复合材料让管柱浮起来

利用复合材料技术，在系统中引入了独特的漂浮下管柱的设计。该系统是由100％复合材料制成，能以多种方式提高作业安全性，从新的角度来应对海上下套管作业所带来的挑战。工程师们应用该项技术，能够缩短钻井作业阶段所需的时间，并使钻机在不超过其最大作业能力的情况下工作。

复合材料应用史

尽管石油与天然气行业在应用复合材料方面并没有处于领先地位，但其他行业几十年来一直使用复合材料来提高性能与安全性。这其中就包括航空航天工业，自1987年以来，该行业复合材料的使用量每五年就会翻一番。复合材料已经改变了航空业的格局，减少了机身重量，提高了燃油经济性，降低了运营成本。

海运业也差不多，其中超过90%的船体是复合材料，而汽车行业用于长途运输的重型卡车，其车身结构的90%以上都是由复合材料所构成。

复合材料更是建筑行业的首选，因为其有太多令人满意的特性：

1、灵活性；

2、高抗冲击性；

3、重量轻（重量减轻20％至50％）；

4、现场寿命长；

5、低维护费用；

6、抗电导率、腐蚀与疲劳损伤；

7、热稳定性; 以及耐损伤性。

复合材料在海上的应用

下管柱解决方案（LSS）公司提出了一个方案，在它的下管柱系统中运用复合材料，当时石油与天然气行业没有任何公司采取这种方法来漂浮下管柱。

LSS副总裁Chris von Eberstein表示：“我们希望给客户提供更好的选择，以提高钻机作业的安全性，优化作业时间，并减小下套管的大钩载荷，从而显著降低作业成本。”

没有人尝试过复合材料的部分原因是因为需要有一种材料能够适用于钻井液。几乎所有被用于钻井与采油作业的复合材料都是设计用在海水中。但钻井液是一种不同的介质，具有不同的化学成分与温度。最大的挑战就是需要研发出合适的材料，这点很重要，但von Eberstein相信这是可以做到的。

Trelleborg工业集团董事Antony Croston表示，他的公司利用其在漂浮系统方面40年的经验，结合了该公司对环境如何影响他们确定材料、添加剂以及处理方式的认知，最终提出最佳的复合材料解决方案。“在进行实验来寻找合适的材料时，我们会分析这些材料为何失败，以及这些材料是如何降解的，利用这些分析找出可行的材料，然后我们再进行实验来测试它。”

Trelleborg制造的原材料，包括空心玻璃微球。这些球原来形状看起来像滑石粉，但事实上，它是一个高强度的空心玻璃球。Croston说：“这种材料与高性能航空航天应用中使用的复合材料类型相同，并且其成品形式与其他部件相结合，下入管柱系统的核心部分基本上是都由聚氨酯材料所覆盖。”

Croston解释说，在特定的温度与压力下，对置于钻井液中的复合材料进行暴露试验，测量样品试验前后的重量。根据预定的合格/不合格的标准来衡量结果。循环测试如下。

他说：“我们将对样品加压一段时间，然后将其取出，随着时间的推移，重复评估循环载荷。”

当测试结果显示已经找到合适的材料时，开发人员知道他们已经找到了一个解决方案，在实施时该方案会以一种全新的方式产生显著的安全优势。

根据Von Eberstein的说法，我们需要明白，复合材料才是这个系统的推动者。

他说：“如果有任何金属部件，作业者就不愿意将该系统安装在隔水管中，因为即使是一小块掉入井筒的金属，也会造成巨大的损失。”

提高安全性

von Eberstein说，安全性是开发这个工具的动力。复合材料是建立该系统的必要元素，此系统可以在隔水导管内工作，而且不会给海底井口系统与套管带来损坏的风险，它的总体目标是解决钻机超过其最大设计钩载的风险。

他还表示：“我们希望提供一种工具，能使钻机在安全设计参数范围内工作。”

作业者租用钻机来下套管，必须考虑每个作业所需的钻机规格。在确定必要的钩载时，套管的重量与送入管柱的重量以及套管下入深度是主要考虑因素，但海况也是一个因素。

一旦套管/下入管柱位于隔水导管内，基于复合材料的系统就会产生浮力，这可以减少钩载，降低钻机超过其最大额定钩载的风险。

von Eberstein表示：“这给了更小与更便宜的钻机安全完成这项作业的机会。同时，这也意味着可能无需尾管回接装置，以及能够下入更长的套管。”

连续作业减少了停工时间，这不仅可以通过减少工人作业时间来提高安全性，而且因为减少时长而提高了作业效率。

根据Croston的说法，安全始于Trelleborg在严格的制造环境中制造复合材料部件。各个漂浮部件与固定夹组件送达LSS现场，由经过LSS专门培训的人员组装到下入管柱的接头上。然后将下入管柱的接头装载到运输筐中，并以与传统下入管柱完全相同的方式输送到准备作业的钻井平台。von Eberstein表示，通过使用高质量的材料与单独的系统组件，并遵循LSS公司严格的组装流程，可以确保在多个作业中达到一致的结果。

此外，由于元件相对较轻，它们可以减少海上作业人员受伤的风险。而且将它们安装在下入管柱上时，也无需采用提升能力很强的设备。

Croston表示：“单人提升设备就能够完成这项作业。”他还表示公司认为该产品是用于减少设备故障与深水重大安全事故所必需的产品。

他最后表示：“下入/提升套管管柱时，要精确计算动载荷的影响是非常困难的。通过使用我们的系统，我们可以提供一种方法，使钻机能够保持其在安全作业范围内。”

由于LSS系统已经在海上作业中得到验证，该团队正在展望其他复合材料的应用，通过减轻重量，增加耐久性以及提高浮力，从而提高海上作业的安全性。