牡蠣和藤壺在結構物表面的附著速度14～20 d可以達到10 mm。對于海上生產井來說，海生物的附著，會加大生產井隔水管的外徑。在同樣的海況條件下，隔水管受到的海流力相同，由于管徑增加，扭矩會更大，防轉銷釘受到的剪切力會大大增加，這就大大增加了隔水導管發生旋轉的風險。

4 案例分析

為了定量分析不同附著情況、不同海況條件下，海上生產井抵抗海洋環境荷載引起的扭矩的能力，根據已建立的某生產平臺有限元模型和環境資料進行計算分析。

該算例生產平臺水深為88 m，經統計得知其所在海域內重現期為1年、20年、50年的環境載荷數據，如表1所示。

表1 環境載荷Table 1 Environmental load

以?762 mm海上油氣井隔水導管有限元模型為例，加載50年一遇的環境載荷數值，考慮扶正孔、扶正塊對隔水導管側向摩阻力的作用，得出其隨深度變化的剪力值，如圖4所示。

圖4 隔水導管隨深度變化的剪力值Fig.4 Shear stress of riser with the variation of depth

?762 mm生產井隔水導管在50年一遇的環境載荷作用下，最大的剪力為38 521 N，在最大扭力下，銷釘的剪切應力為

式中，τ為隔水導管防轉銷釘橫截面受到的剪切應力，MPa；F為隔水導管防轉銷釘橫截面受到的剪力，MN；A為防轉銷釘橫截面積，m2。

?762 mm隔水導管在50年一遇的海況條件下，防轉銷釘剪切應力小于銷釘的剪切許用應力151 MPa，因此不考慮海生物影響條件下隔水導管連接處的銷釘會發生剪切破壞。

根據已建立的有限元模型和收集到的環境載荷，對?508 mm、?609.6 mm、?660.4 mm和?762 mm的生產井隔水導管進行銷釘剪切應力的計算，計算結果如圖5所示。

圖5 不同尺寸隔水導管銷釘隨海況變化的剪切應力值Fig.5 Shear stress of riser pin of different sizes with the variation of sea conditions

分別對1年、20年、50年一遇的海況進行了計算，由計算結果可知，?762 mm、?660.4 mm、?609.6 mm隔水導管的銷釘在正常海況條件下比較安全，不會發生剪切斷裂。?508 mm隔水導管銷釘在50年一遇的海況條件下，會發生剪切斷裂。建議采用許用剪切強度較高的銷釘進行固定。

為考慮在海生物附著情況下，生產井隔水導管旋轉趨勢的增加，根據已建有限元模型和收集到的環境載荷，對海生物不同附著厚度的生產井隔水導管進行扭矩計算，其中海生物附著厚度按照隔水導管增加的厚度百分率來處理。計算結果如圖6所示。

圖6 不同海生物附著程度的隔水導管扭矩變化Fig.6 Variation of the torque of the riser with different attachment degrees of marine organism

由圖6可知，隨海生物附著程度增加，生產井隔水導管在同樣的海洋環境載荷下，受到的扭矩會越來越大，會導致生產井隔水導管旋轉，甚至使隔水導管連接處的銷釘發生剪切破壞。

5 結論

（1）海上油氣井的隔水導管在海流環境載荷作用下會產生扭矩，具有發生井口旋轉的趨勢。隔水導管上的銷釘可以阻止隔水導管發生旋轉。如果環境載荷引起的扭矩過大，使得作用在隔水導管銷釘上的載荷大于其極限值，隔水導管會發生較大幅度的旋轉，進而使得井口發生旋轉，給油氣井生產帶來安全隱患。

（2）在同樣的海洋環境載荷沖擊下，處在外側的生產井會對海洋環境載荷起到削弱抵抗作用，再加上海流的大小隨時間以及海水深度的變化而變化，因此在同一時間處在同樣海況條件下不同位置的生產井，所受到的環境載荷不同，在同一個生產平臺上，并不是所有生產井都發生旋轉。

（3）隨海生物附著程度增加，生產井隔水導管在同樣的海洋環境載荷下，受到的扭矩會越來越大，如果不抑制海生物的附著，扭矩的增加會導致生產井隔水導管旋轉。

（4）可以通過增加銷釘的數量和使用高剪切強度的銷釘，來防止隔水導管的旋轉，并且可通過抑制海生物的附著來減小隔水導管的扭矩。