水下井口頭疲勞壽命分析

劉 續(xù)，吳永良，張文學(xué)，李文博

（中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

水下井口頭疲勞壽命分析

劉 續(xù)，吳永良，張文學(xué)，李文博

（中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

在海洋鉆井和生產(chǎn)過(guò)程中，水下井口頭系統(tǒng)作為鉆井和生產(chǎn)設(shè)施的基礎(chǔ)裝備，其疲勞壽命相當(dāng)重要。以“勘探三號(hào)”平臺(tái)為假設(shè)作業(yè)平臺(tái)，以南海某油田海域作為工程實(shí)例取值，應(yīng)用MOSES軟件建立隔水管力學(xué)計(jì)算MOSES模型，得到求解出隔水管下端撓性接頭受到的作用力；然后應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件ABAQUS建立水下井口頭的有限元模型，根據(jù)研究海域土壤P-y曲線(xiàn)線(xiàn)性化，采用ABAQUS非線(xiàn)性彈簧模擬了土壤與水下井口頭的相互作用，對(duì)水下井口頭進(jìn)行了疲勞壽命計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，其疲勞壽命滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范和DNV有關(guān)水下井口頭的設(shè)計(jì)和使用要求。

水下井口頭；MOSES；ABAQUS；P-y曲線(xiàn)；疲勞壽命

隨著我國(guó)海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)步伐不斷加快，海洋石油技術(shù)裝備也需要不斷完善和創(chuàng)新。水下井口頭系統(tǒng)作為海上油氣田勘探開(kāi)發(fā)的樞紐，其上端支撐著水下防噴器組或水下采油樹(shù)等設(shè)備，下端連接著導(dǎo)管和各種尺寸規(guī)格的套管，是浮式鉆井裝置鉆井和水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的核心設(shè)備之一。

長(zhǎng)期以來(lái)，水下井口頭的關(guān)鍵技術(shù)主要被美國(guó)VETCO、DRIL-QUIP和FMC三大廠商所壟斷。我國(guó)對(duì)深水油氣的開(kāi)采起步晚，技術(shù)不全面，對(duì)深水井口頭的開(kāi)發(fā)受限于國(guó)外的技術(shù)壟斷，目前國(guó)內(nèi)水下井口頭系統(tǒng)尚處于工程化研制階段[1]。開(kāi)展深水井口頭的研究是深水石油開(kāi)采的重要步驟，深水井口頭技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化對(duì)于推動(dòng)我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)有著十分重要的意義。為了確保水下井口頭系統(tǒng)的安全性和可靠性，需要對(duì)水下井口頭進(jìn)行疲勞壽命分析。

1 分析內(nèi)容和方法

1.1 分析內(nèi)容

圖1 江鉆高壓水下井口系統(tǒng)

在海洋油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，水下井口頭系統(tǒng)作為水下生產(chǎn)設(shè)施的關(guān)鍵裝備，可承受著套管柱重量、鉆完井設(shè)備以及生產(chǎn)設(shè)施所產(chǎn)生的載荷[2]。江鉆股份18-3/4"高壓水下井口頭系統(tǒng)如圖1所示，主要包括：永久導(dǎo)向基座（PGB）、30"導(dǎo)管頭、18-3/4"高壓井口頭、13-3/8"套管掛、9-5/8"套管掛、防磨套筒、13-3/8"防磨補(bǔ)心、9-5/8"防磨補(bǔ)心、金屬密封總成、防腐帽、30"導(dǎo)管頭下放工具、18-3/4"高壓井口頭下放工具、單程下放工具、彈簧下放工具等[3]。本文研究主要對(duì)18-3/4"高壓井口頭本體進(jìn)行疲勞壽命分析，參考可能作業(yè)海域和作業(yè)條件，驗(yàn)證產(chǎn)品的疲勞壽命是否滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范和DNV有關(guān)水下井口頭的設(shè)計(jì)和使用要求。

1.2 主要性能指標(biāo)

江鉆股份18-3/4"水下井口頭系統(tǒng)主要性能指標(biāo)如下[3]，適用于含H2S的工況環(huán)境：

設(shè)計(jì)壽命：25年，

壓力等級(jí)：10 000 psi（1 psi = 6.895 kPa），

溫度等級(jí)：U（-18～121 ℃），

設(shè)計(jì)水深：300 m，

最大彎矩：4 500 kN·m，

產(chǎn)品性能等級(jí)：PR2，

產(chǎn)品規(guī)范等級(jí)：PSL-3，

NACE防腐蝕要求：符合。

1.3 分析方法

高壓水下井口頭本體疲勞壽命分析方法如下：

收集南海一年一遇和百年一遇的風(fēng)、波浪和洋流等環(huán)境參數(shù)，選取有代表性的南海某油田海域作為工程實(shí)例取值對(duì)象；

選擇“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)作為假想作業(yè)平臺(tái)，提取平臺(tái)和有關(guān)設(shè)備參數(shù)；

應(yīng)用MOSES軟件建立隔水管力學(xué)計(jì)算MOSES模型，求解出隔水管下端撓性接頭受到的作用力；

應(yīng)用ABAQUS建立水下井口頭的有限元分析模型，考慮土壤邊界條件和固井水泥等的模擬，分別分析計(jì)算鉆井、完井、生產(chǎn)等工況下高壓井口頭在海洋環(huán)境因素作用下產(chǎn)生的各種交變載荷和靜載荷；

根據(jù)以上各種工況下水下井口頭的受力情況，選取鉆井工況作為水下井口頭疲勞壽命分析的典型工況；再根據(jù)水下井口頭在鉆井工況時(shí)計(jì)算出在波浪載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變；然后由S-N曲線(xiàn)分別計(jì)算出水下井口頭在該工況時(shí)的疲勞損傷度和疲勞壽命，從而驗(yàn)證它的疲勞壽命是否滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范和DNV有關(guān)水下井口頭的設(shè)計(jì)和使用要求。

2 分析模型

2.1 力學(xué)模型

深水鉆井一般由浮式鉆井裝置（半潛式鉆井平臺(tái)或鉆井船）完成。由浮式鉆井裝置、隔水管、水下BOP組和水下井口頭等連結(jié)組成，如圖2所示。隔水管下部與水下BOP組及水下井口采用球節(jié)點(diǎn)（撓性接頭）相連，隔水管上部與浮式鉆井裝置采用球節(jié)點(diǎn)（轉(zhuǎn)噴器球接頭）相連。由于隔水管的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其直徑，將隔水管視為承受橫向波流力、上下端鉸接的梁。假定波浪、海流共同沿x方向傳播，隔水管的質(zhì)量分布和橫截面特性沿高度方向是均勻的。坐標(biāo)原點(diǎn)為隔水管底部球鉸處，其力學(xué)分析模型如圖3所示[4]。

圖2 平臺(tái)鉆井作業(yè)時(shí)水下井口頭系統(tǒng)整體受力示意圖

圖3 隔水管力學(xué)分析模型

2.2 基本假設(shè)

江鉆股份18-3/4"水下井口頭本體疲勞壽命分析選擇“勘探三號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)作為假想作業(yè)平臺(tái)，提取平臺(tái)和有關(guān)設(shè)備參數(shù)[5]，“勘探三號(hào)”平臺(tái)所用隔水管及有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 隔水管及有關(guān)參數(shù)

2.3 環(huán)境參數(shù)

研究選擇南海某油田海域作為環(huán)境參數(shù)取值對(duì)象，該處海域水深260～300 m，海圖基準(zhǔn)面低于平均海平面1.18 m，表面海水溫度為20～29.1 ℃，海底海水溫度為11.69～13.5 ℃，常年氣溫15.9～35.9 ℃，平均氣溫夏季為32.3 ℃，冬季為21 ℃。根據(jù)該海域環(huán)境設(shè)計(jì)條件資料計(jì)算出隔水管所受的環(huán)境載荷，該油田海域1年和100年重現(xiàn)期的環(huán)境載荷參數(shù)見(jiàn)表2[6]。

表2 南海某海域環(huán)境載荷參數(shù)

3 有限元模型

3.1 模型建立

在海洋鉆井和生產(chǎn)過(guò)程中，18-3/4"水下井口頭座放在30"導(dǎo)管頭內(nèi)，使整個(gè)井形成一個(gè)耐壓整體，以及承受外部載荷。隔水管和防噴器組通過(guò)H-4連接器和VX鋼圈連接和密封到井口頭頂部。30"導(dǎo)管用固井水泥固定在地層上，30"導(dǎo)管和20"套管在泥面以下用固井水泥固定，30"導(dǎo)管鞋以下的20"套管用固井水泥固定在地層上。根據(jù)計(jì)算精度需求，采用有限元分析軟件ABAQUS建立水下井口頭系統(tǒng)有限元分析模型如圖4所示。它由30"導(dǎo)管頭和導(dǎo)管、18-3/4"水下井口頭、20"套管以及固井水泥環(huán)等組成。

3.2 材料特性

圖4 水下井口頭系統(tǒng)有限元模型

水下井口頭采用單軸拉伸試驗(yàn)測(cè)定的彈塑性參數(shù)來(lái)計(jì)算，其主要參數(shù)特征見(jiàn)表3，水下井口頭的真實(shí)應(yīng)力與塑性應(yīng)變的關(guān)系如圖5所示[7]。選取水下井口頭的安全系數(shù)為1.5，則其許用應(yīng)力為366 MPa。

表3 水下井口頭材料參數(shù)特征

圖5 真實(shí)應(yīng)力與塑性應(yīng)變的關(guān)系

3.3 網(wǎng)格劃分

在計(jì)算分析中，把高壓水下井口頭看成變形體，采用C3D8R單元類(lèi)型，單元數(shù)量為85 754，水下井口頭系統(tǒng)計(jì)算單元數(shù)量為245 284，對(duì)應(yīng)的有限元模型如圖6所示。

3.4 邊界約束

圖6 水下井口頭系統(tǒng)有限元計(jì)算模型

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，提高計(jì)算效率，對(duì)水下防噴器組不做模擬，根據(jù)“勘探三號(hào)”平臺(tái)有關(guān)設(shè)備參數(shù)資料，“勘探三號(hào)”平臺(tái)水下BOP組撓性接頭球鉸到井口頭距離為9.27 m，因此在井口頭上端面9.27 m處建立參考點(diǎn)RP-2（撓性接頭球位置），把高壓水下井口頭上端面與撓性接頭球位置RP-2進(jìn)行MPC（Multi-point Constraints，多點(diǎn)約束）約束；海洋平臺(tái)在水下BOP作業(yè)試壓時(shí)，海底泥線(xiàn)以下30"導(dǎo)管、20"套管、30"導(dǎo)管與20"套管間的水泥環(huán)以及30"導(dǎo)管外面的用固井水泥的下端面與地層牢固固定接觸，可將其下端面設(shè)為固定約束。

考慮到土壤與水泥環(huán)之間側(cè)面的相互作用，研究采用ABAQUS非線(xiàn)性彈簧對(duì)水下井口頭系統(tǒng)進(jìn)行約束，彈簧剛度值根據(jù)土壤P-y曲線(xiàn)（樁側(cè)土抗力—位移曲線(xiàn)）線(xiàn)性化計(jì)算獲得，研究區(qū)域土壤資料見(jiàn)表4。為了提高計(jì)算效率，選擇固井水泥環(huán)模擬長(zhǎng)度為9 m，考慮1 m高度用一組非線(xiàn)性彈簧約束，混凝土長(zhǎng)度上共設(shè)9組彈簧。

表4 南海某海域土壤參數(shù)資料

3.5 計(jì)算載荷分析

完井、修井、關(guān)井、封井、生產(chǎn)等工況時(shí)水下井口頭所受到的波浪力交變載荷較小，可忽略不計(jì)；而水下井口頭在交變應(yīng)力作用下的疲勞損傷是一個(gè)累積的過(guò)程；因此，水下井口頭疲勞壽命應(yīng)按照鉆井工況進(jìn)行研究。鉆井作業(yè)時(shí)，根據(jù)力學(xué)模型計(jì)算分析得到防噴器頂部波浪力載荷，在防噴器上部撓性接頭RP-2點(diǎn)施加X(jué)方向集中力，變化幅值大小為24.039 kN，Z方向集中力，變化幅值大小為262.723 kN。

4 疲勞壽命分析

4.1 波浪離散圖

水下井口頭在某一油氣田海域工作時(shí)，其疲勞壽命由工作期間所遭遇海況的長(zhǎng)期分布確定。中國(guó)南海某油田海域的波浪離散圖見(jiàn)表5，計(jì)算該水下井口頭的疲勞損傷壽命。

4.2 S-N曲線(xiàn)選取

江鉆股份18-3/4"高壓水下井口頭本體選用的材料牌號(hào)為8630型鋼材，材料特性：屈服應(yīng)力586 MPa，楊氏模量E = 209 GPa；泊松比μ = 0.295。

分析選用DNVGL-RP-0005 2014“Fatigue design of offshore steel structures”中給出的在海水中并有陰極保護(hù)的S-N曲線(xiàn)，其回歸公式如下[8]：

式中：Δσ為應(yīng)力幅；m為疲勞試驗(yàn)得到的S-N曲線(xiàn)參數(shù)；tref為參照厚度，非管狀節(jié)點(diǎn)焊接連接的參照厚度為25 mm；t為最可能發(fā)生裂紋的厚度，當(dāng)厚度小于參照厚度時(shí)，取t = tref。

由于結(jié)構(gòu)的幾何不連續(xù)性導(dǎo)致了熱點(diǎn)應(yīng)力的產(chǎn)生，因此在計(jì)算水下井口頭疲勞壽命時(shí)考慮分析節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)SCF的影響[9]。由于熱點(diǎn)應(yīng)力的位置不同，SCF取值也不同，其水下井口頭熱點(diǎn)應(yīng)力位置圖如圖7所示，其對(duì)應(yīng)的熱點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表6。

根據(jù)井口頭熱點(diǎn)應(yīng)力位于母材熱點(diǎn)位置1，因此選取DNV規(guī)范海水中受陰極保護(hù)的S-N曲線(xiàn)的B1曲線(xiàn)對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行疲勞分析，其B1曲線(xiàn)回歸公式為：

表5 南海某油田海域波高及周期的聯(lián)合概率分布

圖7 熱點(diǎn)位置圖

表6 熱點(diǎn)參數(shù)

S-N曲線(xiàn)的B1曲線(xiàn)參數(shù)見(jiàn)表7，曲線(xiàn)如圖8所示。

表7 海水中陰極保護(hù)的S-N曲線(xiàn)中B1曲線(xiàn)參數(shù)

4.3 疲勞壽命計(jì)算

根據(jù)水下井口頭在鉆井工況時(shí)受力情況計(jì)算其在疲勞載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變情況，然后由S-N曲線(xiàn)計(jì)算鉆井工況下水下井口頭的疲勞損傷度和疲勞壽命，見(jiàn)表8。

表8 鉆井工況下井口頭疲勞損傷度和疲勞壽命

圖8 非管節(jié)點(diǎn)海水中受陰極保護(hù)的S-N曲線(xiàn)

從表8中可以看出，該水下井口頭在作業(yè)水深300 m左右時(shí)最小疲勞壽命為5 471.86年，其疲勞損傷度為1.83E-4。所以，本水下井口頭在作業(yè)水深300 m時(shí)的疲勞壽命能滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范和DNV有關(guān)水下井口頭的設(shè)計(jì)和使用要求。

5 結(jié)論

最小疲勞壽命為5 471.86年，其疲勞損傷度為1.83E-4，其在作業(yè)水深300 m時(shí)的疲勞壽命能滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范和DNV有關(guān)高壓水下井口頭的設(shè)計(jì)和使用要求。

[1]王定亞，鄧平，劉文霄.海洋水下井口和采油裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].石油機(jī)械，2011，39（1）：75-79.

[2]API-17D. Design and Operation of Subsea Production Systems-Subsea Wellhead and Tree Equipment [S]. 2011.

[3]江漢石油鉆頭股份有限公司.水下井口頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[R]. 2016.

[4]魏路.西非JDZ-2-1井深水井口穩(wěn)定性分析研究[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)，2009：16-22.

[5]中石化海洋石油工程有限公司鉆井分公司.“勘探三號(hào)”平臺(tái)操作手冊(cè)[R]. 2009.

[6]CNOOC. Design Environmental Condition for LH4-1 Development Feed[R]. 2009.

[7]江漢石油鉆頭股份有限公司.水下井口頭系統(tǒng)材料技術(shù)規(guī)格書(shū)[R]. 2016.

[8]DNVGL-RP-0005. Fatigue Design of Offshore Steel Structures[S]. 2014.

[9]DNVGL-RP-0142. Recommended Practice of Subsea Wellhead Fatigue Analysis [S]. 2015.

研究通過(guò)對(duì)江鉆股份18-3/4"水下井口頭在300 m水深左右作業(yè)時(shí)進(jìn)行了的疲勞壽命分析研究，考慮了土壤的作用，形成如下結(jié)論：

（1）比較精確地模擬了該18-3/4"水下井口頭在海洋油氣勘探和開(kāi)發(fā)中的作業(yè)狀態(tài)，恰當(dāng)?shù)亟⒘讼到y(tǒng)與土壤及系統(tǒng)與防噴器上部撓性接頭作用約束。

（2）通過(guò)分析水下井口頭在各種工況下受到的交變載荷分析，發(fā)現(xiàn)該水下井口頭疲勞壽命應(yīng)主要按照鉆井工況進(jìn)行分析。

（3）考慮了應(yīng)力集中系數(shù)SCF的影響，根據(jù)熱點(diǎn)位置的不同準(zhǔn)確地選擇S-N曲線(xiàn)，計(jì)算結(jié)果表明該水下井口頭在作業(yè)水深300 m左右時(shí)

Fatigue Life Analysis of the Subsea Wellhead

LIU Xu, WU Yongliang, ZHANG Wenxue, LI Wenbo
（Institute of Petroleum Engineering Technology, SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China）

In the process of offshore drilling and production, the subsea wellhead system is the basis for drilling and production facilities and equipments. Its fatigue life is quite important. With “KAN TAN 3” platform as the hypothetical platform, taking some oilfield in the South China Sea as an engineering example, the mechanical analysis model of riser was completed using software MOSES, and the force of flexible joint at the bottom of riser was calculated. Then ABAQUS finite element analysis software ABAQUS was used to establish the finite element model of the subsea wellhead system. The interaction between soil and subsea wellhead system was simulated based on the nonlinear spring of ABAQUS according to the P-y curve of the soil in the study area, and its fatigue life was calculated. The results show that fatigue life of the designed subsea wellhead can meet relevant specifications and design and application requirements on the subsea wellhead of DNV codes.

Subsea wellhead; MOSES; ABAQUS; P-y curve; fatigue life

TE54

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2016.04.101

1008-2336（2016）04-0101-07

2016-09-29；改回日期：2016-10-26

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“海洋技術(shù)領(lǐng)域南海深水油氣勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”（2013AA09A221）。

劉續(xù)，男，1990年生，助理工程師，從事海洋石油工程技術(shù)研究工作。

E-mail：liux.shhy@sinopec.com。