海上新型組合隔水導(dǎo)管抗冰極限承載力分析

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(1.中海油研究總院 北京 100027；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)北京 102249)

鉆井隔水導(dǎo)管主要起隔離海水、為鉆井液提供循環(huán)通道、抵御環(huán)境載荷、支撐井口的作用,其安全性能直接影響到整個(gè)海上鉆井作業(yè)。隔水導(dǎo)管所承受的載荷極為復(fù)雜，不僅包括自重及井口設(shè)備方面的軸向載荷，還承受風(fēng)、浪、流、冰等環(huán)境載荷。對(duì)于出現(xiàn)冰期的海域，如我國(guó)渤海油田，冬季冰區(qū)跨度大，冰載對(duì)隔水導(dǎo)管的安全造成嚴(yán)重威脅。目前，常規(guī)提高隔水導(dǎo)管抗冰承載力的方法，都需要增加大量的施工時(shí)間和昂貴的材料及作用費(fèi)用。而如何在降低鉆完井成本的前提下，提高隔水導(dǎo)管抵抗海冰載荷的能力是當(dāng)前渤海油田隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)過(guò)程中迫切需要解決的問(wèn)題之一[1-2]。根據(jù)隔水導(dǎo)管和海冰載荷的特點(diǎn)，采用單根鋼管形式的隔水導(dǎo)管不利于抵抗冰載荷，而將隔水導(dǎo)管和表層套管通過(guò)一種特殊的加筋肋連接裝置組合成整體受力結(jié)構(gòu)，能夠有效地提高截面抗彎剛度，具有更好的抗冰載荷性能。本文利用有限元分析工具ANSYS建立這種組合隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的極限承載力計(jì)算模型；并結(jié)合渤海常用的隔水導(dǎo)管與表層套管類型分析不同工況下結(jié)構(gòu)抗冰極限承載能力，為渤海海域抗冰隔水導(dǎo)管的選型提供依據(jù)。

1 組合式抗冰隔水導(dǎo)管

新型組合式抗冰隔水導(dǎo)管由外層隔水導(dǎo)管、內(nèi)層表層套管、預(yù)制的連接裝置組成(見(jiàn)圖1)，其中的連接裝置(見(jiàn)圖2)由套筒和4塊矩形鋼板焊制而成。下表層套管時(shí)，在泥線以上與隔水導(dǎo)管重合段通過(guò)點(diǎn)焊的方式將連接裝置固定在表層套管本體上。該組合結(jié)構(gòu)要求表層套管固井水泥漿返至海平面處，由此形成了隔水導(dǎo)管、連接裝置及表層套管整體抗冰結(jié)構(gòu)。

圖1 組合式抗冰隔水導(dǎo)管示意

圖2 組合式抗冰隔水導(dǎo)管連接裝置示意

2 有限元分析模型

2.1 研究對(duì)象

以渤海典型的生產(chǎn)井隔水導(dǎo)管為工程背景進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，組合隔水導(dǎo)管受力情況見(jiàn)圖3。由隔水導(dǎo)管、表層套管、連接裝置等組成，結(jié)構(gòu)頂部承受固定載荷，海面處有橫向海冰載荷。

圖3 組合隔水導(dǎo)管示意圖

2.2 基本假設(shè)

對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，以便建立有限元模型進(jìn)行彈塑性求解。簡(jiǎn)化的內(nèi)容包括邊界條件、海冰載荷及鋼管與水泥環(huán)之間的相互關(guān)系。采用以下基本假設(shè)[1]。

1)隔水導(dǎo)管、表層套管及連接裝置組成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，且與水泥環(huán)之間無(wú)相對(duì)滑移；

2)不考慮隔水導(dǎo)管與土的摩擦作用，即假定泥線以下6倍隔水導(dǎo)管直徑處完全固支，上端部鉸支；

3)海冰載荷簡(jiǎn)化為均布載荷作用在隔水導(dǎo)管海平面處。

2.3 材料模型及屈服條件

1)鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。三向應(yīng)力狀態(tài)的鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系比較復(fù)雜，但與單向拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系類似。為了計(jì)算方便，本研究中鋼材的材料模型采用理想彈塑性、雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，拉伸方向屈服應(yīng)力的增加將要導(dǎo)致壓縮方向屈服應(yīng)力的降低，屈服面的大小不變，在應(yīng)力空間中平移[3]。隔水導(dǎo)管、表層套管及連接裝置均采用4結(jié)點(diǎn)的塑性大應(yīng)變殼單元SHELL41，鋼材彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。

2)泥環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。本研究采用ANSYS中專門處理水泥環(huán)的SOLID65單元(八節(jié)點(diǎn)3D體單元)，采用彈塑性本構(gòu)模型，具體數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中：fc——水泥環(huán)的峰值壓力，取其軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

ε0、εcu——水泥環(huán)的峰值應(yīng)變及極限壓應(yīng)變。

3)屈服準(zhǔn)則。采用米塞斯屈服準(zhǔn)則。

2.4 海冰載荷計(jì)算模型

對(duì)大面積冰原擠壓垂直孤立隔水導(dǎo)管所產(chǎn)生的冰載荷，采用《渤海海域鋼質(zhì)固定平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》中的推薦公式

P=mk1k2Rcbh

(2)

式中：m——樁腿形狀系數(shù)，對(duì)圓截面樁采用0.9；

k1——局部積壓系數(shù)，取2.5；

k2——樁柱與冰的接觸系數(shù)，取0.45；

Rc——冰塊的極限抗壓強(qiáng)度，由相關(guān)文獻(xiàn)得到渤海檢測(cè)公司提供的數(shù)據(jù)為220 N /cm2；

B——樁柱寬度，m；

h——冰層計(jì)算厚度，m。

2.5 有限元計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)以上假設(shè)及所選用的單元類型，利用ANSYS軟件建立組合隔水導(dǎo)管有限元計(jì)算模型(見(jiàn)圖4)，并考慮兩種冰載作用方向，見(jiàn)圖5、6。采用的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 組合隔水導(dǎo)管有限元模型

圖5 冰載沿加筋肋方向

3 結(jié)構(gòu)橫向極限承載力分析結(jié)果

根據(jù)載荷條件，對(duì)4種組合方案及對(duì)應(yīng)的單層隔水導(dǎo)管方案進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算過(guò)程中主要考慮靜水壓力、軸向載荷和等效冰載荷的作用。

表1 組合隔水導(dǎo)管有限元計(jì)算參數(shù)

圖6 冰載沿加筋肋45°方向

采用位移載荷法進(jìn)行橫向極限承載力的計(jì)算方法，具體過(guò)程為：在海平面處對(duì)隔水導(dǎo)管施加一定的橫向位移量，通過(guò)ANSYS的時(shí)程處理器求得橫向載荷-位移曲線，根據(jù)曲線可獲取不同結(jié)構(gòu)的極限承載力，以方案一為例給出了橫向載荷-位移曲線圖,見(jiàn)圖7。

圖7 橫向極限載荷—位移曲線

由圖7可見(jiàn)，組合隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的橫向載荷-位移曲線呈現(xiàn)出較明顯的兩段式：隨著海面處橫向位移的增加，結(jié)構(gòu)橫向承載力呈線性增加的趨勢(shì)，當(dāng)位移達(dá)到一定值時(shí)，載荷曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折(即進(jìn)入鋼管材料的塑性變形階段)，呈平緩上升趨勢(shì)直到穩(wěn)定。對(duì)于海上結(jié)構(gòu)物來(lái)說(shuō)，必須將可承受的載荷

控制在直線段，即確保結(jié)構(gòu)不發(fā)生屈服。表2列出了不同方案下結(jié)構(gòu)的彈性極限抗冰承載能力。

表2 隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)橫向極限抗冰承載力

根據(jù)橫向極限承載力計(jì)算分析，可得出如下結(jié)論：

1) 結(jié)構(gòu)的橫向極限承載力與載荷作用方向無(wú)關(guān)，即載荷沿加筋肋方向和沿加筋肋45°方向作用時(shí)，結(jié)構(gòu)最終的極限承載力相同。

2) 組合結(jié)構(gòu)與單層隔水導(dǎo)管相比，橫向極限承載力可大幅度提高，對(duì)于渤海地區(qū)30 m水深海域來(lái)說(shuō)，提高幅度可達(dá)40%以上，并且呈現(xiàn)出如下規(guī)律：隔水導(dǎo)管直徑相同時(shí)，橫向極限承載力增加幅度隨外層隔水導(dǎo)管壁厚的增加而降低；壁厚相同時(shí)，直徑越大，極限承載力增加幅度也越高。

4 海冰載荷作用下組合隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)分析

4.1 海冰載荷計(jì)算

以渤海油田岐口、秦皇島海域?yàn)槔?，?jì)算不同海況重現(xiàn)期下海冰載荷值，并將計(jì)算所得的最大載荷作為組合隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的初始載荷條件，以此分析在該載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況。不同海況重現(xiàn)期下海冰載荷值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 渤海岐口、秦皇島地區(qū)海域海冰載荷計(jì)算

由計(jì)算結(jié)果可以看出，按50年一遇重現(xiàn)期考慮，對(duì)于24 in和20 in隔水導(dǎo)管，最大海冰載荷分別為439.51 kN和379.22 kN。根據(jù)表2中有關(guān)隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)橫向極限抗冰承載力計(jì)算結(jié)果可知，如果采用單層隔水導(dǎo)管，僅壁厚為38.1 mm的24 in隔水導(dǎo)管能夠滿足要求，但如果采用組合式隔水導(dǎo)管，四種方案在理論上均滿足抗冰承載力要求。

4.2 冰載作用下組合隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)分析

在考慮頂部軸向載荷300 kN(考慮防噴器等井口設(shè)備重量)的情況下，分別對(duì)4種組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行載荷響應(yīng)分析，不同方案的具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 冰載作用下組合隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

根據(jù)計(jì)算分析可知，以上4種組合隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)均能夠抵御岐口、秦皇島海域的冰載作用。

5 結(jié)論

1)本文提出的組合結(jié)構(gòu)與常規(guī)的單層隔水導(dǎo)管相比，由于組合結(jié)構(gòu)增大了隔水導(dǎo)管的抗彎模量和橫向抗彎剛度。橫向極限承載力可大幅度提高，可達(dá)40%以上。通過(guò)對(duì)幾種不同組合結(jié)構(gòu)極限承載力的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)承載力變化呈現(xiàn)出如下規(guī)律：隔水導(dǎo)管直徑相同時(shí)，橫向極限承載力增加幅度隨外層隔水導(dǎo)管壁厚的增加而降低；壁厚相同時(shí)，直徑越大，極限承載力增加幅度也越高。

2)對(duì)于渤海地區(qū)30 m水深范圍，文中提到的四種組合結(jié)構(gòu)的橫向極限承載力相比對(duì)應(yīng)的單層隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)提高幅度可達(dá)40%以上，均能夠抵御岐口、秦皇島等典型海域冰載情況。解決了渤海海海域冬季隔水導(dǎo)管抗冰承載力不足，經(jīng)常導(dǎo)致作業(yè)無(wú)法正常進(jìn)行的困境，為鉆井工程方案選型提供了依據(jù)；同時(shí)本研究提出的新型組合式隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，采用陸地預(yù)置后運(yùn)往海上施工現(xiàn)場(chǎng)，作業(yè)方便，結(jié)構(gòu)安裝簡(jiǎn)單，能夠極大地提高作業(yè)效率，從而達(dá)到降低鉆完井成本的目的。

3)由于本研究主要是針對(duì)內(nèi)層套管本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行的加強(qiáng)，但對(duì)于接頭部分依然存在一定的缺陷，建議下一步可對(duì)組合結(jié)構(gòu)的接頭部分進(jìn)行深入的改進(jìn)和研究。

[1] 楊 進(jìn)，劉書杰，謝仁軍，等.ANSYS在海洋石油工程中的應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2010.

[2] 方華燦.海洋石油鉆采設(shè)備理論基礎(chǔ)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994.

[3] 朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2000.