摘 要：深水钻井隔水管设计与作业技术是深水钻井最重要的考虑内容之一。为此，针对我国南海深水油气钻井作业的迫切需要，考虑了平台与装备的实际条件，开展了深水钻井隔水管设计与作业技术研究，具体包括隔水管系统配置、排列设计和张紧力、钻井作业窗口、下放／回收作业窗口和悬挂作业窗口等。结果认为，排列设计就要确定隔水管具体的下放列表供现场司钻使用，而张紧力的确定既要满足API规范关于最小张紧力的要求，同时也应更适合于现场作业。算例所用基础数据依托南海某深水钻井平台，依据某井位具体的水深和环境条件，最后给出了隔水管设计与作业技术的具体应用情况，设计方案与作业参数已在南海深水钻井实践中得到成功应用。相关结论可为深水钻井隔水管设计与作业提供参考。
关键词：深水钻井 隔水管设计 系统配置 作业窗口 限制准则 中国南海 深水油气
Design and operation of marine drilling risers：A case history of deepwater drilling in the South China Sea
Abstract：The design and operation of risers are one of the most important items considered in deepwater drilling．To meet the urgent need of deepwater drilling operation in the South China Sea，based on the actual conditions of the drilling platform and equipments，a study was made on the design and operation technology for deepwater drilling risers，specifically including the configuration and arrangement design of a riser system，tensioning force，and operability envelops for the operations such as runninf，hang-off，etc．It is emphasized that a detailed riser run in schedule should be made in the arrangement design and handed over to the on site driller and that the defined tensioning force should not only meet the requirements of the minimal tensioning force in API regulations but be more suitable for field operation．The basic data for computation was acquired from one deepwater drilling platform in the South China Sea．According to the specific water depth and environmental conditions of one well，an example was put forward to illustrate the practical application of the design and operation technology of the riser．The design proposal and operation parameters have been successfully applied to deepwater drilling operation in the South China Sea．This study provides a valuable reference for design and operation of marine drilling risers．
Keywords：deepwater drillin9，riser design，system configuration，operation envelope，limit criteria，South China Sea，deepwater oil and gas
深水钻井隔水管设计与作业技术是海上钻井设计关键问题之一。就隔水管设计来说，须考虑隔水管几何尺寸、管材强度、浮力块位置和尺寸、张力器极限张力、海洋环境载荷和永深等因素。就隔水管作业技术来说，需要依据作业工况，通过作业窗口计算确定不同工况下允许的平台最大偏移和环境载荷极限条件，为深水钻井隔水管的现场作业提供参考[1-2]。
目前，已经有较多文献介绍了南海深水钻井隔水管与井口技术。本文参考文献[3]综述了深水钻井隔水管与井口技术研究进展，指出了南海深水钻井隔水管钻前设计与作业技术应用的关键问题。本文参考文献[4]研究了深水和超深水钻井隔水管设计影响因素，分析了隔水管设计应考虑的问题；本文参考文献[5]研究并提出采用通用组合确定准则和非线性搜索方法研究深水钻井隔水管连接作业窗口，并给出钻井作业窗口的确定流程、方法及其具体应用。本文参考文献[6]研究并提出隔水管悬挂模式作业窗口分析方法，基于隔水管悬挂作业限制准则，进行不同海况条件下的隔水管悬挂窗口研究。本文参考文献[7]研究并提出3种隔水管系统顶张力确定方法，并给出相关方法的具体应用。本文参考文献[8—9]等给出了如何采用有限元分析软件进行深水钻井隔水管分析。
笔者在上述研究成果的基础上，结合我国南海深水钻井作业的需要，依托南海某深水钻井平台和某井位具体的条件，特别是考虑了现场实际作业条件，具体开展了深水钻井隔水管设计与作业技术研究，具体包括隔水管系统配置、排列设计和张紧力、钻井作业窗口、下放／回收作业窗口和悬挂作业窗口等。本文相关结果与结论可为南海深水钻井隔水管分析与设计提供参考。
1 深水钻井隔水管设计
深水钻井隔水管设计主要包括隔水管系统配置、排列设计和张紧力确定等。
1．1 隔水管系统配置与排列设计
参考规范API RP l6Q[10]开展隔水管配长设计，计算过程与方法为：
1)隔水管系统总长度＝水深+钻台距水面高度-分流器顶面至钻台的距离。
2)隔水管附属部件总长度＝分流器长度+上球铰长度+伸缩节(位于中冲程)长度+LMRP／BOP组高度+井口高度。
3)需要的总隔水管单根长度＝隔水管系统总长度一隔水管附属部件总长度。
4)隔水管单根数量＝需要的总隔水管单根长度(或隔水管单根长度)，剩余长度采用短节进行补偿即可。
需要指出，上述只能形成隔水管系统配置而不是形成具有实际指导意义的隔水管下放列表。在确定具体的隔水管下放列表过程中，还要充分考虑浮力单根的浮力等级、现场作业效率和隔水管在堆放区的排列情况，然后对隔水管单根的使用做出取舍。
1．2 隔水管所需张紧力确定
确定隔水管系统所需的张紧力主要有3种方法，分别为API理论算法、基于过提力(隔水管底部总成与防喷器之间的张力)的确定方法和现场作业时参考用的基于下放钩载的张紧力确定方法。
1．2．1API规范推荐方法
根据API RP l6Q规范，张紧力设置是确保隔水管稳定性的条件之一。张紧力的设置要确保即使有部分张力绳失效，也能保证隔水管底部会产生有效张力。最小张紧力(Tmin)按如下公式确定：
式中TSRmin为滑环张力；N为支撑隔水管的张力绳数目；n为出现突然失效的张力绳数目；Rf为用以计算倾角和机械效率的滑环处垂直张力与张力绳设置之间的换算系数，通常为0.90～0.95。
式(1)中滑环张力TSRmin计算公式为：
TSRmin＝Ws¦wt-Bn¦bt+Ai(dmHm-dwHw) (2)
式中Ws为参考点之上的隔水管没水重量；¦wt为没水重量公差系数；Bn为参考点之上的浮力块净浮力；¦bt为因弹性压缩、长期吸水和制造容差引起的浮力损失容差系数；Ai为隔水管内部横截面积；dm为钻井液密度；Hm为至参考点的钻井液柱高度；dw为海水密度；Hw为至参考点的海水柱高度。
1．2．2基于底部残余张力的张紧力确定方法
根据此方法，隔水管张紧力计算必须保证隔水管底部挠性接头处的残余张力等于或大于隔水管底部总成的湿重，以确保恶劣海况条件下启动紧急脱离程序时能够安全提升整个隔水管系统。
隔水管张紧力Ttop计算公式如下：
式中Wriser为隔水管湿重；Wmud为钻井液湿重；RTB为底部残余张力，一般取至少225kN(不包含隔水管底部总成的湿重)[11]。
此外还有现场作业时参考采用的基于下放钩载的张紧力确定方法，具体可见本文参考文献[7]。
2 深水钻井隔水管作业技术
从指导隔水管作业的角度出发，作业技术研究的目的是要确定钻井作业窗口和隔水管下放／回收窗口和隔水管悬挂作业窗口，也就是确定各种作业条件下的容许作业参数和环境条件，为隔水管的安全作业提供参考。深水钻井隔水管作业技术框架如图l所示。
由图l可知，隔水管系统作业技术主要包括管柱排列设计、张紧力、隔水管钻井作业窗口、下放／回收作业窗口、悬挂作业窗口和避台撤离作业窗口等。其中避台撤离作业技术分析是否开展取决于平台定位方式，如果平台采用动力定位，则需要开展研究以确定避台撤离的方向和速度，如果平台采用锚泊定位，则一般不予考虑，具体方法可参考本文参考文献[12]。
2．1 钻井作业窗口
钻井隔水管系统钻井作业窗口分析与确定的目的是明确进行正常钻井作业、连接非钻井作业和解脱作业的环境载荷条件和钻井平台偏移范围，形成相应的绿圈、黄圈和红圈，可为隔水管的连接作业提供指导。
为此，需要首先明确钻井作业窗口的确定准则，参考API RP l6Q规范[10]和相关研究成果[5，11]，确定的钻井作业窗口限制准则见表l。
在明确上述准则的基础上，可采用有限元分析软件建立隔水管—井口—导管整体有限元分析模型，并以钻井平台偏移值、表面海流流速和伸缩节冲程组合参数形式确定隔水管钻井作业窗口。
2．2 隔水管悬挂作业窗口
在恶劣的海况条件下，当环境载荷超过隔水管作业极限时，需要将隔水管从底部断开，使隔水管处于悬挂状态。在悬挂状态时，隔水管可能会出现动态压缩。一旦出现严重的动态压缩，一方面会导致隔水管的局部屈曲失稳，增加隔水管的弯曲应力，另一方面也增加了隔水管上部碰撞月池的风险，于是在设计和使用中应该考虑悬挂状态下隔水管的动态响应。
在计算隔水管悬挂作业窗口时，同样也需要首先明确隔水管悬挂作业窗口的限制准则，参考相关研究成果[6，11]，确定的隔水管悬挂作业窗口限制准则见表2。
然后采用有限元软件建立悬挂隔水管柱轴向与侧向耦合分析动力学模型，通过计算确定容许进行隔水管悬挂的极限海况条件(包括波高和海流流速等)。
2．3 下放／回收作业窗口
在海上钻井过程中，需要将隔水管与LMRP／BOP下放至海底，此过程形成隔水管下放工况；另外，当每口井完钻后，需要将隔水管与LMRP／BOP回收到平台上，此过程形成隔水管回收工况。与前述的隔水管悬挂工况类似，两种工况下唯一不同之处是下放／回收工况下隔水管系统下端除了有LMRP(悬挂工况也有)之外，在LMRP下部还有BOP(悬挂工况没有)。
下放与回收工况在分析模型、分析方法与流程完全相同，其作业窗口的限制准则与上述悬挂作业也相同。为避免隔水管下放／回收模式隔水管顶部在平台升沉运动作用下产生动态压缩，必须针对不同的环境条件进行分析，确定允许进行下放／回收作业的最大环境载荷，从而保证隔水管的作业安全。
3 算例
3．1 基础数据
南海某深水井[11]，水深为492m，依托平台为某深水钻井平台，钻台距水面的高度为26m，吃水深度为20m。设计海况条件为：一年一遇条件下，波高为8.4m，波浪周期为l2.1s；采用近似三角形流剖面，表面流速为l.07m／s，海底流速为0.31m／s。井几抗弯能力为2.7MN·m。
3．2 隔水管排列设计和张紧力
依据前述的隔水管设计技术，针对某深水钻井平台隔水管配备情况，参考API RP l6Q规范[10]设计出的隔水管系统见表3。
根据上述隔水管系统配置可以很方便形成隔水管下放列表，用以指导现场作业。
根据上述隔水管系统配置，可以采用3种方法计算该隔水管系统所需的张紧力，基于API理论算法得到隔水管系统所需的最小张紧力为908kN，基于底部残余张力法确定的张紧力为l460kN，基于下放钩载法确定的张紧力为l755kN。考虑到API理论算法得到的仅为最小张紧力，而基于下放钩载法确定的张紧力会导致底部残余张力过大，最终推荐采用基于底部残余张力法确定的张紧力，设计结果为l460kN。
3．3 作业窗口计算与分析
3．3．1钻井作业窗口
根据底部残余张力法确定的l460kN张紧力，针对表3给出的隔水管系统配置并形成详细的下放列表，采用前述的海洋环境条件，通过有限元计算得到钻井作业窗口(图2)。
图2中横轴与纵轴确定了可进行各种作业模式的极限钻井船偏移和表面海流流速。绿色区域内可进行正常钻井作业，当钻井船偏移和表面海流流速参数达到黄色报警线时，需要停止钻井并进行解脱准备，此时隔水管处于连接非钻井模式；当钻井船偏移和表面海流流速参数达到红色报警线时，需要启动解脱程序；当钻井船偏移和表面海流流速参数达到最外围的白色区域时，解脱作业应当已经完成，隔水管处于悬挂模式(自存状态)。图2中，绿圈与黄圈的外围边界均是由于上球铰和下部挠性接头转角的限制，而红圈的外围边界主要是受低压井口抗弯能力的限制。
3．3．2悬挂作业窗口
隔水管悬挂作业窗口如图3所示(具体数据略)。图3中绿色部分为允许悬挂作业区域，红色区域为不允许在当前配置下进行硬悬挂作业的区域。
由图3可知，隔水管悬挂模式下，隔水管作业窗口主要受隔水管应力、动态张力放大(悬挂装置过载)与隔水管压缩等因素的影响。相对该井作业海域具体的海况数据，海流和波浪载荷对硬悬挂作业影响显著，随着海流增大隔水管允许悬挂作业的最大波高不断减小。
3．3．3下放／回收作业窗口
隔水管下放／回收作业窗口的确定是在获得作业海域详细环境条件的基础上，进行不同工况组合下下放／回收隔水管的悬挂有限元分析，根据下放／回收作业限制准则判断是否能够进行下放／回收作业，允许作业的工况组合起来即为隔水管的下放／回收作业窗口。
隔水管的下放／回收作业窗口如图4所示(具体数据略)。图4中绿色部分为允许作业区域，红色区域为不允许在该配置下进行下放／回收的环境条件。
由图4可知，隔水管下放／回收作业窗口对海流极为敏感，随着波高的增大允许作业的最大海流迅速减小，根据计算结果显示限制作业的主要因素为隔水管最大等效应力，这是由于隔水管下放过程中上球铰安装之前，隔水管顶部约束被简化为固定端，高速海流作用于隔水管使其顶部产生很大弯矩，在隔水管顶部造成大应力，导致隔水管顶部等效应力超出限制。此外，在所有计算工况下，隔水管有效张力与月池位移均未超出限制，等效应力是限制隔水管下放／回收作业的最重要因素。
此外，由于该平台采用锚泊定位，不再考虑避台撤离作业窗口。
4 结论与展望
1)深水钻井隔水管设计主要包括隔水管系统配置、排列设计和张紧力确定。隔水管系统配置主要确定隔水管系统各个部件的长度、单根数量和短节长度等。排列设计就要确定隔水管具体的下放列表供现场司钻使用，而张紧力的确定既要满足API规范关于最小张紧力的要求同时也应更适合于现场作业。
2)隔水管作业技术研究主要是依据设计得到的管柱排列和张紧力，结合给定海域的海况条件和依托平台的具体情况，同时也要考虑井口、导管参数以及土壤条件，确定隔水管钻井作业窗口、下放／回收作业窗口和硬悬挂作业窗口，确定各个窗口对应的极限作业参数与极限环境条件，保证隔水管作业的安全性。
3)对于悬挂作业窗口，本文仅仅考虑回收一部分隔水管后采用卡盘与万向节支撑剩余管柱重量的作业窗口，即硬悬挂的作业窗口，虽然可行但相对保守。后续将进一步研究软悬挂作业窗口，并研究硬悬挂条件下万向节的铰支作用对于悬挂作业窗口的影响。
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本文作者：畅元江 段梦兰
作者单位：中国石油大学(北京)石油工程学院
中国石油大学(北京)海洋油气研究中心
中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心
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