国外深水钻井隔水管发展现状及主管性能分析

国外的深水钻井技术发展速度很快， 深水钻、 完井装备的设计能力与配套水平较高， 钻井水深纪 录不断被刷新。 1965 年钻井水深纪录仅为 183 m， 1976 年达到 914 m， 1984 年达到 1 965 m[8]。 当前 世界最大钻井作业水深已超过 3 000 m， 钻井 装 备钻深能力达 11 000 m。 目前， 深水钻井隔水管 系统整体设计与分析技术仅被美国、 俄罗斯、 法 国、 挪威和日本等少数几个国家相关公司所掌 握， 如 INTEC， Saipem， Technip， MCS， 2Hoffshore， Kingdom Drilling， Stress Engineering Seivice， JP Kenny 等 公 司[9]。 海 洋 钻 井 隔 水 管 作 为 海 洋 钻 井 装备的一个重要单元, 其技术与产品一直被国外 专业公司所垄断。 国内开展隔水管的研究较多, 但系统介绍国外钻井隔水管技术与产品的相对较 少[10]。 我 国 深 海 油 气 勘 探 开 发 尚 处 于 起 步 阶 段 ， 深海钻井隔水管技术基本处于空白， 尽管国内已 经建造完成 3 000 m 水深钻井装置， 并开展深水 钻井技术研究， 但与国外相比， 我国深水钻、 完 井技术仍有巨大差距， 缺乏自主深水钻井关键技 术， 且引进中存在技术壁垒， 深海钻井隔水管管 材基本上依赖进口， 严重制约着我国深水石油开 发进度。
的 X80 钢级 Φ533.4 mm×25.4 mm 深海钻井隔水管
主管进行了力学性能及显微组织试验分析。
3.1 外观几何尺寸
对钢管壁厚不均匀度、 外径及内径椭圆度等
外观几何尺寸进行实体检测， 检测结果见表 1。
表 1 钢管外观几何尺寸检测结果
壁厚不均匀度/mm 外径椭圆度/mm 内径椭圆度/mm
≤0.40
3. 天水天力特种管有限公司， 甘肃 天水 741020）
摘 要： 阐述了国外海洋钻井隔水管的发展状况， 并对海洋钻井隔水管的关键技术进行了分析。 结
合我国深水隔水管的发展现状， 对国外某 X80 钢级 Φ533.4 mm×25.4 mm 深水钻井隔水管主管进行外
观几何尺寸、 力学性能及显微组织试验。 结果表明， 该深水钻井隔水管主管壁厚和椭圆度等外观几
NIU Aijun1, 2, BI Zongyue1, 2 , NIU Hui1, 2, GUAN Shanghu3, HUANG Xiaohui1, 2
（1. Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods， Baoji 721008， Shaanxi，China； 2. Steel Pipe Research Institute，Baoji Petroleum Steel Pipe Co., Ltd., Baoji 721008，Shaanxi，China; 3. Tianshui Tianli Special Steel Pipe Co., Ltd., Tianshui 741020, Gansu, China)
近年来， 随着海洋勘探技术的不断进步， 海 洋钻井隔水管适应海水深度的能力已超过 3 000 m， 其系统配置更加完备， 为深水钻井技术的发展提 供了良好的装备。 目前， 具有较强海洋钻井隔水 管开发能力的国家为数不多， 仅海洋钻井隔水管 及系统配套而言， 其生产供应商主要集中在美 国、 挪威、 法国、 俄 罗斯等部分 发达国家[6]。 美 国 GE-Vetco Gray 公司和 Cameron 公司是当前世 界上最大的海洋钻井隔水管生产制造厂， 不仅系 统配套设施完善， 系列规格较全， 且以生产制造 深水钻井隔水管技术见长； 法国于 20 世纪 80 年 代 由 法 国 石 油 研 究 院 （IFP）和 Framatome 公 司 联 合开发了夹式隔水管； 俄罗斯 ZAO 公司于 1996 年开始研究用铝合金隔水管来满足深水和超深水 钻 井 等 ； 挪 威 AkerKvaerner 公 司 、 美 国 国 民 油 井公司 NATIONAL Oil 也生产制造不同形式和规 格 的 钻 井 隔 水 管 [7]。
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焊管
牛爱军等： 国外深水钻井隔水管发展现状及主管性能分析
能是提供井口防喷器与钻井船之间钻井液往返的 通道， 支持辅助管线， 引导钻具， 下放与撤回井 口防喷器组的载体等[2]。 受 海洋风、 浪、 流 等恶 劣环境和气候的影响， 深水海洋钻井隔水管是一 种具有高风险、 高难度、 高技术和高附加值的石 油钻井装备[3]。 海洋钻井隔 水管是海洋 深水油气 勘探开发中的重要装备单元， 作为连接海底 BOP 至 海 面 钻 井 平 台 之 间 的 咽 喉 通 道 ， 目 前 其 研 究 工 作 已 引 起 了 世 界 多 个 国 家 的 普 遍 关 注 [4]。 研究和开发具有高技术、 高难度和具有高可靠性 的海洋钻井隔水管及其系统已成为一个新的技术 亮点。
2 海洋钻井隔水管关键技术分析
钻井隔水管是海底井口与钻井船之间最弱、 最重要的连接部件， 随着海洋钻井向深水和超深 水发展， 工况环境更加恶劣， 开采难度大、 风险 高， 海水腐蚀、 浪涌、 洋流环境、 海洋涡激振动 和深水压力等对深海钻井装备提出了更严格的要 求[11]。 相对于常规水深（水深＜500 m）和深水（水深 为 500～1 500 m）隔水管， 超深水（水深＞1 500 m）钻 井 隔 水 管 结 构 更 加 复 杂 ， 作 业 环 境 更 加 恶 劣[12]。 受深水钻井隔水管服役工况及作业因素等影响， 深水钻井隔水管壁厚大、 直径小， 对管材的强 度、 塑性、 韧性、 疲劳性能、 耐蚀性、 耐磨性能 和可焊性均提出更高的要求， 尤其对焊接钢管焊 接接头的断裂韧性有更严格的要求。 同时， 随着 钻井水深的增加， 隔水管单根管壁越来越厚（抗 挤 毁 、提 高 强 度 ）， 长 度 越 来 越 长 （提 高 作 业 效 率）， 材料钢级越来越高（提高屈服极限）， 接头 强度越来越高（焊接接头的断裂韧性）， 给深水钻
HAN GUAN
·7·
试验与研究
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井 隔 水 管 的 研 发 带 来 了 一 系 列 的 新 问 题 [13]。 深水钻井隔水管是深海石油勘探开发的关键
技术装备， 是深水钻井船或者钻井平台设计的决 定性因素， 也是决定深水钻井成败的关键之一。 我国海洋石油勘探开发正在向深水和超深水进 军， 开展超深水钻井隔水管技术研究， 掌握超深 水钻井隔水管系统设计及制造技术， 对提升我国 深海石油勘探开发能力具有重要意义[14]。
何尺寸精度控制严格， 管体及焊接接头的拉伸性能和冲击韧性良好且稳定， 具有优异的低温断裂韧
性， 钢管综合性能优异。
关键词： 焊管； 钻井隔水管； 力学性能； 断裂韧性
中图分类号：TGE832
文献标志码：A
文章编号：1001-3938（2015）09-0006-06
Development Status of Overseas Deepwater Drilling Riser and Main Pipe Performance Analysis
Abstract： In this article, it expatiated the development status of overseas marine drilling riser, and analyzed its key technology. Combined with the development status of China deepwater drilling riser, some tests were carried out for some overseas X80 Φ533.4 mm×25.4 mm deepwater drilling riser, such as geometrical dimension test, mechanical performance test and microstructure test. The results showed that the wall thickness, ovality and geometrical dimension precision are strictly controlled, the tensile properties and impact toughness of pipe body and welded joints are good and stable, the low temperature toughness is excellent, and the comprehensive performance of the riser pipe is excellent. Key words： welded pipe; drilling riser; mechanical peoperties; fracture toughness
随着油气资源的持续开采， 陆地油气资源逐 渐减少， 油气开发难度越来越大。 占地球面积 70%以上的海洋有着丰富的油气资源， 油气开发
重点正逐步 由陆地转向 海洋 ， 并走向 深海[1]。 海 洋钻井隔水管是一条从海洋钻井平台(或钻井船) 通往海底 BOP 装置的液体 输送管道 ， 其 主 要 功
* 基金项目： 国家高技术研究发展计划（863 计划）课题“深水钻井隔水管系统工程化研制”（项目号 2013AA09A222）。 ·6·
≤1.10
≤1.03
3 国外海洋钻井隔水管主管性能分析
从 表 1 可 看 出 ， 国 外 制 造 的 X80 深 海 钻 井 隔水管主管具有较高的外观几何尺寸精度， 对壁
为提高我国深水钻井隔水管的设计及制造技 术能力， 有必要结合我国目前深水开发的现状， 充分借鉴国外的研究成果与研究经验， 开展深水 钻井隔水管设计及制造技术研究， 通过基础理论 研究与核心技术自主研发， 掌握深水钻井隔水管 系统设计的关键技术。 为此， 对日本某公司生产
试验与研究
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国外深水钻井隔水管发展现状 及主管性能分析*
牛爱军 1, 2， 毕宗岳 1, 2， 牛 辉 1, 2， 关尚虎 3， 黄晓辉 1, 2
（1. 国家石油天然气管材工程技术研究中心， 陕西 宝鸡 721008； 2. 宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院， 陕西 宝鸡 721008；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
厚 和 椭 圆 度 等 外 观 几 何 尺 寸 控 制 达 到 了 DNVOS-F101 海底管道系统规范中对钢管增强尺寸的 补充要求。 3.2 化学成分
采 用 ARL3460 金 属 光 谱 仪 对 X80 钢 级 Φ533.4 mm× 25.4 mm 深 海 钻 井 隔 水 管 的 材 料 进 行化学成分分析， 结果见表 2。
表 2 X80 深海钻井隔水管的主管化学成分
%
w（C） w（Si） w（Mn） w（P） w（S） w（Cu） w（Ni） w（Cr） w（Mo） w（Ti） w（V） w（Nb） w（B） w（Al） w（Nb+V+Ti） Ceq CEPcm
1 国外海洋钻井隔水管发展现状
隔水管技术起源于 20 世纪 40 年代末期， 当 时设计者的想法仅仅是为海上钻井提供一个钻杆 导管和钻井液、 钻屑的回路。 直至 20 世纪 50 年 代末期， 在加利福尼亚的近海， Offshore 公司在 D-1 号钻井船上， 首次成功地使用了一个真正意 义 上的隔水管 ， 配备有顶部 伸缩接 头 。 20 世 纪 60 年代 ， 随 着技术的进 一步发展 ， 隔 水 管 增 加 了节流管线和压井管线， 功能更加齐备。 从此， 隔水管技术才真正开始进入一个比较系统的发展 过 程 [5]。