王金龍 許亮斌

(中海油研究總院有限責任公司鉆采研究院)

0 引 言

海洋是全球石油戰(zhàn)略接替的重點區(qū)域之一，我國南海的油氣資源極為豐富，海洋油氣開發(fā)正在向深遠海延伸[1-5]，但南海惡劣的自然環(huán)境和極端海況(內(nèi)波和臺風)對南海深水油氣開發(fā)帶來了巨大挑戰(zhàn)。深水水下井口系統(tǒng)作為深水鉆井過程中的重要裝備，為鉆井作業(yè)提供安全屏障。目前深水水下井口系統(tǒng)技術(shù)裝備全被FMC、GE和Aker等國際公司壟斷，投資成本高昂，其安全性至關(guān)重要，一旦失效可能造成油氣泄漏停產(chǎn)等嚴重的經(jīng)濟損失和惡劣的環(huán)境污染。為了促進深水水下井口系統(tǒng)技術(shù)進步，提高水下井口系統(tǒng)的安全利用水平，筆者總結(jié)了深水水下井口系統(tǒng)特點，調(diào)研了水下井口在南海的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景；詳細分析了水下井口在損傷預(yù)測、疲勞監(jiān)測、多源監(jiān)測數(shù)據(jù)融合處理等疲勞損傷評估研究中的進展；總結(jié)了水下井口疲勞損傷評估研究難點；最后提出了水下井口疲勞損傷評估技術(shù)的發(fā)展方向及研究建議。所得結(jié)論可為水下井口系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展及深海應(yīng)用提供參考。

1 水下井口系統(tǒng)疲勞損傷特點

深水水下井口系統(tǒng)主要承力結(jié)構(gòu)由高壓井口頭、低壓井口頭、導管及表層套管等組成，如圖1所示。當前我國南海共有117套開發(fā)井水下井口，探井水下井口數(shù)量更多且重復利用，其中超過設(shè)計壽命20 a以上超期服役的開發(fā)井井口有29套，當前未能完全掌握其疲勞損傷等安全狀態(tài)。水下井口系統(tǒng)在鉆完井、修井等連接作業(yè)過程中，受到波浪和海流引起的隔水管振動、平臺運動以及作業(yè)性動載荷等傳遞而來的循環(huán)載荷作用[6-9](見圖1)。這些循環(huán)載荷主要使水下井口產(chǎn)生循環(huán)彎矩，導致水下井口疲勞損傷不斷累積，而且隨著水深的增加、鉆井作業(yè)時間的延長、防噴器組體積和重力增大，水下井口疲勞損傷會更加嚴重。當其超過水下井口的疲勞極限時，井口會產(chǎn)生失效甚至斷裂[10]。疲勞失效是水下井口失效的主要形式。水下井口的疲勞極限位置主要在高壓井口頭、低壓井口頭、高壓井口與表層套管焊縫處、低壓井口與隔水導管焊縫處、表層套管接頭及隔水導管接頭等位置。英國北海油田曾有水下井口使用29 d因高壓井口頭底部和套管連接處的焊縫發(fā)生疲勞失效的事故[11]以及在役井口因疲勞失效導致的多次事故[12-13]。

圖1 深水鉆井平臺-隔水管-水下井口系統(tǒng)耦合模型Fig.1 Coupling model of deepwater drilling platform, riser,and subsea wellhead system

2 研究進展

當前，國際上對深水水下井口系統(tǒng)疲勞損傷研究主要基于環(huán)境設(shè)計數(shù)據(jù)，利用深水平臺-隔水管-水下井口系統(tǒng)耦合模型進行疲勞損傷預(yù)測，并在水下井口連接作業(yè)狀態(tài)時進行疲勞監(jiān)測，評估水下井口當前的疲勞損傷等安全狀態(tài)。國內(nèi)針對水下井口系統(tǒng)疲勞損傷機理進行了一些研究，取得了一些成果，但主要集中在基于環(huán)境設(shè)計數(shù)據(jù)的井口疲勞損傷預(yù)測；在水下井口疲勞監(jiān)測以及監(jiān)測數(shù)據(jù)評估方面研究較少，仍有待深入和全面研究。

2.1 基于設(shè)計數(shù)據(jù)的水下井口系統(tǒng)疲勞損傷預(yù)測方法

國外對基于環(huán)境設(shè)計數(shù)據(jù)的深水水下井口系統(tǒng)振動和疲勞損傷預(yù)測進行了較多研究，形成了相關(guān)推薦做法并指導工程實踐。

DNV-RP-E104[14]對波浪作用下的水下井口系統(tǒng)疲勞分析給出了指導方法，如圖2所示，但局限于波致疲勞，未對渦激振動引發(fā)疲勞給出計算指導方法。K.H.ARONSEN等[15]利用此方法進行了實例分析。M.MACKE等[16]對水下井口系統(tǒng)疲勞影響因素進行敏感性分析，探討水下井口疲勞預(yù)測中的保守程度。G.SIGURDSSON[17]等提出一種基于RBI應(yīng)用的評估水下井口疲勞壽命的方法。A.FJELDSTAD等[18]利用壓力測試數(shù)據(jù)，基于斷裂力學方法對水下井口進行疲勞損傷評估。L.REINAS等[19]基于JIP項目“井口作業(yè)期間井口結(jié)構(gòu)完整性”的研究成果，總結(jié)了井口疲勞預(yù)測方法，分析了深水鉆完井或修井期間極端波浪載荷作用下的井口疲勞損傷。L.C.SEVILLANO等[20]在水下井口疲勞分析方面考慮了井口溫度效應(yīng)。N.PILISI等[21]對新、老井口在6種不同作業(yè)和服役狀態(tài)時井口疲勞進行了整體建模和分析。

圖2 水下井口疲勞損傷計算流程Fig.2 Calculation workflow of the subsea wellhead fatigue damage

國內(nèi)中海油研究總院、中國石油大學(華東)和中國石油大學(北京)等對深水水下井口系統(tǒng)展開深入研究，利用隔水管-水下井口系統(tǒng)模型和水下井口等效簡化子模型，采用時域或頻域分析法，建立水下井口疲勞損傷評估方法，進行水下井口疲勞損傷分析。暢元江等[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進行井口動態(tài)強度和疲勞分析，并對深水水下井口疲勞分析中的耦合模型、半解耦模型及解耦模型的優(yōu)缺點進行比較分析[23]。劉續(xù)等[24-25]利用商業(yè)有限元軟件Abaqus分析了水下井口的波致疲勞壽命。盛磊祥等[26]采用Flexcom軟件建立了鉆井平臺-隔水管-水下井口系統(tǒng)的動態(tài)耦合模型，分析了平臺動態(tài)漂移軌跡與漂移情況下的隔水管-井口系統(tǒng)載荷狀態(tài)。甘武祥等[27]建立了隔水管系統(tǒng)-井口有限元模型，分析了隔水管-井口彎矩分布以及隨波流參數(shù)、平臺運動的變化特征。劉秀全等[28]利用隨機波浪參數(shù)，基于頻域法計算隔水管-井口波激疲勞壽命，計算結(jié)果與時域計算結(jié)果吻合良好。暢元江等[29]對深水鉆井隔水管-井口系統(tǒng)，利用Shear7軟件計算不同超越概率流剖面下的渦激疲勞損傷。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看：

(1)水下井口(含導管、表層套管等淺層管柱)與深水隔水管-鉆井平臺相互耦合作用，需要利用鉆井平臺-隔水管-井口系統(tǒng)耦合模型整體分析，從而得到水下井口系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)、疲勞損傷及其疲勞壽命。

(2)由于基于波浪海流土壤等服役環(huán)境條件的不確定性和波流流固耦合模型的高非線性，所以基于設(shè)計數(shù)據(jù)的水下井口系統(tǒng)疲勞損傷預(yù)測精度有所欠缺，與實際作業(yè)時的井口疲勞安全狀態(tài)差別較大，亟需利用疲勞監(jiān)測方法對水下井口系統(tǒng)進行疲勞狀態(tài)評估。

2.2 水下井口系統(tǒng)疲勞監(jiān)測損傷評估方法

水下井口在設(shè)計階段，利用合適的設(shè)計方法確保工況結(jié)構(gòu)能夠抵抗不可預(yù)測的極端環(huán)境載荷造成的損傷，但是在鉆完井或修井作業(yè)的服役期間疲勞損傷不可避免。為了更好地評估實際作業(yè)工況下的井口疲勞損傷，對水下井口系統(tǒng)進行疲勞損傷監(jiān)測成為一種更直接的疲勞評估手段。目前，水下井口系統(tǒng)因位置在防噴器下且隔水導管/表層套管部分位于海床土壤中，直接安裝傳感器較為困難，一般通過對深水平臺-隔水管系統(tǒng)進行監(jiān)測，間接實現(xiàn)對水下井口的疲勞監(jiān)測。水下井口系統(tǒng)疲勞損傷監(jiān)測數(shù)據(jù)多源，具體包括：波浪海流平臺運動等監(jiān)測信息、隔水管不同位置處的振動數(shù)據(jù)、隔水管重點部位的應(yīng)變/應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)。隔水管振動監(jiān)測位置不連續(xù)且測點有限，如何利用監(jiān)測位置不連續(xù)且測點有限情況下的多源監(jiān)測數(shù)據(jù)，并利用高精度評估方法進行水下井口疲勞損傷評估成為當前的技術(shù)難題。

E.MYHRE等[30]嘗試在高壓井口、導管及表層套管外部布置應(yīng)變傳感器實時監(jiān)測水下井口系統(tǒng)，并進行了室內(nèi)和海上安裝作業(yè)試驗，技術(shù)整體水平仍處于試驗階段，并未進行工業(yè)應(yīng)用。E.B.KEBADZE等[31]通過監(jiān)測鉆井隔水管-水下井口系統(tǒng)，對土壤剛度、隔水管附加質(zhì)量等進行參數(shù)修正和調(diào)整優(yōu)化，提高水下井口疲勞評估準確性。LANG D.W.等[32]將井口-隔水管監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模型融合，并對鉆井作業(yè)裝備進行實時監(jiān)控，對土壤模型進行修正和校準，使井口疲勞評估更加精確。H.HOWELLS等[33]介紹了井口疲勞監(jiān)測方法，并對不同方法的優(yōu)缺點進行了介紹，特別指出，有限元模型中的相關(guān)參數(shù)需要進行修正，從而使傳遞函數(shù)法具有更高的魯棒性。B.MERCAN等[34]利用BOP處的振動傳感器數(shù)據(jù)修正海床土壤參數(shù)，再利用傳遞函數(shù)法進行疲勞損傷評估，并利用JIP項目“井口疲勞”[35]成果，總結(jié)了大量井口疲勞監(jiān)測案例，指出利用監(jiān)測數(shù)據(jù)評估疲勞損傷和基于設(shè)計數(shù)據(jù)預(yù)測疲勞損傷的差距，探討波致疲勞預(yù)測時通過修正有限元模型中的背景流和水動力系數(shù)，可使監(jiān)測和預(yù)測結(jié)果更加匹配。S.MCNEILL等[36-37]研究了基于監(jiān)測數(shù)據(jù)和傳遞函數(shù)法的水下井口系統(tǒng)疲勞損傷評估方法和疲勞監(jiān)測系統(tǒng)，認為疲勞壽命監(jiān)測可以快速做出預(yù)警判斷，測量數(shù)據(jù)在對分析模型校準修正中具有重要作用，并降低常規(guī)疲勞預(yù)測中的高保守性。S.GAUTHIER[38]介紹了水下井口和隔水導管系統(tǒng)無線實時監(jiān)測裝置，探討了傳感器測點位置的布置方法。GE M.L.等[39-40]基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用傳遞函數(shù)法分析波浪和海流引起渦激振動共同作用下水下井口疲勞損傷，指出在高環(huán)形流作用下的隔水管-水下井口疲勞損傷主要由渦激振動效應(yīng)引起。D.WILLIAMS[41]基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過振動位移-應(yīng)力傳遞函數(shù)評估井口疲勞損傷。A.RIMMER等[42]制定了水下井口疲勞監(jiān)測方案，分析了基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的疲勞評估和基于環(huán)境設(shè)計數(shù)據(jù)的疲勞預(yù)測的差別及其原因。

國內(nèi)對水下井口系統(tǒng)監(jiān)測評估研究相對較少，僅進行了初步探索。李清培等[43]對比分析了疲勞監(jiān)測方法在鉆井隔水管-水下井口系統(tǒng)上的應(yīng)用，通過加速度運動監(jiān)測可以間接獲得隔水管和水下井口疲勞狀態(tài)。王金龍[44]利用加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)通過傳遞函數(shù)法探討了鉆井隔水管疲勞損傷評估，但未深入研究水下井口疲勞難題。

綜上所述，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的疲勞損傷評估方法主要有模態(tài)匹配法、理論解析法、半解耦法及傳遞函數(shù)法等。模態(tài)匹配法基于振型重構(gòu)[45]，側(cè)重于評估渦激振動引起的隔水管疲勞損傷，使模態(tài)振幅和頻率匹配不同位置的實測隔水管響應(yīng)。模態(tài)匹配法對渦激振動具有很強的適應(yīng)性，但若隔水管的響應(yīng)主要由波浪引起時，隔水管的動力響應(yīng)和疲勞響應(yīng)將遭到低估。理論解析法僅可計算監(jiān)測位置的疲勞壽命，無法計算別的目標位置的疲勞響應(yīng)，使用上有一定限制。半解耦法需提前計算水下井口等效模型，使用上有一定難度。傳遞函數(shù)法利用隔水管監(jiān)測位置處的加速度振動監(jiān)測數(shù)據(jù)來預(yù)測水下井口疲勞極限位置的疲勞響應(yīng)[46]，利用時域模態(tài)或動力學分析生成頻域傳遞函數(shù)，考慮了隔水管-水下井口動態(tài)響應(yīng)的部分非線性特性，如結(jié)構(gòu)阻尼、水動力學參數(shù)和土壤剛度等。雖然傳遞函數(shù)法在精度和效率上達到平衡，但也存在忽略不同海況等部分非線性因素的缺點。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可發(fā)現(xiàn)：

(1)國內(nèi)對水下井口系統(tǒng)監(jiān)測工程實踐和研究處于探索階段，仍有待深入研究。

(2)基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的水下井口系統(tǒng)疲勞損傷評估方法中，傳遞函數(shù)法在精度與效率上較為平衡；但目前常規(guī)傳遞函數(shù)法依賴于單一傳感器的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有一定的隨機性，忽視了不同海況下的強非線性；傳遞函數(shù)的生成精度與所建立的有限元模型、水動力學參數(shù)和阻尼參數(shù)的正確性關(guān)聯(lián)較大。

(3)基于傳遞函數(shù)法原理，如何生成高精度傳遞函數(shù)進行多源監(jiān)測數(shù)據(jù)下的高效疲勞損傷評估，仍有待深入研究。

2.3 基于多源監(jiān)測數(shù)據(jù)融合的水下井口修正有限元模型

當前多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)飛速發(fā)展，水下井口系統(tǒng)疲勞監(jiān)測產(chǎn)生的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)引入多源數(shù)據(jù)融合新方法來提高水下井口安全保障技術(shù)水平。

多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠提高對目標信號特征提取性能，降低數(shù)據(jù)信號噪聲干擾。多源數(shù)據(jù)融合在風電等設(shè)備故障診斷及海洋裝備等領(lǐng)域開始應(yīng)用[47-48]，在深水鉆井行業(yè)已利用信息融合中的粗糙集理論和規(guī)則提取算法設(shè)計了鉆井智能預(yù)警系統(tǒng)[49]。閆天紅等[50]開發(fā)了風和波浪環(huán)境監(jiān)測與平臺振動、應(yīng)變響應(yīng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)提出了基于雙重有限元模型修正的導管架平臺結(jié)構(gòu)數(shù)字孿生，并修改平臺結(jié)構(gòu)安全評估及壽命預(yù)測模型。蔣愛國等[51]通過運用數(shù)字孿生技術(shù)將物理實體映射到修正有限元模型中，運用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)并集成人工智能技術(shù)，實現(xiàn)多源信息數(shù)據(jù)的融合，開發(fā)了半潛式鉆井平臺智能監(jiān)測系統(tǒng)。GE M.L.等[52]介紹了利用固定點法和振動主頻法對水下井口整體有限元模型修正的方法。

深水水下井口系統(tǒng)環(huán)境載荷工況復雜，同時單一傳感器采集到的信息可能會受到周圍環(huán)境的干擾而存在一定不精確性，因此利用振動、應(yīng)力/應(yīng)變、波浪海流等傳感器監(jiān)測到的多源監(jiān)測數(shù)據(jù)進行融合處理，能夠獲取更準確的信號特征，得到更精確的水下井口修正有限元模型。水下井口多源監(jiān)測數(shù)據(jù)融合能夠最大效率利用多個維度的信息對信號特征進行描述，實現(xiàn)水下井口系統(tǒng)疲勞狀態(tài)特征信息的準確提取，有效提高信息特征提取效率，提高對干擾和噪聲的抵抗能力。

綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)：

(1)還未見將多源數(shù)據(jù)融合新方法、新理念引入到水下井口疲勞監(jiān)測評估研究中。

(2)通過多源數(shù)據(jù)的冗余性和互補性，利用多源數(shù)據(jù)融合提取疲勞狀態(tài)特征，修正水下井口動力學理論計算模型和疲勞損傷評估方法，提高有限元模型和疲勞監(jiān)測數(shù)據(jù)處理精度。

(3)建立基于多源監(jiān)測數(shù)據(jù)融合的深水水下井口系統(tǒng)修正有限元模型，實現(xiàn)水下井口物理模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)的交互，真實反映深水水下井口的靜態(tài)和動態(tài)特征(模態(tài)參數(shù))，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷修正井口結(jié)構(gòu)有限元模型，生成高精度傳遞函數(shù)，隨時掌握深水水下井口系統(tǒng)服役期間的結(jié)構(gòu)行為狀態(tài)。

3 研究難點

深水水下井口疲勞預(yù)測和基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的疲勞損傷評估研究，具有如下難點需引起高度關(guān)注。

(1)水下井口疲勞監(jiān)測水池試驗待開展。目前深水鉆井平臺-隔水管-井口耦合動力學響應(yīng)試驗集中在隔水管振動響應(yīng)研究，未見針對波流耦合作用下的深水水下井口疲勞監(jiān)測試驗及試驗數(shù)據(jù)處理方法研究。深水平臺-隔水管耦合振動水池試驗中雖有部分設(shè)計了井口模型管段，但較少對井口進行振動監(jiān)測。等效土箱中井口模型管段的監(jiān)測傳感器安裝可靠性和數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性難度客觀存在。波浪海流耦合作用下的深水水下井口系統(tǒng)疲勞監(jiān)測水池試驗仍有待開展和深入研究。

(2)缺乏多源監(jiān)測數(shù)據(jù)融合的水下井口修正有限元模型。由于服役環(huán)境條件的不確定性、海床土壤性質(zhì)的不精確性、管土作用的強非線性及隔水管-井口波流流固耦合效應(yīng)等影響因素，當前隔水管-水下井口整體耦合模型與水下井口實際受力環(huán)境仍有較大差別，基于環(huán)境設(shè)計數(shù)據(jù)的水下井口疲勞損傷預(yù)測與實際作業(yè)情況仍有較大差距。為了精確評估實際作業(yè)工況下的井口疲勞損傷，對水下井口進行疲勞損傷監(jiān)測成為一種更直接、更高效的井口疲勞評估手段。但目前多源監(jiān)測數(shù)據(jù)未能良好融合處理，監(jiān)測數(shù)據(jù)信息與有限元模型參數(shù)無法交互修正，缺乏水下井口修正有限元模型，導致水下井口結(jié)構(gòu)評價及疲勞損傷壽命預(yù)測出現(xiàn)偏差。

(3)缺乏基于多源監(jiān)測數(shù)據(jù)融合的水下井口系統(tǒng)疲勞損傷高效評估方法。當前基于振動、應(yīng)變及波流監(jiān)測數(shù)據(jù)等多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的水下井口系統(tǒng)疲勞損傷評估方法主要有模態(tài)匹配法、理論解析法、半解耦法、傳遞函數(shù)法等。模態(tài)匹配法主要針對VIV(渦激振動)引起的疲勞，忽略了波浪引起的疲勞響應(yīng)。常規(guī)傳遞函數(shù)法在精度和效率上較好，但常依賴于單一的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有一定的隨機性，需提高針對不同海況的適應(yīng)性和精度?；诙嘣幢O(jiān)測數(shù)據(jù)融合的水下井口系統(tǒng)疲勞損傷高精度評估方法仍需進行深入研究。

4 結(jié)束語

我國當前油氣對外依存度高，受中美戰(zhàn)略競爭影響，國外油氣進口存在一定的風險。我國正在加大勘探力度，大力開發(fā)南海深遠海域油氣資源，維護能源安全。在南海深遠海域油氣資源開發(fā)中，水下井口作為深水油氣開發(fā)的必需裝備，對水下井口系統(tǒng)的疲勞損傷評估亟待開展以下研究：

(1)開展波流耦合作用下的深水水下井口系統(tǒng)疲勞監(jiān)測水池試驗研究，揭示基于水池試驗數(shù)據(jù)的深水水下井口系統(tǒng)疲勞損傷規(guī)律。

(2)建立基于多源監(jiān)測數(shù)據(jù)融合的深水水下井口系統(tǒng)修正有限元模型，提出基于高精度傳遞函數(shù)的深水水下井口系統(tǒng)疲勞損傷評估方法。