深海石油钻采隔水管浮力补偿系统的研究

周 云， 王东胜， 任宪刚， 李淑涛， 尹衍升， 董丽华

(1.上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306； 2.上海中船重工船舶科技有限公司， 上海 200011；3.中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452)



深海石油钻采隔水管浮力补偿系统的研究

周 云1， 王东胜1， 任宪刚2， 李淑涛3， 尹衍升1， 董丽华1

(1.上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306； 2.上海中船重工船舶科技有限公司， 上海 200011；3.中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452)

隔水管系统是海洋石油钻采的重要技术装备，而浮力补偿系统是深水条件下钻井隔水管系统的必备部件。深海石油钻采隔水管浮力补偿系统是一项集材料、计算、设计于一体的系统工程，从固体浮力材料、捆扎锁紧机构以及系统的设计计算及优化配置方案等三方面内容，阐述了深海石油钻采隔水管浮力补偿系统的研究和应用现状，并介绍了深海石油钻采隔水管浮力补偿系统领域最新的研究成果和产业化发展前景。

深海石油钻采；隔水管；浮力补偿；固体浮力材料；捆扎锁紧机构

0 引言

随着海洋石油资源的开发进入到深海领域，海洋石油钻采技术与装备的发展也越来越重要。钻井隔水管系统是海洋石油钻采的重要技术装备，而浮力补偿系统是深水条件下钻井隔水管系统的必备部件。钻井隔水管是连接海底和钻井平台的管道，其重量大，工况复杂恶劣，为保证平台安全，必须在隔水管外安装浮力补偿系统来减轻隔水管系统的重量。深海钻井隔水管装备及相关技术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意义。

深海石油钻采隔水管浮力补偿系统是一项集材料、计算、设计于一体的系统工程，所涉及的几种关键材料和技术(包括隔水管固体浮力材料、耐腐蚀高强度捆扎锁紧机构)国产化水平低，主要核心知识产权几乎全部由美国、挪威、日本等发达国家垄断。因此，亟需国内科研院所与相关企业联手进行科技攻关，早日实现浮力补偿系统的国产化并形成自主知识产权和规模化生产，这对于我国深海战略的实施具有举足轻重的作用[1]。

1 钻井隔水管系统的组成及研究现状

图1 隔水管结构示意图

海洋石油钻采装备主要包括：钻井隔水管系统、采油树、水下机盘、水下管汇系统、控制系统、井口井控设备以及水下处理系统等[2]。钻井隔水管系统是连接海洋石油钻井平台或者钻井船与海底井口的油体输送管道。钻井隔水管系统的主要组件一般有：钻井隔水管单根、隔水管短节、卡盘和万向节、伸缩接头、张紧器、挠性接头、浮力补偿系统、辅助管线等[3]，如图1所示。

隔水管系统设计的难点主要在于其涉及复杂环境因素和作业因素，诸如水深、海流、波浪、涡激抑制、钻井液密度、钻井载荷、悬挂模式和浮力块分布等，目前国内外对于隔水管的设计研究较为广泛。

Burke[4]最早建立了隔水管静态和动态分析的数学模型，进行了隔水管时域规则波动态分析。Texas A&M大学的Kim[5]采用ABAQUS软件对钻井隔水管进行了有限元准静态分析。我国针对隔水管的研究主要开始于20世纪90年代。畅元江[6]采用ABAQUS软件对影响钻井隔水管性能的主要参数如钻井船平均偏移、流剖面、内外静水压、浮力块、张力比等进行了综合研究。李中[7]利用有限元分析法建立了波流复杂海况作用下深水隔水管受力分析计算模型，同时利用ANSYS软件分析了不同载荷作用下隔水管在不同水深的应力及变形变化规律。

2 钻井隔水管浮力补偿系统的组成及研究现状

由于隔水管系统非常沉重，如果不添加浮力补偿系统，会对钻井平台产生巨大的牵引力。因此，通常在隔水管外部安装由固体浮力材料制成的浮力块，通过浮力块产生的浮力减轻隔水管系统的湿重，降低隔水管张力器提供的张力，提高钻井隔水管系统工作的稳定性。同时，浮力块还可以改善隔水管系统的局部力学性能，更能延长隔水管系统的服役周期。美国石油学会API标准API-RP-16Q中第5.1.4节建议：当水深超过2 000 ft(609.6 m)时，隔水管系统需要配置浮力补偿系统[8]。

钻井隔水管浮力补偿系统包含硬件和软件两个部分，其中硬件部分包含固体浮力材料、捆扎带、锁紧装置等新型材料和器具，而软件部分是指形成一套科学有效的浮力补偿系统设计计算及优化配置方案，以解决浮力材料配置多少和如何配置的问题,浮力补偿系统如图2所示。

图2 深海石油钻采隔水管浮力补偿系统模拟图和实况图

2.1 固体浮力材料

固体浮力材料是指能提供浮力的固体材料。新型固体浮力材料所用到的原材料主要有:基体树脂、固化剂、改性剂等。此外，为了降低浮力材料的密度，基体树脂中还会加入轻质填料，轻质填料以中空微球的应用最为广泛。固体浮力材料一般都具有以下特性：高强度、低密度、低吸水率、耐海水腐蚀以及对环境无污染[9]。

固体浮力材料在实际使用过程中，要求其密度越低越好，以便提供更大的浮力，但是为了承受更深水域的静水压力，又要求其具有更高的强度。显然，固体浮力材料的密度与强度性能是相对立的，因此，如何解决固体浮力材料密度与强度的矛盾，是当今研究制造固体浮力材料的关键点。

与美国、日本、俄罗斯等深潜技术发达国家相比，我国的固体材料研究起步较晚，差距较大。我国固体浮力材料的研发始于20世纪80年代，经过几十年的不断努力，如今也取得了一定的成果。国内相关高校及科研院所也制成不同系列的固体浮力材料，在相关领域也开展了一些示范应用，但由于种种原因，仍然没有实现大规模国产化，国内市场仍然是以与隔水管系统打包的形式从国外直接进口。

2.2 捆扎锁紧机构

耐腐蚀高强度捆扎锁紧机构是深海石油钻采隔水管浮力补偿系统中固定装置不可或缺的装备材料，主要包含捆扎带和锁紧装置两部分，如图3所示。

图3 捆扎锁紧机构

(1) 捆扎带

浮力补偿系统用捆扎带是指在海洋开发中用来捆缚浮力材料的不可或缺的装备材料。目前，国内常见的捆扎带多为钢质捆扎带及塑质捆扎带(如尼龙、聚丙烯、聚酯)，多用于货物捆扎包装领域，难以满足海洋条件下工程装备所要求的轻质高强、高持续张力、良好的耐腐蚀性及尺寸稳定性等苛刻服役条件。目前,国内此类产品如“蛟龙号”7 000 m深潜器及3 000 m深水钻井“海洋平台981”等浮力材料模块固定系统所用捆扎带全部依赖进口，不仅价格昂贵，更严重制约了我国深海工程装备产业的发展。

现阶段国外浮力材料所用的捆扎带主要为树脂复合纤维的环形结构捆扎带，其关键点在接头以及纤维分布的均匀性上，而现阶段捆扎带的成型工艺以及所用的捆扎带材料仍为国外各大公司的保密技术，要解决捆扎带的材料选用以及成型工艺问题是一个巨大的挑战。

(2) 锁紧装置

与捆扎带配套使用的锁紧装置也是隔水管浮力块安装的核心部件。随着海洋工程开发步伐的加快，油气勘探向地质条件和物理环境更加复杂的区域发展，一些H2S和CO2含量高的含硫地质区域已成为油气勘探的重点，类似于锁紧装置等深海用耐腐蚀高强度金属材料的需求量激增，其失效寿命越来越受到关注。

表面涂层技术是提高锁紧装置深海环境腐蚀性能的一种简便、有效的方法。涂层不但能够大幅度地提高工件表面的使用性能，还可以对失效工件进行修复，节省材料和能源。等离子转移弧堆焊是制备深海部件涂层的重要手段，优点是能量密度大、加热集中、熔透能力强、对基体的热影响小、稀释率低，使得工件在制备过程中变形小，工艺可控性强，而且获得涂层的组织致密，微观缺陷少，涂层与基体为冶金结合，强度高。

2.3 浮力补偿系统设计计算及优化配置方案

性能优异的固体浮力材料和捆扎锁紧装置为深海石油钻采装备浮力补偿提供了强有力的硬件保障。但是，深海石油钻采装备浮力补偿是一项因地制宜的系统工程，因此，形成一套科学有效的浮力补偿系统优化配置方案也是深海石油钻采软实力的体现，更是保障深海石油钻采装备功能及安全的重要组成部分。

如何合理配置隔水管的浮力材料是深海钻井隔水管设计需要解决的主要问题之一。根据具体的情况，合理控制浮力材料的数量和配置，以满足隔水管悬挂状态安全性的要求，就需要对隔水管浮力材料进行设计计算和优化配置。

目前，国内外文献针对浮力材料在隔水管系统中的配置设计研究报道较少。但是研究人员一致认为：浮力材料是深水钻井隔水管系统必不可少的组成部分，它对改善隔水管系统的局部力学性能有着重要的作用。隔水管系统中浮力材料的配置计算是一个需要反复优化的复杂过程。国内许亮斌等人使用ABAQUS软件以及SHEAR7软件对带浮力块的深水钻井隔水管进行了研究，提出了隔水管浮力块合理配置的主要流程和基本原则[10，11]。

3 研究进展

使用一种具有独立知识产权的聚合物中空球(如图4所示)，与聚合物树脂、空心玻璃微珠以适当比例混合，采用真空浇注工艺制备三组分固体浮力材料，并可通过调节中空微球与玻璃微珠添加量，制备出一系列浮力材料，其密度为0.29 g/cm3～0.60 g/cm3，抗压强度为8.27 MPa～39.41 MPa，吸水率<2%。该项目产品已经顺利完成产业化试制，如图5所示。经API认证权威机构的检测，其各项性能指标均达到国外同类产品水平，可以满足实海的应用要求。

图4 聚合物中空微球

图5 隔水管用浮力材料及其内部图

捆扎带和锁紧装置如图6所示。捆扎带采用环形往复缠绕的方法制作，即整根捆扎带相当于只有一束纤维往复缠绕而成，然后把往复缠绕好的纤维带在环形拉挤成型机上挤出包覆树脂。可以通过控制纤维缠绕的圈数来控制整根带子的强度，也可以使用多层复合的方式把多根捆扎带复合在一起，以提高捆扎带的强度。另外，采用等离子转移弧堆焊在基体钢材表面制备镍基碳化钨涂层，提高锁紧装置的耐腐蚀性能。研究发现，所获得涂层的组织致密，微观缺陷少，且涂层与基体为冶金结合，强度高，能满足深海恶劣环境的使用要求。

图6 捆扎带和锁紧装置

根据隔水管浮力补偿系统优化配置的基本原则，对隔水管的轴向运动性能进行分析，确定隔水管的动态张力，在此基础上给出隔水管系统合理的浮力系数，并通过计算与分析，依据隔水管连接工况的等效应力与悬挂工况的动张力安全余量，得到每根隔水管所需要配置的浮力块数量。最后，反复进行有限元计算、迭代优化，直至得到满足深海石油钻采要求的最佳的浮力补偿系统优化配置方案。隔水管浮力块有限元模型用体单元进行模拟，单元尺寸约为50 mm×50 mm×50 mm，有限元模型如图7、图8所示。

图7 隔水管浮力块有限元模型

图8 隔水管浮力块有限元模型横剖面

4 结论

钻井隔水管系统是海洋石油钻采的重要技术装备，而浮力补偿系统是深水条件下钻井隔水管系统的必备部件。通过深海石油钻采隔水管浮力补偿系统的开发和国产化，可以打破美国、日本、俄罗斯等发达国家的技术垄断，为我国海洋石油开采系统提供拥有自主知识产权，且安全可靠的浮力材料，实现关键材料与技术的国产化，避免了海洋开采关键设备受制于人的局面。

[1] 白勇．深海钻井隔水管的研究与开发[C]．石油天然气用高性能钢技术论坛，北京，2011．

[2] 任克忍，王定亚，周天明，等．海洋石油水下装备现状及发展趋势[J]．石油机械，2008，36(9)：151-153．

[3] 王进全，王定亚．国外海洋钻井隔水管与国产化建议[J]．石油机械，2009，37(9)：147-150．

[4] Burke B G．An Analysis of Marine Risers For Deep Water[J]．Journal of Petroleum Technology,1974,26(4):455-465．

[5] Kim W K．Quasi-Static Analysis of Risers[D]．Department of Mechanical Engineering，Texas A&MUniversity，2008.

[6] 畅元江，陈国明，许亮斌．深水顶部张紧钻井隔水管的非线性静力分析[J]．中国海上油气，2007,19(3)：203-206．

[7] 李中，杨进，曹式敬．深海水域钻井隔水管力学特性[J]．石油钻采工艺，2007，29(1)：19-21．

[8] API RP 16Q，Recommended Practice for Design Selection Operation And Maintenance of MarineDrilling Riser System[S]．Washington DC，USA：American Peroleum Institute，1993．

[9] 陈先，周媛，卢伟.固体浮力材料[M]．北京：化学工业出版社，2011．

[10] 许亮斌，蒋世全，畅元江，等．浮力块对深水钻井隔水管主要性能的影响[J]．中国海上油气，2007，49(5)：338-342．

[11] 许亮斌，蒋世全，姜伟，等．深水钻井隔水管浮力块配置方法研究 [J]．中国海上油气，2009，21(1)：51-54．

Research of Buoyancy Compensation System for Deep-sea Drilling Riser

ZHOU Yun1, WANG Dong-sheng1, REN Xian-gang2, LI Shu-tao3,YIN Yan-sheng1, DONG Li-hua1

(1. School of Ocean Science and Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China;2.China Ship Design & Research Center Co., Ltd, Shanghai 200011, China;3.Equipment and Technical Limited Company, Energy Technical CNOOC, Tianjin 300452, China)

As we know, drilling riser system is a critical component of marine oil drilling, and buoyancy module is an essential for deep-sea drilling riser system. Buoyancy compensation system is a complex systematic engineeringby in- tegrating materials and design calculation. In this paper, the researchwork of buoyancy compensation system related to the scope of solid buoyancy materials, strap solutions and design calculation was presented.The latest research and industrialization prospects of our team in this field were reviewed.

deep-sea oil drilling； drilling riser; buoyancy compensation； solid buoyancy materials； strap solutions

2016-08-04

国家海洋局公益行业科研专项子课题“深海石油钻采隔水管浮力补偿系统开发及产业化”(20140513-2)。

周 云(1981-)，男，博士研究生。

1001-4500(2016)05-0001-05

F416.22

A