钻井隔水管涡激振动监测装置海上试验*

盛磊祥 许亮斌 金学义 刘正礼 田 波

(1. 中海油研究总院有限责任公司 北京 100028； 2. 中海油田服务股份有限公司 河北燕郊 101149；3. 中海石油深海开发有限公司 广东深圳 518067)

钻井隔水管是海底井口与钻井船的重要连接设备，钻井隔水管的状态将直接影响钻井作业时效，当其转角、伸缩节冲程、应力等超过安全作业允许的临界值时，隔水管必须停止作业，进而影响了钻井时效[1-3]。然而，实际钻井作业对隔水管的直接或间接监测却较少，通常情况下钻井隔水管仅配置了挠性接头转角监测的功能，缺乏对波流引起振动和隔水管应力等关键作业参数的监测。涡激振动引起的疲劳损伤和应力超标是影响深水钻井隔水管作业的重要因素：一方面隔水管长期的涡激振动会引起隔水管结构的应力循环，产生疲劳损伤；另一方面频率锁定产生的涡激振动可能产生较大的应力值，一旦超过屈服应力，将引起隔水管结构的屈服破坏。

一般在进行深水钻井作业之前，需要针对目标海域开展钻井隔水管系统设计和作业窗口设计[4]，并开展相应的涡激振动研究。现有设计方法多以恒定海流剖面为环境条件，假设隔水管受到恒定海流引起的涡激振动，由于实际海流的大小、方向在隔水管作业期间会发生变化，因而实际作业海流涡激振动引起的隔水管损伤与设计阶段存在一定的差异。隔水管涡激振动监测装置大多采用离线监测方案，即不将监测数据实时传输回平台并进行计算，而是在隔水管回收之后进行数据读取和分析，以评估涡激振动对隔水管的疲劳损伤。这种方案无法对数据做出在线反馈及实时预测评估。因此，本文分析了隔水管涡激振动监测的技术原理，采用新研制的无线声呐传输涡激振动在线监测系统，对南海X-1井(作业水深1 363 m)钻井隔水管开展了涡激振动监测，并根据其实测数据分析了涡激振动引起的动态载荷响应，以评估隔水管的作业安全性。深水钻井隔水管的实时涡激振动监测，对深水钻井作业期间隔水管系统的安全保障具有重要意义。

1 隔水管涡激振动监测的技术原理

涡激振动是海流绕流结构引起的漩涡泄放频率和隔水管系统固有频率共同作用的结果，本质上是一种结构振动，可通过加速度监测装置进行监测。因此，监测系统工作制度的设置需参考涡激的泄放频率和隔水管系统固有频率。

1) 漩涡泄放频率。

海流绕流产生的漩涡泄放频率可表达为

(1)

式(1)中：fSt为隔水管漩涡泄放频率，Hz；St为斯特劳哈数，无量纲，一般取值0.2；U为海流的来流速度，m/s；D为隔水管迎流面直径，m。

(2)

(3)

式(2)、(3)中：fmin和fmax分别为漩涡泄放的最小和最大频率，Hz；Umin和Umax分别为海流剖面的最小与最大来流速度，m/s。若隔水管结构某阶固有频率处于最小和最大泄放频率范围内，则认为该模态被激励参与引起涡激振动。

为了确保适应更广的海流条件，根据式(2)、(3)按照5年一遇的环境条件(表1)，计算得到的最小和最大漩涡泄放频率分别为0.05 Hz和0.2 Hz。

表1 南海X-1井海域5年一遇的海流剖面[4]Table 1 Current profile of Well X-1 block occurred once in five years in South China Sea[4]

2) 隔水管结构固有频率。

对于底部由球铰约束、顶部受张力作用的钻井隔水管，其力学模型为顶张力简支梁模型，相应的隔水管的n阶角速度ωn表示为[1]

(4)

fn=2π/ωn

(5)

式(4)、(5)中：T为张力，N；E为弹性模量，MPa；I为截面惯性矩，m4;m为单位长度质量，kg/m；ωn为角速度，rad/s；L为隔水管长度，m；fn为隔水管结构的n阶固有频率，Hz；n为模态阶次；z为隔水管轴向坐标距离，m。

3) 监测系统采样频率的设置。

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在5年一遇的海流条件下，根据参与涡激振动的模态阶次的判断方法：如果fn

为了尽可能捕捉到所有可能参与涡激振动的模态范围，采样频率应设置为大于隔水管结构固有频率和漩涡泄放频率中的最大值，采样时间应设置为大于隔水管结构固有频率和漩涡泄放频率中最小值的倒数，这样即可保证采样数据能够涵盖所有可能参与涡激振动的模态数据。因此，对于南海X-1井钻井隔水管，最终推荐的隔水管涡激振动监测装置采样频率为5 Hz，采样周期为120 s，作业期间内每间隔1 h进行1个采样周期内监测数据的回传。

2 隔水管涡激振动监测装置工作原理及安装

隔水管涡激振动监测系统装置包括3部分，即水下的监测装置、近水面的声呐信号接收装置和地面数据显示装置。其主要设计原理为：首先通过振动传感器采集隔水管的加速度信息，通过数字信号处理器或单片机处理、编码、调制和功率放大，将模拟信号转化为数字信号，利用水下发射换能器周期性发射声呐载波信号，将采集到的振动信息传递给地面接收换能器，再通过对数字信号的解调、解码反演出振动加速度及其傅里叶变换，最终得到振动频率和周期。

为了便于现场安装，该装置将振动传感器、后处理电路、电池封装在一起，加速度传感器主要采集隔水管的振动信息，处理电路主要将采集到的模拟信号转化为数字信号，滤掉低频干扰振动信息，形成声呐载波信号回传，为了简化长距离的供电造成的安装复杂，在监测装置内部集成了电池系统用于供电。

在南海X-1井的钻井期间，隔水管2个涡激振动监测装置分别安装在靠近井口(水深约1 300 m)和水面以下约60 m的位置，这样既可降低井口振动对水下井口和导管的风险，又可得到相对稳定的数据，避免落在振型零点[2-3]。监测装置对安装空间的需求不大于隔水管护板的包络范围，因此可以考虑采用离线安装，即在隔水管存放区安装，从而最大程度地避免了对钻井作业的影响。

3 隔水管监测系统海上试验及涡激振动分析

3.1 涡激振动的监测与识别

根据涡激振动理论，只要海流绕流的漩涡泄放频率接近隔水管结构的某一阶固有频率，则一定会发生涡激振动，但实际监测结果却表明涡激振动并不存在于整个作业过程。主要原因在于实际波流的大小和方向有可能发生变化，涡激振动只发生在部分海流相对稳定的时间段内。例如，BP公司于2008年在墨西哥湾进行了9口井(作业深度300～2 000 m)的钻井隔水管监测[5-6]，结果表明在其中7口井监测到了隔水管的涡激振动，涡激振动实际发生的概率仅为2%～26%(图1)。南海X-1井钻井期间的涡激振动监测结果如图2所示。发生涡激振动时(图2a)，隔水管结构振动频率出现了 3个窄频峰值，通常认为窄频峰值为涡激振动发生的标志[6-7]；而未发生涡激振动时(图2b)，隔水管结构振动频率分布广泛，没有明显的峰值，这种宽频带振动通常被认为是波浪运动和平台运动引起的隔水管随机振动。

图1 2008年BP公司在墨西哥湾监测到的钻井隔水管发生涡激振动的概率分布Fig .1 VIV probability according to BP monitor experiment of drilling risers in Mexico Gulf in 2008

图2 南海X-1井钻井期间实测隔水管涡激振动频谱图Fig .2 Measurdd frequency domain figure of monitor riser VIV of Well X-1 in South China Sea

因此在评估涡激振动产生的疲劳损伤时，须结合实际监测到的涡激振动进行分析，避免参考设计工况导致的评估结果过于保守。

3.2 涡激振动导致的隔水管应力计算

隔水管结构应力可表达为

(6)

其中

(7)

式(6)、(7)中：σ为隔水管结构应力，MPa；M为隔水管结构的弯矩，MN·m；系数An=αD，α为隔水管结构涡激振动最大响应振幅与隔水管外径的比值，一般取1.5；Yn为位置z的横向位移，m；d为隔水管结构应力外径，m。

按照简化常张力梁的处理方法，式(7)可表示为

(8)

式(8)中：L为隔水管长度，m。

将式(8)代入式(6)，得到结构应力的分布为

(9)

则隔水管结构应力的最大范围可表达为

(10)

式(10)中:σRmax为隔水管结构的最大应力幅范围，MPa。

根据式(6)～(10)，可得不同激励模态阶次条件下的隔水管结构最大应力，如图3所示。根据API 16Q对钻井作业的要求[8]，当最大应力超过隔水管材料的最大屈服应力σmax(一般情况下取值551 MPa)的67%时，应停止钻井作业；当最大应力超过σmax的80%时，应停止钻井作业并准备解脱隔水管；当最大应力超过σmax时，应完成解脱隔水管。因此，如果南海X-1井的隔水管监测中出现了振动频率超过18阶模态的频率，则其最大应力将超过67%σmax，此时的钻井作业须要对安全性保持密切关注。

图3 涡激振动激励模态阶数与隔水管最大应力的关系Fig .3 Relationship between VIV mode order with max stress of drilling riser

分析式(10)可知，涡激振动引起的隔水管结构最大应力计算的关键，依然是确定隔水管振动模态的最高阶数n。通常情况下，在设计阶段如果没有实际监测数据，可以通过作业期间可能出现的最大流速计算漩涡最大泄放频率fmax与隔水管的各阶固有频率，确定n的取值[9-11]。

南海X-1井现场实测获得的隔水管振动频率范围为0.019～0.234 Hz，对比隔水管结构1～15阶模态的固有频率，发现隔水管结构的14、15阶固有频率分别为0.227、0.246 Hz，满足0.227<0.234<(0.227+0.246)/2。因此，根据实测数据确定的参与涡激振动的模态最高为14阶，即f14= 0.227 Hz。对比图3可知，在隔水管的实际作业过程中，其最大应力水平大于设计值。

4 结论

1) 隔水管涡激振动的监测可通过对其振动加速度的监测实现。涡激振动发生时，隔水管涡激振动的频谱图具有明显的锁频特征。该特征可为涡激振动产生的疲劳损伤评估提供参考，避免设计工况导致的评估结果过于保守。

2) 隔水管涡激振动监测数据表明，涡激振动并不是持续作用的，因此在隔水管作业期间应安装涡激振动监测装置，并根据实际监测数据和可能出现的最大流速，确定参与涡激振动的模态最高阶，再进行隔水管涡激振动的安全评估。