套裝式井架在TLP平臺(tái)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性分析

楊向前，楊 鵬，鄭清華，賈俊梁

（1.中海油研究總院，北京100027；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002）

套裝式井架在TLP平臺(tái)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性分析

楊向前1，楊 鵬2，鄭清華1，賈俊梁2

（1.中海油研究總院，北京100027；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002）

TLP海洋鉆井平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)和搖擺運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)井架產(chǎn)生動(dòng)態(tài)載荷，影響井架的安全性能。為了保證鉆井作業(yè)的安全，以流花油田為例，在作業(yè)工況（風(fēng)速為36 m／s）、2種風(fēng)暴工況（風(fēng)速分別是51.5 m／s，55.4 m／s）條件下，采用ANSYS軟件分析了5 000 m套裝井架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性能。分析結(jié)果表明，當(dāng)考慮TLP平臺(tái)附加的動(dòng)載荷時(shí)，按照AISC（335-89）規(guī)定的校核公式對(duì)井架各單元進(jìn)行校核，強(qiáng)度和穩(wěn)定性的綜合校核值已接近校核系數(shù)的極限值，存在安全隱患。因此，對(duì)于TLP平臺(tái)上的鉆井套裝井架，在結(jié)構(gòu)件選型設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，并進(jìn)行嚴(yán)格的安全評(píng)估。

TLP；井架；動(dòng)態(tài)載荷；分析

隨著海洋石油開發(fā)逐步邁向深水，對(duì)深水適用性極高的TLP鉆井平臺(tái)得到了極大的發(fā)展。TLP是1種典型的順應(yīng)式平臺(tái)，其動(dòng)力特性介于導(dǎo)管架平臺(tái)和半潛式平臺(tái)之間。在各種海洋環(huán)境外部作用力下，TLP平臺(tái)傳遞給其上部設(shè)備的加速度可以達(dá)到重力加速度的20%［1］，這種作用以動(dòng)態(tài)載荷的形式施加于平臺(tái)上部設(shè)備，從而對(duì)設(shè)備的安全性提出了更高的要求，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不僅要滿足靜強(qiáng)度要求，還要滿足動(dòng)力特性要求［2］。井架作為海洋鉆井平臺(tái)必不可少的設(shè)施，由于其縱向尺度較大，在動(dòng)態(tài)載荷作用下會(huì)首當(dāng)其沖。為了保證TLP鉆井平臺(tái)生產(chǎn)作業(yè)的安全性，本文以流花油田TLP項(xiàng)目為例，利用ANSYS有限元軟件對(duì)安裝于TLP上的5 000 m套裝井架進(jìn)行了力學(xué)分析。

1 模型建立及計(jì)算

1.1 遵循的規(guī)范及井架鋼材選型

在分析計(jì)算中，井架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算、井架鋼材性能和選型以及計(jì)算結(jié)果校核分別需要遵循的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范：

API 4F（第4版），鉆井和修井井架、底座。

GB／T 1591—2008，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。

AISC（335-89），鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

井架材料選用Q345，根據(jù)GB／T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》，井架材料的力學(xué)性能如表1所示。

表1 Q345鋼材的力學(xué)性能參數(shù)

1.2 井架模型建立

在利用ANSYS軟件對(duì)井架建模時(shí)，按照井架實(shí)際的結(jié)構(gòu)分為6段進(jìn)行建模，建立的模型如圖1所示。

1.3 井架作業(yè)危險(xiǎn)工況組合

連接TLP平臺(tái)與海底的剛性筋腱始終處于受拉狀態(tài)，平臺(tái)的浮力由平臺(tái)重力和張力筋腱的拉力平衡，平臺(tái)處于“浮力富余”狀態(tài)［3］，其動(dòng)力特性主要由橫蕩和縱蕩控制，其他自由度方向的加速度基本可以忽略。因此，在考慮動(dòng)態(tài)載荷時(shí)主要考慮橫蕩和縱蕩加速度。設(shè)計(jì)風(fēng)載考慮了2種情況：參考CCS規(guī)定和參考鄰近的陸豐7-2油田設(shè)計(jì)風(fēng)速。具體載荷工況組合如表2。

圖1 井架模型及單元編號(hào)

1.4 井架單元校核方法

完成有限元計(jì)算后，利用ANSYS后處理模塊，按照AISC（335-89）規(guī)定校核公式，對(duì)井架各單元進(jìn)行校核。AISC（335-89）規(guī)定的校核公式綜合了強(qiáng)度校核和穩(wěn)定性校核，是構(gòu)件承載能力的綜合判定，具體的校核公式如下：

1） 軸心受壓和受彎組合應(yīng)力校核公式

表2 井架作業(yè)危險(xiǎn)工況組合

2） 軸心受拉和受彎組合應(yīng)力校核公式

式（1）～（4）中：fa為計(jì)算得到的由于軸向受壓引起的軸向壓應(yīng)力，Pa；Fa為只受軸向壓力時(shí)的許用軸向壓應(yīng)力，Pa；Cm為無量綱系數(shù)；fb為計(jì)算得到的由于彎曲引起的軸向壓應(yīng)力，Pa；Fb為只受彎矩作用時(shí)的許用軸向壓應(yīng)力，Pa；Fe為歐拉應(yīng)力除以1個(gè)安全系數(shù)，Pa；Fy為屈服應(yīng)力，Pa；下標(biāo)x和y分別代表不同的軸向。

另外，根據(jù)API Spec 4F的規(guī)定，對(duì)于風(fēng)暴工況校核系數(shù)增加1／3。

1.5 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，井架中最危險(xiǎn)的單元（ENUM）是8單元和9單元，位于井架“基段”與“下段”的連接處，如圖2所示，這與實(shí)際情況完全相符。

2 結(jié)果分析

2.1 有動(dòng)載和無動(dòng)載情況下各工況單元最大校核值對(duì)比

各工況下單元最大校核值如表3，可以看出：操作工況下有動(dòng)載作用比無動(dòng)載作用的最大校核值增加了0.144（校核系數(shù)的14.4%）；風(fēng)速為51.5m／s的風(fēng)暴工況下有動(dòng)載作用比無動(dòng)載作用，最大校核值增加了0.1（校核系數(shù)的7.5%）；風(fēng)速為55.4m／s的風(fēng)暴工況下有動(dòng)載作用比無動(dòng)載作用的最大校核值增加了0.209（校核系數(shù)的15.7%）?？梢钥闯鯰LP平臺(tái)的動(dòng)態(tài)作用對(duì)套裝井架產(chǎn)生了明顯的影響。

圖2 各工況對(duì)應(yīng)的最危險(xiǎn)單元

表3 各工況下單元最大校核值

2.2 有動(dòng)載和無動(dòng)載情況下各工況單元校核值對(duì)比

為了更全面地分析動(dòng)態(tài)作用對(duì)井架不同單元的影響程度，對(duì)比了3組工況有動(dòng)載作用和無動(dòng)載作用下校核值較大的單元校核結(jié)果。

1） 操作工況 36 m／s風(fēng)速（參考CCS）。

對(duì)比了校核值較大的16組單元的校核結(jié)果，如圖3所示。通過對(duì)比得出：有動(dòng)載作用比無動(dòng)載作用的單元校核值增加了0.046～0.155（校核系數(shù)的5%～16%），當(dāng)量應(yīng)力增加了9.246～31.155 MPa。另外，在有動(dòng)載作用時(shí)，單元8的校核值達(dá)到了0.957，單元9的校核值達(dá)到了0.921，已經(jīng)非常接近于校核系數(shù)極限，對(duì)于結(jié)構(gòu)的安全性需要慎重考慮。

圖3 操作工況單元校核結(jié)果對(duì)比

2） 風(fēng)暴工況之一 51.5 m／s風(fēng)速（參考CCS）。

對(duì)比了校核值較大的13組單元的校核結(jié)果，如圖4所示。通過對(duì)比得出：有動(dòng)載作用比無動(dòng)載作用的單元校核值增加了0.142～0.478（校核系數(shù)的11%～36%），當(dāng)量應(yīng)力增加了28.542～96.078 MPa。另外，在有動(dòng)載作用時(shí)，單元8的校核值達(dá)到了1.165，單元9的校核值達(dá)到了1.232，已經(jīng)非常接近于校核系數(shù)極限，對(duì)于結(jié)構(gòu)的安全性需要慎重考慮。

圖4 51.5 m／s風(fēng)速風(fēng)暴工況單元校核結(jié)果對(duì)比

3） 風(fēng)暴工況之二 55.4 m／s風(fēng)速（參考陸豐7-2）。

對(duì)比了校核值較大的9組單元的校核結(jié)果，如圖5所示。通過對(duì)比得出：有動(dòng)載作用比無動(dòng)載作用的單元校核值增加了0.097～0.423（校核系數(shù)的7%～32%），當(dāng)量應(yīng)力增加了19.497～85.023 MPa。另外，在有動(dòng)載作用時(shí)，單元8的校核值達(dá)到了1.26，單元9的校核值達(dá)到了1.263，單元5的校核值達(dá)到了1.189，已經(jīng)非常接近于校核系數(shù)極限，對(duì)于結(jié)構(gòu)的安全性需要慎重考慮。

圖5 55.4 m／s風(fēng)速風(fēng)暴工況單元校核結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

1） 通過對(duì)井架在動(dòng)態(tài)載荷作用下的模擬計(jì)算得出，TLP平臺(tái)的動(dòng)態(tài)作用對(duì)井架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性有重要影響，受動(dòng)態(tài)載荷作用，套裝井架單元的校核值有了明顯的增加，部分單元的校核值已經(jīng)接近校核系數(shù)的極限。

2） 在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，不能簡(jiǎn)單地將固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)直接搬到TLP平臺(tái)使用，必須考慮增加鉆機(jī)套裝井架的強(qiáng)度，或改進(jìn)井架的結(jié)構(gòu)，使其能承受平臺(tái)的動(dòng)態(tài)載荷作用。

［1］ Bob Smith，Greg Carter，Ray Koon.Mini-TLP plus dynamic rig kit allows more flexibility on Prince Project［J］.Offshore，2001，61（12）：36-40.

［2］ 高學(xué)仕，汪炳貴，王棟，等.HJJ450／45-T型海洋井架動(dòng)力特性分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（5）：38-41.

［3］ 谷家揚(yáng)，呂海寧，楊建民.張力腿平臺(tái)在隨機(jī)波浪中的耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究［J］.船舶力學(xué)，2013，17（8）：887-900.

Dynamic Adaptability Analysis of Vertical Assembly Derrick on TLP

YANG Xiang-qian1，YANG Peng2，ZHENG Qing-hua1，JIA Jun-liang2
（1.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China；2.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China）

The heave and swing of TLP will generate dynamic load on the derrick，thus affecting the safety performance of the derrick.In order to guarantee the safety of drilling operation，taking Liuhua oilfield as an example，an analysis on strength and stability of a 5000m vertical assembly derrick has been done.The analysis has been finished with ANSYS，under operation condition（wind speed 36 m／s）and two extreme conditions（wind speed 51.5 m／s and 55.4 m／s）.Analysis results show that when considering additional dynamic load of TLP，there will be safety risks for the unity check values of some elements of the derrick are very closed to 1.0 in accordance with the check formulas in AISC（335-89）regulation.So for TLP drilling derrick，the local strengthen and rigorous safety assessment must be done during structure type selection design.

TLP；derrick；dynamic load；analysis

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.019

1001-3482（2014）12-0077-05

2014-07-30

楊向前（1970-），男，陜西戶縣人，碩士研究生，主要從事海洋石油鉆機(jī)及修井機(jī)的技術(shù)發(fā)展規(guī)劃、方案論證、新技術(shù)研究，E-mail：yangxq15＠cnooc.com.cn。