防台风钻井隔水管技术现状及适用性分析.pdf

．． 4 0 ．． 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 3年第 4 1 卷第 1 期 ． ． 海洋石油装备 防台风钻井隔水管技术现状及适用性分析 刘秀全 陈国明 雒晓 中国石油大学 华东海洋油 康 杨焕丽 畅元江 气装备 与安全技 术研 究 中心 摘要 随着我国南海深水 油气 的开发，频发的南海 台风导致深水钻井隔水管 出现严重事 故， 造成较大损失，需要开发一种有效 的防台风钻井隔水管 以提高海上钻井安全。为此 ，阐述 了防 台 风钻 井隔水管系统的发展历程及应用情况，详细介绍近海面脱离总成和浮力罐系统 2个关键技术 ． 从防台风钻井隔水管安装过程 、紧急脱离过程和 回接过程 3个方面介绍 防台风钻井隔水管作业技 术。以我国南海某井为例进行 了防台风钻井隔水管适用性分析。分析结果表 明，与常规钻井隔水 管相 比，防台风钻井隔水管的连接钻井作业窗 口稍微偏 小，基本不影响正常钻 井性能；在南海台 风条件下防台风钻井隔水管可以保持结构完整性，具有 良好的防台风性能，同时大大缩短了作业 时间，降低 了作业费用。 关键词 深水 ；防台风；钻井隔水管；近海面脱离总成 ；浮力罐；技术现状 ；适用性 中图分类号T E 9 5 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 1 1 nt S i t ua t i o n o f t he Ant i t y ph o o n Dr i l l i ng Ri s e r Te c h no l o g y a nd Ana l y s i s o f I t s App l i c a bi l i t y L i u X i u q u a n C h e n G u o mi n g L u o X i a o k a n g Y a n g Hu a n l i C h a n g Y u a n j i a n g C e n t r e f o r O f f s h o r e E n g i n e e r i n g a n d S a f e t y T e c h n o l o g y ，C h i n a U n i v e r s i t y 0 厂 P e t r o l e u m，Q i n g d a o A b s t r a c t Wi t h t h e d e v e l o p me n t o f d e e p w a t e r p e t r o l e u m i n t h e S o u t h C h i n a S e a ． t h e f r e q ue n t t y p h 0 0 ns i n t h e r e ． g i o n c a u s e s e rio u s a c c i d e n t s wi t h d e e p wa t e r d ril l i n g ris e r s ． As a r e s u l t r e ma r k a b l e l o s s a r i s e s a n d a n e ffe c t i v e t y p h 0 o n p r o t e c t i o n d ri l l i n g ri s e r n e e d s t o b e d e v e l o p e d i n o r d e r t o i mp r o v e o f f s h o r e d ri l l i n g s a f e t y ．Th e r e f o r e，t he d e v e l o pme n t h i s t o r y a n d a p p l i c a t i o n o f t h e r i s e r s y s t e m we r e e x p o un d e d i n t h e p a pe r ．T he ke y t e c h n o l o g i e s o f B e a r s e a s u r f a c e d i ． v o r e e me n t a s s e mb l y a n d bu o y a n c y t a n k t e c h n o l o g y we r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l ．T h e r i s e r o p e r a t i o n t e c h n o l o g y wa s a l s o i n t r o d u c e d wi t h r e g a r d t o t h e i n s t a l l i n g p r o c e s s o f t he ris e r ， t h e p r o c e s s o f e me r g e nc y d i v o r c e me n t a n d t h e t i e ba c k p r o c e s s ． Ta k i n g s o me we l l i n t h e S o u t h Ch i n a S e a a s a n e x a mp l e，a n a n a l y s i s o f t h e r i s e r a p p l i c a b i l i t v wa s c o n d uc ． t e d ． Th e fin d i n g s s h o w t h a t c o mp a r e d wi t h t h e c o nv e n t i o n a l r i s e r ，t h e a n t i t y p h o o n r is e r h a s a s l i g h t l v s ma 1 1 e r o p e r - a t i o n wi n d o w o f c o nn e c t i o n d r i l l i n g a n d i t ba s i c a l l y d o e s n o t a f f e c t t h e n o r ma l c o n n e c t i o n d r i l l i n g p e r f o r ma n c e 0 f t h e r i s e r ． T h e r i s e r c a n ma i n t a i n t h e s t r u c t u r a l c o mp l e t e n e s s wh e n t h e t y p h o o n o c c u r s i n t h e s e a wi t h a d e s i r a b l e p e r - f o r ma n e e o f t y p h o o n p r o t e c t i o n ．Me a n w h i l e ．t h e ri s e r r e ma r k a b l y r e d u c e s t h e o p e r a t i o n t i me a n d c o s t s ． Ke y wo r d s d e e p w a t e r ；a n t i t y p h o o n；d r i l l i n g r i s e r ；o f f s h o r e d i v o r c e me n t a s s e mb l y ；b u o y a n c y t a n k；t e e h ． n o l o g y s t a t u s； a pp l i e a bi l i t y 0 一 口 深水油气勘探开发 已成为石油工业 的热点 ，我 国提 出了 “ 南海大庆” 的战略 目标 。然而 ，由 于我国南海海域海洋环境十分恶劣 ，快速成长的海 况以及频繁发生的台风等灾害性天气严重影响钻井 和完井作业。钻井隔水管是海底井 口与钻井平 台之 基金项 目国家科技重大专项课题 “ 深水钻井 隔水管作业管理及安全评价技术” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 6 0 0 1 0 5 ；中央高校基本 科研业务 费专项资金资助项 目 1 2 C X 0 6 0 6 5 A 。 2 0 1 3年 第4 1卷第 1期 刘秀全等防台风钻井隔水管技术现状及适用性分析 问最弱最重要的连接单元 ，极易受到恶劣天气条件 的影响L 2 ] 。2 0 0 6年 5月 1 8日，位于南海 L W31 1 井钻井隔水管 由于受到台风 “ 珍珠” 的影 响而 发生断裂，致使隔水管分散横卧海底，后期打捞花 费了大量 的人 力 与物 力[ 3 J 。2 0 0 9年 9月 1 4 日， L H 3 421井 钻井 隔水 管作业 由于对 台风 “ 巨 爵” 的认识不 足，既没有 紧急避 台风 ，也没有将 脱 离后的钻井隔水管进行适当的回收 ，造成隔水管 系统与海底发生碰撞，导致隔水管系统与平台张力 器系统设备损坏 ，损失严重。事故的主要原 因是常 规深水钻井隔水管的回收相当费时且成本昂贵 ，在 恶劣天气来临的前几天就需要对隔水管进行脱离回 收 ，在紧急情况下还面临无法 回收 隔水管 的风险。 为了解决常规钻井隔水管回收费时的问题，国外提 出防台风钻井隔水管概念 ，防台风钻井隔水管系统 与常规钻井隔水管系统的主要区别是防台风钻井隔 水管配有近海面脱离总成 N e a r S u r f a c e D i s c o n n e c t i o n P a c k a g e ，简称 N S D P 和大型浮力罐 ，可 以实 现台风条件下的隔水管紧急脱离与避台风后 的快速 回接 ，大大提高隔水管防台风性能 - 6 J 。 目前 ，我国还没有开展防台风钻井隔水管方面 的研究，但随着我国南海深水油气的开发，频发的 南海 台风导致深水钻井隔水管出现严重事故 ，造成 较大损失 ，需要开发一种有效 防台风钻井隔水 管， 以提高海上钻井安全。为此，笔者详细介绍国外防 台风钻井隔水管的技术现状 ，并针对我国南海环境 载荷进行防台风钻井隔水管适用性分析 ，以期为我 国深水钻井提供技术参考。 1 防台风钻井隔水管技术现状 1 ． 1 防台风钻井隔水管系统 防台风钻井隔水管 的概念最早于 2 0世纪 7 0年 代被提 出，典型的防台风钻井 隔水管系统如图 1所 示 。与常规钻井隔水管相比，防台风钻井隔水管增 加了近海面脱离总成和浮力罐 系统。A k e r ／ C a m e r o n 公司于 2 0世纪 8 O年代开发了防台风钻井隔水管系 统 ，该系统 的关键技术主要包括脱离装置和浮力罐 系统 ，脱离装置一般位于水下 9 1 ． 4 4～1 5 2 ． 4 0 m之 间，脱离装置可以将隔水管系统分为上、下2 个部 分，脱离后上部隔水管回收到平台上，下部隔水管 依靠浮力罐系统提供的浮力 自由站立于海底。A k ． e r ／ C a me r o n公司的防台风隔水管系统最初被 B P公 司在 G r e e n C a n y o n油 区用作采油立管 ，后来经过进 一 步的改进在 G a r d e n B a n k s 油 区得到 良好应用。结 合防台风隔水管在采油方面的应用 ，防台风隔水管 开始用于 2 0 0 0 m水深的海上钻井试验。H y d r i l 公 司也开发 了一种类似的系统 ，可以实现水下 9 1 ． 4 4 ～ 7 6 2 ． 0 0 m的隔水管快速脱离 ] 。 I ＼。 ＼3 ＼ ．／ 4 ／／ 5 图 1 防 台风钻井隔水管 系统 F i g ． 1 An t i t y p h o o n d r i l l i n g ri s e r s y s t e m 1 ～ 张紧器 ；2 一近海面脱离总成 ；3 一浮力 罐系统 ； 4 一 隔水管单 根 ； 5 一 防喷器 ； 6 一 底部 隔水管 总成 。 1 ． 2关键技术 1 ． 2 ． 1 近 海 面脱 离总成 防台风钻井隔水管近海面脱离总成是连接上部 和下部隔水管的重要部件 ，可以实现台风条件下的 隔水管紧急脱离与避台风后的快速回接，典型的防 台风钻井隔水管近海面脱离总成如图2所示 。 a ． 上脱离接头 b ． 下脱离接头 图2防 台风钻 井隔水管近海面脱 离总成 F i g ． 2 N e a r s e a s u r f a c e d i v o r c e me n t a s s e mb l y o f t h e r i s e r 1 一上接头剪切式闸板 ；2 --辅 助管线 ；3 -- 卡 爪 ； 4一 下 接 头 全 封 闭 防 喷 器 闸 板 。 由图可知 ，防台风钻井隔水管近海面脱离总成 包括上脱离接头和下脱离接头，正常连接钻井时 上 、下脱离接头通过套筒式连接方式保持连接，台 风来临时上 、下脱离接头需要紧急脱离 ，脱离后上 部脱离接头与上部隔水管一起回收至平台，下部脱 离接 头 和下 部 隔水 管 一 起 自由站 立 于海 底 J 。 上 、下脱离接头主要包括套筒式卡爪 、辅助管线 、 上部剪切式闸板和下部全封闭防喷器闸板等 ，其中 套筒式卡爪主要用于连接上、下脱离接头 ，辅助管 线用于传送液压以控制整个连接和紧急脱离过程 ， 石 油机械 2 0 1 3年第 4 l卷第 l期 上部剪切式闸板用于紧急脱离时剪断内部钻杆 ，下 部全封闭防喷器 闸板用于紧急脱离时夹紧钻杆 ，防 止钻杆滑落。 目前 ，近海面脱离装置 的难点在于控制 问题 ， 近海脱离总成需要 采用湿式连接／ 断开多芯电连接 器以控制近海面脱离的连接与紧急脱开 。尽管湿式 连接／ 断开多芯电连接器 已被应用到海洋石油领域 且收到 良好的应用效果 ，但其可靠性仍需进一步验 、 T 『 4 1 让 。 1 ． 2 ． 2浮力罐 系统 紧急脱离后 ，下部隔水管 由 1组浮力罐系统提 供浮力 以保持 自由站立模 式 ，浮力罐材 料一般为 钢 ，其外径一般较大以提供足够浮力 ，但浮力罐 的 外径受月池尺寸 的约束。浮力罐系统如 图 3所示 ， 为浮筒型结构 ，每个浮力罐又分为几个小的舱室， 各个舱室由隔板分开 ，防止 1 个舱室的泄漏影响其 余舱室的正常工作。每个舱室有 1 个进气孔和 1个 排水孔，进气孔为空气进出舱室提供通道 ，排水孔 为海水进出提供通道 l 9 。 1 2浮力 罐舱室 进 口 图 3 防 台风钻 井隔水管浮力罐 系统 F i g ． 3 B u o y a n c y t a n k s y s t e m o f t h e ri s e r 1 一 浮力罐 ；2 --适配隔水管 ；3 --隔板 。 1 ． 3 防台风钻井隔水管作业技术 1 ． 3 ． 1 安 装过 程 防台风钻井隔水管可以像常规钻井隔水管一样 在钻井平台上组装与下放 ，其中浮力罐外径较大需 要在月池处安装 。考 虑到后续修 井以及完井作业 ， 一 种更有效的防台风钻井隔水管作业流程如下 1 二代 或者三代浮式 钻井平台到达预定井 眼，在距 目标井眼 3 0 m处开钻较浅 的辅助井眼 ； 2 钻完井后下放并安装辅助井 口； 3 开始安装 N S D P以下 的钻井隔水管，并将 组装好的防台风钻井隔水管暂时存放到辅助井位上 ； 4 真正的钻井平台达到 目标井后开始钻井 ， 当安装防台风钻井隔水管时只需组装 N S D P以上的 几个隔水管单根 ，然后到辅助井位 时再 回接 N S D P 以下 的防台风隔水管，这样可大大节省隔水管的组 装与下放时间； 5 在整个钻完井过程 中，部分操作需要 回收 隔水管 如修理 B O P或安装采油树 ，这时可直接 将防台风钻井隔水管临时存放在辅助井位上 ，图 4 为安装采油树时防台风钻井隔水管 临时存 放示意 图。当操作完成时再将防台风钻井隔水管移运到 目 标井位 ，以缩短 回收和下放钻井隔水管的时间，大 大提高作业效率 。 目 辅 助井位 _ 图 4安装采 油树 时防 台风钻井 隔水 管临 时存放示意 图 Fi g ． 4 Di a g r a m o f t e mpo r a r y s t o r a g e o f t h e r i s e r i n i n s t l i n g c h r i s t ma s t r e e 1 一 钻杆 ；2 ～水下采油树 ；3 一 防喷 器 ； 4 一 隔水管单根 ； 5 一浮力罐系统。 1 ． 3 ． 2 紧急脱离过程 当动力定位失效或者台风来临时，钻井 隔水管 不能满足正常连接作业要求 ，需要在 N S D P处紧急 脱开。正常情况下浮力罐内部气体所产生的浮力等 于 自身重力 ，紧急脱 离前需要 向浮力 罐 内充入气 体 ，保证充入气体后浮力罐提供的浮力能提起浮力 罐 自身、N S D P以下的隔水管 系统 、N S D P以下 隔 水管系统内部的钻杆以及 N S D P以下钻井 隔水管系 统内部的钻井液重力，此时已达到脱离条件，可以 启动 N S D P脱离程序。首先关闭下部脱离接头 的全 封闭防喷器 闸板 ，保 证钻杆悬挂在 下部脱离接头 上 ；再关 闭上部脱 离接头 的剪切式 闸板 ，剪 断钻 杆。脱离后 N S D P处 的详细情况如 图 5所示 ，上 、 下脱离接头已完成脱离 ，钻杆被剪断并悬挂于上部 脱离接头 中。脱离后上部隔水管悬挂于平台上并进 行回收，下部钻井隔水管系统依靠浮力罐提供的浮 力 自由站立于海底 “ 。 1 ． 3 ． 3回接过 程 台风过后在钻井平 台上组装 N S D P上部的几个 钻井隔水管单根 ，达到 目标井位后进行钻井隔水管 回接作业 ；回接前 应确保环境条件适合 回接作业 ， 一 般要求上部和下部脱离接头之 间的偏斜角小 于 2 。 。同时，由于海上波浪及海流会导致钻井 隔水管 振动 ，上部和下部脱离接头的相对运动可能会 阻碍 一 4 4一 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1卷第 1期 台风钻井隔水管与常规钻井隔水管的作业时间和费 用如图 8所示。由图可知 ，防台风钻井隔水管作业 时间和费用与水深无关 ，因为防台风钻井隔水管只 需 回收近海面脱离总成以上的一小部分隔水管 ，而 常规钻井隔水管需要将整个隔水管系统 回收到平台 上 ，水深越深，其 回收花费的时间和费用越多 ，防 台风钻井隔水管与常规钻井隔水管相 比大大缩短了 作业时间，降低了费用。 1 j 】】3{ l Ⅲ ＼ 畦 积 2 ． O 1 ． 6 1 ． 2 0 ． 8 O ． 4 0 1 0 8 6 星 d 留 2 0 1 8 0 0 2 4 0 0 3 0 0 0 水 深／ m 图8 常规钻井隔水管与防台风钻井 隔水管的作业时间和费用对比 F i g ． 8 C o mp a r i s o n o f o p e r a t i o n t i me a n d c o s t s o f c o n v e n t i o n a l a n d a n t i t y p h o o n r i s e r s 3 结束语 常规深水钻井隔水管的回收相 当费时且成本昂 贵 ，在紧急情况下还 面临无法 回收隔水管的风险。 防台风钻井隔水管配有近海面脱离总成和大型浮力 罐 ，可以实现台风条件下的隔水管紧急脱离与避 台 风后的快速 回接 ，大大提高隔水管防台风性能。 目前 ，国外 的 A k e r ／ C a m e r o n公 司 、H y d r i l 公 司和 B P公司在防台风钻井 隔水管方面的研究进展 很快 ，逐渐推 向实际应用 ，并取得 良好 的应用效 果 。我 国面临在强台风频发 的南海海域进行钻井作 业 ，深水钻井平 台的快速避 台风撤离至关重要 ，研 究防台风钻井隔水管技术可显著提高我国国产钻井 平 台防台风能力 ，节省作业时间和钻井成本 ，从经 济性和安全性方面考虑，防台风钻井隔水管具有很 高的现场应用价值。国内在防台风钻井隔水管方面 的研究还处于空白，而国外公司产品价格 昂贵 ，且 对我国进行技术封锁 ，这就需要开发具有 自主知识 产权 的防台风钻井隔水管 。 参考文献 [ 1 ] 王荣耀，陈国明，畅元江，等 ．深水钻井隔水管系 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] 统工程设计与分析软件系统开发 [ J ]．中国海上油 气 ，2 0 1 1 ，2 3 6 4 2 3 4 2 7 ． A P I R P 1 6 Q R e c o m m e n d e d p r a c ti c e f o r d e s i g n s e l e c t i o n o p e r a t i o n a n d ma i n t e n a n c e o f ma ri n e d ril l i n g ris e r s y s t e m [ S ]． A m e ri c a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e ，1 9 9 3 ． 鞠少栋 ，陈国明，宋林松，等 ．深水钻井隔水管事 故类型及 对策 分析 [ J ]．石油 机械 ，2 0 1 1 ，3 9 58 38 7 ． N g u y e n C， T h e t h i R， L i m F ． S t o r m s a f e d e e p wa t e r d r i l l i n g[ C]． I A D C ／ S P E 1 0 3 3 3 8 ， 2 0 0 6 ． By e M ， W a n v i k L， Ka r p T．FPDSO wi t h n e a r s u rfa c e d i s c o n n e c t d ri l l i n g s y s t e m [ C ]． O T C 1 1 9 0 3 ，2 0 0 0 ． S h i l l i n g R， B r e n d l i n g B． F i r s t y e a r s i mu l a t i o n o f d r i l l i n g a n d c o m p l e t i o n o p e r a t i o n o n t h e A t l a n t i s p r o j e c t [ C ]． O T C 1 8 1 2 2，2 0 0 6 ． Gr u n d s t r o m A I ． F S DR t o u t e d a s c u r e f o r d e e p w a t e r o p - e r a t i o n s[ J ]． O ff s h o r e ，2 0 0 2 ，6 2 4 7 O一 7 2 ． Ko g u r e E，Ma c k i e M J ，Mc e a l l a J M，e t a 1 ． N e a r s u r f a c e d i s c o n n e c t r i s e r U S ，5 6 5 7 8 2 3[ P]． 1 9 9 70 8 一 l 9 ． C h a n g S H M ，S t o n e B A， V e r n o t z y R， e t a 1 ．Dy n a m i c r e s p o n s e a n d v o r t e x i n d u c e d v i b r a t i o n o f a f r e e s t a n d i n g d r i l l i n g ri s e r i n d e e p w a t e r[ C] ． O MA E 1 1 4 0， 2 0 01 ． C o l e C M ， Ka t y ， T e x ． I n f l a t a b l e b u o y a n t n e a r s u r f a c e ri s e r d i s c o n n e c t s y s t e mU S ，5 0 4 6 8 9 6[ P ]． 1 9 9 1 0 9一l 0 ． K o g u r e E， Oh a s h i M ，Ur a b e S， e t a 1 ． Ap p l i c a t i o n s o f a n e a r s u r f a c e d i s c o n n e c t a b l e d ri l l i n g ris e r i n d e e p wa t e r [ C ]． I A D C ／ S P E 4 7 8 2 8 ，1 9 9 8 ． F u r l o w W ． P r e i n s t a l l e d d ri l l i n g r i s e r s ，c o mp o s i t e s o p t i o n s f o r 1 5 0 0 0 一 f t w a t e r d e p t h s[ J ]． O ff s h o r e ， 1 9 9 9 ， 5 9 37 37 6 ． B l a n c L L ． F r e e s t a n d i n g ris e r f e a t u r e s r o b u s t b u t f a mi l i a r t e c h n o l o g y[ J ]． O f f s h o r e ，1 9 9 8 ，5 8 3 9 1 9 3． 第一作者简介刘秀全，生于 1 9 8 7年 ，在读博士研究 生，现从事深水钻井隔水管完整性技术研究工作。地址 2 6 6 5 8 0 山东省青岛市。电话 0 5 3 2 8 6 9 8 3 3 9 4 。Em a i l l x q me a e 1 63 ．c o rn 。 通信作者陈国明，教授，博士生导师，生于 1 9 6 2 年，现从事海洋油气工程及装备、油气安全工程等方面的 研究工作。地址 2 6 6 5 8 0 山东省青岛市。电话 0 5 3 2 8 6 9 8 3 3 9 3。Ema i l o ffs h o r e 1 2 6 ． e o m。 收稿 日期2 0 1 2 0 91 8 本文编辑赵连禄