基于隔水管受力分析的深水钻井平台防台风措施优选.pdf

第 37 卷 第 1 期 2015 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING when the number of floating blocks is increased, the maximum angle at the top of the riser will limit the maximum navigational speed of the plat; when the riser is short, hard suspension will enable faster speed; otherwise, soft sus- pension will enable the maximum allowable speed. The anti-typhoon measures suggest that the computational model based on the most unfavorable positions can quickly calculate the appropriate anti-typhoon position and measures and the preferred navigation route can be selected according to the safety and re-operation. Key words deepwater drilling; riser; force analysis; anti-typhoon measures 基金项目 国家自然科学基金“海洋深水浅层钻井关键技术基础理论研究” （编号51434009） ；“深水钻井表层导管喷射钻进机理研究” （编号51274223） 。 作者简介 宋宇， 1987 年生。现主要从事海洋石油工程技术研究工作， 在读博士。电话18610929029。E-mail504169887。 遭遇超出浮式钻井平台自存能力的强台风时， 为免受台风中心或中心外围暴风区影响而致使装备 发生破坏， 钻井船应采取避航方式躲避台风。深水 钻井过程中， 因隔水管与海底井口相连， 隔水管的回 收作业极大地增加了深水钻井平台防台的复杂性。 本文以深水钻井平台在隔水管下放后的钻井作业中 石油钻采工艺 2015 年 1 月（第 37 卷） 第 1 期148 防台问题作为研究对象， 考虑隔水管的两种悬挂模 式， 分别建立不回收隔水管拖航避台、 原地回收隔水 管再紧急避台、 在防台航行中回收隔水管 3 种计算 模型， 分析 3 种防台模型的适用范围， 并推荐紧急防 台方案， 为平台防台撤离提供技术参考［1］。 1 理论模型及力学分析 1.1 理论方程 拖航过程中隔水管受力主要包括横向载荷与轴 向载荷。波浪载荷与海流载荷共同作用引起横向载 荷， 轴向载荷主要是自重、 浮力及顶部张力产生。假 设平台航行状态下环境载荷和隔水管弯曲变形均沿 水平方向， 此时隔水管动态分析微分方程为［2-3］ f x x EI y x T y x M y x           − − d d d d d d d d 2 2 2 2 2 2 （1） 波浪与海流的联合作用非常复杂， 不能简单地 计算再进行叠加， 通常采用修正形式的 Morison 方 程近似计算作用于隔水管的波流联合作用力［4］ f xC Du D C u t 1 24 2 4 ρρ DMW d d π （2） 式中， f 为隔水管柱单位长度的海流载荷， 包括拖拽 力和惯性力， 前者是由于水质点的水平速度引起， 后 者是由于水质点水平加速度引起， kN；C 为阻力系 数；ρ 为海水密度， g/cm3；D 为隔水管柱直径， m；u 为管柱轴线处水质点的水平方向速度， 随水深变化， m/s；du/dt 为管柱轴线处水质点的水平加速度， m/s2。 隔水管轴向力分布规律如图 1 所示。对于海流 速度的处理依据文献［5］ ， 海流速度按直线分布 vabh （3） 图 1 隔水管应力分布示意图 1.2 隔水管受力分析 隔水管作为典型薄壁构件， 忽略横向应力剪应 力、 浮式钻井装置在二阶波浪力作用下的低频运动 和隔水管随机震动， 同时认为在下部隔水管总成脱 开的情况下隔水管未开放系统， 忽略环向应力（不 会发生挤毁） ， 认为在自重与外载荷作用下处于应力 平衡状态， 属小应变大变形问题， 按照强度理论进行 强度校核。 采用有限元分析方法［6 -7］， 选用 PIPE16 单元， 分别建立软、 硬 2 种悬挂方式下隔水管应力模型， 分 析不同位置处应力关系。表 1 是隔水管基本参数。 表 1 隔水管与环境载荷参数 参数数值 隔水管总长 /m1 000 海面以上长度 /m50 外径 /m0.508 壁厚 /m0.025 4 裸单根长度 /m400 浮块外径 /m1.13 提供净浮力 /N m–13 613 隔水管湿重 /N m–12 857 最大屈服强度 /MPa660 弹性模量 /GPa206.8 泊松比0.3 拖拽系数1.2 惯性系数2.0 几何非线性分析对软、 硬悬挂方式隔水管应力 分布的影响如图2， 对隔水管弯矩分布的影响如图3。 应力最大值点和弯矩最大值点都同时出现在水面以 下 35 m、 40 m， 最大应力为 306 MPa、 337 MPa， 最大 弯矩为 8.1 kN m、 8.3 kN m。套管的最大弯矩和最 大复合应力几乎同时出现， 且都出现在海面以下近 海面处［8-9］。 图 2 硬、 软悬挂不同位置处应力 图 3 软、 硬悬挂不同位置处弯矩 1.3 失效准则 若隔水管硬悬挂在钻井平台上实施撤离， 则应 注意钻井船高速行驶时可能导致隔水管顶端出现大 应力而发生屈服；若隔水管软悬挂在钻井平台上实 施撤离， 则应注意钻井平台高速行驶时可能导致隔 149宋 宇等基于隔水管受力分析的深水钻井平台防台风措施优选 水管与月池发生碰撞［10］。 非作业模式下， 硬悬挂隔水管最大许用应力为 材料屈服强度的 0.8 倍［11］。对屈服强度为 660 MPa 的套管， 最大许用应力 σmax为 441 MPa。 σ σσσσσσ σ e rhhllr −−− 222 0 2 2 3 ≤ （4） 软悬挂撤离时， 隔水管最大许用转角为 10 ［12］ 。 得出 1 000 m、 2 000 m、 3 000 m 裸单根转角最大许用 速度分别为4.4 m/s、 6.2 m/s、 7.7 m/s；包裹直径1.13 m 浮块， 浮块长度按照隔水管全长的 60 计算， 转角 最大许用速度 vθmax分别为 1.4 m/s、 2.0 m/s、 2.4 m/s。 （5）tan x θ ρ f W C Du x wL D 2 2 海洋环境载荷对隔水管的强度影响十分显著， 随着波浪、 海流载荷的增大， 隔水管柱的变形和应力 快速增加， 在不同的载荷（海流速度） 的作用下， 不同 长度管柱、 是否包袱浮块、 浮块尺寸等对结果影响非 常大。采用有限元分析模型， 分别建立不同管长隔 水管裸单根和装有浮块（参数见表 1）2 种情况下速 度与最大应力关系， 随管长增加， 限制速度的主要因 素从最大转角变为最大屈服应力。无论采用何种悬 挂方式最大速度均应小于材料安全屈服应力。 2 防台风措施 若平台与台风最近距离 D 小于此方式下允许海 流速度半径与预报误差之和， 则需要采取紧急防台 措施。防台的时机一般宜提早， 因受天气和海况影 响， 平台操纵较为困难， 航行不稳定， 安全余量需尽 量大。如果在航行中修改航向， 则需要在现有位置 重新计算平台在新航向上维持船体安全的最大航速。 根据平台计划航线和台风预报路径， 判断当前 和未来时刻的船 - 台相对位置， 是决定平台是否采 取避航措施的重要基础。假设台风的速度矢量为 vAvAxivAyj， 平台的速度矢量为 vBvBxivByj， 起始时 刻 t0， 台风中心和船体位置分别为 A0 （αA0， βA0）和 B0 （αB0， βB0） ， 则任意时刻 t， 台风中心和船体位置分别为 A（αA， βA） 和 B（αB， βB） 坐标为 αα ββ αα β AAA AAA BBB − − − 00 00 00 60 60 60 vtt vtt vtt x y x / / / B BBB −                β 00 60vtt y / （6） 求台风与平台的可能最不利位置方法分 4 步。 第 1 步， 根据海流速度、 流向、 台风预测路径（图 4） ， 查得不同管长不同悬挂方式下允许最大速度， 建 立坐标系， 海流方向与 x 轴夹角为 φ， 确定航向与流 向之间夹角 θ， 计算此防台措施在该方向上的最大许 用平台航速 vB， 先回收隔水管再进行拖航的方法不 需进行此计算。 图 4 最近遭遇距离 第 2 步， 根据相对运动法则， 利用速度三角形法 求得台风的相对运动速度 vRvAvB （7） vvvvv RABAB xxyy 22 （8） 图 4 中直线 LR为台风中心相对运动路线， 过 B0 作相对运动直线 LR的垂线 L0， B0L0即为此种航向上 未来船 - 台的最近遭遇距离， 根据台风危险等级划 定合理的危险区域 E， 计算公式 R vvvv v yyxx −− ABBAABAB R ααββ 0000 （9） 第 3 步， 根据 tR/|vR|， 求得最短距离所需时间， 带入公式 （6） ， 求得距离最近时台风中心和平台位置。 第 4 步， 综合考虑最短距离和良好避台位置， 分 别确定3种防台措施平台不同航向的最近遭遇距离， 结合再作业情况、 隔水管疲劳损坏情况等进行优选。 3 实例计算 基本数据隔水管外径 508 mm， 壁厚25.4 mm， 材料 80 钢， 长度 1 000 m， 屈服强度 550 MPa， 弹性 模量 206.8 GPa， 泊松比 0.3；若上部接头采用软悬 挂， 抗弯刚度 12.5 kN m/（ ） ， 最大转角 10 ， 若上部 接头采用硬悬挂方式最大张力 440 MPa 台风速度矢 量是 vA12i5j （km/h） ， 台风中心和船体位置分别为 A0（0， 0） 和 B0（2 000， 1 000） ， 台风为 1 年 1 遇， 海流速 度矢量 v 流 3.7i （km/h） ， 悬挂隔水管 2 000 m。 3.1 隔水管回收作业中航行 假设隔水管回收速度 70 m/h， 平台航速和隔水 管回收时间成非线性关系， 分别计算与海流夹角， θ ［0 ， 45 ， 180 ］ ， 采用牛顿迭代法。 采用硬悬挂方式下， vr –4.310–3（2000–70t） 石油钻采工艺 2015 年 1 月（第 37 卷） 第 1 期150 16， 采用软悬挂方式下， vr1.410–3（2000–70t） 3.816， 两种方式最近遭遇距离见表 1。 。 表 1 采用硬悬挂方式下不同海流角下最近遭遇距离 海流角 /（）最近遭遇距离 /km 硬悬挂方式软悬挂方式 0516490 45234222 90821856 1351 5071 439 1801 7041 664 2251 6861 685 2701 5011 517 3151 031979 3.2 不回收航行 软、 硬悬挂 2 000 m 隔水管的最大需用速度分别 为 vr 硬6.55 （km/h） 、 vr 软7.2 （km/h） 。 采用软硬悬挂方式下， 分别计算与海流夹角 θ ［0 ， 45 ， 180 ］ ， 最近遭遇距离， 见表 2。 表 2 不回收航行时采用硬、 软悬挂方式下不同 海流角下最近遭遇距离 海流角 /（） 最近遭遇距离 /km 硬悬挂方式软悬挂方式 0520539 45194216 90762848 1351 2561 392 1801 2181 485 2251 2791 530 2701 4071 549 3151 1211 186 3.3 回收作业结束后航行 假设隔水管回收速度 70 m/h， 平台航行速度 7 节（12.96 km/h） ， 2 000 m 隔水管的全部回收需要 28.57 h， 此时台风中心坐标（428.57， 0） 。分别计算 与海流方向夹角 θ［0 ， 45 ， 180 ］ ， 最近遭遇距离 见表 3。 表 3 回收作业结束后采用软悬挂方式下不同海流角下 最近遭遇距离 海流角 /（ ）最近遭遇距离 /km 0671 4542 90751 1351 344 1801 731 2251 861 2701 701 3151 284 对 3 种不同措施的最短遭遇距离进行对比， 台 风影响区域为阴影 E， 则阴影外的区域为安全区域， 同时坚持尽量远离台风的原则进行措施优选。 4 结论 （1） 随着波流载荷的增大， 隔水管的应力显著增 加， 隔水管的最大应力和最大弯矩位置出现在近海 面处。 （2） 随着浮块的增加， 隔水管顶部最大转角会限 制平台的最大航速；隔水管较短硬悬挂方式有更快 的拖航速度， 反之， 软悬挂方式拖航速度快。 （3） 根据避台措施的最不利位置计算模型， 可以 快速计算出符合的避台位置和避台措施， 根据安全 和再作业等情况优选出的避台措施和航行路线， 为 安全和后续作业提供可靠依据。 参考文献 ［1］ 刘秀全， 陈国明， 畅元江， 等 . 台风条件下深水钻井隔水 管触底事故分析及对策［J］. 石油勘探与开发， 2013， 40 （6） 738-742. ［2］ 幸雪松， 闫伟， 邓金根， 等 . 深水流速剖面对隔水管横向 载荷的影响［J］. 石油工程建设， 2012， 28 （4） 8-10. ［3］ 张炜， 高德利， 范春英 . 钻井隔水管挤毁分析［J］. 钻 采工艺， 2010， 33 （4） 74-76， 140. ［4］ 周俊昌 . 海洋深水钻井隔水管系统分析［D］. 成都 西南石油学院， 2001. ［5］ 马驰， 董艳秋， 杨丽婷 . 海洋平台张力腿在两种边界条 件下的涡激非线性振动的比较研究［J］. 船舶力学， 2000， 4 （1） 56-65. ［6］ 王金峰， 张静， 张廷廷， 等 . 基于 abaqus 的深水钻柱变形 分析［J］. 辽宁化工， 2012， 41 （10） 1071-1072， 1098. ［7］ 苏堪华， 管志川， 刘继林 . 深水水上防喷器钻井系统高 压套管隔水管强度分析［J］. 钻采工艺， 2013， 36 （2） 80-83， 10. ［8］ 刘彩虹， 杨进， 曹式敬， 等 . 海洋深水钻井隔水管力学特 性分析［J］. 石油钻采工艺， 2008， 30 （2） 28-31. ［9］ 李中， 杨进， 曹式敬， 等 . 深海水域钻井隔水管力学特性 分析［J］. 石油钻采工艺， 2007， 29 （1） 19-21， 118. ［10］ 高沣， 高玉平， 张啸斐， 等 . 海洋钻井隔水管悬挂状态 下轴向动力特性比对研究［J］. 中国造船， 2014， 8 （2） 114-121. ［11］ 赵焕宝， 侯晓东雷广进， 等 . 深水钻井隔水管疲劳试验 载荷分析［J］. 石油矿场机械， 2013， 42 （2） 32-35. ［12］ 畅元江， 陈国明， 孙友义， 等 . 深水钻井隔水管的准静 态非线性分析 ［J］ . 中国石油大学学报自然科学版， 2008， 32 （3） 114-118. （收稿日期 2014-11-30） （修改稿收到日期 2014-12-31） 〔编辑 薛改珍〕