海上隔水导管接头类型及特性分析

海上隔水导管接头类型及特性分析
摘要：随着我国海洋石油的高速发展，油气勘探开发不可避免地遇到海域扩大，水深加深，海况条件日趋复杂的严峻现实。

隔水导管作为海上钻井不可或缺的石油装备，新的施工条件对隔水导管性能和设计提出了更高的要求。

该文从隔水导管的工艺方式切入，结合海洋环境，系统而深入地分析了隔水导管的设计原则和使用方法。

并在现有设计原则和使用方法的基础上，提出具备实用性和创新意义的钻井隔水导管选型思路，为钻井隔水导管的施工安全和选型经济性提出技术参考。

关键词：钻井隔水导管导管接头设计
隔水导管在海洋石油勘探开发过程中起着至关重要的作用，对于隔水导管的研究关注本体入泥深度确定、强度及稳定性方面比较多，该文针对于隔水导管接头的类型及特性做综合性的分析，从隔水导管使用情况及接头特性等方面，并综合设计原则和使用方法，提出对现场作业具有参考性的选型思路。

1 钻井隔水导管使用情况
隔水导管所承受的载荷极为复杂，其中包括自重、井口设备载荷、环境载荷等。

目前隔水导管外径规格一般定为914 mm、762 mm、610 mm及508 mm，壁厚一般为38.1 mm、25.4 mm及15.9 mm。

对于出现冰期的海域，如冰载对隔水导管的安全造成严重威胁的渤海油田，
一般导管尺寸和壁厚都相对较大，基本上都是762×25.4 mm以上规格；在南海等海域，导管规格为610×25.4 mm的居多，其规格选取与环境条件直接相关。

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2 钻井隔水导管接头类型和特性
隔水导管接头是隔水导管的关键组成，其强度直接关系到隔水导管抵抗海波、海流作用的效果，其连接效率直接关系到钻井的生产成本，因而隔水导管的接头类型和特性不容忽视。

在目前的海上钻井中，焊接方式接头、螺纹接头和卡簧接头是主要的隔水导管接头方式。

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2.1 焊接方式
随着技术的发展，焊接方式在隔水导管的连接中越来越少地被提及和使用，其逐步被其他连接方式所取代。

对于高成本的海上钻井而言，隔水导管的连接效率是衡量连接方式的重要指标，而焊接方式接头需要将隔水导管吊装并逐点焊接，加之焊接中辅助设备多，客观上增加了钻井的工时和成本。

再者焊接方式对环境要求高，风浪冲击、吊装精度、照明条件等因素都严重制约了焊接方式，使其无法满足全天候作业的要求。

同时焊接完成之后，要对焊缝进行检验，以保证无缺陷存在，这便进一步造成了工时的浪费。

2.2 螺纹接头
螺纹接头在隔水导管的连接中使用较为频繁。

API对螺纹接头有
着较早的规范性说明，而在当今行业内使用的接头大致分为API接头和非API接头两类。

API接头（包括圆螺纹和偏梯形螺纹），就是按照API标准生产和检验的接头；而非API接头，也称为特殊螺纹接头。

由于工程技术要求的逐步提高，API接头已无法满足密封、扭矩等要求，继而特殊螺纹接头应运而生。

DST、V&M和NKK等国外的接头厂商率先进行了特殊螺纹接头的研发生产，大约100多种的专利应用其中。

在国内方面，攀钢、宝鸡和天津钢管等企业和机构在特种螺纹接头的研发方面也取得了显著的进步。

螺纹接头能够大范围使用，源于其结构优势、良好的机械性能和高效的安装方式。

从结构上讲，螺纹接头的最大外径小，对打桩作业有利，能充分满足海上生产需要，同时外径小节约原材料，降低了生产成本。

从机械性能上讲，其抗疲劳性能好，能够抵抗恶劣的海况环境。

从结构上讲，螺纹接头属多线螺纹连接，导程大，连接快速、可靠，生产效率高。

从施工环境上讲，其安装不受气候影响，使用吊卡即可安装，不占用工程船舶，操作简便，能够缩短钻井周期，节约成本。

2.3 卡簧接头
卡簧连接方式在渤海海域的应用较为广泛。

卡簧接头方式主要有内收式卡簧结构和外卡簧式结构两种。

内收式卡簧结构是在外接头的卡簧槽内装有卡簧，依靠卡簧的外张弹力，约束内接头，使其悬挂在外接头内。

外卡簧式是将卡簧安装在内接头的卡簧槽内，其具有与内
收式卡簧结构相反的工作原理。

由于内收式卡簧结构在安装、拆卸方面更具优势，现在较多的卡簧接头采用内收式卡簧结构。

卡簧接头能够快速准确的进行隔水导管连接工作，作业简单，节省时间。

相比于螺纹接头，卡簧接头的抗疲劳性较差，但其抗剪切能力较强，在低温环境依然可以保持较好性能，故更多地应用于渤海海域。

3 钻井隔水导管设计原则
在隔水导管的设计之初，要结合工程概况和地质资料，按导管结构设计、入泥深度设计以及施工方式设计逐项完成隔水导管的设计。

在设计中，钻完井作业要求，海况环境要求，安全、经济、方便施工的要求，成为隔水导管设计中所需考虑的总体原则。

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3.1 导管结构设计原则
对于结构设计，隔水导管结构要依据环境载荷海况重现期进行取值（见表1），同时预留腐蚀裕量（参照标准见《海上固定平台入级与建造规范》）。

校核中对导管强度、稳定性进行分析，满足工况要求，同时确定隔水导管本体直径、壁厚、钢级、材质和接头类型。

结构受力分析包括静力分析和动力分析，应以静力分析结果为设计依据。

动力分析是特定情况下进行，诸如隔水导管的固有频率与设计海域内波浪频率相接近时，冲击载荷频率与隔水导管固有频率相接近时，受到冰载作用时。

如果以上任意一种情况发生，就要进行动力分析，对疲劳应力进行校核。

3.2 入泥深度设计原则
在进行入泥深度计算中，结合土壤力学参数、结构设计结果、地层的承载和承压能力，选择合适的入泥深度，为后续钻井作业的顺利进行提供保障。

对于锤入法，单桩锤入过程模拟及群桩可锤入性分析要包含在入泥深度设计中。

锤入法下隔水导管的方式选择，要根据井口中心距与隔水导管直径的比例大小和端部是否进入良好持力土层来确定，当其比例大于或等于3倍时选择单桩设计，小于3倍时选择群桩设计。

隔水导管端部持力层的选择限于中等密实或密实砂层、硬粘土层、碎石类土层或风化岩层等土层。

3.3 施工方式设计原则
若采用锤入法，应同时满足以下两个条件：土体不排水抗剪强度小于120 kPa，在隔水导管不发生弯曲失稳时能够承受的最大轴向载荷大于锤击过程中产生的动载。

对于地层强度较大、承载力较高、地质条件复杂、存在陆坡坍塌或地下障碍物较多时宜采用钻入法。

4 结语
(1）对于特殊作业海域，采用更适合该地区的隔水导管。

例如渤海湾冰区较严重地区，可采用海油总公司研发的新型抗冰隔水导管组合结构。

(2）通过对隔水导管分析过程的优化，在保证安全的前提下，采用更合理的隔水导管尺寸、壁厚以及钢级，进一步降低作业成本。

参考文献
[1] 杨进，彭苏萍.群桩条件下桩土相互作用实验研究［J］.岩土力学，2004，25(2）：312-315.
[2] 彭苏萍，杨进.群桩作用下隔水导管可打性试验［J］.石油钻采工艺，2002，24(5）：8-10.
[3] 王平双，杨进.群桩作用下钻井隔水导管入泥深度计算方法研究［J］.中国海上油气，2007，19(3）：184-187.。