摘要
在深水油气勘探开发中，作业环境复杂多变，为了躲避台风等恶劣天气对海上钻井的危害，防喷器与隔水管的应急解脱成为避免海上钻井事故的关键环节。为探究隔水管应急解脱的反冲规律，分析了隔水管应急解脱的原因及反冲过程，利用OrcaFlex方法建立了应急解脱工况下隔水管系统轴向力学分析模型，利用该计算模型，以南海某1520 m深水井为例研究了张紧力、波浪运动、钻井液密度、平台漂移等因素对隔水管反冲的影响。结果表明，解脱时顶部张紧力越大，解脱后隔水管的反冲位移和伸缩节的冲程变化也越大；随着波浪高度的升高隔水管的反冲响应有加强趋势；波浪方向对隔水管的反冲响应没有影响；管内不同钻井液密度对隔水管反冲影响明显；随着平台漂移距离的增加，隔水管的反冲响应更加剧烈。研究结果对保障反冲时隔水管的安全有一定指导意义。
深水和超深水钻井作业中，由于作业环境复杂多变，在遭遇紧急情况导致平台需要撤离的情况下，必须对隔水管底部总成（LMRP）与防喷器组（BOP）进行紧急解
Young
海上钻井隔水管是从海上钻井平台下到海底浅层的套管。上接导流器，下连防喷器，其主要作用是引导钻具入井，隔绝海水，形成钻井液循环的回路。目前深水油气资源的勘探与开发大多使用动力定位，但在遭遇恶劣海况或者动力定位系统发生失效等情况下，很难使钻井平台一直保持在有效位置，平台易发生漂移或驱离，威胁海上作业安全。因此，需要启动应急解脱系统（EDS），对隔水管与防喷器进行紧急解脱，断开隔水管底部总成与防喷器组的连接，防止出现大的损失。如
图1 深水作业系统示意
Fig.1 Schematic diagram of the deepwater operation system
在深水钻井作业中，隔水管的受力十分复杂，且直径远小于其长度，故可将隔水管看作长细杆件结构进行分析，接头处的抗拉和抗弯强度高于管体，作如下假设：（1）忽略隔水管系统中的压井、节流等较细管线，假设隔水管为各向同性的线弹性均质圆管，接头处与管体特性相同。（2）隔水管内充满水基钻井液，且与海底泥线垂直。（3）由于隔水管解脱前处于两端铰支固定，计算主要考虑隔水管的轴向拉力，忽略隔水管与井口接头的横向位移。（4）忽略浮力块影响及海水温度变化。
由于隔水管系统质量巨大，需要张紧器系统使其一直处于受拉状态，防止隔水管在自身重力作用下出现压溃现象，并控制其位移和应力。理论上要求张紧器提供的顶张力必须大于隔水管的浮重（包括管内钻井液），同时要对隔水管施加额外载荷以抵抗其弯曲应力。正常作业时，在张紧力的作用下隔水管发生轴向拉伸，其应变Δl可表示为：
其弹性应变能可表示为：
式中：——隔水管长度；——弹性模量；——隔水管横截面面积。
当忽略热能消耗时，可认为变形功全部转变为弹性应变能。资料表明，当张紧器对1828 m长的隔水管柱进行张拉时，需要的张紧力就能拉伸隔水管柱达1.524 m之
隔水管应急解脱及反冲仿真模型主要包括平台模型、张紧器模型、隔水管模型、BOP模型及环境等。使用VESSEL单元模拟平台，长宽均为90 m，吃水24.38 m，平台质量1万t，结合现场作业实例，作业水深1520 m，其中BOP高度20 m。海水密度1.03 t/
隔水管模型采用Line模型建立，Line模型在模拟立管、系泊线等细长结构时，准确度高且运算较
隔水管体与张紧器之间的夹角一般控制在3°以
张紧器需要提供张紧力以支撑隔水管保持受拉状态。因此张紧器的模拟至关重要。最方便的做法是集中力法模拟张紧器，即在隔水管顶端加恒定集中力
Link-Tethers单元提供的张紧力计算方法为：
式中：——弹簧刚度，kN/m；——弹簧未伸长长度，设为2 m；——弹簧伸长之后的长度，m。
张紧器的上端与平台上甲板相连，下端与张紧环相连，水平方向上距隔水管1 m，并成2.86°夹角。OrcaFlex在计算前有一个准备阶段，在此阶段，模型各项参数达到预设值。在准备阶段，LMRP和BOP仍然处于连接状态，在动态模拟开始时，解除LMRP和BOP的连接，隔水管开始向上反冲。模型示意见
图2 模型示意
Fig.2 Model diagram
以我国南海某深水井为例进行模拟计算，水深1520 m，伸缩节冲程为20 m，管内钻井液密度为1.5 t/
张紧力的合理设置对于隔水管的安全解脱影响巨大。事实上，若解脱时张紧力过大，可能导致解脱后隔水管超出伸缩节冲程，给隔水管安全带来风险；但解脱时张紧力过小，又可能导致解脱失
图3 不同张紧力LMRP垂向位置响应
Fig.3 LMRP vertical position response under various tensioning force
图4 不同张紧力伸缩节冲程变化曲线
Fig.4 Response curve of telescopic joint stroke under various tensioning force
如
半潜式平台作业环境复杂多变，波浪运动对应急解脱时隔水管的反冲响应不可忽略。选取周期为8 s的深水线性波模型，张力比1.59，在波高分别为0、3、5 m时，分析了波浪运动对于隔水管应急解脱的影响，模拟结果如
图5 不同波高LMRP垂向位置响应
Fig. 5 LMRP vertical position response under various wave height
由
为研究波浪方向对隔水管反冲的影响，其他条件设置相同，选择波浪方向分别为0°、60°、120°情况下进行模拟分析，结果如
图6 不同波浪方向LMRP垂向位置响应
Fig.6 LMRP vertical position response under various wave direction
由
合理的钻井液密度可以防止井喷，维持井壁稳定，保护储层。而在应急解脱时，一般没有足够的时间回收隔水管内的钻井液，可将钻井液内存在隔水管
图7 不同钻井液密度LMRP垂向位置响应
Fig.7 LMRP vertical position response under various drilling fluid density
图8 不同钻井液密度伸缩节冲程变化曲线
Fig.8 Response curve of telescopic joint stroke under various drilling fluid density
从
深水半潜式钻井平台在外部载荷的持续作用下会发生漂移运动，一般水平漂移半径在水深的3.5%以
图9 不同平台漂移LMRP垂向位置响应
Fig.9 LMRP vertical position response under various platform drift
从
（1）隔水管的反冲响应受张紧力的影响巨大。张紧力过小，可能会导致解脱失败；张紧力过大，可能导致伸缩节超出冲程，威胁隔水管安全。
（2）隔水管紧急解脱后的反冲响应随着波浪高度的升高而增大。但波浪方向对隔水管的反冲响应没有影响。
（3）隔水管的反冲响应随着管内钻井液密度的增大而减小。但钻井液密度过大时LMRP回弹打到BOP的风险增加，可在解脱时释放部分钻井液以降低此类风险。
（4）随着平台漂移距离的增加，隔水管柱内储存的弹性应变能增大，解脱后隔水管的反冲响应会更剧烈。
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