基于隔水管受力分析的深水鉆井平臺(tái)防臺(tái)風(fēng)措施優(yōu)選

宋　宇　楊　進(jìn)　何　藜　李　佳　殷啟帥（中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　102249）

基于隔水管受力分析的深水鉆井平臺(tái)防臺(tái)風(fēng)措施優(yōu)選

宋宇楊進(jìn)何藜李佳殷啟帥
（中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

針對(duì)深水平臺(tái)作業(yè)中遭遇臺(tái)風(fēng)平臺(tái)需要優(yōu)選緊急避航路線的問題，利用有限元分析方法建立了隔水管拖航過程的力學(xué)模型，簡化波浪和海流作用，得到了軟、硬懸掛隔水管長度與許用最大速度關(guān)系，制定了深水鉆井平臺(tái)3種防臺(tái)措施，并給出平臺(tái)與臺(tái)風(fēng)最不利位置計(jì)算模型，以某浮式鉆井平臺(tái)緊急防臺(tái)為例優(yōu)選防臺(tái)措施。力學(xué)分析表明：隔水管的最大應(yīng)力和最大彎矩位置出現(xiàn)在近海面處；浮塊數(shù)量增加，隔水管頂部最大轉(zhuǎn)角會(huì)限制平臺(tái)的最大航速；隔水管較短的情況硬懸掛方式有更快的航速，反之，軟懸掛方式最大許用航速大。防臺(tái)措施表明：根據(jù)最不利位置計(jì)算模型，可以快速計(jì)算出符合的防臺(tái)位置和防臺(tái)措施，根據(jù)安全和再作業(yè)等情況優(yōu)選出最佳航行路線。

深水鉆井；隔水管；受力分析；臺(tái)風(fēng)預(yù)防

遭遇超出浮式鉆井平臺(tái)自存能力的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)時(shí)，為免受臺(tái)風(fēng)中心或中心外圍暴風(fēng)區(qū)影響而致使裝備發(fā)生破壞，鉆井船應(yīng)采取避航方式躲避臺(tái)風(fēng)。深水鉆井過程中，因隔水管與海底井口相連，隔水管的回收作業(yè)極大地增加了深水鉆井平臺(tái)防臺(tái)的復(fù)雜性。本文以深水鉆井平臺(tái)在隔水管下放后的鉆井作業(yè)中防臺(tái)問題作為研究對(duì)象，考慮隔水管的兩種懸掛模式，分別建立不回收隔水管拖航避臺(tái)、原地回收隔水管再緊急避臺(tái)、在防臺(tái)航行中回收隔水管3種計(jì)算模型，分析3種防臺(tái)模型的適用范圍，并推薦緊急防臺(tái)方案，為平臺(tái)防臺(tái)撤離提供技術(shù)參考［1］。

1　理論模型及力學(xué)分析

1.1理論方程

拖航過程中隔水管受力主要包括橫向載荷與軸向載荷。波浪載荷與海流載荷共同作用引起橫向載荷，軸向載荷主要是自重、浮力及頂部張力產(chǎn)生。假設(shè)平臺(tái)航行狀態(tài)下環(huán)境載荷和隔水管彎曲變形均沿水平方向，此時(shí)隔水管動(dòng)態(tài)分析微分方程為［2-3］

波浪與海流的聯(lián)合作用非常復(fù)雜，不能簡單地計(jì)算再進(jìn)行疊加，通常采用修正形式的Morison方程近似計(jì)算作用于隔水管的波流聯(lián)合作用力［4］

式中，f為隔水管柱單位長度的海流載荷，包括拖拽力和慣性力，前者是由于水質(zhì)點(diǎn)的水平速度引起，后者是由于水質(zhì)點(diǎn)水平加速度引起，kN；C為阻力系數(shù)；ρ為海水密度，g/cm3；D為隔水管柱直徑，m；u為管柱軸線處水質(zhì)點(diǎn)的水平方向速度，隨水深變化，m/s；du/dt為管柱軸線處水質(zhì)點(diǎn)的水平加速度，m/s2。

隔水管軸向力分布規(guī)律如圖1所示。對(duì)于海流速度的處理依據(jù)文獻(xiàn)［5］，海流速度按直線分布

圖1　隔水管應(yīng)力分布示意圖

1.2隔水管受力分析

隔水管作為典型薄壁構(gòu)件，忽略橫向應(yīng)力剪應(yīng)力、浮式鉆井裝置在二階波浪力作用下的低頻運(yùn)動(dòng)和隔水管隨機(jī)震動(dòng)，同時(shí)認(rèn)為在下部隔水管總成脫開的情況下隔水管未開放系統(tǒng)，忽略環(huán)向應(yīng)力（不會(huì)發(fā)生擠毀），認(rèn)為在自重與外載荷作用下處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，屬小應(yīng)變大變形問題，按照強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核。

采用有限元分析方法［6-7］，選用PIPE16單元，分別建立軟、硬2種懸掛方式下隔水管應(yīng)力模型，分析不同位置處應(yīng)力關(guān)系。表1是隔水管基本參數(shù)。

表1　隔水管與環(huán)境載荷參數(shù)

幾何非線性分析對(duì)軟、硬懸掛方式隔水管應(yīng)力分布的影響如圖2，對(duì)隔水管彎矩分布的影響如圖3。應(yīng)力最大值點(diǎn)和彎矩最大值點(diǎn)都同時(shí)出現(xiàn)在水面以下35 m、40 m，最大應(yīng)力為306 MPa、337 MPa，最大彎矩為8.1 kN·m、8.3 kN·m。套管的最大彎矩和最大復(fù)合應(yīng)力幾乎同時(shí)出現(xiàn)，且都出現(xiàn)在海面以下近海面處［8-9］。

圖2　硬、軟懸掛不同位置處應(yīng)力

圖3　軟、硬懸掛不同位置處彎矩

1.3失效準(zhǔn)則

若隔水管硬懸掛在鉆井平臺(tái)上實(shí)施撤離，則應(yīng)注意鉆井船高速行駛時(shí)可能導(dǎo)致隔水管頂端出現(xiàn)大應(yīng)力而發(fā)生屈服；若隔水管軟懸掛在鉆井平臺(tái)上實(shí)施撤離，則應(yīng)注意鉆井平臺(tái)高速行駛時(shí)可能導(dǎo)致隔水管與月池發(fā)生碰撞［10］。

非作業(yè)模式下，硬懸掛隔水管最大許用應(yīng)力為材料屈服強(qiáng)度的0.8倍［11］。對(duì)屈服強(qiáng)度為660 MPa的套管，最大許用應(yīng)力σmax為441 MPa。

軟懸掛撤離時(shí)，隔水管最大許用轉(zhuǎn)角為10°［12］。得出1 000 m、2 000 m、3 000 m裸單根轉(zhuǎn)角最大許用速度分別為4.4 m/s、6.2 m/s、7.7 m/s；包裹直徑1.13 m浮塊，浮塊長度按照隔水管全長的60%計(jì)算，轉(zhuǎn)角最大許用速度vθmax分別為1.4 m/s、2.0 m/s、2.4 m/s。

海洋環(huán)境載荷對(duì)隔水管的強(qiáng)度影響十分顯著，隨著波浪、海流載荷的增大，隔水管柱的變形和應(yīng)力快速增加，在不同的載荷（海流速度）的作用下，不同長度管柱、是否包袱浮塊、浮塊尺寸等對(duì)結(jié)果影響非常大。采用有限元分析模型，分別建立不同管長隔水管裸單根和裝有浮塊（參數(shù)見表1）2種情況下速度與最大應(yīng)力關(guān)系，隨管長增加，限制速度的主要因素從最大轉(zhuǎn)角變?yōu)樽畲笄?yīng)力。無論采用何種懸掛方式最大速度均應(yīng)小于材料安全屈服應(yīng)力。

2　防臺(tái)風(fēng)措施

求臺(tái)風(fēng)與平臺(tái)的可能最不利位置方法分4步。第1步，根據(jù)海流速度、流向、臺(tái)風(fēng)預(yù)測路徑（圖4），查得不同管長不同懸掛方式下允許最大速度，建立坐標(biāo)系，海流方向與x軸夾角為φ，確定航向與流向之間夾角θ，計(jì)算此防臺(tái)措施在該方向上的最大許用平臺(tái)航速vB，先回收隔水管再進(jìn)行拖航的方法不需進(jìn)行此計(jì)算。

圖4　最近遭遇距離

第2步，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)法則，利用速度三角形法求得臺(tái)風(fēng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度

圖4中直線LR為臺(tái)風(fēng)中心相對(duì)運(yùn)動(dòng)路線，過B0

作相對(duì)運(yùn)動(dòng)直線LR的垂線L0，B0L0即為此種航向上未來船-臺(tái)的最近遭遇距離，根據(jù)臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)等級(jí)劃定合理的危險(xiǎn)區(qū)域E，計(jì)算公式

第3步，根據(jù)t=R/|vR|，求得最短距離所需時(shí)間，帶入公式（6），求得距離最近時(shí)臺(tái)風(fēng)中心和平臺(tái)位置。

第4步，綜合考慮最短距離和良好避臺(tái)位置，分別確定3種防臺(tái)措施平臺(tái)不同航向的最近遭遇距離，結(jié)合再作業(yè)情況、隔水管疲勞損壞情況等進(jìn)行優(yōu)選。

3　實(shí)例計(jì)算

基本數(shù)據(jù)：隔水管外徑 508 mm，壁厚25.4 mm，材料80#鋼，長度1 000 m，屈服強(qiáng)度550 MPa，彈性模量206.8 GPa，泊松比0.3；若上部接頭采用軟懸掛，抗彎剛度12.5 kN·m/（°），最大轉(zhuǎn)角10°，若上部接頭采用硬懸掛方式最大張力440 MPa臺(tái)風(fēng)速度矢量是vA=12i+5j（ km/h），臺(tái)風(fēng)中心和船體位置分別為A（00，0）和B（02 000，1 000），臺(tái)風(fēng)為1年1遇，海流速度矢量v流=3.7i（ km/h），懸掛隔水管2 000 m。

3.1隔水管回收作業(yè)中航行

假設(shè)隔水管回收速度70 m/h，平臺(tái)航速和隔水管回收時(shí)間成非線性關(guān)系，分別計(jì)算與海流夾角，θ=［0°，45°，180°］，采用牛頓迭代法。

采用硬懸掛方式下，vr= –4.3×10–3×（2000–70t）+16，采用軟懸掛方式下，vr=1.4×10–3×（2000–70t）+3.816，兩種方式最近遭遇距離見表1。。

3.2不回收航行

軟、硬懸掛2 000 m隔水管的最大需用速度分別為vr硬=6.55 （km/h）、vr軟=7.2 （km/h）。

采用軟硬懸掛方式下，分別計(jì)算與海流夾角θ=［0°，45°，180°］，最近遭遇距離，見表2。

表2　不回收航行時(shí)采用硬、軟懸掛方式下不同海流角下最近遭遇距離

3.3回收作業(yè)結(jié)束后航行

假設(shè)隔水管回收速度70 m/h，平臺(tái)航行速度7節(jié)（12.96 km/h），2 000 m隔水管的全部回收需要28.57 h，此時(shí)臺(tái)風(fēng)中心坐標(biāo)（428.57，0）。分別計(jì)算與海流方向夾角θ=［0°，45°，180°］，最近遭遇距離見表3。

表3　回收作業(yè)結(jié)束后采用軟懸掛方式下不同海流角下最近遭遇距離

對(duì)3種不同措施的最短遭遇距離進(jìn)行對(duì)比，臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域?yàn)殛幱癊，則陰影外的區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域，同時(shí)堅(jiān)持盡量遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)的原則進(jìn)行措施優(yōu)選。

4　結(jié)論

（1）隨著波流載荷的增大，隔水管的應(yīng)力顯著增加，隔水管的最大應(yīng)力和最大彎矩位置出現(xiàn)在近海面處。

（2）隨著浮塊的增加，隔水管頂部最大轉(zhuǎn)角會(huì)限制平臺(tái)的最大航速；隔水管較短硬懸掛方式有更快的拖航速度，反之，軟懸掛方式拖航速度快。

（3）根據(jù)避臺(tái)措施的最不利位置計(jì)算模型，可以快速計(jì)算出符合的避臺(tái)位置和避臺(tái)措施，根據(jù)安全和再作業(yè)等情況優(yōu)選出的避臺(tái)措施和航行路線，為安全和后續(xù)作業(yè)提供可靠依據(jù)。

［1］劉秀全，陳國明，暢元江，等.臺(tái)風(fēng)條件下深水鉆井隔水管觸底事故分析及對(duì)策［J］.石油勘探與開發(fā)，2013，40（6）：738-742.

［2］幸雪松，閆偉，鄧金根，等.深水流速剖面對(duì)隔水管橫向載荷的影響［J］.石油工程建設(shè)，2012，28（4）：8-10.

［3］張煒，高德利，范春英.鉆井隔水管擠毀分析［J］.鉆采工藝，2010，33（4）：74-76，140.

［4］周俊昌.海洋深水鉆井隔水管系統(tǒng)分析［D］.成都：西南石油學(xué)院，2001.

［5］馬馳，董艷秋，楊麗婷.海洋平臺(tái)張力腿在兩種邊界條件下的渦激非線性振動(dòng)的比較研究［J］.船舶力學(xué)，2000，4（1）：56-65.

［6］王金峰，張靜，張廷廷，等.基于abaqus的深水鉆柱變形分析［J］.遼寧化工，2012，41（10）：1071-1072，1098.

［7］蘇堪華，管志川，劉繼林.深水水上防噴器鉆井系統(tǒng)高壓套管隔水管強(qiáng)度分析［J］.鉆采工藝，2013，36（2）：80-83，10.

［8］劉彩虹，楊進(jìn)，曹式敬，等.海洋深水鉆井隔水管力學(xué)特性分析［J］.石油鉆采工藝，2008，30（2）：28-31.

［9］李中，楊進(jìn)，曹式敬，等.深海水域鉆井隔水管力學(xué)特性分析［J］.石油鉆采工藝，2007，29（1）：19-21，118.

［10］高灃，高玉平，張嘯斐，等.海洋鉆井隔水管懸掛狀態(tài)下軸向動(dòng)力特性比對(duì)研究［J］.中國造船，2014，8（2）：114-121.

［11］趙煥寶，侯曉東雷廣進(jìn)，等.深水鉆井隔水管疲勞試驗(yàn)載荷分析［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（2）：32-35.

［12］暢元江，陳國明，孫友義，等.深水鉆井隔水管的準(zhǔn)靜態(tài)非線性分析［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，32（3）：114-118.

（修改稿收到日期2014-12-31）

〔編輯薛改珍〕

Preferred anti-typhoon measures for deepwater drilling platform based on
riser force analysis

SONG Yu, YANG Jin, HE Li, LI Jia, YIN Qishuai
（MOE Key Laboratory for Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

To address the problem that deepwater platform operations have to preferably choose navigation avoidance routes in the case of typhoon, the finite element method is used to build a mechanical model about the towing process of riser in which the roles of waves and currents are simplified. The relation between the lengths of soft and hard suspension risers and the allowable maximum velocity is worked out and three anti-typhoon measures for deepwater drilling platform are developed. The model to calculate the most unfavorable positions of platform in the case of typhoon is provided and the preferred anti-typhoon measures are identified with a floating drilling platform as an example. The mechanical analysis shows that: the positions of riser under the maximum stress and the maximum bending moment appear offshore; 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 platform; when the riser is short, hard suspension will enable faster speed; otherwise, soft suspension 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.

deepwater drilling; riser; force analysis; anti-typhoon measures

TE58

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0147 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.038

國家自然科學(xué)基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究”（編號(hào)：51434009）；“深水鉆井表層導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)機(jī)理研究”（編號(hào)：51274223）。

宋宇，1987年生?，F(xiàn)主要從事海洋石油工程技術(shù)研究工作，在讀博士。電話：18610929029。E-mail：504169887@qq.com。

2014-11-30）

引用格式：宋宇，楊進(jìn)，何藜，等. 基于隔水管受力分析的深水鉆井平臺(tái)防臺(tái)風(fēng)措施優(yōu)選［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：147-150.