水下應急封井裝置鉆桿下入與回收穩定性分析

肖譚

(中海油能源發展股份有限公司工程技術深水鉆采技術公司，海南 海口 570100)

0 引言

水下應急封井裝置是具備關井、分流、壓井、分散劑注入和圈閉氣體釋放等功能，集機械加工制造、液壓控制、數據信息傳輸檢測以及水下機器人(ROV)干預等技術于一體的重大海洋井控裝備。是深水鉆完井三級井控應急救援中控制失控水下井口的終極手段[1-3]。

使用鉆桿下放水下應急封井裝置過程中存在的危險情況，主要在集中在鉆桿送轉置過飛濺區時。由于浪流大，封井裝置體積大，鉆桿細長抗彎能力有限，在下放過程中容易出現：

(1)動態張力過大；

(2)鉆桿偏移過大；

(3)裝置與平臺碰撞；

(4)鉆桿與月池碰撞等危險情況，使導致裝置損傷，平臺受損；鉆桿損壞將導致裝置落海。

因此，對水下應急封井裝置使用鉆桿下入和回收進行穩定性分析十分必要［4-6］。

1 鉆桿下放仿真模型的建立與基本參數設置

1.1 環境參數設定

模擬深水作業環境中空氣、海水、海面和海床等參數，設定一年一遇、十年一遇、五十年一遇、百年一遇環境載荷，建立水面到海底的流速剖面。

1.2 平臺建模

在OrcaFlex 軟件中建立了半潛式鉆井平臺模型，整個平臺被模擬成一個剛體，由輸入的RAO 參數賦予其運動特性。水下應急封井裝置則采用的是6D Buoys 單元，其鉆桿下放水下應急封井裝置3D 模型。

2 基于OrcaFlex 鉆桿下放水下應急封井裝置過程仿真結果

2.1 正常天氣下水下應急封井裝置下放過程模擬仿真分析

水下應急封井裝置受海洋環境力的作用，水下應急封井裝置在經過飛濺區時，X、Y 方向偏移以及傾斜角度變化大，在海底X、Y 方向偏移分別為3.2 m、3.1 m，最大傾斜角在飛濺區為1.13°。到達井口時水下應急封井裝置傾斜角度變化趨小，傾斜角度保持0.25°左右，此時水下應急封井裝置較為平穩。

在下放過程中，鉆桿受力在不斷地變化，但是受力的情況和規律大致相同，在正常天氣作業條件下，考慮鉆桿與水下應急封井裝置的連接采用剛性連接，通過Orcaflex 軟件可以計算出鉆桿在頂端處受到的最大Von Mises 應力、總彎矩是最大的，最大Von Mises 應力為355.93 MPa(小于鉆桿(S135)的許用應力930 MPa/1.5= 620 MPa)和總彎矩為34.55 kN·m；在鉆桿與水下應急封井裝置底部連接處有一定的彎矩和應力集中，在工程中要盡量避免此種現象發生，降低安裝風險。

2.2 風速對水下應急封井裝置系統的動力學影響

通過查找附近海域海洋環境條件數據資料，一年一遇時平均風速為27.7 m/s，十年一遇時平均風速為39.65 m/s，五十年一遇時平均風速為48.725 m/s，百年一遇時平均風速為52.45 m/s，風主要是直接作用于鉆井平臺和引起海水的波動等，對水下應急封井裝置的下放造成不可忽視的安全問題，通過研究風速大小，及四個不同的重現期對水下應急封井裝置下放的偏移和姿態影響以及鉆桿的彎矩和Von Mises 應力的研究［7-8］。

通過表1 結果數據表中可以得出：鉆桿上端點受到的Von Mises 應力和總彎矩都是最大的，且不同風速下對水下應急封井裝置系統的動力學影響較小，這可能是由于風載荷主要作用于鉆井平臺，鉆井平臺與水下應急封井裝置通過鉆桿剛性連接，水下應急封井裝置相對于鉆井平臺的運動響應和鉆桿受力影響較小。

表1 不同風速下的結果數據表

2.3 海流流速對水下應急封井裝置動力學的影響

對于水下應急封井裝置的下入安裝，海流流速直接作用在鉆井平臺、鉆桿以及水下應急封井裝置的多體耦合系統，會對該系統的動力學特性產生很大的影響。通常研究海水流速會考慮一年一遇、十年一遇、五十年一遇和百年一遇(極端工況)四種工況條件，通過Orcaflex 動力學軟件進行模擬仿真分析，得出以下結果：

(1)當水下應急封井裝置在飛濺區時，此時海流流速對水下應急封井裝置系統的受力和運動特性影響很大；

(2)當水下應急封井裝置在接近井口時，由于海底流速很小，對水下應急封井裝置系統的傾斜角度變化較小，但隨著鉆桿長度的增加，在X、Y 方向偏移量也會緩慢增大。

2.4 浪高對水下應急封井裝置動力學的影響

浪高主要影響鉆井平臺的升沉運動，從而影響水下應急封井裝置系統。當水下應急封井裝置通過鉆桿下入剛接觸海平面(飛濺區)時，會對水下應急封井裝置底部產生很大的抨擊力以及影響其運動姿態，進而可能造成水下應急封井裝置傾覆的重大事故，因此研究浪高對于水下應急封井裝置系統動力學的影響是很有必要的。

當水下應急封井裝置接近井口時，不同浪高條件下，對水下應急封井裝置的傾斜角度以及偏移量變化影響較小，在X、Y 方向的偏移量會隨著鉆桿下放長度的增加而緩慢增大。

2.5 海況方向對水下應急封井裝置動力學的影響

不同的海況方向對鉆桿受力和水下應急封井裝置運動響應影響很大，當水下應急封井裝置在飛濺區時，海況方向對水下應急封井裝置的傾斜角度影響較大，海況方向為180°時有最大值12.8°，此時水下應急封井裝置系統處于最危險區域，工程推薦要快速該區域；當水下應急封井裝置接近井口時，不同海況方向對水下應急封井裝置的偏移量影響較大，而對水下應急封井裝置的傾斜角度影響很小。

3 水下應急封井裝置鉆桿下放作業窗口建立

如表2 所示，進行鉆桿參數敏感性分析的目的是為了揭示不同參數的變化對鉆桿的橫向位移及力學響應的影響，為制作水下應急封井裝置下放作業窗口選擇敏感性參數。但是，通常情況下，在安裝過程中，鉆桿會同時受到多個因素的影響，如果只是單一的分析一個參數的影響，很難全面掌握鉆桿的實際力學響應。為此需要通過正交試驗來全面的研究參數的影響情況。

表2 下放作業窗口中不同波浪方向角對應的數據表

由影響因素敏感性以及正交試驗分析的結果可知，影響鉆桿最大應力、最大有效張力、水下應急封井裝置最大縱向位移以及安裝姿態主要參數是浪高，波浪方向角和流速。

水下應急封井裝置鉆桿下放作業窗口計算準則為：

(1)鉆桿最大等效應力小于鉆桿許用應力620 MPa；

(2)水下應急封井裝置系統不與鉆井平臺月池產生碰撞，要求水下應急封井裝置系統在月池位置處的位移不大于2.26 m；

(3)張力器的最大動態張力小于懸掛裝置極限設計載荷，最大張力不超過8.89 MN。

根據正交試驗將不同流速和浪高組合進行水下應急封井裝置鉆桿下放的動態仿真分析，通過邊界條件計算得到了波浪方向角0°、45°、90°、135°和180°的鉆桿下放作業窗口(如圖1 所示)。

圖1 水下應急封井裝置鉆桿法下放作業窗口

通過對不同波浪方向角為0°、45°、90°、135°和180°的鉆桿下放水下應急封井裝置的邊界線繪制安全區域得到滿足不同方向角下的水下應急封井裝置鉆桿下放作業窗口。

4 結語

(1)通過鉆桿參數敏感性分析，結合正交試驗分析的結果，影響鉆桿最大應力、最大有效張力、水下應急封井裝置最大縱向位移以及安裝姿態主要參數是浪高，波浪方向角和流速；

(2) 根據正交試驗將不同流速和浪高組合進行水下應急封井裝置鉆桿下放的動態仿真分析，通過邊界條件計算得到了波浪方向角0°、45°、90°、135°和180°的鉆桿下放作業窗口。推薦工程最優的安全下放作業窗口條件為：流速不超過0.58 m/s，浪高不超過3 m；

(3)建立一套水下應急封井裝置鉆桿下入與回收穩定分析技術，打破國外技術壟斷，為后期現場下放作業提供重要指導。