深水鉆井動(dòng)力定位平臺(tái)應(yīng)急解脫范圍分析*

金學(xué)義 溫紀(jì)宏 李浪清 郭衛(wèi)華 周國(guó)林

(中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部 河北三河 065201)

深水鉆井動(dòng)力定位平臺(tái)應(yīng)急解脫范圍分析*

金學(xué)義 溫紀(jì)宏 李浪清 郭衛(wèi)華 周國(guó)林

(中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部 河北三河 065201)

深水鉆井動(dòng)力定位平臺(tái)在推進(jìn)器由于失電或自然環(huán)境惡劣且超過(guò)其能力的情況下，會(huì)失去對(duì)位置的控制而產(chǎn)生漂移，對(duì)正常鉆井作業(yè)產(chǎn)生重大的影響。基于深水鉆井平臺(tái)隔水管系統(tǒng)撓性接頭和伸縮節(jié)沖程、隔水管連接器解鎖角度、平臺(tái)應(yīng)急解脫程序和作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，建立了深水鉆井動(dòng)力定位平臺(tái)應(yīng)急解脫允許漂移范圍的系統(tǒng)計(jì)算流程，針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)(1 500 m作業(yè)水深的DP3鉆井平臺(tái))使用ABAQUS軟件對(duì)LMRP及下BOP組進(jìn)行建模，并進(jìn)行了不同工況下的動(dòng)態(tài)分析，結(jié)果表明：目標(biāo)平臺(tái)在過(guò)提711 kN情況下LMRP傾斜6°可完成解鎖；在應(yīng)急解脫前，可用的解脫時(shí)間隨著蒲福氏等級(jí)的增大與水深的減小而降低，海流流速與蒲福等級(jí)對(duì)平臺(tái)漂移產(chǎn)生的影響規(guī)律相似，海流流速對(duì)平臺(tái)漂移產(chǎn)生的影響較小。

深水鉆井動(dòng)力定位平臺(tái);應(yīng)急解脫范圍;解鎖角度；漂移分析

深水鉆井面臨惡劣的環(huán)境條件和復(fù)雜的作業(yè)工況，正常鉆井作業(yè)過(guò)程中深水鉆井平臺(tái)在動(dòng)力定位系統(tǒng)的作用下保持與海底井口對(duì)應(yīng)位置，以確保隔水管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性及鉆井作業(yè)的順利進(jìn)行。但是在可用的推進(jìn)器推力小于環(huán)境載荷或動(dòng)力定位 (DP)能力完全失效的情況下，深水鉆井平臺(tái)會(huì)發(fā)生遠(yuǎn)離井口的漂移運(yùn)動(dòng)[1]，漂移過(guò)程中如果無(wú)法成功實(shí)現(xiàn)應(yīng)急解脫系統(tǒng) (EDS)的相關(guān)工作，可能造成如下問(wèn)題發(fā)生：①鉆井作業(yè)突然中斷導(dǎo)致卡鉆等嚴(yán)重的操作問(wèn)題；②沒(méi)有正確關(guān)閉防噴器、采油樹(shù)或其他設(shè)備導(dǎo)致發(fā)生地面或水下井噴事故；③井毀；④鉆井隔水管、鉆桿折斷并墜落至井口、管匯；⑤與鄰近的地面或水下的障礙物碰撞；⑥環(huán)境污染。因此，對(duì)深水鉆井動(dòng)力定位平臺(tái)應(yīng)急解脫范圍進(jìn)行分析，合理確定目標(biāo)平臺(tái)的解脫范圍顯得尤為重要。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)深水鉆井動(dòng)力定位平臺(tái)應(yīng)急解脫范圍分析開(kāi)展了大量的研究工作，在深水鉆井隔水管系統(tǒng)漂移預(yù)警界限方面已建立隔水管系統(tǒng)連接作業(yè)窗口、懸掛作業(yè)窗口和安裝作業(yè)窗口[2-5]，并分析了內(nèi)波流引起平臺(tái)漂移對(duì)隔水管系統(tǒng)產(chǎn)生的影響[6]及遇臺(tái)風(fēng)時(shí)平臺(tái)應(yīng)急解脫后的撤離分析[7]。在平臺(tái)漂移方面，根據(jù)隔水管系統(tǒng)與水下井口解脫時(shí)的物理極限計(jì)算平臺(tái)應(yīng)急解脫完成時(shí)距離設(shè)定井位的范圍[8]，開(kāi)展了深水鉆井平臺(tái)-隔水管耦合動(dòng)力學(xué)特性及耦合作用規(guī)律分析，闡述了漂移預(yù)警界限分析方法[9]。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，提出深水鉆井動(dòng)力定位平臺(tái)應(yīng)急解脫范圍分析流程，研究確定平臺(tái)隔水管底部總成(LMRP)解鎖所需的最小頂張力及解鎖最大角度，以此確定平臺(tái)漂移分析的邊界條件，進(jìn)而通過(guò)漂移分析確定平臺(tái)應(yīng)急解脫范圍(啟動(dòng)應(yīng)急解脫與完成應(yīng)急解脫)。

1 應(yīng)急解脫范圍分析流程

深水鉆井動(dòng)力平臺(tái)應(yīng)急解脫范圍影響因素與船體結(jié)構(gòu)和平臺(tái)設(shè)備有關(guān)，實(shí)現(xiàn)解脫功能的EDS反應(yīng)時(shí)間決定漂移時(shí)間，同時(shí)在不同的作業(yè)海域和不同的自然環(huán)境條件下，應(yīng)急解脫范圍也不盡相同，具體影響因素如下：

1) 平臺(tái)設(shè)備。包括船體結(jié)構(gòu)、伸縮節(jié)、張力器沖程、月池凈空尺寸、撓性接頭轉(zhuǎn)角、隔水管解鎖角度、防噴器(BOP)、井口頭強(qiáng)度等。

2) 環(huán)境條件。包括水深、風(fēng)浪流等海況。

3) EDS性能。對(duì)于DP定位的深水半潛式平臺(tái)，當(dāng)平臺(tái)失控漂移超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，在司鉆房或隊(duì)長(zhǎng)辦公室觸發(fā)EDS按鈕，即可在設(shè)定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)LMRP與下BOP組的解脫。EDS的程序、時(shí)間及功能的設(shè)定是根據(jù)鉆井設(shè)備、海域等條件的不同而不同，時(shí)間設(shè)置決定著平臺(tái)失控后的漂移時(shí)間。

從平臺(tái)結(jié)構(gòu)與設(shè)備組成出發(fā)，根據(jù)影響平臺(tái)應(yīng)急解脫范圍的因素，提出了深水鉆井動(dòng)力定位平臺(tái)應(yīng)急解脫范圍分析流程(圖1)。其中，防噴器有限元分析須對(duì)LMRP、下BOP組進(jìn)行建模，并細(xì)化各插入頭在該模型中的作用；進(jìn)行LMRP解鎖角度分析，主要考慮頂張力及解鎖角度的影響，通過(guò)分析確定最小頂張力下的最大解鎖角度，即解鎖極限，該極限角度與伸縮節(jié)和張力器沖程、月池凈空尺寸、撓性接頭轉(zhuǎn)角、BOP和井口頭強(qiáng)度等一起作為平臺(tái)漂移分析的邊界條件，通過(guò)分析不同工況下的漂移分析，從而確定應(yīng)急解脫范圍。

圖1 深水鉆井動(dòng)力定位平臺(tái)應(yīng)急解鎖范圍分析流程Fig .1 Flow chart of dynamically positioned platforms in deep water drilling operations emergency disconnect range analysis

2 應(yīng)急解脫范圍的確定

以某作業(yè)水深1 500 m的DP3鉆井平臺(tái)為研究對(duì)象。

2.1 LMRP解鎖角度分析

2.1.1 LMRP有限元分析模型的建立

采用ABAQUS[10]對(duì)LMRP解鎖進(jìn)行建模分析。

1) 幾何模型。LMRP解鎖最大角度的確定應(yīng)建立在不損壞設(shè)備的基礎(chǔ)上，因此，采取LMRP與下BOP組整體建模并進(jìn)行有限元分析，通過(guò)對(duì)阻流插入頭、壓井插入頭、乙二醇插入頭和聲吶插入頭及導(dǎo)向樁等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化，建立LMRP與下BOP組連接的三維模型。在進(jìn)行網(wǎng)格離散時(shí)，分別采用C3D10M、C3D8R、C3D4、C3D6、C3D8單元。幾何網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 目標(biāo)平臺(tái)LMRP解鎖有限元分析模型Fig .2 Target platform LMRP disconnect analysis FEA model

2) 材料模型。根據(jù)建立模型的部件可變形性進(jìn)行以下假設(shè)：①下BOP組總成不變形；②BOP連接短節(jié)不變形；③隔水管連接器不變形。

3) 邊界載荷條件。邊界條件為BOP連接短節(jié)底部進(jìn)行固定，各插入頭及導(dǎo)向樁底部縱向固定，即U2=0，如圖3所示。為了確定LMRP解鎖的最大角度及同時(shí)需要的最小頂張力，載荷條件包括3個(gè)方面：① 重力載荷Agravity=9.8 m/s2；②隔水管連接器頂部總張力FT傾斜角度后的縱向分力FTY；③隔水管連接器頂部總張力FT傾斜角度后的橫向分力FTZ。所建立的載荷模型如圖4所示，總體施加載荷包括LMRP提起需要的力與過(guò)提力之和，此過(guò)提力也作為有限元分析的輸出結(jié)果，LMRP提起所需載荷等于LMRP分析模型重量外加一定比例的附加重量。

圖3 目標(biāo)平臺(tái)LMRP解鎖分析邊界條件模型Fig .3 Boundary conditions of LMRP disconnect analysis model of the target platform

圖4 目標(biāo)平臺(tái)LMRP解鎖分析載荷模型Fig .4 Load model for LMRP disconnect analysis of the target platform

鑒于LMRP解鎖過(guò)程中受到下BOP組不斷變化的接觸界面作用，分析采用顯式積分動(dòng)態(tài)解決方案，考慮LMRP在空間移動(dòng)的動(dòng)能。顯式積分方案須使用臨界時(shí)間分析步才能穩(wěn)定，而臨界時(shí)間步長(zhǎng)是材料最小特征元素長(zhǎng)度和膨脹波速度的函數(shù)。由于臨界時(shí)間步長(zhǎng)極小，并且應(yīng)力場(chǎng)需要精確捕捉，LMRP解鎖分析的整體時(shí)間設(shè)定為0.3 s。

載荷在一定時(shí)間內(nèi)施加到模型上，以保證在解脫分析中捕捉到實(shí)時(shí)的情況。重力加速度在分析開(kāi)始時(shí)(0 s)施加在整個(gè)模型上。頂張力引起的橫向載荷呈直線增加，并在0.000 01 s全部施加到模型上，從0.000 01～0.001 00 s，垂向載荷呈直線上升，可得到最快、最精確的載荷。

2.1.2 解鎖角度分析

通過(guò)在Y-Z與X-Z平面施加頂張力及不同角度工況進(jìn)行分析，得出在最小過(guò)提力711 kN，最大解鎖角度6°的情況下，LMRP可滿足各工況下的安全解鎖。本文只提取在最小過(guò)提力711 kN和最大解鎖角度6°工況下的有限元分析結(jié)果，如圖5所示。由圖5可知，Y-Z平面峰值應(yīng)力出現(xiàn)在阻流插入頭與母頭接觸邊緣，不影響使用，峰值應(yīng)力是由角度引起的彎矩導(dǎo)致，應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度345 MPa；X-Z平面峰值應(yīng)力出現(xiàn)在乙二醇插入頭與母頭接觸邊緣，不影響使用，拋出該峰值應(yīng)力，應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度517 MPa，滿足要求。

圖5 目標(biāo)平臺(tái)LMRP解鎖分析結(jié)果Fig .5 LMRP disconnect analysis results of the target platform

2.2 漂移分析

使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：①DS激活后，12 s完成LMRP解鎖(不包括反應(yīng)時(shí)間)；②月池凈空尺寸為24.2 m×8.7 m；③LMRP在6°前須完成解鎖(下?lián)闲越宇^角度)；④上撓性接頭角度為15°；⑤伸縮節(jié)、張力器中沖程為7.62 m；⑥作業(yè)吃水為17.50 m，生存吃水為15.50 m；⑦橫蕩慣性力系數(shù)為2.06；縱蕩慣性力系數(shù)為1.29；垂蕩慣性力系數(shù)為2.16；⑧平臺(tái)質(zhì)量為40 848×107kg；⑨上撓性接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為12.9 kN·m/(°)，下?lián)闲越宇^轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為92.0 kN·m/(°)。應(yīng)用Deepriser軟件，針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)在水深300～1 500 m的平臺(tái)-隔水管系統(tǒng)進(jìn)行分析。表1為目標(biāo)平臺(tái)開(kāi)展平臺(tái)漂移分析時(shí)的海況條件。

表1 目標(biāo)平臺(tái)漂移分析時(shí)海況條件Table 1 Target platform drift analgsis sea condition

通過(guò)分析,得出不同工況(蒲福氏等級(jí))下的漂移范圍、漂移時(shí)間與解鎖角度(流速=1.5 m/s,圖6),同時(shí)對(duì)不同流速下的漂移范圍、漂移時(shí)間與解鎖角度(BF9)進(jìn)行了對(duì)比分析(圖7)，獲得以下認(rèn)識(shí)：

1) 在應(yīng)急解脫前，所允許的漂移范圍隨著蒲福等級(jí)的增大而減小，隨著水深的增加而增大；對(duì)于解鎖時(shí)間、解鎖角度，則隨著蒲福等級(jí)的增大而降低，隨著水深的增加而增大，但變化逐漸平緩。

2) 海流流速與蒲福等級(jí)對(duì)平臺(tái)漂移產(chǎn)生的影響規(guī)律相似，但對(duì)比可以看出，海流流速對(duì)平臺(tái)漂移產(chǎn)生的影響較小。

3) 對(duì)于水深較淺的海域，由于解鎖角度較小，允許的漂移范圍窗口較窄，反應(yīng)時(shí)間較短，因此，在淺水作業(yè)須對(duì)操作程序、人為因素進(jìn)行考慮以合理確定允許的漂移范圍，建議在此區(qū)間將EDS設(shè)為自動(dòng)。

圖6 不同工況下目標(biāo)平臺(tái)應(yīng)急解脫范圍對(duì)比Fig .6 Drift-off comparisons under different conditions

圖7 不同流速下目標(biāo)平臺(tái)應(yīng)急解脫范圍對(duì)比Fig .7 Drift-off comparisons under different flow

3 結(jié)論與建議

1) 本文建立了深水動(dòng)力定位平臺(tái)應(yīng)急解脫范圍分析流程，并針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)開(kāi)展了實(shí)例分析。使用ABAQUS軟件對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的LMRP及下BOP組進(jìn)行建模，通過(guò)不同工況下的動(dòng)態(tài)分析，得出該平臺(tái)在過(guò)提711 kN情況下LMRP傾斜6°可完成解鎖；在應(yīng)急解脫前，可用的解脫時(shí)間隨著蒲福氏等級(jí)的增大與水深的減小而減少，海流流速與蒲福等級(jí)對(duì)平臺(tái)漂移產(chǎn)生的影響規(guī)律相似，但海流流速對(duì)平臺(tái)漂移產(chǎn)生的影響較小。

2) 為了防止EDS系統(tǒng)失效(無(wú)法啟動(dòng)、啟動(dòng)后未實(shí)現(xiàn)LMRP解鎖)，建議增加自動(dòng)解脫系統(tǒng)(ADS)。由于ADS設(shè)置的解鎖角度大于EDS解鎖角度，在EDS失效后可以作為補(bǔ)充實(shí)現(xiàn)LMRP自動(dòng)解鎖，從而保證深水鉆井動(dòng)力定位平臺(tái)系統(tǒng)的安全。

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(編輯：葉秋敏)

Analysis of the emergency disconnection range of dynamically positioned platforms in deep water drilling operations

JIN Xueyi WEN Jihong LI Langqing GUO Weihua ZHOU Guolin

(COSLDrillingDivision,Sanhe,Hebei065201,China)

Dynamically positioned platforms for deep water drilling will be out of control and drift in the cases of electricity outage or adverse natural conditions exceeding the DP (dynamic position) capacity, which will cause serious impact on the normal drilling operations. Based on the flexible joint angle, slip joint stroke, riser connector disconnection angle, EDS (emergency disconnection system) procedure, and operation experiences, the systematic procedures for calculating the allowable drift-off range of dynamically positioned platforms were established. The analysis model of LMRP and the lower BOP stack for the drilling platform in question (1 500 m rated DP3) were established with ABAQUS software. The results of dynamic analysis under different conditions shows that LMRP can be disconnected at 6 degrees under overload of 711 kN. With increasing Beaufort scale level or decreasing water depth, drift-off limited time for drilling platforms decreases. Current velocity has similar but lower influence than Beaufort scale level.

dynamically positioned drilling platform; emergency disconnection range; disconnection angle; drift-off analysis

金學(xué)義,男,工程師，2001年畢業(yè)于西南石油大學(xué),主要從事水下及井控裝備管理工作。地址:河北省三河市燕郊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)海油大街201號(hào)鉆井事業(yè)部(郵編：065201)。 電話:010-84528471。E-mail：jinxy5@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0116-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.019

TE52

A

2016-10-31 改回日期：2016-12-12

*國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)“海洋深水油氣安全高效鉆完井基礎(chǔ)研究 (編號(hào)：2015CB251200) ”部分研究成果。

金學(xué)義,溫紀(jì)宏,李浪清，等.深水鉆井動(dòng)力定位平臺(tái)應(yīng)急解脫范圍分析[J].中國(guó)海上油氣，2017,29(3)：116-121.

JIN Xueyi,WEN Jihong,LI Langqing,et al.Analysis of the emergency disconnection range of dynamically positioned platforms in deep water drilling operations[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):116-121.