頂張緊立管安裝分析方法研究

夏日長，李 旭，楊 琥

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

張力腿平臺(TLP)干樹系統(tǒng)是如今深水油氣開發(fā)中較為經(jīng)濟的開發(fā)方式之一。TLP設(shè)計關(guān)鍵之一為頂張緊立管(TTR)設(shè)計。TTR通常是由一系列的鋼管在頂部通過張緊設(shè)施與TLP連接，底部與固定于井口上的應力節(jié)點等連接的立管結(jié)構(gòu)形式[1]。TTR的安裝過程與普通外輸立管不同，通過TLP自身鉆井設(shè)備，在鉆臺完成接長并逐根下放，最終完成與水下井口的連接。TTR安裝過程中在波浪、海流以及TLP耦合運動的影響下，會發(fā)生較大偏移，引起與其他已存在立管的干涉及自身強度問題。為保證TTR的順利安裝，需要使用立管安裝導向臂并進行必要的干涉分析及強度分析，確定導向臂的布置數(shù)量和平臺絞車的能力，并為選擇合適的氣候窗提供依據(jù)。

TTR在國際海洋工程界已經(jīng)有一定的理論研究和實踐經(jīng)驗，而國內(nèi)目前對于深水立管(包括TTR)仍然處于研究階段，未在國內(nèi)海域進行實際工程檢驗。本文以南海深水TLP設(shè)計項目為依托，對TTR安裝過程進行分析，確定導向系統(tǒng)能力，基于安裝分析結(jié)果對業(yè)界常用系統(tǒng)的絞車能力、導向桿長度與導向臂選型等進行設(shè)計論證與定量分析，并對比了不同安裝氣候窗下的導向系統(tǒng)能力。

1 TTR安裝流程介紹

鉆井立管及生產(chǎn)立管完井狀態(tài)的主要安裝流程包括安裝導向繩、起吊應力管段、防噴器(BOP)短節(jié)連接、立管與井口頭連接、鉆井立管系統(tǒng)壓力測試及張緊器與張力管段連接。其中在立管張力轉(zhuǎn)換之前由TLP井架及鉆桿懸掛立管管段提供安裝張力，安裝分析主要針對第一根標準管段入水到整體立管底部與井口頭連接這個過程。

2 TTR安裝分析

TTR立管系統(tǒng)主要包含井口區(qū)設(shè)備、張緊器系統(tǒng)、立管管體、立管導向系統(tǒng)和水下井口系統(tǒng)，涉及到安裝分析的主要有立管管體和立管導向系統(tǒng)。

TTR安裝分析研究的目的主要是確定TTR安裝所需要的合適氣候窗和合理的導向系統(tǒng)布置，以適應TTR立管安裝過程，確保TTR立管在安裝過程中滿足以下要求：

安裝時與周圍的其他立管不發(fā)生干涉；立管應力水平滿足規(guī)范要求；立管安裝角度滿足施工誤差要求。

2.1 分析原理

TTR安裝分析基于立管從TLP平臺連接至海平面井口頭的整個過程，在安裝過程中立管自身強度、與周邊立管是否產(chǎn)生干涉以及立管底部安裝角度偏差是安裝分析的主要控制項。安裝計算分析采用有限元軟件進行模擬，施加環(huán)境荷載和功能荷載，合理設(shè)置邊界條件和有限元網(wǎng)格劃分，分別依據(jù)規(guī)范API RP 2RD[2]對TTR安裝過程的強度和DNV-RP-F203[3]對TTR安裝過程中的干涉計算結(jié)果進行校核評估。

2.2 有限元模型

使用通用大型有限元軟件ABAQUS[4]建立TTR立管模型，選用3D梁單元進行計算分析，確保計算的可靠性。

根據(jù)TTR的整體結(jié)構(gòu)形式自下向上建立不同管段屬性梁單元，在張力環(huán)位置建立4根張緊器彈簧單元，一端與鉆井立管張力環(huán)位置使用鉸接單元耦合，另一端使用邊界條件與張力腿平臺耦合。防噴器及伸縮節(jié)內(nèi)外套筒同樣等效為梁單元，其中伸縮節(jié)內(nèi)套筒的軸向剛度選取較小值以模擬其運動伸縮，導向臂和TTR采用共點方式耦合。

為保證模型關(guān)鍵點的計算精度，對單元的網(wǎng)格劃分需要特殊考慮，在張緊器、應力節(jié)點等應力突變位置需要加大單元網(wǎng)格密度。

導向臂是TTR立管導向系統(tǒng)的組成部分，是立管安裝的重要構(gòu)件，合理布置導向臂是TTR安裝的基本前提。

導向臂主要有3種類型：剛性導向臂、柔性導向臂和剛性連接導向臂，分別如圖1～3所示。剛性導向臂限制能力強，可承受拉力和壓力；柔性導向臂只能承受拉力；剛性連接導向臂一般用在最底端和基盤連接，可承受拉力和壓力。3種導向臂的合理布置能保證立管安裝的安全，也能保證安裝流程的最優(yōu)化，減少海上施工工程量。

圖1 剛性導向臂Fig.1 Rigid guide arm

圖2 柔性導向臂Fig.2 Flexible guide arm

圖3 剛性連接導向臂Fig.3 Rigid tieback guide arm

2.3 安裝分析工況

TTR安裝分析需使得立管在安裝的不同狀態(tài)中管道應力、位置參數(shù)等滿足相關(guān)技術(shù)要求，因此需要選擇合理的計算工況。

2.3.1 立管安裝工況

TTR立管在安裝過程中是逐步進入到水中的，可以選取幾個典型狀態(tài)[5]進行立管的相關(guān)計算分析，如：立管剛進入海水中;立管一半進入海水中；立管完全進入海水中并與基盤進行連接。

實際計算可根據(jù)設(shè)計的不同階段以及計算結(jié)果的趨勢進行立管安裝工況的合理增減，保證安裝計算分析的可靠性。

在安裝鉆井立管的過程中，上下游都是生產(chǎn)立管；在安裝生產(chǎn)立管的過程中，上游是生產(chǎn)立管，下游可能是生產(chǎn)立管或鉆井立管。

由于鉆井立管的剛度比較大，位移相對較小，因此在計算分析中考慮生產(chǎn)立管會更加保守，減少計算工況和計算工作量。

2.3.2 導向臂位置工況

導向臂的合理放置也是TTR立管安裝經(jīng)濟、可靠的重要因素。根據(jù)水深、管道尺寸、井口區(qū)布置等相關(guān)信息進行導向臂的初步設(shè)置，如：在立管中部設(shè)置1個剛性導向臂；在立管中部設(shè)置3個柔性導向臂；在立管中部設(shè)置1個剛性導向臂和2個柔性臂；在立管中部設(shè)置2個剛性導向臂和1個柔性臂。

在布置導向臂的過程中也可以適當調(diào)整導向繩的張力，再根據(jù)計算分析的結(jié)果調(diào)整導向臂的數(shù)量、位置等相關(guān)參數(shù)，使導向臂的布置最優(yōu)化。

3 分析結(jié)果

以南中國海海域TLP平臺為例，對TTR進行安裝分析。使用的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)

TTR立管安裝分析的主要結(jié)果是立管應力和立管是否發(fā)生干涉。

表2給出典型TTR安裝分析的結(jié)果，從中可以看出TTR立管的應力許用值(UC值)[2，6]都小于1，在允許范圍內(nèi)。但是相鄰的立管在部分工況下發(fā)生干涉，圖4給出了立管干涉[3，7]的分析結(jié)果。從相關(guān)計算結(jié)果可以看出需要調(diào)整導向臂的位置、導向繩的張力等來重新試算，直至計算結(jié)果滿足要求。

圖3 安裝分析干涉結(jié)果Fig.3 Interference results in installation analysis

此外，在相關(guān)計算結(jié)果滿足要求后，還需要提取導向臂位置的荷載供后續(xù)設(shè)計和設(shè)備采辦使用，如表3所示。

表2 安裝分析結(jié)果

表3 導向臂載荷

4 結(jié) 語

研究表明，深水TTR立管安裝對氣候要求很高，需要選擇合理的定期氣候窗，并給出不同的工況和合理的導向臂布置，才能最終確保TTR立管安裝的可行性和經(jīng)濟性。本文的設(shè)計經(jīng)驗可為未來類似的工程項目提供借鑒。

[1] 中海石油研究中心. 深水立管選型報告[R]. 2011.

[2] American Petroleum Institure. API RP 2RD. Design of risers for floating production systems (FPSs) and tension-leg platforms (TLPs) [S]. 2009.

[3] DNV-RP-F203. Riser interference [S]. 2009.

[4] 曹金鳳，石亦平. ABAQUS有限元軟件常見問題解答[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2009.

[5] Westlake A, Quinn R, Critical aspects to the design and installation of top tension riser [C]. OMAE,2007:29637.

[6] American Petroleum Institure. API-RP-2A. Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design[S]. 2000.

[7] Huse E.Interaction in deep-sea riser array[C]. OTC, 1993:7237.