第十一章海上隔水管

第十一章海上隔水管第一节海上隔水管简介海上隔水管是从海上钻井平台下到海底浅层的套管，是在钻井作业时隔绝海水、循环泥浆的安全通道，上接导流器，下连防喷器，是一组重要的水下钻井装备。在海上石油的勘探中，钻井隔水管是整个钻井系统中重要而又薄弱的环节，是影响海上钻井安全的重要因素。因此隔水管的稳定性对于整个石油的勘探、开采起着重要的作用。（一）海上隔水管系统主要功能如下：a．隔开海水，提供井口与钻井船之间的液体传输的通道：1）正常钻井条件下，在隔水管环空内。2）当BOP组正用于井控时，通过节流和压井管线。b．支撑节流、压井及辅助管线；c．把工具导向井内；d．作为BOP组的送入和回收管体。（二）海上隔水管特点：•工况多变；•操作频繁；•深水对钻井隔水管的作用效率与安全有重要的影响；•其安全性与钻井过程及钻井参数密切相关。（三）深水隔水管特点：•结构更为复杂；•隔水管设计时所考虑的主要因素不同；•受力状态更加恶劣和复杂，动态响应更为明显，动态分析时与浅水也有很大的不同；•操作时间长，导致非钻井时间变长，容易出现操作不当导致结构损伤（四）海上隔水管的失效形式：1、隔水管灾难性破坏2、隔水管爆裂3、隔水管塌陷（静水压溃）4、涡激振动导致开口破坏5、隔水管最下部接头处（LMRP上部）断裂6、隔水管磨损第二节海上隔水管系统组成及工作原理（一）隔水管系统的组成1卡盘/万向节2分流器3上部挠性接头4伸缩节5张力环6中间挠性管7上部接头8隔水管9隔水管适配器10单挠性接头11防喷器接头12井口接头13井口（二）海上隔水管系统配套设备1、卡盘（液压连接装置）隔水管液压上紧装置放在转盘上，当提起隔水管和连接隔水时，将隔水管柱和BOP组件坐在盘上，卡盘内径和转盘内径相同。其主要作用在于夹紧水管，便于快速连接和拆卸隔水管接头。隔水管万向节隔水管万向节放在转盘和卡盘之间，能够支持卡盘、整个隔水管柱和BOP组件的重量，其作用类似于伸缩接头，可以补充由于海流产生的隔水管偏移，便于隔水管连接。2、分流器(转喷器）当穿过30英寸套管进行井口钻井时，如有必要，可采用隔水管，使用重泥浆，以提供过平衡。此阶段尚未安装防喷器（BOP）因为一般情况下30英寸的套管还缺少关井所需的足够的压力完善性。因此，如果井自喷，隔水管将把流体导引至钻机上的分流系统。通常，分流系统由环空密封设备、既能打开放气管线又能关闭钻井液返出管的装置以及一个控制系统组成。3、上部挠性接头（球接头）挠性和球形接头用于使隔水管和BOP组之间产生角位移，从而减小隔水管上的挠距。此外，还可用在隔水管的顶部，便于钻机的动作。在某些情况下，这种接头还可以安装在伸缩接头以下隔水管柱的中部，用以减小隔水管的应力。挠性接头的旋转刚度使之在控制隔水管角度时比球形接头更有效。通常，一个挠性接头的旋转刚度属于角度非线性功能，每旋转一度，角度变化10,000~30,000英尺/磅。旋转刚度还可能随温度变化。4、伸缩节伸缩接头的基本功能是补偿船舶与隔水管之间的相对直移运动。其外筒为隔水管张力负荷提供结构性支持。伸缩接头由外筒和内筒及一个张拉环组成，外筒与钻井隔水管相连，内筒与钻井船相连，张拉环能够把张力系统的负荷传递至隔水管的外筒。5、张力环6、中间挠性管（用以减小隔水管的应力）深水钻井船配置较多，半潜式钻井平台不配置。7、隔水管接头（隔水管连接装置）•容易对扣，快速上扣，排列校直；•适合在水深7500英尺以内作业，不过取决于环境和井控的条件，MR-10R接头能够在水深10000英尺以内作业；•预加载接头能显著减小由周期载荷引起的交变应力的值域，从而提高抗疲劳寿命；•拉力和弯曲载荷的主要载荷路径通过锁并进入管体，而不影响致动螺丝。8、底部隔水管总成•隔水管适配器•单挠性接头•环形BOP•液压连接器•挠性节流与压井管线•挠性节流与压井管线短接头第三节海上隔水管操作系统实例（一）实例：西方大力神钻井平台（WESTHERCULES)在南海荔湾3-3-1井（水深1551米）隔水管系统下入操作分析。隔水管型号：Cameron“LoadKing”3.5riser。OD/ID：21/19-1/4”平均长度：75ft,材质：x80，本体上有5条管线分别为阻流压井管，增压管及两条给BOP补充能量的液压管线屈服强度：80kpsi,接头扣型：Loadking，接头密封：两道橡胶圈+钢圈隔水管短接：内置riserfillvalve,水深超过5000ft时使用该短接，当隔水管内压差达到一定值时该阀会自动打开联通大海，用海水灌满隔水管浮力块:现场有3000ft,6000ft&7500ft3个型号的浮力块伸缩节:型号：Cameron21IN.LK3.5，内置液压双密封packer转喷器:型号：Hydrill，最大尺寸：59.5″，工作压力：500psi,内置packerChokeline/Killline:各一条，OD/ID6.75″/4.5″，工作压力：15000psiBoostline:一条，OD/ID5″/4″工作压力：5000psiHydraulicSupplyLine:共2条，OD/ID4.25″/3.5″工作压力5000psi总共下入66根隔水管，每根隔水管上加装6个浮力块，隔水管上浮力块是按照一定的规律加装的，海底井口附件的两根隔水管加装了浮力块，之后的12根隔水管没有加装，其余的隔水管全部加装了浮力块在下入BOP和隔水管的过程中要进行多次的压力测试，以检测隔水管与BOP、隔水管与隔水管之间的连接是否紧密，在BOP与隔水管连接后，隔水管下入一半的水深、安装柔性接头之前和之后都要进行压力测试。节流和压井管线测试低压250psi5min，高压10000psi5min，增压和液压动力管线测试低压250psi5min，高压5000psi10min。在测试的过程中要保证这些管线都是处于直线状态下，不能有弯曲。（二）隔水管作业指南1、关键部件的载荷级别；2、隔水管和主要管线的内外压承受级别；3、各部件的检查、维修程序；4、安装使用与回收程序；5、建立最大与最小张力设定程序；6、作业限定和应急程序；7、准确的运行记录；8、建议部件备用余量的记录参考；9、薄弱点张紧线的标准和运行程序。（三）隔水管安装作业程序1、装下部隔水管总成2、连接隔水管，进行隔水管压力测试3、连接中间挠性管和伸缩管4、继续下入隔水管及BOP5、连接下入接头并下放伸缩管于月池6、安装隔水管分流器7、连接下部隔水管总成与井口8、对井口连接器压力测试第四节海上隔水管最新技术进展及主要制造商（一）海上隔水管最新技术进展连接方式：传统的法兰连接快速接头连接制造材质：钢质铝合金钛合金其它复合材料直径小型化：211614-3/4普通高强度套管用作隔水管隔水管监测管理技术井口连接器预防水合物设计（二）高强度套管用作深水钻井隔水管1、适应于水上BOP方法以壳牌公司为代表的水上BOP钻井方法使用普通P110高强度套管做隔水管，主要使用20”和13-3/8”两种规格的P110高强度高压套管作为隔水管来进行钻井作业。在马来西亚海域和巴西海域等海况条件较好海域应用。2、适用海况：所在海域海况条件良好；已经了解所在地区地质条件（三）隔水管监测管理技术应用隔水管监测管理系统可以有效防止隔水管事故发生，通过软件计算结果可沿隔水管不同深度设置传感器，监测隔水管偏斜角度（要求小于0.61度）和张力等参数，控制隔水管在绿色圆安全范围内作业。如进入黄色警戒区应采取措施调整，红色区域处于危险状态，则应采取应急措施。（四）主要海上隔水管制造商1、VetcoGray公司深水钻井隔水管维高公司开发了快速连接隔水管来取代传统隔水管并且得到应用。比如维高公司开发的MR-6E隔水管接头及专用液压上紧装置，液压上紧装置使得操作人员不需要手动对接，上扣及夹紧隔水管，能够实现快速对接、上扣及夹紧，显著提高了隔水管下放速度。2、Cameron公司深水钻井隔水管法兰连接接头LoadKing4.0卡盘3、ZAO公司铝合金深水钻井隔水管俄罗斯ZAO公司采用铝合金作为材料生产铝合金钻井隔水管(AluminumAlloyDrillingRiser，简称AADR)，在满足强度要求的条件下，铝合金隔水管比钢制隔水管更轻，在平台承重能力保持不变的情况下，能够在更大水深的海域钻井。ZAO公司隔水管单根也采用法兰连接隔水管作业效率低。4、法国石油研究院IFP夹式隔水管夹式隔水管(ClipRiser)是一种由法国石油研究院IFP于上世纪80年代中期研制的卡口式快速连接钻井隔水管技术。夹式隔水管采用炮栓型接头实现隔水管的快速作业，它的简易性和快速下放性能使得它成为深水钻井的理想装备。作业时，当两根隔水管单根对接完成后，压入上部隔水管单根，旋转炮栓接头的载荷环/锁紧环将两个单根锁定完成连接，作业中不需要螺栓、多线程或任何预加载荷。夹式隔水管技术最大的优点是显著提高隔水管作业速度，夹式隔水管接头的连接速度是法兰连接的两倍，可以每小时7到8根的速度组装隔水管柱。例如，组装7500ft水深的钻井隔水管只需12-14小时，一年可节省10-15天的时间。