極端內波流作用下頂張緊立管干涉響應影響研究

周巍偉，曹　靜，張恩勇

(中海油 研究總院，北京 100028)①

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o專題研究o

極端內波流作用下頂張緊立管干涉響應影響研究

周巍偉，曹靜，張恩勇

(中海油 研究總院，北京 100028)①

摘要：張力腿平臺相鄰頂張緊立管間的干涉響應是決定水下井口布置和上部浮體結構設計的關鍵因素。中國南海典型海域極端內波流具有流速大、次數(shù)多、周期短和難于預測等特點，是相鄰頂張緊立管干涉響應的主要因素。為了評估極端內波流影響，采用三維非線性梁單元結合Huse’s渦流振子模型和“管中管”模型對頂張緊立管間干涉響應進行有限元分析。結果表明：極端內波流、頂部張緊力、渦激振動和浮體偏移距離等因素對頂張緊立管間干涉響應有顯著影響。

關鍵詞：頂張緊立管；內波流；尾流模型；有限元

頂張緊立管上部連接浮體，下部連接井口高壓井筒等結構，具備采油和鉆完井作業(yè)能力。頂張緊立管是海洋干式采油關鍵設備，適用于中等水深和深水張力腿平臺，國內外已建成的24座張力腿平臺全部采用頂張緊立管完成采油和鉆完井工作。

頂張緊立管呈陣列布置，相鄰的立管之間有一定距離。立管間距直接決定著水下井口的布置密度和上部浮體結構鉆修機的能力，是重要的設計參數(shù)。立管間距主要受立管振動最小干涉間距和水下施工作業(yè)等因素影響。頂張緊立管在極端海流作用下發(fā)生動態(tài)響應，產(chǎn)生較大偏移，如果設計不當，相鄰的頂張緊立管之間可能發(fā)生反復碰撞，造成立管損壞、原油泄露等嚴重后果。

內波流是中國南海海域特殊的海流載荷，其具有流速大、次數(shù)多、周期短[1]和難于預測等特點。根據(jù)有關觀測資料，極端內波流最快可以在3min之內流速達到3～4節(jié)，最多時每天發(fā)生約20次。內波流與常規(guī)的極端流速分布不一致，具有一定的剪切流的性質。在內波流作用下，立管會發(fā)生較大的變形，相鄰的立管之間存在發(fā)生干涉效應的可能性大幅增加。并且立管在內波流作用下會受渦激振動影響，渦激振動對拖曳力放大的效應使得不同立管段之間的受力放大不一致，這也是立管間發(fā)生干涉效應的重要影響因素。

Ryan Koska等[2]就Spar平臺的頂張緊立管干涉影響間距開展研究，重點分析了螺旋列板對頂張緊立管響應影響；Wentao Dai等[3]采用Blevin’s尾流模型開展了頂張緊立管的干涉影響；Erling Huse[4]針對張力腿平臺頂張緊立管之間的干涉影響開展了數(shù)值研究，給出了尾流模型，并提出應考慮拖曳力系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關系。Sherry Xiang等[5]從頂張緊立管之間干涉影響的角度分析了頂張緊立管用于半潛式平臺干式采油的可能性。

本文針對中國南海典型海域極端內波流作用下應用于張力腿平臺的頂張緊立管之間干涉響應影響開展了研究，采用三維非線性梁單元、“管中管”模型和Huse’s尾流模型開展有限元分析，得到極端內波流下頂張緊立管之間干涉響應影響，并研究了頂部張緊力、渦激振動和浮體偏移距離等因素對立管間干涉響應的影響。研究結果對中國南海海域頂張緊立管設計具有參考意義。

1簡述

1.1渦激振動對拖曳力放大系數(shù)的影響

立管間凈間距主要是受順流向變形控制，拖曳力系數(shù)是決定立管順流向變形的主要因素。立管在內波流的作用下拖曳力系數(shù)受渦激振動的影響會發(fā)生放大，其放大幅值為立管的振幅A和直徑D之比的函數(shù)。拖曳力放大系數(shù)采用試驗的方法得到。Vandiver等[6]給出的拖曳力放大系數(shù)μ的計算方法為：

(1)

(2)

1.2Huse’s尾流模型基本理論

Huse’s 尾流模型如圖1所示。vc是上游結構來流速度，vR是下游結構受尾渦影響折減后的來流速度，L和T是上下游結構中心的水平距離和垂直距離。

圖1　Huse’s 尾流模型示意

作用在下游結構上的拖曳力采用折減后的流速計算。尾渦區(qū)域內流體速度u為：

(3)

峰值渦流速為U0，此時渦流速沿著渦的中心線(y=0)分布。

(4)

渦半寬b是渦中心線到渦速等于峰值渦速1/2點的距離。

(5)

與下游結構一定距離內，式(3)～(5)可直接使用；當與結構距離非常近，渦峰值非常高并且窄，這將導致計算峰值渦速結果錯誤[4]。為了修正這一限制條件，Huse引入虛擬渦源的概念，用xs替代式(4)和式(5)中x，即：

3.1.4 吸痰深度 對照組應用的確定吸痰管插入深度的方法為長于氣管導管端0.5～1 cm，碰到阻力后往上提0.5 cm，再提供負壓吸引［13］。這種方法可能會發(fā)生組織損傷和炎癥反應，吸痰導致的損傷可以引起肉芽組織形成，導致支氣管狹窄，肺氣腫和肺不張。Ahn等［14］采用深部吸痰法，深部吸痰法可以從吸出的痰液中找到大量的呼吸道黏膜柱狀上皮細胞，說明深部吸痰法容易造成組織的損傷。故應用測量法，根據(jù)氣管插管插入的長度來確定吸痰深度的辦法可更有利于減少這些并發(fā)癥。

xs=xv+x

(6)

在上游結構的中心，渦半寬與結構外徑的半寬相等，采用式(5)計算渦源的位置。當x在上游結構的中心時，x=0，式(6)變化為：

xs=xv

(7)

(8)

下游結構折減后的流速為：

vR=vc-u

(9)

下游結構的拖曳力為：

(10)

式中：ρ為流體密度；Dd為Huse’s模型修正后的外徑；Cdd為Huse’s模型修正后的拖曳力系數(shù)；Cdu為上游立管拖曳力系數(shù)。

2南海典型極端內波流作用下頂張力管分析

2.1分析基礎

本文研究的目標油田位于中國南海水深約400 m的海域。該油田新建一座張力腿平臺，共有生產(chǎn)頂張緊立管10根，用于生產(chǎn)作業(yè)；鉆井頂張緊立管1根，用于鉆完井作業(yè)。與墨西哥灣作業(yè)模式有所不同，鉆井頂張緊立管作業(yè)完畢后回收，沒有為它設計專門空間“存放”。

中國南海環(huán)境條件惡劣，并且在鉆完井作業(yè)過程中經(jīng)常發(fā)生內波流。中國南海內波流發(fā)生頻度高、作用時間短，極端內波流最大流速絕對值幾乎和百年一遇臺風條件下的流速相當，對立管結構造成嚴重的影響。目標油田的極端內波流流速如圖2所示。

圖2　中國南海典型海域內波流流速分布

2.2三維有限元模型

選取鉆井頂張緊立管為“上游立管”，生產(chǎn)頂張緊立管為“下游立管”，開展立管響應影響研究。鉆井立管和生產(chǎn)立管之間的間距為4.5 m。鉆井頂張緊立管和生產(chǎn)頂張緊立管均為單套管結構。鉆井頂張緊立管內部為鉆桿，生產(chǎn)頂張緊立管內部為油管。頂張緊立管的主要結構參數(shù)如表1所示。

生產(chǎn)頂張緊立管需考慮外層套管和內部油管的共同作用，需建立等效的有限元梁模型或者“管中管”模型來合理模擬剛度。本文采用三維梁單元和“管中管”模型進行分析，直接模擬雙層管作用，可直接得到內外層管的力學結果。

表1　頂張緊立管結構參數(shù)

圖3　生產(chǎn)立管有限元模型

圖4　鉆井立管有限元模型

每一根頂張緊立管通過4個張緊器與平臺相連。頂張緊立管的張緊器采用非線性彈簧模擬，其彈性剛度是決定立管張緊狀態(tài)的重要參數(shù)，立管的彈性剛度如圖5所示。

圖5　立管張緊器剛度

2.3渦激振動作用下拖曳力放大系數(shù)

立管在來流作用下受渦激振動影響造成立管結構拖曳力系數(shù)發(fā)生放大，放大系數(shù)計算結果如圖6～7所示。

3.4立管響應影響分析

生產(chǎn)立管在內波流來流的上方向，鉆井立管在生產(chǎn)立管的下流向。在極端內波流作用下，浮體在順流向偏移25 m，立管會隨著浮體的偏移一同偏移。最終生產(chǎn)立管和鉆井立管的構型如圖8。內波流作用下頂張緊立管間距如圖9所示。從圖9可知，生產(chǎn)立管和鉆井立管最小凈間距為0.73 m，立管結構在中上部分受流力作用較大，偏移較大，此段立管發(fā)生碰撞風險較大。

圖6　生產(chǎn)頂張緊立管拖曳力放大系數(shù)

圖7　鉆井頂張緊立管拖曳力放大系數(shù)

DNV RP F203[7]是關于立管間干涉影響分析的權威規(guī)范，其采用立管凈間距來判定立管間是否發(fā)生干涉響應。判斷原則是相鄰立管之間不發(fā)生碰撞，如果立管間凈間距大于立管等效直徑的2倍，則可認為立管之間不發(fā)生干涉影響。立管等效直徑采用式(11)計算。

ODeq=0.5·(ODup+ODdown)

(11)

式中：ODeq是等效外徑，ODup是上游立管外徑，ODdown是下游立管外徑。

本例中立管等效直徑為0.36 m，最小凈間距是等效直徑的2.03倍。滿足DNV RP F203的要求，可認為立管間在極端內波流作用下不會發(fā)生干涉影響。

圖8　內波流作用下頂張緊立管偏移

圖9　內波流作用下頂張緊立管間距

3敏感因素分析及優(yōu)化設計

3.1頂張力影響

頂張緊立管的張力狀態(tài)直接影響其他力學性能。一般認為，較大的頂張力可以更好地限制立管在較大的外部載荷作用下的偏移。但是，較大的頂部張力也會使立管系統(tǒng)的整體剛度變大，立管的固有頻率變大，這就要求重新開展渦激振動分析，得到更新后的拖曳力放大系數(shù)來評估立管的變形。為了評估頂張力對立管偏移的影響，選取如圖10所示的生產(chǎn)立管剛度，3種張緊器張力在張緊器沖程為0時分別為193 760、242 200、 290 640 N，鉆井立管保持初始剛度不變。

圖10　生產(chǎn)頂張緊立管剛度

由分析結果可知，生產(chǎn)立管處于較大頂部張力的情況下，生產(chǎn)立管與鉆井立管之間的最小凈間距更大，為0.80 m。生產(chǎn)立管處于初始頂部張力的情況下，生產(chǎn)立管與鉆井立管之間的凈間距較小，如圖9所示，為0.73 m。生產(chǎn)立管處于較小頂部張力的情況下，生產(chǎn)立管與鉆井立管之間的凈間距更小，為0.19 m。如圖11～12所示。

圖11　極端內波流作用下生產(chǎn)立管較小頂部張力時立管偏移

圖12　極端內波流作用下生產(chǎn)立管較大頂部張力時立管偏移

3.2渦激振動影響

立管在極端內波流作用下會發(fā)生渦激振動，對立管拖曳力有放大效果。以初始頂部張力生產(chǎn)立管和鉆井立管為例開展渦激振動影響分析，考慮渦激振動和不考慮渦激振動情況下立管偏移凈間距結果如圖13所示。考慮渦激振動影響立管之間的凈間距為0.73 m，不考慮渦激振動影響立管之間的凈間距為2.41 m。分析結果顯示，渦激振動對立管偏移影響顯著，在立管極端響應分析時應重點考慮。

圖13　渦激振動作用下頂張緊立管凈間距

3.3浮體運動影響

浮體在極端內波流的作用下會發(fā)生偏移，與浮體相連的立管張緊器也會隨著浮體一起偏移，這將導致張緊器的正沖程變大，立管將處于更加張緊的狀態(tài)，使得立管抗極端流作用的變形更小。為了評估浮體運動對立管偏移的影響，選取浮體初始偏移距離分別為0、25、35 m進行分析，結果如圖14所示。從圖14可知，在極端內波流作用下，浮體偏移0、25、35 m時的最小凈間距分別為-0.32、0.73、0.82 m。說明浮體的偏移作用對立管之間的間距有一定影響，且浮體受內波流作用偏移越大，立管之間凈間距有逐漸增大的趨勢。因此，合理選取浮體偏移的設計參數(shù)有利于正確開展立管間凈間距分析。

4結論

1)中國南海典型海域極端內波流對頂張緊立管響應變形有顯著影響，立管間最小凈間距為0.73 m，存在立管發(fā)生碰撞的風險。

圖14　浮體偏移作用下頂張緊立管間凈間距

2)張力對頂張緊立管干涉影響顯著，較大的頂張力會增加立管系統(tǒng)的剛度，使得立管在極端內波流作用下不易變形，立管之間的凈間距更小。

3)渦激振動影響下拖曳力放大系數(shù)影響顯著，不考慮渦激振動影響的立管凈間距是考慮渦激振動影響立管凈間距的3倍。

4)浮體運動對立管間凈間距有一定影響，隨著浮體運動逐漸變大，立管張緊器的張力變大，立管處于更加張緊的狀態(tài)，立管間凈間距有變大的趨勢。

參考文獻：

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[7]Det Norske Veritas.Riser Interference[S].Oslo：Det Norske Veritas，2009.

Study on Interference Effect of Top Tension Riser in the Extreme Soliton Current

ZHOU Weiwei，CAO Jing，ZHANG Enyong

(ResearchInstitute，CNOOC，Beijing100028，China)

Abstract：The interference of adjacent top tension risers in the tensioned leg platform is the key issue in well layout and floater performance design.The extreme soliton in South China Sea is the critical factor for riser structure dynamic interference response as the high current，high frequency，low period and hard forecast.The 3D nonlinear beam element FEM is used to evaluate the riser response in the extreme soliton environment with the Huse’s wake model and pipe-in-pipe model.The results show that the extreme soliton，top tension，vortex induced vibration and floater offset have an important influence on top tension riser interference response.

Keywords：top tension riser；soliton；wake model；FEM

文章編號：1001-3482(2016)06-0001-06

收稿日期：2015-12-21

基金項目：國家科技重大專項子項目 “深水海底管道和立管工程技術”(2011ZX05026-005)

作者簡介：周巍偉(1985-)，男，四川廣安人，工程師，碩士，主要從事深水立管和海底管道結構工程設計和研究工作，E-mail：zhouww4@cnooc.com.cn。

中圖分類號：TE952

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.001