水下打樁法下入深水表層導(dǎo)管吊裝強(qiáng)度分析

龐 達(dá)，李舒展，吳 怡

(1. 中國石油大學(xué)(北京) 北京102294；2. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京102294)

0 引 言

隨著陸地及淺水海域油氣資源勘探開發(fā)逐漸達(dá)到頂峰，深水海域油氣勢必引領(lǐng)全球油氣勘探開發(fā)的未來。據(jù)《世界深水市場報(bào)告》，未來超過44%的油氣儲量將來自深水，深水海域作為重要的能源接替區(qū)必將受到更多關(guān)注。隨著我國海洋深水油氣田開發(fā)的深入，采用水下基盤井口進(jìn)行開發(fā)作業(yè)會越來越常見。與水下基盤井口開發(fā)相配套的“一開”表層導(dǎo)管下入施工方法主要有鉆入法、噴射法和水下打樁法，水下打樁法相對于其他兩種方法有明顯技術(shù)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢。

水下打樁法需要將表層導(dǎo)管沉入海底，再安裝液壓打樁錘并連接至船體。由于水位較深，一般直接采用一根長樁插入后進(jìn)行水下打樁。以往淺水起吊的樁多為小直徑長樁或大直徑短樁，而深水水下打樁需要起吊的樁長度一般超過70 m，直徑多為0.762 m 和0.914 4 m。深水水下打樁所用圓管樁直徑粗且長度較大，重量大，吊裝也是水下打樁施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到深水鉆井的成敗。國內(nèi)外少有關(guān)于水下打樁法下入表層導(dǎo)管起吊方法及強(qiáng)度的研究，亟需開展相關(guān)研究，確保表層導(dǎo)管吊裝作業(yè)安全，為深水油氣田安全高效開發(fā)提供保障。

1 表層導(dǎo)管吊裝工藝

在深水表層導(dǎo)管水下打樁施工過程中，組裝后的表層導(dǎo)管經(jīng)過駁船運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢?，借助工作船的吊裝設(shè)備將其吊離船面，在輔助工具的作用下，豎直的表層導(dǎo)管穿過水下基盤，在自重作用下沉入海底表層土壤中。水下打樁錘安裝在表層導(dǎo)管頂端，將其錘入設(shè)計(jì)貫入深度。

在深水表層導(dǎo)管吊裝施工工藝中，扁嘴鉤法因其安全性、操作性、工效性俱佳，成為目前主流的長樁吊裝方法，其主要原理是在樁底部安裝一個(gè)扁嘴鉤，利用線性絞車提供拉力，控制鋼管樁在翻轉(zhuǎn)過程中的移動和下滑，最終使其處于豎直狀態(tài)[1]。扁嘴勾法主要施工流程為：

①表層導(dǎo)管底部安裝扁嘴鉤；

②將線性絞車鋼絲繩松出與扁嘴鉤連接；

③表層導(dǎo)管頂部安裝液壓吊樁器；

④安裝與吊樁器相匹配的卸扣；

⑤翻轉(zhuǎn)主樁到特定角度，將其下滑至海中；

⑥繼續(xù)翻轉(zhuǎn)主樁，使主樁處于豎直狀態(tài)，并回收扁嘴鉤；

⑦在ROV 的監(jiān)測下，將主樁插入套筒，使樁在自重作用下下沉，回收吊樁器液壓裝置。

2 應(yīng)力強(qiáng)度分析

采用扁嘴鉤法吊裝過程中，表層導(dǎo)管主要受到拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的作用[1]。在正式施工之前，應(yīng)對吊裝作業(yè)進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析，判斷表層導(dǎo)管力學(xué)性能是否滿足規(guī)范要求，為長樁吊裝施工控制提供理論支撐，確保作業(yè)安全。

API 規(guī)范對于海洋石油工程中鋼制管件強(qiáng)度要求做出了規(guī)定[2]。

①軸向許用拉應(yīng)力：

式中：Ft為軸向許用拉應(yīng)力；Fy為鋼材屈服強(qiáng)度。

②許用彎曲應(yīng)力：

式中：D為表層導(dǎo)管直徑；T為表層導(dǎo)管壁厚；Fb為表層導(dǎo)管許用彎曲應(yīng)力；E為鋼材楊氏彈性模量。

③軸向抗拉與彎曲組合應(yīng)力：

在某些工況條件下，管件會受到軸向拉力和彎曲2 種應(yīng)力共同作用。承受拉力和彎曲聯(lián)合作用的管件，各點(diǎn)上均應(yīng)滿足下面的要求：

式中：ft為軸向拉應(yīng)力；fbx、fby分別為x、y 方向彎曲應(yīng)力。

3 有限元理論

表層導(dǎo)管長度大，且各段長度壁厚不完全一致；直徑粗，一個(gè)截面上應(yīng)力組合及大小也會不同。一般情況下需要準(zhǔn)確計(jì)算其各點(diǎn)應(yīng)力狀況，并開展強(qiáng)度校核，其過程相當(dāng)繁瑣。采用有限元的方法進(jìn)行分析計(jì)算，可以得到表層導(dǎo)管各點(diǎn)等效應(yīng)力，結(jié)果方便可視便于強(qiáng)度校核。

有限元法是一種求偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術(shù)，該方法在工程技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。有限元法的基本過程簡述如下。

3.1 物體離散化

工程問題中的對象被簡化為模型，將求解模型離散為有限個(gè)單元，各單元通過邊界上的結(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體[3]，根據(jù)基本長變量與坐標(biāo)的關(guān)系確定采用一維、二維、三維單元。通過有限單元法劃分的物體或結(jié)構(gòu)物，其計(jì)算結(jié)果只是近似的，單元劃分越密，計(jì)算精度越高，但計(jì)算工作量也越大。

3.2 確定差值函數(shù)

在有限元法中，單元內(nèi)任一一點(diǎn)(x，y，z)的場變量通過選定的插值形式由單元節(jié)點(diǎn)值求得[4]，即：

式中：m為單元節(jié)點(diǎn)自由度總數(shù)；Ψ為單元的形函數(shù)矩陣，它與單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)目及插值形式有關(guān)；是單元自由度列陣，即

3.3 建立單元力平衡方程

根據(jù)所選擇結(jié)點(diǎn)的基本未知量不同(如位移、結(jié)點(diǎn)力、位移和力)，分析模式可分為位移法、力法和混合法[5]。位移法在有限單元法中應(yīng)用最為廣泛，單元位移函數(shù)如下式所示：

式中：u為單元位移；n為單元節(jié)點(diǎn)總數(shù)；i為節(jié)點(diǎn)編號；Ni為形函數(shù)(與坐標(biāo)有關(guān)的函數(shù))；ui為單元節(jié)點(diǎn)位移。

將單元結(jié)點(diǎn)的邊界條件統(tǒng)一描述，單元力平衡方程如下式所示：

3.4 單元組集

首先在單元方程將局部自由度編號系統(tǒng)擴(kuò)展到總體自由度編號系統(tǒng)中，將單元矩陣元素和列陣元素按照局部和總體自由度的關(guān)系“對號入座”，然后將這種擴(kuò)展了的單元方程相加得到總體有限元平衡方程組[4]，即：

式中：[ K ]為整體結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣；{u } 為所有節(jié)點(diǎn)位移列陣；{F}為所有節(jié)點(diǎn)載荷列陣。

3.5 有限元分析結(jié)果

組集后的總體特征矩陣是奇異的，必須計(jì)入邊界條件才能求得其唯一解。經(jīng)過邊界條件修正過的總體線性代數(shù)方程組可采用成熟的解線性代數(shù)方程組的程序求解，通過有限元求解計(jì)算結(jié)束后，可求得節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變、應(yīng)力、溫度和密度等基本場變量。

3.6 8 節(jié)點(diǎn)有限元單元

如圖1 所示，采用三維連續(xù)單元C3D8R，每個(gè)單元有8 個(gè)節(jié)點(diǎn)，減弱了沙漏狀積分控制。Abaqus 中的C3D8R 可用于線性分析和涉及接觸、可塑性和大變形的復(fù)雜非線性分析，因此采用此種單元來離散鋼管樁。此單元需要輸入的常數(shù)包括彈性模量、泊松比以及各結(jié)點(diǎn)的厚度等。

圖1 8節(jié)點(diǎn)單眼Fig.1 8-node element

4 表層導(dǎo)管吊裝應(yīng)力強(qiáng)度分析

南海東部X 井表層導(dǎo)管設(shè)計(jì)入泥深度為87 m，外徑為0.914 4 m(3 ft)。表層導(dǎo)管為12 m 1 根，前2 根使用壁厚為 0.038 1 m(1.5 in)，其余壁厚為0.025 4 m(1 in)。按照X 井表層導(dǎo)管設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元分析。

表層導(dǎo)管在采用扁嘴鉤法翻轉(zhuǎn)吊裝過程中，當(dāng)導(dǎo)管懸掛長度確定，即導(dǎo)管與船的接觸點(diǎn)一定時(shí)，分析導(dǎo)管在旋轉(zhuǎn)過程中傾斜不同角度時(shí)受力情況。樁身材料選用X52 鋼進(jìn)行建模，建模參數(shù)如表1 所示，樁身使用六面體網(wǎng)格(C3D8R)進(jìn)行劃分。

表1 材料屬性表Tab.1 Material property sheet

在樁的翻轉(zhuǎn)過程中，扁嘴勾端固定，只有轉(zhuǎn)角移動，無位移移動，吊裝器一端逐漸吊起，將樁進(jìn)行翻轉(zhuǎn)起吊。在制作模型的過程中，將樁體的一段位移進(jìn)行限定，另一端抬起至一定角度，進(jìn)行計(jì)算。如圖2所示，建立表層導(dǎo)管有限元模型，分別模擬導(dǎo)管傾斜角度為10°、20°、30°、40°、50°條件下的受力狀況，如圖3—圖7 所示。

圖2 模型圖Fig.2 Model diagram

圖3 10°情況下樁身受力情況Fig.3 Force of pile at 10 °

圖4 20°情況下樁身受力情況Fig.4 Force of pile at 20 °

圖5 30°情況下樁身受力情況Fig.5 Force of pile at 30 °

圖6 40°情況下樁身受力情況Fig.6 Force of pile at 40 °

圖7 50°情況下樁身受力情況Fig.7 Force of pile at 50 °

從以上結(jié)果可見，表層導(dǎo)管以10°的傾斜角度吊裝時(shí)，最大受力為108.5 MPa。X52 鋼許用應(yīng)力：

式中：[σ]為許用應(yīng)力；σs為屈服強(qiáng)度；n 為安全系數(shù)。

海洋石油用鋼X52 屈服強(qiáng)度為358.6 MPa，根據(jù)一般海洋工程規(guī)范要求，n 取值1.5，故X52 鋼許用應(yīng)力為[σ]＝239.1 MPa。

圖8 為樁身應(yīng)力隨翻轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線，表層導(dǎo)管吊裝角度從10～50°變化時(shí)，應(yīng)力均小于X52 鋼的許用應(yīng)力，滿足施工需求。樁身最大Mises 應(yīng)力隨著樁身翻轉(zhuǎn)角度的增加而減小，由此可知樁身翻轉(zhuǎn)過程中，樁體是逐漸趨于安全的。

圖8 樁身翻轉(zhuǎn)角度與最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖Fig.8 Calculation result of pile body overturning angle and maximum stress

5 結(jié) 論

本文建立了水下打樁法下入表層導(dǎo)管海上吊裝理論分析方法與分析模型，結(jié)合有限元方法分析了表層導(dǎo)管翻轉(zhuǎn)起吊時(shí)應(yīng)力大小的影響因素。以87 m 長的表層導(dǎo)管為例，對表層導(dǎo)管起吊過程進(jìn)行了理論分析及有限元模擬，計(jì)算其吊裝過程受力狀況，并對其進(jìn)行強(qiáng)度校核。計(jì)算結(jié)果表明，X52 鋼 0.914 4 m(3 ft)直徑的表層導(dǎo)管滿足海上吊裝強(qiáng)度，可確保表層起吊安全，對于深水表層導(dǎo)管水下打樁施工安全具有重要意義。