大水深自升式鉆井平臺隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性及安全性分析

宋光立，劉軍波，王毅

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300452）

0 引言

近年來，隨著海洋近?？碧絽^(qū)域逐步向深水邁進，國內(nèi)自升式鉆井平臺作業(yè)水深也逐漸超過100 m水深限制，400 ft自升式鉆井平臺逐年增加。這些高端自升式鉆井平臺在設(shè)計之初就考慮了極限風(fēng)暴條件下的生存，而與之配套使用的隔水導(dǎo)管的安全性缺鮮有分析。如拓展這些高端自升式鉆井平臺的作業(yè)范圍，隔水導(dǎo)管成為限制其發(fā)揮作業(yè)能力的短板。因此，為了保證海上鉆完井作業(yè)安全，提升現(xiàn)有高端鉆井平臺的作業(yè)能力，需要對設(shè)計作業(yè)水深超過100 m的自升式平臺使用的隔水導(dǎo)管進行受力分析與強度校核，計算其在不同水深范圍和海洋環(huán)境下的使用參數(shù)，以確保其滿足海上鉆完井作業(yè)要求，為海上工程施工提供指導(dǎo)和安全保障。

1 中國近海海流分布特征及極值海流調(diào)研

國內(nèi)某JU-2000E型400 ft非自航自升式鉆井平臺，由主船體和3條桁架式樁腿構(gòu)成，平臺作業(yè)期間處于站立狀態(tài)，在風(fēng)暴條件下主要受風(fēng)載和波浪動載的作用，其站立風(fēng)暴的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為：水深為121.92 m、波高為18.29 m、波浪周期為15.5 s、最大風(fēng)速為51.44 m/s。

海上極值流速發(fā)生在臺風(fēng)期間，通常設(shè)定年極值流速由風(fēng)暴潮與天文潮耦合形成。我國渤海屬于內(nèi)海，黃海為半封閉的陸架海區(qū)，黃海受大浪影響要比渤海明顯。通常情況下黃海海區(qū)內(nèi)海流主要是潮流，其多年一遇極值流速由潮流和大風(fēng)情況下的風(fēng)海流共同影響形成。根據(jù)相關(guān)模型，推算黃海水域百年一遇的極值海流接近2 m/s[1]。東海海流最大處在臺灣海峽及附近水域的沿岸流，采用POM三維海流數(shù)值模式，推算浙江溫州麗水海域百年一遇的表層極值流速接近2.9 m/s，底層極值流速不超過1.4 m/s；采用三維風(fēng)暴潮流模型，推算浙江象山港海域50年一遇的表層極值流速為3.23 m/s，底層極值流速為2.22 m/s[2]。南海夏季表面流為東北流，冬季為西南流，其西部海流比東部強，相關(guān)文獻推算南海珠江口海域內(nèi)百年一遇表層極值流速約為3.6 m/s，底層極值流速約為1.6 m/s[3-5]。

因此，在隔水導(dǎo)管抗拉抗彎強度計算模型中，宜選取南海海域極值流速與隔水導(dǎo)管穩(wěn)定性失效前所能承受的極限值對比，確定其安全系數(shù)及使用參數(shù)。

2 風(fēng)暴條件下自升式鉆井平臺井口最大位移

目前世界各國廣泛使用三樁式海洋平臺——JU2000E自升式平臺，通過建立平臺三維有限元分析模型，對平臺施加50年一遇風(fēng)暴環(huán)境載荷，計算風(fēng)暴自存條件下平臺的水平偏移量。

劉運祥[6]、王恒等[7]采用有限元分析軟件對400 ft自升式鉆井平臺進行結(jié)構(gòu)靜力分析，在風(fēng)暴自存工況下(水深為91.44 m、波高為10.67 m、波浪周期為13.50 s、風(fēng)速為50 m/s)，不考慮附加彎矩情況下計算平臺最大偏移為0.3 m左右。

而陳營營等[8]認為鉆井平臺的樁腿還承受著因自身重力所引起的附加彎矩(P-Δ彎矩)作用，在風(fēng)暴環(huán)境載荷下(水深為91.44 m、波高為10.67 m、波浪周期為13.5 s、風(fēng)速為41.44 m/s)，考慮附加彎矩影響，計算出上述平臺結(jié)構(gòu)最大偏移為1.56 m。國內(nèi)某400 ft自升式鉆井平臺在其風(fēng)暴自存分析報告中，認為在風(fēng)、波浪、海流和動力作用下，平臺橫向偏轉(zhuǎn)會導(dǎo)致額外的傾覆力矩和下導(dǎo)軌下方支腿的額外彎曲力矩?？紤]P-Δ力矩作用下，平臺偏移計算結(jié)果如表1所示。

表1 考慮P-Δ彎矩作用的平臺偏移量計算結(jié)果(水深107 m、浪高17.4 m)

表2 多年一遇流速極值剖面參數(shù)

由此得到，400 ft鉆井平臺在120 m水深海域作業(yè)期間，在風(fēng)暴站立工況下，井口小平臺處的最大偏移接近1.4 m，對于上端固定在井口平臺的隔水導(dǎo)管而言，這種偏移幅度不能忽略不計。在實際作業(yè)中，為降低因這種偏移帶來的影響，往往使用張力器對隔水導(dǎo)管頂部施加上提力。

3 隔水導(dǎo)管受力分析

3.1 隔水導(dǎo)管力學(xué)受力模型的建立

由于隔水導(dǎo)管處于海洋環(huán)境中，固定端位于泥面處，頂部與防噴器連接。對于水深超過100 m的作業(yè)環(huán)境中，隔水導(dǎo)管頂部考慮施加軸向上提力。為簡化分析，將隔水導(dǎo)管與海底連接視為固支約束，與防噴器連接處視為簡支約束，軸向自由。其力學(xué)計算模型如圖1所示。

圖1 隔水導(dǎo)管抗拉抗彎強度計算模型

利用ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件建立隔水導(dǎo)管力學(xué)分析模型，采用shell43殼體單元進行結(jié)構(gòu)非線性分析，采用Mises屈服準(zhǔn)則、經(jīng)典雙線性隨動強化準(zhǔn)則、理想彈塑性材料進行分析。

隔水導(dǎo)管可視為圓管型構(gòu)件，當(dāng)它軸向受拉或受壓，且在2個平面內(nèi)受彎，其軸向應(yīng)力強度校核公式為式中：σ為軸向應(yīng)力，MPa；N為計算截面的軸向力，N；Mx、My為計算截面分別繞X及Y軸的彎矩，N·mm；A為圓管的截面面積，mm2；W為圓管截面的剖面模數(shù)，mm3；[σ]為強度許用應(yīng)力，取值為0.6σs，MPa。

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

由于隔水導(dǎo)管直徑變化不大，因此作業(yè)水深和本體屈服強度是影響其穩(wěn)定性許用應(yīng)力大小的關(guān)鍵參數(shù)。

考慮在極值海洋環(huán)境下，隔水導(dǎo)管本體主要承受海流作用，因此需要分析風(fēng)暴極值工況下海流流速分布特征，并將其帶入圓管穩(wěn)定性校核公式，確定隔水導(dǎo)管的最佳使用參數(shù)。

3.2 海流流速的設(shè)定

在開闊靜水海面上，如果沒有實測數(shù)據(jù)，通常取Vw=0.01V風(fēng)。該公式在一般氣象環(huán)境載荷下具有參考意義，不適用于臺風(fēng)、颶風(fēng)等惡劣天氣。

劉明等[10]在分析南海流花海域海流特征時，利用ACER(Average Conditional Exceedance Rate)方法對分層流速的多年一遇極值進行了分析，發(fā)現(xiàn)海流流速空間分布形態(tài)總體上接近于剪切流，隨著海水深度加深，海流極值流速總體呈遞減趨勢，分析發(fā)現(xiàn)海流形成的主導(dǎo)因素是潮流和風(fēng)生流，推薦了擬合公式如下：

將水深數(shù)據(jù)代入上述公式中，可以得到表層流速、中層流速和底層流速之間的關(guān)系大致為1∶0.6∶0.2。由于該公式數(shù)據(jù)來源于監(jiān)測系統(tǒng)獲取的海流監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中風(fēng)生流數(shù)值相對偏小，導(dǎo)致表層流速數(shù)值小于風(fēng)暴條件下的實際極值海流數(shù)據(jù)。

以上觀點均認為海流空間分布形態(tài)總體接近剪切流，為簡化計算，本文假設(shè)海流速度沿水深線性倒三角分布，定義水面流速為V，中部流速為V/2，底部流速為0.2V。

此外，劉清友[11]分析波高、波長和波周期等波浪參數(shù)對深水隔水管的最大彎矩、最大應(yīng)力和最大轉(zhuǎn)角的影響，認為這些參數(shù)的影響有限，可以忽略不計，因此本文不考慮波浪參數(shù)對隔水導(dǎo)管力學(xué)特性的影響，而風(fēng)載對隔水導(dǎo)管的影響主要是通過海水表面流的方式施加，即所謂的風(fēng)生流，已考慮到海流流速中。

3.3 考慮海流作用下隔水導(dǎo)管整體強度計算

隔水導(dǎo)管處于海洋環(huán)境中，下端與防噴器連接。為簡化分析，將隔水導(dǎo)管與防噴器連接處視為簡支約束，上端水平方向位移受到約束，軸向自由，建立海流作用下的力學(xué)計算模型如圖2所示。

圖2 考慮海流作用下的隔水導(dǎo)管整體力學(xué)模型

將海流表面流速V作為變量輸入ANSYS循環(huán)計算流程(如圖3)，設(shè)定結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于隔水導(dǎo)管管體屈服強度，在隔水導(dǎo)管頂部施加軸向拉力，使管串受力中和點位于泥面以上5 m處。

圖3 采用ANSYS循環(huán)計算流程

計算結(jié)果顯示，在設(shè)定條件下，隔水導(dǎo)管的最大負彎矩位置在泥線附近的固支處，最大正彎矩在水面以下13 m左右，這是隔水導(dǎo)管在作業(yè)期間承受交變應(yīng)力最大的位置，也是隔水導(dǎo)管達到屈服強度時最危險位置。在海流作用下，其應(yīng)力分布云圖和彎矩分布云圖如圖4所示。

圖4 隔水導(dǎo)管作業(yè)期間在海流作用下的應(yīng)力分布云圖和彎矩分布云圖

計算中發(fā)現(xiàn)上述規(guī)格的B級鋼隔水導(dǎo)管在120 m水深海域作業(yè)時，可承受的表層極限海流為3.24 m/s小于南海百年一遇表層極值流速3.6 m/s；在100 m水域作業(yè)時，可承受的表層極限海流為3.8 m/s因此不建議將其用在水深超過100 m海域作業(yè)。

在上述計算中輸入不同水深條件，得到屈服強度為360 MPa隔水導(dǎo)管整體結(jié)構(gòu)屈服時可承受的極限海流速度如表2所示，隔水導(dǎo)管結(jié)構(gòu)屈服時的極限流速分布呈冪函數(shù)變化（如圖5）。

表2 隔水導(dǎo)管在360 MPa的屈服強度下能承受的極限海流流速表

圖5 不同水深范圍下隔水導(dǎo)管屈服時的極限流速分布規(guī)律

4 結(jié)語

1）我國作業(yè)水深400 ft高端自升式鉆井平臺在極限風(fēng)暴站立工況下，通過提高和保持隔水導(dǎo)管截面軸向拉力可增加管體抗彎能力，提高其風(fēng)暴極限工況下的生存能力。

2）隔水導(dǎo)管的作業(yè)水深和本體屈服強度是影響其穩(wěn)定性許用應(yīng)力值的關(guān)鍵參數(shù)，在一定水深范圍內(nèi)，提高隔水導(dǎo)管本體屈服強度可以提高管體穩(wěn)定性。

3）隨著作業(yè)水深增加，隔水導(dǎo)管承受的極限海流速度呈冪函數(shù)降低，且極限表面流速下降幅度要明顯大于極限底流下降幅度，顯示表層流對隔水導(dǎo)管的彎矩影響更大，因此井口平臺的張力器拉力值應(yīng)隨著水深增加而增加。

4）在極限風(fēng)暴站立工況下，隔水導(dǎo)管本體受交變應(yīng)力影響最大的兩處地方位于泥線固支和水面以下13 m左右，作業(yè)結(jié)束后建議對這兩處的隔水導(dǎo)管本體進行金屬疲勞檢測或降級使用。