海上油气井服役过程中隔水导管旋转原因分析

杨进

中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院

近年来，部分海上油气田出现钻井隔水导管以及井口发生旋转的现象，旋转幅度有时会很大，如东海某生产井，井口1天可以旋转30°。井口发生大幅度旋转会对采油树、井口管汇以及油气生产带来严重的安全隐患和作业风险，如果不对旋转加以约束，可能导致井口管汇的变形或者断裂、隔水导管的剪切破坏、隔水导管的密封性能降低等作业风险。目前国内对隔水导管和井口发生旋转的研究较少，因此，对海上生产井隔水导管和井口进行受力分析，找出隔水导管和井口发生旋转的原因，评估旋转风险，可以为现场生产、隔水导管的加工设计、井口的加工设计提供科学的理论指导。

1 海上油气井井口受力模型

海上油气井井筒和井口在生产过程中，受到的载荷主要包括自重、顶部载荷、风载、海流载荷、海浪载荷等。在实际导管架平台中，沿隔水导管长度一定位置处安装导向孔来保证隔水导管的横向稳定性。对于导向孔，在计算中采用以下假设处理：导向孔为固定构件，为隔水导管提供稳定的横向支撑。以东海某油气田为例，导向孔的几何位置分别为：水下-15.5 m、水下-37.5 m、底层甲板、海平面。

根据上述分析，海上单井井筒及井口力学模型如图1所示。

图1 海上单井井筒及井口力学模型Fig.1 Mechanical model for borehole and well of single offshore well

海上油气井的隔水导管在海流环境载荷的作用下，会产生扭矩，具有旋转的趋势。隔水导管上的防转销钉可以阻止隔水导管发生旋转。如果环境载荷引起的扭矩过大，使得作用在隔水导管防转销钉上的载荷大于其极限值，海上油气井的隔水导管会发生较大幅度的旋转，进而使得井口发生旋转，给油气井生产带来严重的安全隐患和作业风险。

2 隔水导管在海流作用下旋转受力分析

海流作用在柱体上的作用力可以分为与来流方向一致的力，以及和来流方向垂直的力。由于作用在隔水导管上的海流并不是随水深均匀分布，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，隔水导管可能会受到横向扭矩的作用而发生旋转，如图2所示。

图2 隔水导管受到的海流力Fig.2 Ocean current force applied on the riser

隔水导管在受到不均匀的海流载荷作用时，其受到的扭矩大小为

式中，M为隔水导管横截面受到的扭矩，N·m；F1、F2、F3、F4分别为海流力在互相垂直的方向上的分量，N；R为隔水导管半径，m。

为了提高平台空间利用率，海上生产平台的井口布置非常紧密，如图3所示。

图3 海上生产井的井位布置示意图Fig.3 Schematic well location arrangement of offshore production wells

平台上生产井之间的间距较小，最小为1.5 m×1.8 m。在遇到同样的海洋环境载荷时，井的位置不同，受到的环境载荷不同。在同样的海洋环境载荷的冲击下，处在外侧的生产井会对海洋环境载荷起到削弱抵抗的作用，处在内侧的生产井受到的载荷并没有外侧生产井受到的大，再加上海流的大小随时间以及海水深度的变化而变化，因此在同一时间，处在同样海况条件下的生产井，所受到的环境载荷不同，即生产井隔水导管受到的扭矩不同，因此在同一生产平台，并不是所有生产井都发生旋转。

海上生产井隔水导管受到海流载荷的影响，由于隔水导管两侧海流存在差异性，进而会产生导致隔水导管旋转的扭矩。由于隔水导管底部受到海底的约束，隔水导管管体在不同深度处受到扶正孔、销钉的约束，因此隔水管管体一般不会发生旋转。如果扭矩过大，生产井隔水导管会发生旋转，如果销钉被扭矩剪切破坏，旋转幅度就会很大。

3 海生物附着隔水导管条件下旋转受力分析

海上生产平台在服役过程中，大量海生物会附着在生产井隔水导管表面。海生物的附着会降低平台抵抗环境载荷的能力。在水温23 ℃左右的热带、亚热带海域内，牡蛎和藤壶在结构物表面的附着速度14～20 d可以达到10 mm。对于海上生产井来说，海生物的附着，会加大生产井隔水管的外径。在同样的海况条件下，隔水管受到的海流力相同，由于管径增加，扭矩会更大，防转销钉受到的剪切力会大大增加，这就大大增加了隔水导管发生旋转的风险。

4 案例分析

为了定量分析不同附着情况、不同海况条件下，海上生产井抵抗海洋环境荷载引起的扭矩的能力，根据已建立的某生产平台有限元模型和环境资料进行计算分析。

该算例生产平台水深为88 m，经统计得知其所在海域内重现期为1年、20年、50年的环境载荷数据，如表1所示。

表1 环境载荷Table 1 Environmental load

以Ø762 mm海上油气井隔水导管有限元模型为例，加载50年一遇的环境载荷数值，考虑扶正孔、扶正块对隔水导管侧向摩阻力的作用，得出其随深度变化的剪力值，如图4所示。

图4 隔水导管随深度变化的剪力值Fig.4 Shear stress of riser with the variation of depth

Ø762 mm生产井隔水导管在50年一遇的环境载荷作用下，最大的剪力为38 521 N，在最大扭力下，销钉的剪切应力为

式中，τ为隔水导管防转销钉横截面受到的剪切应力，MPa；F为隔水导管防转销钉横截面受到的剪力，MN；A为防转销钉横截面积，m2。

Ø762 mm隔水导管在50年一遇的海况条件下，防转销钉剪切应力小于销钉的剪切许用应力151 MPa，因此不考虑海生物影响条件下隔水导管连接处的销钉会发生剪切破坏。

根据已建立的有限元模型和收集到的环境载荷，对Ø508 mm、Ø609.6 mm、Ø660.4 mm和Ø762 mm的生产井隔水导管进行销钉剪切应力的计算，计算结果如图5所示。

图5 不同尺寸隔水导管销钉随海况变化的剪切应力值Fig.5 Shear stress of riser pin of different sizes with the variation of sea conditions

分别对1年、20年、50年一遇的海况进行了计算，由计算结果可知，Ø762 mm、Ø660.4 mm、Ø609.6 mm隔水导管的销钉在正常海况条件下比较安全，不会发生剪切断裂。Ø508 mm隔水导管销钉在50年一遇的海况条件下，会发生剪切断裂。建议采用许用剪切强度较高的销钉进行固定。

为考虑在海生物附着情况下，生产井隔水导管旋转趋势的增加，根据已建有限元模型和收集到的环境载荷，对海生物不同附着厚度的生产井隔水导管进行扭矩计算，其中海生物附着厚度按照隔水导管增加的厚度百分率来处理。计算结果如图6所示。

图6 不同海生物附着程度的隔水导管扭矩变化Fig.6 Variation of the torque of the riser with different attachment degrees of marine organism

由图6可知，随海生物附着程度增加，生产井隔水导管在同样的海洋环境载荷下，受到的扭矩会越来越大，会导致生产井隔水导管旋转，甚至使隔水导管连接处的销钉发生剪切破坏。

5 结论

（1）海上油气井的隔水导管在海流环境载荷作用下会产生扭矩，具有发生井口旋转的趋势。隔水导管上的销钉可以阻止隔水导管发生旋转。如果环境载荷引起的扭矩过大，使得作用在隔水导管销钉上的载荷大于其极限值，隔水导管会发生较大幅度的旋转，进而使得井口发生旋转，给油气井生产带来安全隐患。

（2）在同样的海洋环境载荷冲击下，处在外侧的生产井会对海洋环境载荷起到削弱抵抗作用，再加上海流的大小随时间以及海水深度的变化而变化，因此在同一时间处在同样海况条件下不同位置的生产井，所受到的环境载荷不同，在同一个生产平台上，并不是所有生产井都发生旋转。

（3）随海生物附着程度增加，生产井隔水导管在同样的海洋环境载荷下，受到的扭矩会越来越大，如果不抑制海生物的附着，扭矩的增加会导致生产井隔水导管旋转。

（4）可以通过增加销钉的数量和使用高剪切强度的销钉，来防止隔水导管的旋转，并且可通过抑制海生物的附着来减小隔水导管的扭矩。