深水钻井隔水管系统设计的选型配置

刘双莹，孙明远(广州海洋地质调查局，广东 广州 510075)

0 引言

海洋钻井隔水管作为一个完整的系统，单个设备组件的设计和选择应匹配该系统的总体性能。一般而言，海上钻井隔水管系统包括张紧系统以及上部挠性接头与下部挠性之间的所有设备，是井眼从防喷器(BOP)组至钻井船的延伸(如图1)。

图1 海上隔水管系统及其配套设备

隔水管系统主要功能如下：(1)提供井与钻井船之间的液体传递；(2)提供节流、压井及辅助管线的支撑；(3)把各种钻井工具导入井内；(4)用于下放和回收防喷器组。

1 系统设计选型限制因素的考量

1.1 重量控制

由于水深的大幅增加，深水钻井隔水管的甲板重量和存储要求是常规隔水管的几倍。这些隔水管的较大甲板重量及空间要求及其总体成本经常占据可变甲板负荷及钻井平台(船)成本的相当大比重。因此，在深水隔水管的设计和制造过程中，应采用成本和重量控制方案。

1.2 存储和连接问题

隔水管的送入或回收可能作业多日，还要考虑恶劣环境如台风，洋流因素的挑战。钻井平台(船)上应配备把隔水管单根从存储区移出并有效、高效地移至钻台的设备。要在最短的时间内送入或回收深水隔水管，现代深水钻井船应采用较长的单根并使用自动装卸系统。由于起下防喷器从而进行维护/修理所需的时间是一项非常重要的经济因素，所以在选择联轴器(隔水管公、母接头)时，组接、测试和脱开隔水管联轴器所用的时间至关重要[1]。

1.3 隔水管挤毁因素

当隔水管正常作业时，如果发生如井漏等意外情况，井筒内钻井液排空，会产生内外压差，导致隔水管的挤毁。为了防止此种情况的发生，需配置隔水管自动灌注阀平衡隔水管内外部压差，隔水管灌注阀的使用可有效提升隔水管系统的可靠性，保证海洋隔水管系统的安全运行[2]。

2 主要设备部件的功能和选择

2.1 隔水管张紧系统

浮式钻井平台(船)因风、海浪和海流的影响产生纵向、横向位移时，隔水管张紧系统施加在隔水管顶部的垂直张力，能够为隔水管提供近乎恒定的轴向张力，从而补偿和控制平台相对于隔水管因漂浮产生的应力和位移[3]。

在对张紧系统设计时需要考虑的一些重要因素包括：(1)导向轮倾角。应安装钢丝绳导向轮，减小钢丝绳相对于隔水管柱的倾角。这样可以增加张紧器的垂直分力，减小水平分力，提高钢丝绳的使用寿命。(2)储能瓶和气瓶。每个张紧单元均应配备液压油存储容量大于气缸容量的储能瓶。大型气瓶可以降低因张紧器来回冲击时存储空气的压缩和膨胀导致的压力变化。(3)张紧器气液要求。合适尺寸的绳索会减少因管路系统压力损失导致的张力变化。张紧器制造商还应根据设计和功能调试提供与之相匹配的液压油。(4)摩擦和惯性损失。钢丝绳、滑轮、张紧杆和活塞的密封、滑动摩擦及惯性都会对钢丝绳的张力变化产生直接影响。(5)动态张紧限制(DTL)。首先应根据制造商确定张紧器的级别。本文中动态张力限制确定为最大允许压力乘以有效液压面积再除以绳索段数所得的值：

式中：PA为最大允许系统操作压力；ACYL为有效液压面积；NLP为绳索段数。

隔水管系统装置的所有组件(包括管路)均应按照最大允许工作压力设计。张力系统的设计应允许其中一个设备暂时停用接受维护或维修，而不会危害其他张力设备继续为海上钻井隔水管提供所需的张力。根据特定设计，该设备可以是一个张力器，也可以是一对张力器。

(6)最大张力设定值。最大张力设定值不得超过DTL的90%，这样，最大张力(包括动态变化)将小于DTL。

2.2 伸缩节

伸缩节的主要功能是补偿钻井平台(船)与隔水管柱之间的相对垂直运动。伸缩节分为外筒和内筒，外筒与隔水管柱连接海底井口头，内筒与船体相连，通过张紧环的配合能够把张紧系统的负荷传递至隔水管的外筒。选择伸缩接头时，应考虑和评价以下基本项目：(1)强度。无论是在回收位置上还是在伸出位置上，伸缩节均应能够支撑隔水管和BOP组的重量。还应考虑到伸缩节上的动载荷。(2)冲程长度。伸缩节最大冲程长度应考虑到定位失败情况下预期升沉、船舶偏移、潮汐变化及最大预测船舶漂移量。(3)盘根密封元件。该元件用于内筒外侧与外筒内侧之间的密封。一般情况下，伸缩节至少有两组盘根密封，当其中一个密封元件失效时，可立即启用另一个元件，从而保证钻井液与外界保持封隔，而无需为抢修伸缩节盘根停止钻井作业。(4)装卸和存储。与标准隔水管单根相比，伸缩节一般设计较长、较重，因此，需要考虑特殊的装卸和存储要求。

2.3 隔水管单根

隔水管单根的主管是大直径、高强度无缝或电焊管，两端各焊有一个联轴器(公接头、母接头)。联轴器处有抬肩可悬挂在隔水管卡盘上，能够支撑海上隔水管和BOP组的负荷件(静态和动态)，还可以为节流、压井和辅助管线提供支撑，并为浮力设备提供负荷反作用。

在选择、设计或确定隔水管单根时，应考虑到以下事项：

(1)隔水管主管应具有足够的强度，能够经受来自波浪、海流、施加的张力、钻机运动以及钻井液重量等的综合负荷[4]。此外，还应考虑塌陷压力和装卸载荷。主管的强度特征由其直径、壁厚、钢级决定。隔水管一般采用的钢级是X-52、X-65和X-80，其中数字代表各钢级的最小屈服强度(ksi)。

(2)短节。短节是指小于隔水管单根总长的隔水管单根。为了适应隔水管的加长，应准备各种长度的短节。

(3)隔水管联轴器。接头作为隔水管中的关键部件，API中明确隔水管的等级按照隔水管的额定载荷能力划分，也就是隔水管的最大静态抗拉能力，该拉力由其中最薄弱的结构确定。在大多数情况下，最薄弱的结构是隔水管之间的连接的接头部位。

隔水管联轴器应依据以下内容选择：载荷等级、应力放大系数(抗疲劳性)、可靠性、连接速度、维护要求。

2.4 隔水管送入设备

隔水管和分流器装卸工具用于提升和下放隔水管和防喷器组。在起下隔水管和防喷器组时，隔水管卡盘总成为隔水管和防喷器提供支撑。

(1)装卸工具。送入和收回隔水管的过程中，隔水管装卸工具组接在隔水管的顶部。顶部连接件是一段较短的管子，由提升设备予以支撑。另一种重要工具是分流器装卸工具，它可用于在把防喷器组放置到井口前承载整个隔水管系统的负荷。如果采用分流器装卸工具支撑整体隔水管和防喷器组，则该工具应达到与隔水管装卸工具相同的标准。

(2)隔水管卡盘总成。隔水管卡盘总成包括卡盘和万向节，基本功能是为隔水管和防喷器组提供支撑。万向节的主要组成部件是橡胶支撑元件，用于缓冲隔水管支撑肩上的冲击负荷。

(3)导向钢丝绳。导向钢丝绳用于把防喷器及隔水管等其他水下设备导引至海底指定装置上。通常在浮式钻井平台(船)安装有四条导向钢丝绳，从临时导向基座延伸至钻井平台，在钻井平台上，每条导向绳分别由一个导向绳张紧装置(与隔水管张紧器相似)施加拉伸张力。一般情况下，导向绳接系点距井眼中心182.88 cm，构成了一个边长约259.08 cm的正方形。

(4)选择标准。应根据以下因素对隔水管送入设备进行选择、评定和检测：设计最大静态载荷；船舶运动、波浪和海流导致的动态负荷；隔水管送入作业过程中的弯曲负荷；冲击载荷。

3 结语

隔水管系统的设计从评估预期作业条件和工程分析开始，确定拉伸、弯曲和组合应力(最大值和平均值)等参数、浮力要求、顶部张力要求、船舶RAO(响应幅度值)等。影响隔水管系统设计的其他因素还包括隔水管长度(水深)、尺寸要求(内径、壁厚等)、内压等级、节流/压井及辅助管线要求、接成方法、存储和装卸条件、作业经济性等。一经确定，这些隔水管系统设计标准应准许选用适用的隔水管组件。