深水水下井口系统疲劳监测损伤评估研究进展*

2023-02-27王金龙许亮斌

石油机械 2023年1期

王金龙许亮斌

(中海油研究总院有限责任公司钻采研究院)

0 引言

海洋是全球石油战略接替的重点区域之一，我国南海的油气资源极为丰富，海洋油气开发正在向深远海延伸[1-5]，但南海恶劣的自然环境和极端海况(内波和台风)对南海深水油气开发带来了巨大挑战。深水水下井口系统作为深水钻井过程中的重要装备，为钻井作业提供安全屏障。目前深水水下井口系统技术装备全被FMC、GE和Aker等国际公司垄断，投资成本高昂，其安全性至关重要，一旦失效可能造成油气泄漏停产等严重的经济损失和恶劣的环境污染。为了促进深水水下井口系统技术进步，提高水下井口系统的安全利用水平，笔者总结了深水水下井口系统特点，调研了水下井口在南海的应用现状和前景；详细分析了水下井口在损伤预测、疲劳监测、多源监测数据融合处理等疲劳损伤评估研究中的进展；总结了水下井口疲劳损伤评估研究难点；最后提出了水下井口疲劳损伤评估技术的发展方向及研究建议。所得结论可为水下井口系统技术发展及深海应用提供参考。

1 水下井口系统疲劳损伤特点

深水水下井口系统主要承力结构由高压井口头、低压井口头、导管及表层套管等组成，如图1所示。当前我国南海共有117套开发井水下井口，探井水下井口数量更多且重复利用，其中超过设计寿命20 a以上超期服役的开发井井口有29套，当前未能完全掌握其疲劳损伤等安全状态。水下井口系统在钻完井、修井等连接作业过程中，受到波浪和海流引起的隔水管振动、平台运动以及作业性动载荷等传递而来的循环载荷作用[6-9](见图1)。这些循环载荷主要使水下井口产生循环弯矩，导致水下井口疲劳损伤不断累积，而且随着水深的增加、钻井作业时间的延长、防喷器组体积和重力增大，水下井口疲劳损伤会更加严重。当其超过水下井口的疲劳极限时，井口会产生失效甚至断裂[10]。疲劳失效是水下井口失效的主要形式。水下井口的疲劳极限位置主要在高压井口头、低压井口头、高压井口与表层套管焊缝处、低压井口与隔水导管焊缝处、表层套管接头及隔水导管接头等位置。英国北海油田曾有水下井口使用29 d因高压井口头底部和套管连接处的焊缝发生疲劳失效的事故[11]以及在役井口因疲劳失效导致的多次事故[12-13]。

图1 深水钻井平台-隔水管-水下井口系统耦合模型Fig.1 Coupling model of deepwater drilling platform, riser,and subsea wellhead system

2 研究进展

当前，国际上对深水水下井口系统疲劳损伤研究主要基于环境设计数据，利用深水平台-隔水管-水下井口系统耦合模型进行疲劳损伤预测，并在水下井口连接作业状态时进行疲劳监测，评估水下井口当前的疲劳损伤等安全状态。国内针对水下井口系统疲劳损伤机理进行了一些研究，取得了一些成果，但主要集中在基于环境设计数据的井口疲劳损伤预测；在水下井口疲劳监测以及监测数据评估方面研究较少，仍有待深入和全面研究。

2.1 基于设计数据的水下井口系统疲劳损伤预测方法

国外对基于环境设计数据的深水水下井口系统振动和疲劳损伤预测进行了较多研究，形成了相关推荐做法并指导工程实践。

DNV-RP-E104[14]对波浪作用下的水下井口系统疲劳分析给出了指导方法，如图2所示，但局限于波致疲劳，未对涡激振动引发疲劳给出计算指导方法。K.H.ARONSEN等[15]利用此方法进行了实例分析。M.MACKE等[16]对水下井口系统疲劳影响因素进行敏感性分析，探讨水下井口疲劳预测中的保守程度。G.SIGURDSSON[17]等提出一种基于RBI应用的评估水下井口疲劳寿命的方法。A.FJELDSTAD等[18]利用压力测试数据，基于断裂力学方法对水下井口进行疲劳损伤评估。L.REINAS等[19]基于JIP项目“井口作业期间井口结构完整性”的研究成果，总结了井口疲劳预测方法，分析了深水钻完井或修井期间极端波浪载荷作用下的井口疲劳损伤。L.C.SEVILLANO等[20]在水下井口疲劳分析方面考虑了井口温度效应。N.PILISI等[21]对新、老井口在6种不同作业和服役状态时井口疲劳进行了整体建模和分析。

图2 水下井口疲劳损伤计算流程Fig.2 Calculation workflow of the subsea wellhead fatigue damage

国内中海油研究总院、中国石油大学(华东)和中国石油大学(北京)等对深水水下井口系统展开深入研究，利用隔水管-水下井口系统模型和水下井口等效简化子模型，采用时域或频域分析法，建立水下井口疲劳损伤评估方法，进行水下井口疲劳损伤分析。畅元江等[22]利用基于局部等效方法的深水水下井口半解耦分析模型进行井口动态强度和疲劳分析，并对深水水下井口疲劳分析中的耦合模型、半解耦模型及解耦模型的优缺点进行比较分析[23]。刘续等[24-25]利用商业有限元软件Abaqus分析了水下井口的波致疲劳寿命。盛磊祥等[26]采用Flexcom软件建立了钻井平台-隔水管-水下井口系统的动态耦合模型，分析了平台动态漂移轨迹与漂移情况下的隔水管-井口系统载荷状态。甘武祥等[27]建立了隔水管系统-井口有限元模型，分析了隔水管-井口弯矩分布以及随波流参数、平台运动的变化特征。刘秀全等[28]利用随机波浪参数，基于频域法计算隔水管-井口波激疲劳寿命，计算结果与时域计算结果吻合良好。畅元江等[29]对深水钻井隔水管-井口系统，利用Shear7软件计算不同超越概率流剖面下的涡激疲劳损伤。

从国内外研究现状来看：

(1)水下井口(含导管、表层套管等浅层管柱)与深水隔水管-钻井平台相互耦合作用，需要利用钻井平台-隔水管-井口系统耦合模型整体分析，从而得到水下井口系统动态响应、疲劳损伤及其疲劳寿命。

(2)由于基于波浪海流土壤等服役环境条件的不确定性和波流流固耦合模型的高非线性，所以基于设计数据的水下井口系统疲劳损伤预测精度有所欠缺，与实际作业时的井口疲劳安全状态差别较大，亟需利用疲劳监测方法对水下井口系统进行疲劳状态评估。

2.2 水下井口系统疲劳监测损伤评估方法

水下井口在设计阶段，利用合适的设计方法确保工况结构能够抵抗不可预测的极端环境载荷造成的损伤，但是在钻完井或修井作业的服役期间疲劳损伤不可避免。为了更好地评估实际作业工况下的井口疲劳损伤，对水下井口系统进行疲劳损伤监测成为一种更直接的疲劳评估手段。目前，水下井口系统因位置在防喷器下且隔水导管/表层套管部分位于海床土壤中，直接安装传感器较为困难，一般通过对深水平台-隔水管系统进行监测，间接实现对水下井口的疲劳监测。水下井口系统疲劳损伤监测数据多源，具体包括：波浪海流平台运动等监测信息、隔水管不同位置处的振动数据、隔水管重点部位的应变/应力监测数据。隔水管振动监测位置不连续且测点有限，如何利用监测位置不连续且测点有限情况下的多源监测数据，并利用高精度评估方法进行水下井口疲劳损伤评估成为当前的技术难题。

E.MYHRE等[30]尝试在高压井口、导管及表层套管外部布置应变传感器实时监测水下井口系统，并进行了室内和海上安装作业试验，技术整体水平仍处于试验阶段，并未进行工业应用。E.B.KEBADZE等[31]通过监测钻井隔水管-水下井口系统，对土壤刚度、隔水管附加质量等进行参数修正和调整优化，提高水下井口疲劳评估准确性。LANG D.W.等[32]将井口-隔水管监测数据与数值模型融合，并对钻井作业装备进行实时监控，对土壤模型进行修正和校准，使井口疲劳评估更加精确。H.HOWELLS等[33]介绍了井口疲劳监测方法，并对不同方法的优缺点进行了介绍，特别指出，有限元模型中的相关参数需要进行修正，从而使传递函数法具有更高的鲁棒性。B.MERCAN等[34]利用BOP处的振动传感器数据修正海床土壤参数，再利用传递函数法进行疲劳损伤评估，并利用JIP项目“井口疲劳”[35]成果，总结了大量井口疲劳监测案例，指出利用监测数据评估疲劳损伤和基于设计数据预测疲劳损伤的差距，探讨波致疲劳预测时通过修正有限元模型中的背景流和水动力系数，可使监测和预测结果更加匹配。S.MCNEILL等[36-37]研究了基于监测数据和传递函数法的水下井口系统疲劳损伤评估方法和疲劳监测系统，认为疲劳寿命监测可以快速做出预警判断，测量数据在对分析模型校准修正中具有重要作用，并降低常规疲劳预测中的高保守性。S.GAUTHIER[38]介绍了水下井口和隔水导管系统无线实时监测装置，探讨了传感器测点位置的布置方法。GE M.L.等[39-40]基于监测数据，利用传递函数法分析波浪和海流引起涡激振动共同作用下水下井口疲劳损伤，指出在高环形流作用下的隔水管-水下井口疲劳损伤主要由涡激振动效应引起。D.WILLIAMS[41]基于监测数据，通过振动位移-应力传递函数评估井口疲劳损伤。A.RIMMER等[42]制定了水下井口疲劳监测方案，分析了基于监测数据的疲劳评估和基于环境设计数据的疲劳预测的差别及其原因。

国内对水下井口系统监测评估研究相对较少，仅进行了初步探索。李清培等[43]对比分析了疲劳监测方法在钻井隔水管-水下井口系统上的应用，通过加速度运动监测可以间接获得隔水管和水下井口疲劳状态。王金龙[44]利用加速度监测数据通过传递函数法探讨了钻井隔水管疲劳损伤评估，但未深入研究水下井口疲劳难题。

综上所述，基于监测数据的疲劳损伤评估方法主要有模态匹配法、理论解析法、半解耦法及传递函数法等。模态匹配法基于振型重构[45]，侧重于评估涡激振动引起的隔水管疲劳损伤，使模态振幅和频率匹配不同位置的实测隔水管响应。模态匹配法对涡激振动具有很强的适应性，但若隔水管的响应主要由波浪引起时，隔水管的动力响应和疲劳响应将遭到低估。理论解析法仅可计算监测位置的疲劳寿命，无法计算别的目标位置的疲劳响应，使用上有一定限制。半解耦法需提前计算水下井口等效模型，使用上有一定难度。传递函数法利用隔水管监测位置处的加速度振动监测数据来预测水下井口疲劳极限位置的疲劳响应[46]，利用时域模态或动力学分析生成频域传递函数，考虑了隔水管-水下井口动态响应的部分非线性特性，如结构阻尼、水动力学参数和土壤刚度等。虽然传递函数法在精度和效率上达到平衡，但也存在忽略不同海况等部分非线性因素的缺点。

从国内外研究现状可发现：

(1)国内对水下井口系统监测工程实践和研究处于探索阶段，仍有待深入研究。

(2)基于监测数据的水下井口系统疲劳损伤评估方法中，传递函数法在精度与效率上较为平衡；但目前常规传递函数法依赖于单一传感器的振动监测数据，具有一定的随机性，忽视了不同海况下的强非线性；传递函数的生成精度与所建立的有限元模型、水动力学参数和阻尼参数的正确性关联较大。

(3)基于传递函数法原理，如何生成高精度传递函数进行多源监测数据下的高效疲劳损伤评估，仍有待深入研究。

2.3 基于多源监测数据融合的水下井口修正有限元模型

当前多源数据融合技术飞速发展，水下井口系统疲劳监测产生的海量监测数据，应引入多源数据融合新方法来提高水下井口安全保障技术水平。

多源数据融合技术能够提高对目标信号特征提取性能，降低数据信号噪声干扰。多源数据融合在风电等设备故障诊断及海洋装备等领域开始应用[47-48]，在深水钻井行业已利用信息融合中的粗糙集理论和规则提取算法设计了钻井智能预警系统[49]。闫天红等[50]开发了风和波浪环境监测与平台振动、应变响应结构监测系统，根据监测数据提出了基于双重有限元模型修正的导管架平台结构数字孪生，并修改平台结构安全评估及寿命预测模型。蒋爱国等[51]通过运用数字孪生技术将物理实体映射到修正有限元模型中，运用大数据挖掘技术并集成人工智能技术，实现多源信息数据的融合，开发了半潜式钻井平台智能监测系统。GE M.L.等[52]介绍了利用固定点法和振动主频法对水下井口整体有限元模型修正的方法。

深水水下井口系统环境载荷工况复杂，同时单一传感器采集到的信息可能会受到周围环境的干扰而存在一定不精确性，因此利用振动、应力/应变、波浪海流等传感器监测到的多源监测数据进行融合处理，能够获取更准确的信号特征，得到更精确的水下井口修正有限元模型。水下井口多源监测数据融合能够最大效率利用多个维度的信息对信号特征进行描述，实现水下井口系统疲劳状态特征信息的准确提取，有效提高信息特征提取效率，提高对干扰和噪声的抵抗能力。

综上所述，可以发现：

(1)还未见将多源数据融合新方法、新理念引入到水下井口疲劳监测评估研究中。

(2)通过多源数据的冗余性和互补性，利用多源数据融合提取疲劳状态特征，修正水下井口动力学理论计算模型和疲劳损伤评估方法，提高有限元模型和疲劳监测数据处理精度。

(3)建立基于多源监测数据融合的深水水下井口系统修正有限元模型，实现水下井口物理模型与监测数据的交互，真实反映深水水下井口的静态和动态特征(模态参数)，依据监测数据不断修正井口结构有限元模型，生成高精度传递函数，随时掌握深水水下井口系统服役期间的结构行为状态。

3 研究难点

深水水下井口疲劳预测和基于监测数据的疲劳损伤评估研究，具有如下难点需引起高度关注。

(1)水下井口疲劳监测水池试验待开展。目前深水钻井平台-隔水管-井口耦合动力学响应试验集中在隔水管振动响应研究，未见针对波流耦合作用下的深水水下井口疲劳监测试验及试验数据处理方法研究。深水平台-隔水管耦合振动水池试验中虽有部分设计了井口模型管段，但较少对井口进行振动监测。等效土箱中井口模型管段的监测传感器安装可靠性和数据采集稳定性难度客观存在。波浪海流耦合作用下的深水水下井口系统疲劳监测水池试验仍有待开展和深入研究。

(2)缺乏多源监测数据融合的水下井口修正有限元模型。由于服役环境条件的不确定性、海床土壤性质的不精确性、管土作用的强非线性及隔水管-井口波流流固耦合效应等影响因素，当前隔水管-水下井口整体耦合模型与水下井口实际受力环境仍有较大差别，基于环境设计数据的水下井口疲劳损伤预测与实际作业情况仍有较大差距。为了精确评估实际作业工况下的井口疲劳损伤，对水下井口进行疲劳损伤监测成为一种更直接、更高效的井口疲劳评估手段。但目前多源监测数据未能良好融合处理，监测数据信息与有限元模型参数无法交互修正，缺乏水下井口修正有限元模型，导致水下井口结构评价及疲劳损伤寿命预测出现偏差。

(3)缺乏基于多源监测数据融合的水下井口系统疲劳损伤高效评估方法。当前基于振动、应变及波流监测数据等多源监测数据的水下井口系统疲劳损伤评估方法主要有模态匹配法、理论解析法、半解耦法、传递函数法等。模态匹配法主要针对VIV(涡激振动)引起的疲劳，忽略了波浪引起的疲劳响应。常规传递函数法在精度和效率上较好，但常依赖于单一的振动监测数据，具有一定的随机性，需提高针对不同海况的适应性和精度。基于多源监测数据融合的水下井口系统疲劳损伤高精度评估方法仍需进行深入研究。