深水钢悬链线立管安装回接技术国内外现状

介绍国外近年若干典型钢悬链线立管安装项目,着重介绍这些项目中应用到的新技术、新工艺。根据国内当前钢悬链线立管安装回接技术研究,论述国内钢悬链线立管安装回接方法、方案、设备、计算分析等方面的研究现状。基于国内钢悬链线立管安装回接技术研究现状和工程应用需求,提出几点可开展的工作。     

深水半潜式平台内悬挂钢悬链线立管提升过程模拟

对悬挂于半潜式生产平台内侧的钢悬链线立管(Steel Catenary Riser, SCR)的安装过程进行研究，给出对应的SCR张力转移、提升和横向牵引就位方案。采用数值方法对上述过程进行模拟分析，分空管和注水两种工况给出SCR顶部张力、平台缆绳与旁通最小净距和立管顶部倾角结果，以进一步验证所提出安装方案的可行性，同时给出对应的立管提升系统的最大张力需求基准。基于研究成果完成的立管提升方案应用于超深水油气田项目“深海一号”,进一步验证所提出方案的可行性。     

基于工作应力准则的深水钢悬链立管最小壁厚计算分析

基于工作应力准则,以具体的油外输深水钢悬链立管（SCR）参数为研究对象,进行了深水SCR立管最小壁厚的计算,探讨了水深和顶部悬挂角对深水立管最小壁厚的影响,对于深水钢悬链立管实际工程设计具有重要的参考作用。     

深水钢悬链线式输油立管波致疲劳损伤频域分析

波致疲劳损伤是深水钢悬链线式输油立管(SCR)设计主要考虑的因素之一.采用频域谱分析方法进行立管波致疲劳损伤分析.对某海域发生概率最大的东北方向波浪引起的SCR疲劳损伤进行了分析,并对立管壁厚、内部流体和海底刚度等参数进行了疲劳敏感性分析,结果表明:在立管柔性接头处和触地点处的疲劳损伤较大;在触地点以上区域立管壁厚越小...     

深水钢悬链线立管波致疲劳预报时频方法对比

波致疲劳损伤是深水钢悬链线立管(SCR)疲劳损伤的重要组成部分。分别采用时域和频域的方法对中国南海海域风暴海况引起的SCR波致疲劳损伤进行了预报,分析了时域方法和频域方法得到的平台运动响应和立管动力响应的差异,对疲劳损伤风险位置及损伤极值等预报结果进行了对比。结果表明:时域方法与频域方法计算耗时差距巨大,采用频域方法得到的损伤风险位置滞后,且与时域方法相比,对立管的波致疲劳损伤进行了放大,在数量级上保持一致。通过上述结果分析,评估两种方法在深水钢悬链线立管波致疲劳预报中的适用性。     

钢悬链线立管S形铺设极限水深

针对南海某气田铺管船正常铺设钢悬链线立管(Steel Catenary Riser, SCR)的作业,基于OrcaFlex数值模拟对立管进行总体动态分析,确定立管可安全作业的阈值环境条件。研究波浪方向、海流速度、立管外径、壁厚等对立管正常铺设作业窗口的影响,进一步分析不同外径、壁厚立管在不同水深下的适用性,确定立管极限安装水深。研究表明,立管作业窗口对浪向较敏感,在随浪条件下进行铺管作业更安全。随着立管外径、壁厚、表面流速增大,波高-周期作业窗口减小,极限铺设水深减小。     

深水钢悬链线立管全尺寸共振弯曲疲劳试验设计参数的确定

钢悬链线立管作为深海海洋石油连接浮式生产装置与海底生产系统的关键装备,由于海流运动、涡激振动及波浪涌动,长期承受垂直张力及交变应力的作用,可能导致疲劳失效。为了避免此类情况的出现,需对钢悬链线立管进行焊缝疲劳试验,预估其疲劳寿命。通过对钢悬链线立管全尺寸共振疲劳试验分析,其设计参数主要包括试样长度和固有频率、焊缝位置,焊缝数量、应变控制等。建立数值解析求解方法和模态分析法组合法,确定试样长度和试样一阶固有频率,为深水钢悬链线立管共振弯曲疲劳试验提供理论基础。焊缝数量和焊缝位置需考虑焊接热影响区和焊缝应力集中区域大小的影响,建议在立管试样上设置2个对焊接头进行评价,控制应变应以焊缝位置的应变为控制基准。通过分析钢悬链线立管全尺寸共振疲劳试验设计参数,为促进钢悬链线立管的国产化提供技术支撑。     

钢悬链线立管泄漏对“深海一号”能源站的风险评估

针对水下接入的2根外径为323.9 mm生产立管,定量评估布置在“深海一号”能源站东侧浮箱与西侧浮箱两种不同方案对生活楼的安全风险。结果表明,钢悬链线立管悬挂在能源站西侧浮箱对生活楼造成的火灾风险显著小于布置于东侧浮箱方案,但2种布置方案均满足可接受的风险标准。“深海一号”能源站采用高等级安全策略,将外径为323.9 mm钢悬链线立管悬挂在能源站西侧浮箱,在生活楼设置H60防爆墙,并综合采用泄漏报警系统、生产压力异常报警关断系统、流动安全管理系统和安全消防系统等,保障国内首个深水自营大气田的安全。相关实践结果可为南海其他深水开发项目油气立管系统布置设计和风险评估提供参考。     

我国超深水半潜平台钢悬链立管系统创新设计与应用

以超深水半潜式生产储卸油平台为载体,提出了内侧反向悬挂的钢悬链立管构型,研发了钢悬链立管系统水下超大跨距安装技术和平台舷外侧预倾回调安装技术,开发了钢悬链立管全自动焊接工艺并形成全尺寸共振疲劳试验体系,解决了我国超深水立管长期服役疲劳寿命难题、立管安装难题和焊接工艺抗疲劳性能可靠性评价难题。相关成果在“南海一号”成功应用,完成了6根钢悬链立管的设计、安装,对今后我国深水立管设计与应用具有借鉴价值。     

Nonlinear dynamic analysis and fatigue damage assessment for a deepwater test string subjected to random loads

The deepwater test string is an important but vulnerable component in offshore petroleum exploration, and its durability significantly affects the success of deepwater test operations. Considering the influence of random waves and the interaction between the test string and the riser, a time-domain nonlinear dynamic model of a deepwater test string is developed. The stress-time history of the test string is obtained to study vibration mechanisms and fatigue development in the test string. Several recommendations for reducing damage are proposed. The results indicate that the amplitude of dynamic response when the string is subjected to random loads gradually decreases along the test string, and that the von Mises stress is higher in the string sections near the top of the test string and the flex joints. In addition, the fatigue damage fluctuates with the water depth, and the maximum damage occurs in string sections adjacent to the lower flex joint and in the splash zone. Several measures are proposed to improve the operational safety of deepwater test strings: applying greater top tension, operating in a favorable marine environment, managing the order of the test string joints, and performing nondestructive testing of components at vulnerable positions.     

深水工况下套管柱载荷分析

深水钻井施工风险高,成本高昂,需要研究科学的套管设计方法,以避免或减少因设计不合理而造成的井下事故与复杂情况。目前套管柱强度设计方法缺乏对深水钻井工艺条件的考虑,因此有必要进行深水套管柱载荷分布的研究,以弥补现有设计方法的不足。考虑深水作业过程中隔水管解脱、钻井液漏失、套管试压和固井等复杂工况,针对不同的工况,给出了套管内压、外挤及轴向等套管载荷的计算方法,并对国内一口深水井进行了实例分析。分析结果表明,原有的套管柱强度设计方法不能满足深水套管柱设计的要求,考虑深水特殊作业工况是正确选择套管柱的前提。该套管载荷的分析计算方法可用于陆地及浅海钻井套管柱设计。     

深水钻井动力定位平台允许漂移范围分析

目前深水钻井动力定位平台允许漂移范围计算需委托国外专业公司分析,且计算过程保密、结果考虑不全面,在分析了南海深水钻井动力定位平台作业风险和平台漂移警戒区划分的基础上,基于深水钻井平台隔水管系统挠性接头和伸缩节物理极限、平台应急解脱程序和作业经验分析,建立了深水钻井动力定位平台允许漂移范围实用计算方法,该方法可对平台极限解脱、红圈、黄圈和绿圈允许漂移范围进行全面的计算,已在国内外多个深水钻井平台数十口深水井得到了成功应用,保证了深水钻井动力定位平台的作业安全。     

深水钻井隔水管时域非线性动态响应分析技术研究

通过深水钻井隔水管时域非线性动态性能的研究,建立了相应的深水钻井隔水管时域非线性动态响应分析模型;基于ABAQUS软件,考虑钻井平台有一定的平均偏移、钻井平台位于不同平均偏移位置且在一阶波浪力作用下随机振动以及长期慢漂运动时钻井平台位于不同平均偏移位置且在一阶和二阶波浪力作用下随机振动等3种主要边界条件,通过实际算例对深水钻井隔水管的随机振动特性进行了仿真分析与对比。研究结论可以为今后深水钻井隔水管的设计与使用提供参考。     

深水钻井装置浅水区动力定位方式风险研究

当今世界上先进的深水钻完井装置具有锚泊及动力定位2种方式作业能力,业内推荐做法为水深小于1 500 m都可以使用锚泊方式定位,对于动力定位方式在浅水区的适应性和风险则缺少分析。通过对动力定位方式的原理及其漂移限制进行论述,包括了浅水定位的理论限制以及规避风险的措施,提出如何设定观察圈范围及浅水作业使用动力定位方式时应考虑因素、作业风险及应对措施,除了环境及深水钻井装置应急解脱时间影响因素外,还将考虑隔水管系统极限、水下井口和结构套管强度、通讯系统、定位传感器系统等影响因素,应对措施包括井口设备选择、隔水管系统分析、人员交流培训和使用者和承包商协议等,对浅水区使用定位方式作业有一定的指导意义。     

深水救援井动态压井设计方法及应用

通过救援井向井喷井高排量泵入不同密度的压井液进行压井的方法,已成为救援井压井方案的首选。简单阐述了动态压井技术原理,给出动态压井设计的关键点和设备选型的方法。通过1 口井实例给出了动态压井设计的流程,并根据最恶劣工况（WCD: Worst Case Discharge）进行了多层储层井喷时动态压井模拟,基于动态压井给出了压井液密度、平台设备选择等方法。认为深水动态压井设计应考虑井喷井流体类型、井喷流通通道、水深影响下的井筒流量等因素。与常规压井方法相比, 深水动态压井具有排量大（最大达到12 m3/min）、地面泵压高（最高达到26 MPa）、所需压井液体积大（最大达到2 100 m3）等特点,可以为救援井动态压井设计思路、平台钻井液泵、钻井液储存能力等设备选型提供参考。     

深水井控成功实践与技术分析

深水井控是深水钻井的核心问题。海洋深水井控面临着井涌监测困难、地层承压能力弱、井涌余量小、阻流管线摩阻大、地层呼吸效应、气体水合物、圈闭气等诸多困难和挑战。文中以中海油在西非实施的某深水井压井成功实践为例,通过井控作业过程的分析,对深水井控技术进行研究和探索,为深水钻井井控作业提供参考。     

深水钻井水下井口力学稳定性分析

深水钻井时水下井口承受的复杂作用力可能导致其稳定性存在问题。根据深水钻井水下井口系统整体受力分析,建立了井口力学稳定性分析方法,该方法综合考虑了海洋环境载荷、钻井船或平台漂移、隔水管力学性能、套管柱与地层之间的非线性响应等因素的影响,可以实现井口力学性能分析。算例分析表明,水下井口的横向偏移及弯矩随张力比和海流流速的增加而大幅增大,顶张力过大会引起井口稳定性变差;随着钻井船或平台漂移量的增加,井口的横向偏移和弯矩近似线性增加,控制好钻井船或平台的漂移非常重要;由于井口承受弯矩的能力有限,较大海流流速情况下可能造成井口失稳;提高导管抗弯强度、控制泥线处管柱冲刷、获取浅部地层的取样数据等措施可以增强井口稳定性。     

深水钻井隔水管-导管系统波激疲劳分析

波激疲劳是深水钻井隔水管-导管系统最主要的失效模式之一。综合考虑波浪载荷、钻井平台运动和土壤抗力建立了深水钻井隔水管-导管耦合系统波激疲劳分析方法,实例分析了中国南海某井深水钻井隔水管-导管系统波激疲劳寿命,识别出了系统波激疲劳关键部位,并与隔水管常规分析模型的计算结果进行了对比。在此基础上,研究了钻井平台运动幅值、顶张力、下挠性接头转动刚度和井口出泥高度对系统波激疲劳特性的影响。结果表明,常规分析模型将隔水管底部看作固定端导致隔水管波激疲劳损伤过大,而本文提出的隔水管-导管系统分析模型能较好地模拟隔水管实际受力情况;隔水管最大波激疲劳损伤出现在下挠性接头处,导管的最大波激疲劳损伤出现在泥线附近;导管是整个系统中波激疲劳性能最薄弱的环节,适当地减小钻井平台运动幅值、隔水管顶张力、下挠性接头转动刚度和井口出泥高度均能改善导管波激疲劳性能。     

深水水下防喷器控制系统蓄能器能力分析

根据蓄能器系统的工作环境和工作状态,将水下防喷器控制系统蓄能器分为地面蓄能器、水下蓄能器和应急蓄能器等3类,分析了水深对不同蓄能器系统主要参数的影响。提高蓄能器的承压能力,可以减小控制系统的预压力,从而减少地面蓄能器的个数,节省平台空间。不同蓄能器系统主要技术参数随水深的变化趋势差异较大,在蓄能器系统控制能力设计与校核时须特别注意。