基于ANSYS 分析的隔水導(dǎo)管回接設(shè)計(jì)優(yōu)化

李 勇，陳鵬飛，倪益民，王 莉

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司邊際油田開發(fā)項(xiàng)目組，天津 300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

1 項(xiàng)目概況

為確保渤海長期穩(wěn)產(chǎn)的可持續(xù)性，針對(duì)探井、評(píng)價(jià)井進(jìn)行井口回接作業(yè)，可大幅節(jié)省油氣田開采成本，縮短建井周期。以渤海某油田兩口評(píng)價(jià)井為例，開展相關(guān)回接技術(shù)研究，該油田水深13 m，進(jìn)行過兩口評(píng)價(jià)井作業(yè)，測(cè)試投產(chǎn)半年后，由于海域使用受限制原因，暫緩對(duì)該油田的開發(fā)，對(duì)其進(jìn)行了永久性棄置作業(yè)。后期，該油田計(jì)劃重啟開發(fā)，為降低鉆完井作業(yè)成本，更快捷的獲取經(jīng)濟(jì)效益，計(jì)劃在無井口平臺(tái)的情況下，先期對(duì)評(píng)價(jià)井進(jìn)行投產(chǎn)作業(yè)，待井口平臺(tái)建造完成后，再進(jìn)行井架安裝。

為確保先期投產(chǎn)，需對(duì)已棄置井的各管柱進(jìn)行回接作業(yè)，建立井口，其中，隔水導(dǎo)管回接作業(yè)尤為重要，需確保在無井口平臺(tái)作業(yè)工況下，隔水導(dǎo)管依然保持良好的穩(wěn)定性能。相較于有平臺(tái)的隔水導(dǎo)管回接，無平臺(tái)的隔水導(dǎo)管回接無導(dǎo)向槽進(jìn)行扶正，工況更為惡劣。因此，針對(duì)隔水導(dǎo)管回接作業(yè)，本文利用ANSYS 軟件[1，2]首先從整體上進(jìn)行隔水導(dǎo)管強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析，基于整體分析結(jié)果，進(jìn)一步針對(duì)隔水導(dǎo)管回接器進(jìn)行局部構(gòu)件的強(qiáng)度分析，最終得出回接器設(shè)計(jì)要求，指導(dǎo)回接器設(shè)計(jì)加工，更為穩(wěn)妥的為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供技術(shù)支撐。

2 模型建立

2.1 物理模型

隔水導(dǎo)管處于海洋環(huán)境中，受到的載荷主要包括自重、頂部井口載荷、風(fēng)載、冰載、海流載荷、海浪載荷等[3-11]。

對(duì)于導(dǎo)向孔在計(jì)算中采用以下假設(shè)處理：入泥段隔水導(dǎo)管可視為固定端。

根據(jù)評(píng)價(jià)井實(shí)際情況，建立隔水導(dǎo)管力學(xué)模型（見圖1）。

圖1 力學(xué)模型簡化示意圖

2.2 選擇單元

原隔水導(dǎo)管所用材料為Q235B 鋼，運(yùn)用ANSYS軟件構(gòu)建隔水導(dǎo)管模型，需要采用兩種管單元（PIPE59和PIPE20）進(jìn)行組合建模。另外，為了分析回接器與隔水導(dǎo)管不同接觸間隙時(shí)的受力情況，采用SOLID185實(shí)體單元進(jìn)行三維建模。

2.3 施加約束與載荷

對(duì)已建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分之后，隔水導(dǎo)管底部施加全約束，采用未下入水下基盤模式，回接位置設(shè)置橫向約束；施加風(fēng)浪流、冰載及井口載荷（或考慮井口抬升（見圖2）的橫向載荷），整體施加重力，然后求解，獲取最大等效應(yīng)力、最大水平位移、最大彎矩等結(jié)果。

圖2 井口抬升示意圖

3 隔水導(dǎo)管強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核

3.1 邊界條件設(shè)置

油田采用33″隔水導(dǎo)管，壁厚2″，鋼級(jí)為Q235B，其最小屈服強(qiáng)度為235 MPa。本模型海面以上隔水導(dǎo)管長度為17.01 m，回接位置設(shè)置有2 m～10 m 的加厚段，加厚段包含回接器與隔水導(dǎo)管重疊段及回接器上部的加厚段，加厚段由于管單元僅適用于直徑與壁厚的比值不小于10″的管柱，故加厚段最大壁厚3.3″，模型中加厚段設(shè)置為3″或3.3″壁厚，在模型底部施加全約束，回接處施加橫向約束，井口為自由端。隔水導(dǎo)管具體載荷情況（見表1）。

表1 載荷施加情況

3.2 仿真結(jié)果（見表2、表3）

表2 50 年期海況隔水導(dǎo)管受力分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表（回接處加厚段壁厚76.2 mm）

表3 50 年期海況隔水導(dǎo)管受力分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表（回接處加厚段壁厚83.8 mm）

由表2、表3 可知，回接位置加厚段長度從2 m 增長到10 m 過程中，最大水平位移隨之降低，最大等效應(yīng)力與最大彎矩變化甚微。另外，加厚段壁厚越大，相同加厚段長度，其最大水平位移相對(duì)要小。尤其要注意，井口抬升工況可急劇增加隔水導(dǎo)管最大水平位移、最大等效應(yīng)力與最大彎矩。

在進(jìn)行隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的靜力分析之后，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核，以保證結(jié)構(gòu)的安全，目前工程界采用許用應(yīng)力法來校核。

3.3 強(qiáng)度校核

3.3.1 校核原則[12，13]按照中國海洋石油總公司《海上開發(fā)井隔水導(dǎo)管設(shè)計(jì)和作業(yè)規(guī)范》許用應(yīng)力按下表選取，其中σs為鋼材屈服強(qiáng)度，MPa（見表4）。

表4 許用應(yīng)力取值

當(dāng)圓管型構(gòu)件的受力為軸向受拉或受壓，并在兩個(gè)平面內(nèi)受彎，其軸向應(yīng)力強(qiáng)度校核公式為：

表5 50 年期海況隔水導(dǎo)管強(qiáng)度校核結(jié)果

式中：σ-軸向應(yīng)力，MPa；N-計(jì)算截面的軸向力，N；Mx、My-計(jì)算截面分別繞X 及Y 軸的彎矩，N·mm；A-圓管的截面面積，mm2；W-圓管截面的剖面模數(shù)，mm3；［σ］-強(qiáng)度許用應(yīng)力，MPa。

3.3.2 校核結(jié)果分析 對(duì)隔水導(dǎo)管泥線處加厚且未下入水下基盤條件下隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的等效MISES 應(yīng)力分析，并進(jìn)行強(qiáng)度校核（見表5）。

結(jié)果分析：從風(fēng)浪流條件和冰載條件下的分析計(jì)算結(jié)果來看，Q235B 鋼級(jí)33×50.8 mm 隔水導(dǎo)管在海況重現(xiàn)期為50 年時(shí)，回接位置加厚段（壁厚76.2 mm 或83.8 mm）長度從2 m～10 m 且未下入水下基盤，隔水導(dǎo)管強(qiáng)度校核滿足油田的作業(yè)要求。

3.4 穩(wěn)定性校核

3.4.1 校核公式 圓管形構(gòu)件在軸向力和彎矩聯(lián)合作用時(shí)，穩(wěn)定性校核的公式為：

式中：σ-彎曲應(yīng)力，MPa；N-計(jì)算截面的軸向力，N；Mx、My-計(jì)算截面分別繞X 及Y 軸的彎矩，N·mm；A-圓管的截面面積，mm2；W-圓管截面的剖面模數(shù)，mm3；［σc］-穩(wěn)定性許用應(yīng)力，取值為φσs；φ-整體穩(wěn)定系數(shù)，對(duì)于圓管構(gòu)件，則由下式?jīng)Q定：

當(dāng)λ0≤時(shí)；φ=

當(dāng)λ0＞時(shí)；φ=

其中：λ0=，l-圓管長度，定位節(jié)點(diǎn)中心間距離，mm；D-圓管直徑，mm；E-彈性模量，MPa。

3.4.2 校核結(jié)果分析（見表6）結(jié)果分析：從風(fēng)浪流條件和冰載條件下的分析計(jì)算結(jié)果來看，Q235B 鋼級(jí)33×50.8 mm 隔水導(dǎo)管在海況重現(xiàn)期為50 年時(shí)，回接位置加厚段（壁厚76.2 mm 或83.8 mm）長度從2 m～10 m 且未下入水下基盤，隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性校核滿足油田的作業(yè)要求。

表6 隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性校核結(jié)果

4 回接器受力分析

由于ANSYS 軟件程序設(shè)計(jì)中，管單元適用范圍的局限性，無法計(jì)算壁厚101.6 mm、外徑838.2 mm 的回接器模型，因而采用實(shí)體單元建立相關(guān)模型，然實(shí)體單元無浪流載荷的相關(guān)設(shè)置，故基于未下入水下基盤泥線處加厚隔水導(dǎo)管模型，采用施加橫向位移替代浪流載荷施加。假設(shè)僅考慮回接器重疊部分的接觸段，忽略回接器重疊部分的密封段及卡瓦段，接觸段分別按照0.6 m、0.8 m、1.0 m 設(shè)置，接觸間隙從1 mm～4 mm 設(shè)置，非重疊段包括0.5 m 長、101.6 mm 厚的加厚段與0.5 m 長、101.6 mm 變50.8 mm 厚的變扣段（見圖3）。

圖3 回接器簡化模型

油田采用33″隔水導(dǎo)管，壁厚2″，鋼級(jí)為Q235B，其最小屈服強(qiáng)度為235 MPa。本模型海上以上隔水導(dǎo)管長度為17.01 m，底部施加全約束，回接處以下施加橫向約束，井口為自由端。隔水導(dǎo)管具體載荷情況（見表7、表8）。

表7 載荷施加情況

由表7、表8 可知，在回接器模型重疊部位僅考慮接觸段的情況下，隨著接觸段段長的增加，最大等效應(yīng)力隨之降低，同時(shí)最大等效應(yīng)力位置從回接器接觸段底部移動(dòng)至靠近回接器的隔水導(dǎo)管受壓一側(cè)或回接器與隔水導(dǎo)管臺(tái)階面受壓一側(cè)。接觸段段長為0.6 m，井口抬升狀態(tài)下最大等效應(yīng)力為302 MPa；接觸段段長為0.8 m，井口抬升狀態(tài)下最大等效應(yīng)力為250 MPa；接觸段段長為1.0 m，井口抬升狀態(tài)下最大等效應(yīng)力為221 MPa；故回接器需采用屈服強(qiáng)度較高的鋼材以滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

表8 最大受力情況分析表

5 結(jié)論

（1）回接位置加厚段（壁厚76.2 mm 或83.8 mm）長度從2 m～10 m 且未下入水下基盤，在考慮50 年期風(fēng)浪流及冰載海況條件下，且井口受到135 t 頂部載荷或僅受井口抬升工況的側(cè)向載荷時(shí)，隔水導(dǎo)管強(qiáng)度校核與穩(wěn)定性校核滿足油田作業(yè)需求。

（2）簡化后回接器連接隔水導(dǎo)管三維實(shí)體模型，在回接器模型重疊部位僅考慮接觸段的情況下，隨著接觸段段長的增加，最大等效應(yīng)力隨之降低。接觸段段長為1.0 m，井口抬升狀態(tài)下，回接器最大等效應(yīng)力為221 MPa，故推薦回接器采用屈服強(qiáng)度較高的鋼材。