深水生产钻井中心水平跨接管结构应力分析研究.pdf

2 0 1 5年 第 4 4卷 第 1 2期第 1页 石 油 矿 0I L FI ELD 场机 械 EQUI PME NT 2 0 1 5 ， 4 4 I 2 1 - 5 O o 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 O 1 5 1 2 - 0 0 0 1 0 5 深水生产钻井中心水平跨接管结构应力分析研究 黄会娣 ， 孙 国民 ， 何 宁 ， 程寒生 ， 赵 娜 海洋石油工程股份有 限公 司 ， 天津 3 0 0 4 5 1 摘 要 跨接 管的设 计是 深 水生产 钻 井 中心 设计 的重要 组成部 分 ， 而结 构应 力分析 是跨接 管设计 的 重 点。阐述 了水下生产钻井中心跨接管布置设计需要考虑的因素 ， 建立了跨接 管模型， 研 究了跨接 管 建模 时的 关键 载荷 。指 出 了加 载顺序 应 与 实际作 业过 程 一致 才 能保证 计 算 结 果合 理 ， 应 力 分析 结 果 应 满足设 计标 准和 项 目连接 器接 口载 荷 限制 的解 决方 法。 水平跨 接 管布置 设计 和结 构应 力分析 方法在西非某实际深水项 目中成功应用， 可为我国南海类似深水项 目设计提供参考 。 关键词 生产钻井中心； 跨接 管； 布置设计 ； 建模； 应 力分析 中图分 类号 T E 9 5 2 文献标 识码 A d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． i 0 0 1 3 4 8 2 ． 2 0 1 5 ． 1 2 ． 0 0 1 Re s e a r c h o f S t r u c t u r e S t r e s s Ana l y s i s o n Ho r i z o nt a l Ju mp e r f o r De e p wa t e r Pr o d u c t i o n Dr i l l i n g Ce n t e r HU ANG H ui di ， SUN Gu o m i n， H E Ni n g， CH ENG H a ns he ng， ZH AO Na Of fs h o r e Oi l En g i n e e r i n g Co ． ， Lt d． ， Ti a n j i n 3 0 0 4 5 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e d e s i g n o f t h e j u mp e r i s t h e i mp o r t a n t p a r t o f d e e p wa t e r p r o d u c t i o n d r i l l i n g c e n t e r d e s i g n a n d t h e s t r u c t u r e s t r e s s a n a l y s i s p l a y s a v e r y i mp o r t a n t r o l e i n t h e d e s i g n o f t h e j u mp e r ． Th e f a c t o r s t o b e c o n s i d e r e d f o r t h e j u mp e r l a y o u t d e s i g n i n s u b s e a p r o d u c t i o n d r i l l i n g c e n t e r a r e e l a b o r a t e d ． Th e j u mp e r mo d e l i s c r e a t e d ． S o me c r i t i c a l l o a d s a r e s t u d i e d wi t h e mp h a s i s wh i l e mo d c l i n g t h e j u mp e r a n d t h e s o l u t i o n s a r e p r e s e n t e d i n d e t a i l ． To o b t a i n t h e r e a s o n a b l e c a l c u l a t i o n o u t c o me ， wh i c h s h o u l d me e t t h e 1 i mi t a t i o n s o f t h e d e s i g n c r i t e r i o n a n d t h e c o n n e c t o r i n t e r f a c e l o a d s ， t h e l o a d i n g s e q u e n c e s h o u l d b e i n l i n e wi t h t h e a c t u a l o p e r a t i o n p r o c e s s ． Th e me t h o d f o r t h e h o r i z o n t a l j u mp e r l a y o u t d e s i g n a n d t h e s t r u c t u r e s t r e s s a n a l y s i s p r e s e n t e d h a v e b e e n a p p l i e d i n t o t h e a c t u a l d e e p wa t e r p r o j e c t l o c a t e d i n t h e We s t o f Af r i c a ， a n d c a n b e u s e d f o r t h e d e s i g n g u i d a n c e f o r t h e s i mi l a r d e e p wa t e r p r o j e c t l o c a t e d i n S o u t h Ch i n a S e a ． Ke y wo r d s p r o d u c t i o n d r i l l c e n t e r ； j u mp e r ； l a y o u t d e s i g n； mo d e l i n g t o l e r a n c e ； s t r e s s a n a l y s i s 在 丛 式布置 水 下井 口架 构 Ar c h i t e c t u r e 中 ， 各 井 口围 绕 在 中 心 生 产 管 汇 四周 ， 通 过 生 产 跨 接 管 P r o d u c t i o n J u mp e r 与 其 连接 ， 生 产管 汇 的位 置称 为生 产钻 井 中 心Ⅲ 。在 生产 钻 井 中心 ， 跨 接 管 是 连 收 稿 日期 2 0 1 5 0 6 1 9 基 金项 目 中海石油总公 司科技项 目 “ 深水跨接管设计、 制造 、 安装关键技术研究” C NC K C - K J 1 2 5 Z D X M0 5 C 0 G C 2 0 1 1 0 4 作者简介 黄会娣 1 9 8 o 一 ， 女 ， 内蒙古 赤峰 人 ， 工 程 师 ， 硕 士， 主要 从事 海 底管 道 的设 计与 研 究工 作 ，E - ma i l h u a n g h d m a i l ．c oo e c ． c o rn ．c n。 石 油矿 场 机械 2 O l 5年 1 2 月 接井 口和管 汇 的纽 带 ， 是 汇 聚生 产 流 体 实 现外 输 的 “ 桥梁 ” 。井 口和管汇 的位 置 以及 海底 管道 的走 向在 基本设 计 阶段 已经确 定 ； 在后续 设计 阶段 ， 跨接 管 的 设计 需要 适应钻 井 中心各 元 素 的安 装作 业 限制 ， 同 时还要满足其 自身的制造 、 运输 、 安装、 操作、 维护要 求 ， 提供 足够 的柔性 以确 保在 大水 深条件 下 ， 能依靠 水 下机 器人 R OV 实 现井 口和 管 汇 的连 接 ； 并 适应 各 种载 荷 ， 将 应力 控制在 合适 的范 围 内 ， 保证 油 田长 期 稳定 、 安全 生产 ， 因而跨 接 管 的设 计在 整个 钻井 中 心的设计过程 中非 常重要[ 2 j 。国内现有 的应用均 为立式跨接管。本文结合西非某深水项 目， 对生产 钻井中心水平跨接管进行结构应力分析。 1 生产钻 井 中心跨接管的布置设计 在 进 行 应力 分 析 之前 ， 需 要 初 步 布置 设 计跨 接 管 ， 考 虑 因素如下 1 满足流动保障以及操作 、 维修要求 。 2 适 应整 个钻 井 中心 的布置 需要 。 3 便 于制 造 。 4 满足海上运输 、 安装船舶的尺寸限制 。若 能利用较小的船舶 ， 例如供应船实现跨接管的运输 ， 多功 能作业 支 持 船 MS V 实 现 海 上 安 装 ， 则 可 以 大 幅节 省项 目成本 。 5 满足其他水下结构物的安装空间要求。为 防止安装其他水下结构物时可 能造成落物、 碰撞等 损 坏 ， 跨 接管 与井 口、 外 输 跨 接 管 道 S p o o 1 安 装 时 固定海管 位置 的起 始锚链 应保 持一 定 的安全 间 隔距 离 ； 另外 ， 跨接管 的布置 也不应影响其本 身的安装 顺 序 。 各井 口位置在满 足项 目钻井要求后 ， 对称 的布 置在管汇的两侧 ， 尽可能减少跨接管的类型， 从而减 少 设计 、 建造 工作 量 。采用 水平跨 接 管 ， 有 利于 防止 水合物的产生 ， 无需 回收跨接管就可 以回收生产管 汇和采 油树 。为了减 少油 田生 产关 断置换 维护 的 时 间 ， 尽 量减 小跨 接 管 长度 ， 同 时也 为 海 上运 输 、 安装 船 舶类 型的选 择提 供多 种可 能性 。跨接 管平 面形 状 为 U 型， 以提供更 多的柔性控制跨接管应力， 减小 安装 、 操作载荷 。综合考虑各种 因素 ， 生产钻井 中心 跨 接管平 面 布置如 图 1所示 。管 汇和井 口位 于设 计 位置 ， 长度单位为 m。 米 ／It t 树 F I l2．5 1 ．凸 ． _ Ⅱ_ 一 2 8 _ 9 5 l 1 一 一 0 - 1 一 r 卫一 c 4 图 1 生产钻井 中心跨接管平面布置 2 跨接 管建模 在完成跨接管 的布置 以后 ， 需对其进行计算校 核， 包括结构应力分析 、 涡激振动分析、 疲劳寿命估 算 、 落 物 分 析 以 及 R OV 作 业 时 缠 绕 能 力 评 估 等 。 结构应 力 分析是 跨接 管校 核 的重点 。 2 ． 1 跨接 管模 型 在进 行 总体 应 力 分 析 时 ， 需要 建 立 整 个跨 接 管 的有 限元模 型 ， 计 算 跨 接 管 内各 点 的力 和 力 矩 。基 于跨 接管 实际 的空 间布置 ， 建 立 典 型 U 型 跨 接管 三 维模 型 ， 如 图 2 。模 型 由若 干段 直 管 和 弯头 组 成 ， 其 具有相同的壁厚 ， 弯头弯 曲半径是管道直径的 3 倍 。 在 AB AQUS中 ， 直管 模 型选为 2节 点 、 1 2自由度 的 P I P E 3 1 H； 弯头 模 型为 E I B OW3 1 。 2 ． 2载 荷 在 进行 跨 接 管应 力 分 析 时 ， 一般 需 要 考 虑 的功 能载荷包括重力、 浮力、 海床作用力以及 由于制造 、 测量误差、 跨接管连接和水下结构物沉降强制加在 跨 接管 两端 的位 移等 。需要 考虑 的环 境载 荷包 括海 底海流产 生 的拖 拽力和 升力 ， 拖 拽力 和升力 按照 DN V R P C 2 0 5 规 范 ] ， 用式 1 ～ 2 计算 。 1 F 一_ 去 _ C D p Dv 1 厶 1 FⅢ 一 C I p Dv 2 厶 式 中 C 。为 拖拽 力系数 ； c 。 为升 力系数 ； p为海 水密 度， k g ／ m。 ； D 为跨接管有效外径 ， m； 为海底海流 速度 ， m／ s 。 2 ． 2 ． 1 跨 接 管 重 力 为 了简 化 以及 保 守 起 见 ， 在跨 接 管 的有 限元 模 型 中只考 虑 工艺管 道 为结构 元件 ， 假设 其他 元件 例 如表 面涂层 、 牺牲 阳极 、 绑在 工艺 管道 上 的小尺 寸液 ／ ． sN药剂 管线 为 没 有 结 构 刚度 的非 结 构 元件 。在 计 算跨接 管 的水下 质 量 时 ， 可 以引 入 当量 非 结 构 质 量 来 考虑这 些非 结构 元件 的影 响 。在分 析模 型 中 ， 第 4 4卷第 1 2 期 黄会娣 ， 等 深水生产钻井 中心水平跨接管结构应力 分析研究 图 2 跨接管模 型 跨 接 管工 艺管 道 的有效 线密 度 ． 。 为 m 一 【 d d m 3 d d p CA A 4 式 中 m 为跨 接 管 和 假 定 为 没 有 刚 度 的非 结 构 元 件 当 量 线 密 度 ， k g ／ m； 为 管 线 内流 体 当 量 线 密 度 ， k g ／ m； C 为 附加质 量 系数 ， 根 据 DN V R P C 2 O 5 规 范选 择 ； A 为横 截面 积 ， m。 。 2 ． 2 ． 2海床和跨接管的管土作用 考虑海底土壤对 跨接 管 的支撑 ， 跨接 管沉 降和 土 壤垂 直 作用 力 关 系基 于 简化 的线 性 V e r l e y g L u n d 。 公 式 一0 ． 0 9 SG 。 5 SF ／ DS 6 GS ／ D ， 7 式 中 z为 跨 接 管 沉 降 ， m； F 为 土 壤 垂 直 作 用 力 ， k N／ m； D 为跨 接 管 有 效 外 径 ， m； ， 为 土 壤 单 位 质 量 ， k N／ m。 ； S 为土 壤剪切 强 度 ， k P a 。 2 ． 2 ． 3 跨接 管两端 的边界 约束 跨接 管 两 端 的 边 界 约束 包 括 制 造 、 测 量 误 差 。 在水 下连 接跨 接 管 时 ， 两 端 必 须适 应 这 些 误 差 。设 计 中考 虑制 造 和测 量 误差 至关 重 要 ， 误 差 过 大 或 过 小 对跨 接 管 的设计 影 响很 大 。建 模 时 ， 将 相 同幅 度 的线性 位移 和角 度位 移作 用 于跨 接 管两端 以模 拟 这 些误 差 。 3应 力分析及载 荷组合 应力 分析 工况 基 于典 型的水 下跨 接管操 作程 序 确定 ， 包 括 1 跨 接管停 放在 水下 结构 物上 。 2 管 汇端 拖拉 。将 跨接管 管 汇端 的连接 器接 口拖拉 至水 下 管汇上 的 连接器 接 口处 。 3 管 汇端 连接 。使 用连 接器 安装工 具把 管汇 端 连 接器 的两半 连接 起来 。 4 采油树端拖拉。将跨接管采油树端的连接 器 接 口拖拉 至采 油树 上 的连接 器接 口处 。 5 采油 树端 连接 。使用 连接 器安装 工具 把采 油树 端连 接器 的两半 连 接起来 。 6 海底 水压试 验 。 7 生产作业 。跨接管在设计温度 、 压力下工 作 ， 需要考虑最大操作温度时材料强度的降低。 8 长期生产但伴有水下结构物的沉降。 9 失 去压 力 。如 没 有 生产 流 体 ， 跨 接管 内压 力 降为大 气压 或真 空 。 在进行应力分析时 ， 为了得到合理的结果 ， 需按 照确定 的操 作 顺 序 在 跨 接 管 两 端 施 加 载 荷 以及 误 差 。加 载顺序 如 表 1 。 ‘4 ‘ 石油 矿场 机械 2 0 1 5年 1 2月 [ ]不 加 载 匹加 载[ 仅 在 采 油 树 端 加 载 4 设计标 准和应力及 载荷校核 参考标准 AS ME B 3 1 ． 8 ， 用式 8 计算管线壁 厚 。依据 D NV OS F 1 0 1 ， 用式 9 进行承压校核 ； 用式 1 0 进行局部屈曲校核。若没有局部屈曲就无 需 进行 扩展 屈 曲的校 核 ， 采用 式 1 1 或 式 1 2 进行 载荷校核。 ㈣ ≤ p ≤ 9 压力 ， k P a ； P 为 设 计 外 压 ， k P a ； P b f 为 破 裂 抗 力 ， k P a ； P 为压溃压力 ， k P a ； ， 为抗力安全等级； y m为 材料抗力 因子 ； a 为考 虑应变 硬化 的流动 应力参 数 ， a 取值最 大 1 ． 2 ； M 为设计 弯矩， N m； S 为 设计有效轴力 ， N； M 为塑性 弯矩抗力 ， N r n ； S 为特征塑性轴向抗力 ， N； △ a 为设计压力差， k P a 。 跨接管两端的连接器承载能力有一定的限制 ， 因此 ， 在对跨接管进行总体分析时 ， 应确保跨接管两 端的反作 用力 和 力矩 在 连接 器 的 可接 受 载荷 范 围 内。 1 0 5现 场 应 用 组合荷载标 准一 荷载控制条件 承受 弯矩 、 有效 轴向力和内部过压的管道在所有横截面上要满足式 11 。 c熹 。 y 。 c √ 一 c 。 ， P 1 1 1 、 a b ￡ 当 a 取值不 大于 1 ． 2 ， 参见 DN V OS F 1 0 1 ， 承 受弯矩 、 有 效轴 向力和外 部过压 的管 道要 满足式 1 2 。 7 c7 m 5cy m 熹 ≤ 1 1 2 式中 t 为壁厚 ， mm； P 。 为设计 内压 ， k P a ； D为管线 外径 ， mm； f 屈服强度 ， k P a ； F为环境设计 系数 ； E 为纵 向接 头系数 ； T 为温度 影 响系数 ； i 为局部 偶然 5 ． 1 项 目输 入 西非深水项 目跨接管设计压力 5 1 7 b a r ， 设计温 度 一1 8 ～8 2℃， 设 计 水 深 1 7 5 0 m。生 产钻 井 中心 跨 接管 布置如 图 1 ， 表 2为制 造 和 测 量 误 差值 ， 表 3 为保守的强制位移 。 5 ． 2应 力分 析结 果 基于 环 向应 力 标 准 ， 计 算 6英 寸工 艺 管 道外 径 为 1 6 8 ． 3 mm， 壁 厚 为 1 8 ． 3 mm。利 用 DNV OS F 1 0 1规 范 校 核 屈 曲 能 力 ， 满 足 标 准 要 求 。 利 用 AB AQUS对 各 工 况 下 的载 荷 进 行 求 解 ， 得 到 最 长 和 最短跨 接管 各点 受 力 ， 计 算 的应 力 利用 系数 均 在 可 接受 范 围 内。跨 接管 两端 的最 大接 口载 荷在 表 4 所 示 的连接 器 的承载 能力 范 围 内。 结 构分 析显 示跨 接管 满足 应力标 准 和两端 载荷 限制 ， 图 2所示 的跨 接管 布置 可 以接受 。 第 4 4卷第 1 2 期 黄会 娣 ， 等 深水生产钻井 中心水平跨接管结构应力分析 研究 5 表 3 强制位移 表 4连接器允许的最大接 口载荷 6 结论 1 跨接管布置设计和应力分析过程是一个反 复 相互 校核 的过 程 。 2 跨 接管 的 布 置需 要 考 虑 多 种 因素 ， 尤 其 是 运 输 、 安 装船 舶 的尺 寸 限 制 以及 在 钻 井 中心 的 空 间 约 束 。 3 跨接管的制造以及水下测量不可避免的存 在误 差 ， 同时 ， 水 下安 装 工 具 有 一 定 的 误 差 限制 ， 为 实 现深 水水 下无 人 安装 ， 跨 接 管 的设 计 需 要 具 有 一 定的可靠性 、 柔性 ， 必须合理考虑各种误差 ， 在跨接 管 的建 模 、 应 力 分析 中应 将 这 些误 差 引起 的载 荷 考 虑 进去 。 4 跨接管承受 的载荷在不同的作业过程中可 能不同 ， 应力分析工况需要与实际作业过程一致 ， 才 能得 到合 理 的分析 结果 。 参 考文 献 [ 1 ] 黄会 娣 ， 程寒生． 深水油气 田开发总体架构设计应用研 究 [ J ] ． 中国海洋平台 ， 2 0 1 4 ， 2 9 5 4 - 7 ． [ 2 ] 何同 ， 李婷婷 ， 段梦兰 ， 等． 深水刚性跨接管设计的 主要 影响因素分析[ J ] ． 中国海洋平台 ， 2 0 1 2 ， 2 7 4 5 0 5 7 ． [ 3 ] 周灿 丰 ， 焦 向东 ， 曹静 ， 等． 水下跨接管连接器选型设计 研究 口] ． 石油化工高等学校学报 ， 2 0 1 1 ， 2 4 3 7 5 7 8 ． [ 4 ] 何同 ， 李婷婷 ， 段梦兰 ， 等． 深水混合立管基础跨接管设 计 中的 关 键 问题 [ J ] ， 石 油 矿场 机 械 ， 2 0 1 2 ， 4 1 1 0 1 4 2 O ． [ 5 ]D NV R P C 2 0 5 ， E n v i r o n me n t a l C o n d i t i o n s An d E n v i r o n me n t a l L o a d s [ S ] ． 2 0 1 0 ． [ 6 ] Ve r l e y R L P ， L u n d K M． A s o i l r e s i s t a n c e mo d e l f o r 、 p i p e l i n e s p l a c e d o n c l a y s o i l s [ J ] ． O f f s h o r e Me c h a n i c s a n d Ar c t i c Eng i ne e r i ng Co nf ， 1 9 95， 6 V 22 5 - 2 32 ． r 7 ]AS ME B 3 1 ． 8 ， Ga s Tr a n s mi S S i o n a n d Di s t r i b u t i o n P i p i n g S y s t e ms S ] ． 2 0 1 0 ． [ 8 ] D N V - O S - F 1 0 1 ， S u b m a ri n e F l o w l i n e S y s t e ms ， D N V O f f s h o r e S t a n d a r d [ S _ ． 2 0 1 0 ．