深水钻井与陆地钻井最大的区别是钻具要通过几百甚至数千米长的隔水管系统进入海底实现钻进。隔水管系统是连接钻井平台与海底防喷器的关键通道，其在海水中要同时受到海洋环境载荷以及钻井工况的耦合作用，力学行为十分复杂，且对深水钻井作业的安全有重要的影响，对其进行系统的、准确的力学分析是确保深水安全钻井关键理论基础，具有重要的工程实用意义。

——潘云鹤

深水隔水管系统组成

钻井隔水管及防喷器系统是深水浮式钻井必不可少的设备，是指从海底防喷器到月池的一段管柱，主要功能是隔离海水，引导钻具，循环钻井液，起、下海底防喷器组，系附高压节流和压井管线、泥浆补充管线、液压传输管线等。

深海蕴藏着非常丰富的油气资源，未来世界石油地质储量的44%将来自深海，我国也将未来油气勘探开发的战略目标转向深海。然而，开发深水油气资源，不仅需要钻井平台，隔水管系统也是关键设备之一。隔水管系统是连接海底防喷器与海面钻井平台的唯一通道，在深水钻井作业时，隔水管的主要功能是隔绝海水，形成钻井液的循环通道，建立钻具进入地层的通道，串接附加管线。一旦隔水管失效，将无法正常钻进，严重时甚至影响平台安全。

隔水管在海水中既要承受自重和顶张力，同时还要承受外部海洋环境载荷以及内部钻柱、钻井液等钻井工况的耦合作用。在这些作用下，隔水管会产生变形，以及磨损，此外，隔水管还会在静态变形基础上产生涡激振动，因此其受力、变形和振动状态十分复杂，致使隔水管在现场安全控制中存在一系列问题：①缺乏对隔水管工作过程中海洋环境载荷以及隔水管力学分析的准确计算模型，缺少科学的隔水管力学评价分析方法，对复杂恶劣海况下，隔水管力学机理的认识有待进一步完善；②缺乏真实模拟深水钻井工况的隔水管力学实验系统以及实验方法，对于海洋环境与钻井工况耦合作用下以及剪切流作用下的隔水管力学行为研究较少；③缺乏科学的隔水管系统及浮力块配置方法、优化设计方法，导致现场设计人员常常只能根据经验完成隔水管系统及浮力块的设计和配置，缺少可靠的设计和力学评价工具软件。我国南中国海海况恶劣，深水钻井过程中隔水管系统的安全性问题和失效问题日益突出，严重影响了深水钻井作业的安全。因此，深水钻井隔水管力学行为研究已成为国内外油气勘探开发领域亟待解决的重要课题之一。

隔水管系统的所受载荷情况

在现有的技术和经济条件下，寄希望于仪器实测隔水管在不同工况下的受力及变形难以实现。目前，最有效的途径是通过建立科学合理的隔水管力学分析模型，开展室内相似实验来探索不同工况下隔水管力学规律，预测不同工况下的力学行为，在此基础上进行管柱力学评价以及优化设计。

隔水管振动示意图

我们在前人研究工作的基础上，深入分析隔水管系统工作环境以及海洋环境载荷，充分考虑隔水管系统结构变化以及浮力块的特点，研究风、浪、流等环境载荷规律，建立了隔水管动力学分析模型，系统地研究了不同工况下，隔水管的变形、弯矩、应力、转角等力学特性；建立了隔水管三维涡激振动分析模型，系统地研究了隔水管系统涡激振动下的三维形态特征；研制了基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为实验系统，并开展了系列实验研究，探索了剪切流、均匀流以及钻井工况下隔水管力学行为的变化规律；基于理论与实验研究结果，开发了隔水管系统力学分析及优化设计软件，为深水钻井隔水管系统配置及优化设计提供了理论依据和方法。

主要完成以下工作：

（1）海洋环境载荷理论研究

分析涡激振动产生原因，总结涡激振动基本参数、漩涡作用机理；推导涡激振动尾流振子分析模型，确定模型关键参数；总结浅海、深海以及我国重点海域海洋环境特点，总结风、浪、流形成原因，分析风、浪、流等海洋环境载荷计算方法，形成一套适合深水的海洋环境载荷计算方法，并分析风、浪、流参数对海洋环境载荷的影响规律。

（2）深水钻井隔水管力学行为实验装置的研制

基于相似理论设计深水钻井隔水管力学行为实验方案，确定实验模型尺寸与材质以及实验参数；研制一套具有张紧力系统、钻井液循环系统、钻柱旋转系统、隔水管系统、钻机系统等组成的深水钻井模拟装置，确定海洋环境载荷施加方法；基于光纤光栅测试技术布置光栅光栅传感器并确定实验数据采集方法与处理方法。

（3）深水钻井隔水管力学行为实验研究

利用深水钻井隔水管力学行为实验装置开展隔水管力学行为实验研究；采用模态分析法和快速傅里叶变换处理实验数据，获得不同工况下的隔水管位移标准差空间分布、应变时间历程及其对应的响应频谱和隔水管各个测点的运动轨迹；分析均匀流作用下隔水管涡激振动响应机理，剪切流作用下隔水管涡激振动响应机理以及钻柱对隔水管力学行为的作用机理。

（4）深水钻井隔水管动力学理论研究

建立深水钻井隔水管动力学分析模型，采用数值算法对动力学模型进行求解；编制了隔水管动力学分析程序并分析顶张力、海流、风速、平台偏移等因素对隔水管变形的影响规律。

（5）深水钻井隔水管三维涡激振动理论研究

建立了深水钻井隔水管固有频率计算方法，分析了隔水管长度、顶张力、壁厚对深水钻井隔水管固有频率的影响规律；针对隔水管实际工况中受三维载荷的影响，建立了深水钻井隔水管三维涡激振动模型，采用数值算法对三维涡激振动模型进行求解；编制了隔水管三维涡激振动模拟计算程序并利用实验结果对程序进行验证；模拟不同海流流速下隔水管形态特征及其三维空间形态。

完井工况下隔水管力学分析界面

《深水钻井隔水管系统力学行为理论及应用研究》紧紧围绕隔水管力学行为以及应用问题展开研究，部分研究成果已在实践中得到成功应用。深水钻井隔水管力学行为问题的复杂性，涉及的具体理论和实际难点很多。由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请读者不吝指正！

本文由刘四旦摘编自周守为、刘清友著《深水钻井隔水管系统力学行为理论及应用研究》一书，有删减改动，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-046380-7

《深水钻井隔水管系统力学行为理论及应用研究》总结分析了国内外隔水管力学行为分析的技术现状、存在的技术问题；系统阐述了风、浪、流等海洋环境载荷计算方法，建立了隔水管动力学分析模型与三维涡激振动分析模型，详细分析了不同张力、海流流速、波浪参数、风速、平台偏移下隔水管的动力特性以及不同流速下隔水管涡激振动特性；研制了基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为实验系统，并开展了系列实验研究，重点分析了均匀流、剪切流作用下隔水管涡激振动特性以及钻柱对隔水管动力特性作用机理；基于系统的理论与实验研究，开发了“深水隔水管力学分析系统”，最后以南海某口深水井为例对其隔水管系统配置进行设计分析。