探井隔水导管在台风期间力学影响研究

2018-11-29，，，，

石油矿场机械 2018年6期

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(1. 中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海 200335； 2.中国石油大学(北京) 海洋工程研究院，北京 102249)

隔水导管是近海油气勘探开发使用最广泛的装备，在海洋油气安全开发中扮演重要的角色[1]。隔水导管需要在恶劣的海况环境下作业，如果遇到超强台风，可能会引发井口失稳，造成严重的作业事故[2]。例如，海洋石油942平台在某气田延长作业时，曾出现隔水导管发生旋转、偏移的复杂情况。

探井延长测试一般需要持续数月，时间跨度长。对于探井隔水导管而言，隔水导管稳定性是保证延长测试安全生产的重要环节[3]。隔水导管轴向受力主要来自于顶部集中载荷、张紧器上提力；横向载荷主要来自于海风、波浪力与海流力等[4]。当遭遇超强台风时，在轴向、横向载荷的综合作用下，隔水导管的横向位移增大，等效应力增加，使得隔水导管产生失稳风险增大[5]。

虽然国内外对隔水导管与载荷相互作用关系进行了较多研究，取得了不少的成果[4-8]。但只从理论角度对隔水导管进行力学分析，对准确预测隔水导管现场作业工况下的受力还有一定难度，尤其是在台风极限工况下，隔水导管受力情况没有定性或定量的研究，仅停留在数值模拟和室内试验研究阶段[9]。因此，有必要开展现场试验，研究在台风极限工况下，对隔水导管强度的影响，为海上探井作业提供技术支撑和实践基础。

1 试验原理与装置

1.1 试验原理

图1 探井隔水导管及井口的受力示意

隔水导管在工作过程中承受的主要载荷有顶部集中载荷、张紧上提力、横向的波浪力与海流力等。在隔水导管管柱上取微元段dx，内力符号Q和M分别为管柱的剪力和弯矩，如图2所示。

图2 微元段力学分析

微元段的力矩平衡关系可得到延长测试工况下隔水导管受力模型。

(1)

式中:ECIC(x)为表层导管抗弯刚度，kN·m；DC(x)为套管柱外径，m；N(x)为沿x方向变化的轴向力，kN ；p(x,y)为单位面积上的地基反力,kPa；q(x)为单位长度上的分布载荷，kN。

1.2 应力监测系统和不间断电源系统(UPS)

在国内外管柱试验分析的基础上，本次试验设计了一套应力采集系统，如图3所示。该系统包括应变采集仪(如图4)、应变传感器(如图5)、工业便携机、防爆栅、数据线等。

UPS系统主要由稳压器、储能器、免维护蓄电池组成，可以提供应力采集系统15 d的电力供应。

应力采集系统将应变采集仪和水文采集系统的数据连接到工业便携机进行数据处理。隔水导管在外载荷作用下产生应变，该应变被贴在隔水导管外壁的应变片捕捉，并通过电缆传递给应变采集仪，最后将数据在工业便携机进行处理，从而得到外载荷施加给管柱的真实应变值。

1.3 隔水导管模型试验

选取在海上作业的海洋石油942平台为试验场地；选取的管柱为现场生产作业的隔水导管。经过现场勘查，隔水导管受力情况采用探井分析常用模型，模型参数如表1。

图3 应力采集系统工作原理

图4 应力采集仪

图5 应变传感器

表1 模型参数

2 试验步骤

本试验只测定隔水导管管柱表面的应变。

2.1 应变片粘贴方案

为得到管柱不同位置处的应变值，选取管柱顶部L/20处截面作为贴片位置，每个截面环向间隔90°选取4个点作为贴片位置，应变片粘贴整体方案如图6。测点采用半桥式应变片连接方式，可忽略温度变化的影响[10]。

图6 应变片粘贴整体方案

2.2 试验步骤

1) 根据井口情况，选择应变采集位置。

2) 粘贴应变片，现场布置应力采集系统。

3) 调试应变采集系统，保证系统正常运行。

4) 水文采集器实时记录平台环境载荷数据。

5) 台风期间进行全周期采集，记录不同环境载荷工况下的应变数据。

6) 在特定环境载荷下，记录不同张紧力下的应变数据。

3 试验结果

3.1 不同环境载荷下管柱应力分析

该试验采集了“泰利”台风前期、台风期、台风后期的隔水导管在极限工况下的应变情况，台风期间隔水导管井口受力条件不变，为试验结果准确性提供了良好的基础。应变采集系统安装完成后，各个测点应变传感器均在台风前24 h进行测量。试验选取了风速为11、18、25、35 m/s 4种环境载荷下的应变数据，并与理论计算结果进行对比。

4种不同环境载荷下应变值如表2。管柱采集应力与理论计算对比曲线如图7。

由图7可知，台风期间随着风浪流载荷增大，隔水导管管柱应变变大；当台风最大风速达到35 m/s时，隔水导管受到应力达到最大值。经过对比监测数据与理论数据可知，精确度达到98%。