深水钻井隔水管完整性管理研究进展.pdf

第 37 卷 第 1 期 2015 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Center for Offshore Engineering and Safety Technology at China University of Petroleum, Qingdao 266580, China） Abstract The deepwater drilling riser is a critical part for the connection with the subsea wellhead and drilling plat, eas- ily affected by the complicated marine environmental load and operation load, and is an important but weak link in the whole drilling equipment. The riser integrity management technology is an effective measure to guarantee the safe service perance of riser. This Paper expounds the riser integrity management scheme and summarizes the research progress of integrity management of deepwater drilling riser, including the damage identification and assessment of deepwater drilling riser, riser risk assessment, riser detection and maintenance, and riser integrity management specification and software primarily. It also recommends the development direction of future research. Key words deepwater; drilling riser; integrity management; risk assessment; detection; maintenance 基金项目国家科技重大专项子课题“深水钻井隔水管作业管理及安全评价技术” 编号2011ZX05026-001-05。 作者简介周俊昌， 1955 年生。1982 年毕业于西南石油学院， 2001 年获西南石油学院石油与天然气工程博士学位， 现主要从事钻完井相 关作业和技术管理工作， 总工程师。电话010-84526163。 深水钻井隔水管系统是连接井口和钻井平台的 重要部件， 主要由伸缩节、 隔水管单根、 挠性接头和 下部隔水管总成（Lower Marine Riser Package， 简称 LMRP） 组成， 其主要功能是提供井口与钻井平台之 间的泥浆往返通道， 支持辅助管线， 引导钻具， 作为 下放与撤回防喷器组的载体。深水钻井隔水管系统 是典型的大变形非线性动力敏感柔性体， 极易受到 复杂的海洋环境载荷和作业载荷的影响， 是海洋钻 井系统中的重要而又薄弱的环节。为了提高隔水管 完整性， 近年来深水钻井隔水管完整性管理备受关 注， 隔水管完整性管理的基本思想是在整个隔水管 寿命周期内识别并评价隔水管失效风险， 对隔水管 失效风险采取相应的检测、 维护等措施， 防止隔水管 失效事故的发生， 确保隔水管的结构完整性。隔水 管完整性管理要素主要包括［1］损伤识别与评估、 风险评估、 隔水管检测与维护， 依次完成损伤识别与 评估、 风险评估、 隔水管检测与维护后即实现一次隔 水管完整性管理过程， 达到完整性改进的目的；然 后根据隔水管管理措施更新隔水管数据库， 再继续 进行下一次的隔水管完整性管理， 即隔水管整个服 石油钻采工艺 2015 年 1 月（第 37 卷） 第 1 期20 役期内隔水管完整性管理是一个动态循环过程。 针对深水钻井隔水管完整性管理中的损伤评 估、 风险评价、 隔水管检测与维护以及隔水管完整性 管理规范及软件等问题， 详细阐述国内外在此方面 的研究进展， 并对今后的研究重点进行展望。 1 深水钻井隔水管损伤识别与评估 深水钻井隔水管系统作为动力敏感的几何非线 性柔性体， 工作中长期承受多种动态载荷作用， 隔水 管疲劳是主要失效模式之一。笔者以隔水管疲劳损 伤为研究对象， 阐述国内外在隔水管疲劳损伤评估与 预测方面的研究进展。深水钻井隔水管疲劳包括波 激疲劳和涡激疲劳。波激疲劳主要由波浪循环载荷 和钻井平台运动引起；涡激疲劳主要由海流引起。 海流流经隔水管时流场出现漩涡， 漩涡泄放会激励 隔水管发生振动， 从而造成隔水管的涡激疲劳损伤。 1.1 深水钻井隔水管波激疲劳损伤评估 隔水管系统波激疲劳分析法包括时域法和频域 法， 采用时域法时直接进行隔水管系统动态响应分 析及疲劳损伤计算， 分析精度较高；频域法需要线 性化隔水管系统动态分析方程， 可能会引起精度上 的误差。DNV RP F204 介绍隔水管波激疲劳时域分 析方法及流程［2］， Steinkjer 等人在 DNV RP F204 的 基础上确定隔水管波激疲劳分析工况选取方法［3］， Khan 等进行随机载荷下的隔水管疲劳及其可靠性 分析［4］。畅元江开展时域内的隔水管非线性随机 动力学分析， 并基于线性疲劳损伤累积准则提出一 种隔水管长期波激疲劳寿命计算流程［5］。孙友义 建立深水钻井平台 - 隔水管 - 系缆耦合系统动力学 分析模型， 进行超深水钻井隔水管波激疲劳分析， 研 究平台运动对隔水管波激疲劳损伤的影响［6］。刘 秀全考虑水下井口和导管对隔水管动力学特性的影 响， 开展深水钻井隔水管 - 井口 - 导管耦合系统波激 疲劳分析， 识别耦合系统中的疲劳弱点及关键的影 响因素［7-8］。部分学者采用频域法进行隔水管波激 疲劳分析， Lane 采用 FLEXCOM-3D 软件进行悬链 式立管的频域动态分析［9］；Krolikowski 建立波浪 载荷线性化方法， 进行隔水管波激振动频域分析并 与时域法计算结果进行对比， 结果表明波浪载荷线 性化精度较高［10］；Larsen 给出频域内规则波作用 下生产立管的波激疲劳计算方法［11］；Kavanagh 采 用频域法进行悬链式立管的波激疲劳分析， 并进行 悬链式立管的波激疲劳参数敏感性分析［12］；Silva Dantas 建立波浪载荷线性化方法， 并采用频域法对 巴西海域的悬链式立管进行波激疲劳分析［13］；刘 秀全建立深水钻井隔水管波激振动分析方法和波激 疲劳计算方法， 并从计算效率和计算精度两个方面 定量比较频域法和时域法［14］。 1.2 深水钻井隔水管涡激疲劳损伤评估 当海流经过隔水管的漩涡释放频率接近隔水管 某阶共振频率时， 会导致隔水管发生较大幅值的涡 激振动， 加速隔水管疲劳损伤， 因此隔水管系统涡激 疲劳一直是国内外学者研究的热点与难点。隔水管 涡激疲劳分析方法包括涡激振动试验、 CFD 仿真和 经验模型， 目前， 涡激振动试验和CFD仿真主要用于 隔水管涡激振动机理和规律等方面的研究， 经验模 型在深水钻井隔水管涡激疲劳分析与设计方面得到 良好应用， 经验模型方面最具代表性的当属麻省理 工大学的 SHEAR7 软件。Tognarelli 采用 SHEAR7 软件进行深水钻井隔水管的涡激疲劳分析， 并将计 算结果与现场实测结果进行对比， 发现 SHEAR7 计 算结果偏保守［15-16］。Shen 采用 SHEAR7 软件建立 深水钻井隔水管 - 导管耦合系统涡激疲劳分析模型， 计算导管涡激疲劳， 并提出改善导管涡激疲劳的措 施［17］。孙友义采用 SHEAR7 软件进行深水钻井隔 水管 - 井口耦合系统涡激疲劳分析， 并研究井口出泥 高度、 浮力块分布、 隔水管材料等参数对隔水管涡激 疲劳的影响， 提出改善隔水管涡激疲劳的方案［18-21］。 畅元江根据海洋环境条件的长期统计分布特征， 采 用随机变量的威布尔分布理论划分涡激疲劳详细分 析的工况， 得到具有不同超越概率的流剖面， 建立深 水钻井隔水管-井口系统涡激疲劳详细分析方法 ［22］ 。 王一飞等进行深海立管涡激振动疲劳损伤分析， 并 研究立管顶部预张力、 管内流体密度、 立管外径、 立 管壁厚等因素对深水立管涡激疲劳损伤的影响［23］。 1.3 深水钻井隔水管涡激疲劳损伤监测 目前， 主要采用经验模型进行隔水管涡激疲劳 损伤预测， 相关的分析参数及模型均存在一定的不 确定性， 为了提高隔水管涡激疲劳预测的准确性， 需 开展隔水管现场涡激疲劳损伤监测研究。目前国际 工程上使用的监测系统主要分为单机和实时监测系 统两类， 单机监测系统存储量有限， 数据同步性不 高， 但无需供电和数据传输线路， 且安装简单、 快速， 适于隔水管整体响应监测；可使用多个传感器覆盖 隔水管较大范围区域， 用于监测隔水管长期 VIV 响 应和隔水管与导管的疲劳损伤。实时监测系统可将 监测数据实时传输到浮式钻井装置， 数据同步性优 越， 可及时指导隔水管操作决策， 但其电线和通讯线 路复杂， 安装时间长；该装置不适用于大范围的隔 水管整体性监测， 但可用于对有限个关键部位进行 21周俊昌等深水钻井隔水管完整性管理研究进展 单独监测， 例如监测隔水管挠性接头转角和疲劳 ［24］ 。 国外的 2H 公司已建立较为完善的隔水管监测系统， 且该公司与多家石油公司合作实施了多项隔水管现 场监测项目， 监测范围涉及隔水管监测数据记录仪 的水下安装、 隔水管监测、 LMRP 中底部挠性接头监 测以及监测数据的传输与数据分析等［25］。 国内近年来在隔水管涡激振动监测方面也取得 一定进展。彭朋提出一种基于模态分析的深水隔水 管 VIV 监测位置优化方法， 建立隔水管有限元模型 进行模态分析， 筛选出对隔水管疲劳贡献最大的主 要模态作为监测对象；对于每一阶需监测的模态， 考虑隔水管倾斜和重力影响， 根据响应加速度振幅 最大原则计算最大振幅处的坐标值作为可能的安装 位置［26］。王海燕、 李保军等针对深水隔水管的涡激 疲劳监测问题， 开发了一种隔水管涡激疲劳多点无 线监测系统。该系统可采集隔水管的加速度、 应力、 倾角以及海洋流速， 利用水声信道特性传输监测信 息， 实现多点实时无线监测疲劳性能， 且该监测系统 性能已应用于 HYSY981 平台的钻井隔水管系统涡 激振动监测［27］。 2 深水钻井隔水管风险评估 隔水管失效风险取决于失效发生概率和失效后 果， 如果失效概率和失效后果的重要性相同， 认为可 以将两者相乘计算失效风险。如果失效概率和失效 后果的重要性不同， 应分别对两种因素进行定性或 定量评价并建立风险矩阵， 如图 1 所示［28-29］。图中 的绿色范围代表低风险区域， 黄色范围代表中风险 区域， 红色范围代表高风险区域。为了确定隔水管 风险， 进行隔水管失效概率分析和后果分析是关键。 图 1 风险矩阵 为了防止深水钻井隔水管失效事故的发生， 一 般采用较大的安全因子法进行隔水管设计， 确保隔 水管服役完整性， 但考虑隔水管性能、 环境载荷以 及工作载荷的不确定性， 实际工作中隔水管失效难 免会发生。近年来， 部分学者开展隔水管可靠性分 析研究， Akpan 等考虑立管壁厚、 椭圆度、 计算误差 及疲劳性能的随机性， 进行悬链线立管波激疲劳可 靠性分析［30-33］。Yang 等进行悬链线立管波激疲劳 参数敏感性分析， 识别影响悬链线立管波激疲劳损 伤的主要参数， 采用多项式建立悬链线立管波激疲 劳损伤响应面函数并计算其波激疲劳可靠性［34-35］， Khan 等采用类似的方法进行张紧式立管波激疲劳 可靠性分析［36-38］， 刘秀全针对深水钻井隔水管波激 疲劳可靠性问题， 考虑壁厚、 拖曳力系数等参数的随 机性， 开展深水钻井隔水管波激疲劳可靠性分析 ［39］ 。 确定隔水管可靠度之后， 需要对隔水管单根失效概 率进行等级划分， 一般参照表 1 进行失效概率等级 划分［40］。 表 1 隔水管失效概率等级 失效概率等级失效概率 / 年 –1 610–1 510–210–1 410–310–2 310–410–3 210–510–4 110–5 失效后果取决于安全后果、 经济后果和环境后 果， 可以分为 A、 B、 C、 D、 E 五个等级， 见表 2。其中， 失效后果等级与安全、 经济和环境后果等级较高者 一致。 表 2 失效后果评估 评价准则 失效后果等级 安全后果 环境后果 - 等效溢油量 /L 经济后果 / 103美元 无人员伤亡5 000E 3 深水钻井隔水管检测及维修 3.1 深水钻井隔水管检测 隔水管检测是隔水管损伤识别与评估的重要环 节， 通过隔水管检测及时发现缺陷， 防止隔水管在作 业过程中发生失效， 造成较大的工程事故。一般情 况下隔水管供应商要求隔水管进行周期性检测， 以 我国南海 981 平台钻井隔水管为例， 隔水管检测方 案见表 3。 表 3 隔水管单根的检测要求 检测时间检测要求检测方法 安装 / 回收后隔水管是否存在明显的缺陷目测 每年隔水管焊缝是否存在缺陷无损检测 每 5 年隔水管单根是否存在缺陷无损检测 隔水管周期性检测是基于等检测时间间隔准 石油钻采工艺 2015 年 1 月（第 37 卷） 第 1 期22 则建立的， 与隔水管的风险状态关联性不大， 存在 一定的缺点， 如检测间隔周期过大会导致隔水管单 根失效风险较大， 检测间隔周期过小会造成检测过 于频繁， 造成不必要的浪费。为了提高隔水管的可 靠性及经济性， 基于风险的检测得到越来越多的应 用。基于风险的检测可以考虑隔水管的风险状态， 并根据其风险大小决定是否进行检测或维修， 以图 1 中的隔水管风险评估结果为例， 图中的绿色范围的 隔水管失效概率和失效后果均较低， 可以认为隔水 管完整性状态良好。黄色范围的隔水管失效风险已 经超过了风险的可接受水平， 需要对隔水管单根进 行检测并采取适当的维护措施。红色范围的隔水管 必须立刻采取措施降低或控制风险。目前， 2H、 BP、 CAMERON 等公司均推荐采用基于风险的检测方案 进行隔水管常规检测， 且已形成相关的基于风险的 检测规范， 如 API RP 580 和 DNV RP G101 ［41-42］ 。 隔水管无损检测方法方面， 常用检测方法主要 有超声检测、 电涡流检测、 交流电磁场检测 （ACFM） 、 漏磁检测、 磁粉检测、 射线成像技术、 声发射、 红外热 成像等［40］。国外比较知名的隔水管交变磁场检测 设备主要有艾帝尔公司 ACFM 裂纹检测仪、 NDT 公 司 U31D 裂纹检测仪和挪威石油公司钛钻井隔水管 自动检测系统等。国内的中国石油大学（华东） 海洋 油气装备与安全技术研发中心基于交流电磁场检测 技术研发一套隔水管检测系统， 可以精确检测隔水 管表面裂纹缺陷 。 3.2 深水钻井隔水管维修 通过隔水管检测确定缺陷类型、 缺陷位置以及 缺陷尺寸， 然后根据检测结果并参照隔水管完整性 管理准则进行隔水管完整性管理， 继续让隔水管单 根服役或者对隔水管进行维修和更换。目前， 尚未 形成统一的隔水管维修准则， 981 平台隔水管出现缺 陷后即会采用焊接再打磨的方式进行维修， 2H 公司 则根据不同缺陷类型及尺寸采用不同的维修策略， 隔水管体积缺陷深度不能超过隔水管壁厚的12.5， 隔水管裂纹缺陷深度不能大于 0.762 mm， 详细的隔 水管维修理准则及方法见表 4 ［44］ 。 表 4 隔水管单根的维修准则及方法 缺陷类型维修准则维修方法 内部体积缺陷 深度小于壁厚12.5 表面打磨， 打磨弧度尽 量与隔水管一致 外部体积缺陷 深度大于壁厚12.5返回生产厂家维修 表面裂纹深度小于 0.762 mm 表面打磨， 打磨弧度尽 量与隔水管一致 表面裂纹深度大于 0.762 mm返回生产厂家维修 埋深裂纹深度小于 0.762 mm不处理 埋深裂纹深度大于 0.762 mm返回生产厂家维修 4 深水钻井隔水管完整性管理规范及软件 随着深水钻井隔水管完整性管理相关技术的 发展， 多家公司纷纷采用隔水管完整性管理技术进 行隔水管管理， 包括 2H 公司、 BP 公司、 MCS 公司、 Petrobras 公司、 WGIM 公司和 DNV 组织等［40， 44-48］， 并逐渐形成相关的隔水管完整性管理推荐做法或指 南。BP 公司和 2H 公司联合制定深水钻井隔水管完 整性管理指南， 明确隔水管的检测要求、 现场检测方 案及检测记录。MCS 公司针对钢悬链线立管提出 完整性管理方案， 给出钢悬链线立管的检测、 监测、 风险评估、 完整性管理方法等。WGIM 公司针对新 旧设备混用现象提出立管完整性管理方案， DNV 总 结隔水管、 立管的完整性管理进展， 制定钢悬链线立 管完整性管理规范 DNV RP F206， 涉及隔水管数据 库管理、 设计完整性、 服役完整性、 隔水管检测及监 测方案等内容。 此外， 为了进一步推进隔水管完整性管理的实 用性， 国外部分公司开发隔水管完整性管理软件， 较 著名的钻井隔水管完整性软件开发公司有 2H Offshore、 KONGSBERG 等。2H 公司开发一套深水 钻井隔水管作业及完整性管理软件DRILLASSURE， 该 软件模块包括 DRILLJOINT、 DRILLADVISE、 DRIL LWINDOW、 DRILLFATIGUE、 DRILLTRANSIT 和 DRILLVIV， 分别可以实现隔水管单根管理、 隔水管 作业决策、 隔水管作业窗口分析、 隔水管疲劳管理、 隔 水管移运管理和隔水管涡激疲劳管理［49］。KONG SBERG 公司开发柔性立管完整性数据库 RISERN ET， 可以存储柔性管设计、 建造、 作业、 检测等过程中 的数据， 并通过局域网实现数据更新及共享［50］。 5 结论与展望 （1） 深水钻井隔水管完整性管理贯穿隔水管整个 寿命周期全过程， 包括损伤识别与评估、 风险评估、 隔水管检测与维护等要素， 通过持续地对隔水管潜 在的风险因素进行识别和评价， 并采取相应的风险 应对措施， 将隔水管失效风险水平始终控制在合理 的和可接受的范围之内。 （2） 近年来， 国内外学者在深水钻井隔水管损伤 识别与评估、 隔水管监测、 隔水管风险评估、 隔水管 检测与维修等方面开展大量的研究工作， 有效促进 深水钻井隔水管完整性管理技术的发展， 且国外多 家知名公司纷纷采用隔水管完整性管理技术进行隔 水管管理， 有效保证隔水管的完整性， 并逐渐形成相 关的隔水管完整性管理推荐规范及软件， 进一步推 23周俊昌等深水钻井隔水管完整性管理研究进展 动隔水管完整性管理技术的实用性。 （3） 考虑工程应用的需求及现有技术的局限性， 建议今后进一步开展深水钻井隔水管动态风险评 估、 检测优化、 考虑隔水管检测和维护的可靠性更新 等方向的研究， 完善深水钻井隔水管完整性管理技 术， 并针对我国南海自然环境开发集成隔水管评估、 监测、 检测和管理于一体的隔水管完整性管理软件， 为深水钻井隔水管完整性管理提供更全面的技术 支撑。 参考文献 ［1］ 刘秀全 . 深水钻井隔水管完整性及台风事故应对策略 研究［D］. 山东青岛中国石油大学（华东） ， 2014. ［2］ DET Norske Veritas. 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