海洋石油管汇安装方法及安装过程力学分析.pdf

2 0 1 4年 第 4 3卷 第 4期第 2 2页 石 油矿 场 机械 OI L F I ELD EQUI P ME NT 文 章 编 号 1 O 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 4 0 4 0 0 2 2 0 4 海洋石油管汇安装方法及 安装过程力学分析 付剑波 ， 苏 锋 ， 张 凡。 ， 陈 伟 ， 刘立新 ， 白 勇 1 ． 海洋石油工程股份有限公司 ， 天津 3 0 0 4 5 l ； 2 ． 浙江大学 ， 杭州 3 1 0 0 5 8 摘要 介 绍 了海 洋石 油管汇 的分类 以及 4种 管汇 的安装 方法 ， 指 出滑轮安 装法 和垂 悬安装 法更适 合 深水安装过程。提 出在综合考虑安全性和可靠性的前提下管汇安装方法的选择原则。分析 了采 用 月池法安装管汇过程 中， 当管汇 系统尚未完全浸入水中而处于吊装状 态时其受力情况， 得 出安装 时 钻杆顶 端 最大轴 向力 的计算 方法 ， 并指 出安装 时应 以此 力为设 计安全 准则 。 关 键词 水 下管道 ； 安装 ； 力 学分析 中图分 类号 T E 9 5 2 文献 标识码 A S e l e c t i o n M e t ho d a n d M e c h a ni c a l Ana l y s i s o n S u b s e a M a ni f o l d I n s t a l l a t i o n FU J i a n b o ， S U F e n g ， ZHANG Fa n ， CHEN W e i ， L I U Li x i n ， BAI Yo n g 。 1 ． Off ’s h o r e Oi l En g i n e e r i n g Co ． ， L t d． ， Ti a n j i n g 3 0 0 4 5 1 ， Ch i n a； 2 ． Zh e j i a n g Un i v e r s i t y， Ha n g z h o u 3 1 0 0 5 8 ， C h i n a Ab s t r a c t A b r i e f i n t r o du c t i o n of m a n i f o l d s a nd t he i r i ns t a l l a t i o n m e t ho ds i S g i v e n， a nd s h e a v e i n s t a l l a t i o n me t h od a n d p e nd ul o u s i ns t a l l a t i o n me t h od a r e s u i t a b l e f o r d e e p wa t e r i n s t a l l a t i on ．By t a ki ng i n s t a l l a t i o n s a f e t y a nd r e l i a b i l i t y i n t o c o ns i d e r a t i o n， t he i ns t a l l a t i o n me t h od s e l e c t i o n p hi l os o phy i s i nt r od uc e d a s we l 1 ． M o r e o v e r ， i t a l s o g i v e s t ho r ou g h f o r c e c a l c ul a t i o n of m a ni f ol d i n s t a l l e d by dr i l l pi pe i n t he s t a g e o f ha ng i ng a bo v e wa t e r ． A me t h o d o f c a l c ul a t i n g t he a xi s f o r c e a t t he t op o f d r i l l p i pe c a n be r e a c h e d， a nd a s a f e i n s t a l l a t i o n me t h o d s h ou l d be f o l l o we d ． Ke y wo r ds un de r wa t e r pi pe l i ne； mo un t i ng； f o r c e a na l y s i s 我国陆地油 田日趋枯竭， 未来油气 的增长潜力 主要集 中在海洋 ， 尤其是深海油气资源。国内浅海 石油设施安装技术 已经相对成熟 ， 但是深海石油开 采相关技术刚起步。水下生产系统是进行深海开发 的关 键设施 ， 管 汇作 为水 下生 产设施 重要 组成 部分 ， 在油气开采作业中负责油气的集 中和分配， 监控液 体的流动。合理的管汇安装方法可以缩短海上安装 时间、 降低安装资源需求、 节省海上安装作业成本 ， 保 障水下生产系统安全运营。因此 ， 对管汇安装方 法进行 深人 研究非 常有 必要 。 1 海洋石油管汇介绍 依照 I S O 1 3 6 2 8 1定义， 管汇是安装在 海床上 用来收集油气或向油气 田注水注气 ， 并对流体流动 进行分配、 控制和监控的水下生产设备 ] 。一套完 整的管汇系统应包含连接器接头、 汇管、 分支管、 阀 门、 管汇基础， 部分管汇还需要安装水下控制单元 。 按 照 管汇 的结构 形式 ， 可将 海洋石 油 管汇分 为 4类 基 盘 式 管 汇 、 丛 式 管 汇 、 模 块 式 管 汇 和 混 合 式 管汇 。 基 盘 式 管 汇 可在 单 体结 构 上 提供 单 井 钻 井 基 盘 ， 如 果将 多个基 盘式 管汇 固定在 水下 主设 施上 ， 其 也可提 供丛 式钻 井设施 的功 能 。丛 式 管汇通 常 比较 小 只有 4 ～ 6 个 槽孔 ， 连 接在管 汇上 的采油 树相 互 靠得 较近 间距 大约 为 5 ～1 5 m 。大 部分 丛 式管 汇 都采用可 回收式设计 。模块式管汇是通过布置模块 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 0 5 基金项 目 国家科技重大专项 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 7 0 0 4 作者简介 付剑波 1 9 8 2 一 ， 男 ， 江西抚 州人 ， 工程 师 ， 硕士 ， 主要研究 方 向为海 洋油 气开发 机 械、 作 业技 术 ， E - ma i l f u j h ma i l ． c o oe c ．c om． c n 第 4 3 卷第 4 期 付剑波 ， 等 海洋石油管汇安装 方法及安装过程力学分析 空气 中质 量 ； m 为 下放 索 具 与 其 他 附 件 在 空 气 中 质 量 。 当管 汇 下 放 开始 瞬 间 或 突然 停 止 下放 时 ， 管 汇 受到压紧力作用 ， 特征总力等于 F n t F F 式 中 F 为管汇受到的压紧力。 最 大水 深很 容 易突破 1 0 0 0 m。 而更 先进 的垂 悬安 装 法将 在 巴 西 R o n c a d o r管 汇 安 装 项 目 P 5 2中使 用 ， 届 时安装 水 深会 更深 。 ⋯ 4结语 L 管 汇 相对 于海 底桩基 的各个 方 向偏移 等 于 吊点 相 对 于海底 桩基 的偏 移 一 一 一 一 。 4 ． ， 一 一 y y 5 式中 一 ， 一 为 吊点在 z、 ．y方 向相对于桩基的 偏 移 ； z ， 。 为 安装船 ／ 钻 井平 台各 自由度 运动 量 。 管 汇相 对 于 坐 标 原 点 的 偏 移 为 零 。 当 下 放 时 间 为 ∑ ￡ ≤ ∑t 6 钻杆 排放 长 度遵守 运 动学定 律 d r i 一 言 1 a针 1L L dri,i t -- 一 o ∑ a f 百 “ ，＆ f一 』 ∑ t 。 ∑ ∑a ⋯t 7 式 中 志为 钻杆 下放 加速 度变 化 次数 ； f 为钻 杆 下 放 第 是次加 速度 变 化 时 间 ； “ 为 钻 杆 下 放 第 走次 加 速度 ； L 为 钻 杆 长 度 ； L 州 。 为 钻 杆 下 放 前 初 始 长度 。 钻杆 下放 速度 也遵 守运 动学 定律 州一 ∑ X d r i , i t “ Ⅲ f 一 ∑ ￡ 8 由 于钻 杆 包 含各 种 接 头 及其 他 的连 接 部分 ， 根 据 钻 杆 自身特 点将 长度 为 L 的钻杆 从 原 点 开 始分 成 个单元 ， 单元长度 z 可 由具体划分单元方法确 定 ， 若 简 化 为 均 质 钻 杆 ， 单 元 长 度 z ， 因 此 钻 杆 自 重 为 G 一 ∑叫 1Z g 9 式 中 为钻杆 i 部分单位质量 ； z 为钻杆 i部分 长 度 。 钻杆 i 结 点所 处水 深 为 d 一∑Z 一H 仉 1 0 钻杆最大轴向力在钻杆顶端 丁 一 G F 1 1 此为钻杆所受最大轴 向力 ， 对管汇安装 时受力 分析 应 以此 为准则 。 若采用非常规安装方式 ， 如采用滑轮安装方式 ， 安装受力分析是水下管汇安装过程中不可缺少 的一步 ， 它是 整 个 水 下 安装 过 程 的理论 基 础 。本 文 对 管汇 下放 过程 的轴 力 、 挠 角 、 弯 矩 、 偏 角 以及 相 对 坐标 等 参数 进行 计算 ， 对 于提高 海上 安装 的可靠 性 、 安全 性 至 关 重 要 。管 汇 是 一 种 典 型 的 水 下 生 产 设 施 ， 相比采油树和 P I E T等其他设备 ， 管汇的体积 和质 量更 大 ， 水下 安装 尤其 是深水 安装 的难 度更 大 。 因此 ， 管 汇 的水 下 安装 技 术 具 备 一定 的代 表 性 。本 文 中采用 的管 汇受 力分 析计 算方 法 主要是从 管 汇静 态受力分析来推导管汇整体受力， 这种方式能较简 单 地得 到 管汇 的 受力 状 况 并 能 满 足工 程 实 践 需求 ； 但是其忽略了洋流等作用于管汇中的动态力， 因此 结构 仍具 有不 确定 性 ， 在今 后 的研 究 中应 考 虑 更 先 进 的方法 。总之 ， 掌 握水 下 管 汇 的安装 方 法 和 计 算 分析技 术 ， 对 于促 进我 国深水 开发 具有 重要 意义 。 参 考 文 献 [ 1 ] 王文立． 深水 和超 深水 区油气勘探 难点技术 及发 展趋 势F- J 3 ． 中国石油勘探 ． 2 o 1 0 ， 1 5 4 7 1 7 5 ． [ 2 ] 董衍辉 ， 段 梦兰 ， 王金龙． 深 水水下连接 器 的对 比与选 择[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 2 ， 4 1 4 6 - 1 2 ． [ 3 ] J a c q u e s B r a i l e S a l i a s ． 经验教 训及 超深水 的未来 挑 战 P R OC A P 3 0 0 0 [ R] ． DO T 2 0 0 3 ． [ 4 3 T a y l o r W M， S T J E R NS T R OM S C ． S u b s e a we l l h e a d s t r u c t u r e f o r t r a n s f e r r i n g l a r g e e x t e r n a l l o a d s [ P ] ． US 5 97 1 O76 19 9 9 1 0 2 6． [ 5 ] 刘 春厚 ， 潘东 民 ， 吴谊 山． 海底 管道 维修方 法综述 [ J ] ． 中 国海上油气 ， 2 0 0 4 ， 1 6 1 5 9 6 2 ． r 6 ]DNV．E n v i r o n me n t a l c o n d i t i o n s a n d e n v i r o n me n t a l l o a d s [ S ． 2 0 0 7 ． [ 7 ] 周 游 ， 段梦兰 ， 郭宏 ， 等 ． 深水水平套筒式连接器定 位安 装技术[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 3 ， 4 2 9 1 8 - 2 2 ． E 8 ] 杨伟 ， 叶茂 ， 何 宁 ， 等． 深水深底管道 J型铺设 亡 艺及设 备研究 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 O 1 3 ， 4 2 1 l 4 2 O ． [ 9 ] 白勇， 自强． 水 下生产 系统技 术手册 水 下管汇 及其它 水下 结 构 物 [ K] ． 北 京 中 海 石 油 研 究 中 心 ， 2 0 1 0 4 O一 44 ．