深水送入管柱導(dǎo)向系統(tǒng)力學(xué)性能及影響因素分析*

劉 康 朱敬宇 張慎顏 陳國明 張偉國

(1．中國石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心 山東青島 266580； 2．中海石油(中國)有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067)

油氣管柱是深水油氣開采系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，由于海洋環(huán)境復(fù)雜，油氣管柱及相關(guān)裝備在下放過程中會(huì)受到波浪、海流、平臺漂移等多種載荷的聯(lián)合作用而發(fā)生橫向偏移，若偏移過大則會(huì)造成管柱失效或者無法與海底裝備對接等嚴(yán)重后果[1]。利用導(dǎo)向裝置下放海底裝備是一種相對傳統(tǒng)且有效的作業(yè)方式，可控制送入管柱的橫向偏移、減小回接連接器的切入角，從而實(shí)現(xiàn)深水送入管柱與海底井口設(shè)備的精準(zhǔn)對接。然而，隨著TLP、Spar等平臺的應(yīng)用，送入管柱的安全性面臨新的挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外學(xué)者針對管柱下放、安裝作業(yè)等方面已展開相關(guān)研究，并取得了一定成果。周俊昌 等[2]研究了深水鉆井送入管柱技術(shù)及其發(fā)展趨勢，指出針對送入管柱進(jìn)行負(fù)載力學(xué)特性分析具有重要意義；Mike Campbell 等[3]提出了鉆井立管下放作業(yè)窗口的計(jì)算方法；孫友義 等[4]開展了隔水管下放回收作業(yè)過程中的軸向動(dòng)力學(xué)研究； Wang等[5]研究了影響下放隔水管變形的環(huán)境因素和操作因素；張輝 等[6]研究確定了深水作業(yè)管柱縱向振動(dòng)的最危險(xiǎn)截面。管柱下放作業(yè)過程中借助導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行輔助安裝是一種有效的方式。黃一 等[7]發(fā)明了一種實(shí)現(xiàn)頂張緊式立管與海底井口準(zhǔn)確對接的導(dǎo)向系統(tǒng)；羅俊豐 等[8]研制了一種新型水下防噴器導(dǎo)向系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于陸豐13-2油田。

目前，深水送入管柱導(dǎo)向系統(tǒng)領(lǐng)域的研究相對較少。夏日長 等[9]針對頂張緊立管安裝分析方法展開了研究，并對立管強(qiáng)度及導(dǎo)向臂載荷進(jìn)行了計(jì)算；Zhang等[10]研究了在導(dǎo)向環(huán)與立管耦合作用下Spar平臺的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并指出立管與導(dǎo)向環(huán)的接觸力對平臺運(yùn)動(dòng)影響比較明顯；周美珍 等[11]建立了采油樹導(dǎo)向安裝各階段的理論力學(xué)分析模型，并分析了不同安裝階段下放鉆桿的軸力、位移、彎矩等變化情況。但上述研究鮮有涉及深水送入管柱-導(dǎo)向繩耦合系統(tǒng)的力學(xué)行為，且分析模型有待完善和提高。本文在前人研究基礎(chǔ)上，基于多點(diǎn)約束耦合分析方法，建立深水送入管柱-導(dǎo)向環(huán)-導(dǎo)向繩的耦合動(dòng)力學(xué)分析模型，研究送入管柱導(dǎo)向下入過程關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)及其影響規(guī)律，相關(guān)成果可為送入管柱導(dǎo)向系統(tǒng)的安全作業(yè)提供參考。

1 深水送入管柱導(dǎo)向系統(tǒng)耦合分析模型

1.1 工藝分析

導(dǎo)向系統(tǒng)一般由張緊器、導(dǎo)向環(huán)、導(dǎo)向繩和水下基盤等設(shè)備組成。導(dǎo)向繩從水下井口一直連接到鉆井平臺，并始終保持張力狀態(tài)，以引導(dǎo)設(shè)備與水下井口的準(zhǔn)確對接。在對接過程中，回接連接器切入方向與豎直方向的夾角是確保引導(dǎo)設(shè)備與水下井口準(zhǔn)確對接的關(guān)鍵限制因素。導(dǎo)向下入是一種相對傳統(tǒng)的作業(yè)方式，因其具備定位準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、日常操作和維護(hù)技術(shù)易掌控等優(yōu)勢，在開空鉆頭、導(dǎo)管、套管、海底防噴器等下入過程中具有良好的適用性。此外，導(dǎo)向下入工藝在Spar和TLP平臺等叢式管柱水下設(shè)備的下放、安裝、定位作業(yè)過程中也具有廣泛的應(yīng)用。

目前，較為普遍的導(dǎo)向下入程序包括：① 前期準(zhǔn)備工作，包括導(dǎo)向環(huán)、導(dǎo)向繩、水下基盤及相關(guān)輔助設(shè)備的安裝與準(zhǔn)備；② 送入管柱的運(yùn)輸和起吊，將送入管柱運(yùn)送至指定位置；③利用吊機(jī)將管柱吊起豎立，沿導(dǎo)向系統(tǒng)逐漸下放管柱至水下井口，實(shí)現(xiàn)送入管柱與水下井口的對接；④ 送入安裝完成后，進(jìn)行后續(xù)的管柱測試與連接等工作。本文主要研究的是送入管柱從開始豎立下放至到達(dá)水下井口的過程，送入管柱導(dǎo)向下入現(xiàn)場作業(yè)如圖1所示，送入管柱上部與鉆井平臺相連，中間通過導(dǎo)向環(huán)、導(dǎo)向繩與導(dǎo)向系統(tǒng)相連，送入管柱沿導(dǎo)向系統(tǒng)逐漸下放，從而實(shí)現(xiàn)與井口的準(zhǔn)確對接與安裝。

圖1 送入管柱導(dǎo)向下入現(xiàn)場作業(yè)Fig.1 Landing strings in guided running on the operation site

1.2 力學(xué)模型

深水送入管柱導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，送入管柱在下放過程中會(huì)受到復(fù)雜海洋環(huán)境載荷以及管柱和導(dǎo)向繩之間耦合作用的影響。建立力學(xué)模型時(shí)要對深水送入管柱導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行合理簡化，并作如下假設(shè)：①送入管柱單元為理想圓管；②考慮極端工況，即波浪、海流和送入管柱系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)在同一平面內(nèi)；③導(dǎo)向繩直徑較小，因此忽略波浪、海流等海洋環(huán)境載荷對導(dǎo)向繩的作用力。

圖2 送入管柱導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 The figure of landing strings in guided running

送入管柱導(dǎo)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是位于豎直平面內(nèi)的梁在水平載荷作用下變形微分方程[12]，即

(1)

式(1)中：EI為送入管柱的抗彎剛度，N·m2；T為送入管柱的軸向力，N；m為送入管柱的線密度，kg/m；x為水平方向位移，m；y為豎直方向高度，m；F為作用于送入管柱單位長度上的水平作用力，包括海洋環(huán)境載荷及與導(dǎo)向繩之間的相互作用力，N；t為時(shí)間，s。

對送入管柱進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，同時(shí)考慮波浪和海流的動(dòng)載荷以及管柱運(yùn)動(dòng)的影響，采用修正的Morision方程[13]求解作用在送入管柱上的水動(dòng)力載荷fH,即

-vx)|ux-vx|+

(2)

式(2)中：Cd為拖曳力系數(shù)，無量綱；ux為波浪引起的水體流速，m/s；vx為海流引起的水體流速，m/s；A為單位長度送入管柱海洋環(huán)境載荷的受力面積，m；D為送入管柱的外徑，m；ax為海流引起的水體加速度，m/s2；Cm為慣性力系數(shù)；ρ為海水密度，kg/m3。

送入管柱和導(dǎo)向繩通過導(dǎo)向環(huán)進(jìn)行連接，導(dǎo)向環(huán)可沿著導(dǎo)向繩進(jìn)行滑移，兩者之間的關(guān)系采用多點(diǎn)約束進(jìn)行表征，即以導(dǎo)向環(huán)臨近位置管柱節(jié)點(diǎn)的自由度為標(biāo)準(zhǔn)值，然后令導(dǎo)向環(huán)對應(yīng)位置的導(dǎo)向繩節(jié)點(diǎn)與這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值建立某種關(guān)系，具體方程為

(3)

(4)

式(3)、(4)中：UR為從自由度，即導(dǎo)向環(huán)對應(yīng)位置導(dǎo)向繩節(jié)點(diǎn)的自由度，m；UW為主自由度，即導(dǎo)向環(huán)臨近位置送入管柱的自由度，m；Ci是權(quán)系；C0是截距增項(xiàng)，m；X、Y分別為水平方向和垂直方向標(biāo)識。

1.3 仿真模型

根據(jù)管柱力學(xué)理論基礎(chǔ)，采用ABAQUS建立深水送入管柱導(dǎo)向系統(tǒng)的有限元模型。其中,送入管柱采用ABAQUS中現(xiàn)有的管單元進(jìn)行模擬;導(dǎo)向繩一般采用鋼絲繩，屬于柔性結(jié)構(gòu)，采用桁架單元進(jìn)行模擬。送入管柱頂部隨平臺一起運(yùn)動(dòng)，需要施加位移邊界和力邊界;而導(dǎo)向繩底部與導(dǎo)向基座固定，采用固定端約束。導(dǎo)向環(huán)用來連接導(dǎo)向繩和送入管柱，以限制送入管柱的水平位移，在管柱導(dǎo)向環(huán)位置采用通用多點(diǎn)約束來模擬導(dǎo)向繩對管柱的約束作用。在管柱導(dǎo)向下入過程中，送入管柱沿導(dǎo)向環(huán)向下滑移，利用Slider模擬送入管柱與導(dǎo)向環(huán)的滑移約束作用。多點(diǎn)約束仿真技術(shù)定義了主、從節(jié)點(diǎn)自由度的耦合關(guān)系，與實(shí)際工程問題相符，且不需要輸入接觸剛度和權(quán)值，求解過程中自動(dòng)生成約束，進(jìn)而節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高仿真效果。

送入管柱導(dǎo)向下入的模擬結(jié)果如圖3所示，由圖3可知，使用導(dǎo)向系統(tǒng)可以一定程度約束管柱的水平位移，更好地實(shí)現(xiàn)送入管柱與水下井口的對接。

圖3 送入管柱導(dǎo)向下入的模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of landing strings in guided running

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以我國南海流花區(qū)塊自營井X井為例進(jìn)行計(jì)算分析，該井作業(yè)水深 340 m，送入管柱外徑為0.346 m，壁厚為0.019 m，具體配置如表1所示。導(dǎo)向繩選取公稱直徑為35 mm的EIP級鋼絲繩。由于送入管柱的下入是一個(gè)短期內(nèi)完成的過程，一般是在海況良好的環(huán)境條件下進(jìn)行作業(yè)，因此采用該井區(qū)一年一遇的實(shí)測海況參數(shù)，即表面流速為0.99 m/s、海底流速為0.31 m/s；拖曳力系數(shù)在水深0～150 m取1.2，水深超過150 m取0.7；慣性力系數(shù)為2.0；送入管柱頂部作業(yè)平臺的平均偏移為 1 m。

表1 南海流花X井送入管柱配置表Table 1 System configuration of landing strings of Well X in the Liuhua block in the South China Sea

2.2 結(jié)果分析與討論

基于上述理論分析與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在導(dǎo)向系統(tǒng)中部設(shè)置2個(gè)導(dǎo)向環(huán)(分別布置在水下100 m和200 m的位置上)，建立送入管柱-導(dǎo)向環(huán)-導(dǎo)向繩的動(dòng)力學(xué)耦合分析模型，令導(dǎo)向繩的預(yù)張力為600 kN，送入管柱與導(dǎo)向繩的穩(wěn)態(tài)位移與均方根應(yīng)力分析結(jié)果如圖4所示，水深為正時(shí)表示海平面以下位置，水深為負(fù)時(shí)表示海平面以上位置。

由圖4a可知，在波流聯(lián)合作用下送入管柱的橫向穩(wěn)態(tài)位移呈現(xiàn)樣條曲線形態(tài)，送入管柱的橫向位移顯著減小，并與導(dǎo)向繩保持一致，說明導(dǎo)向環(huán)的布置對送入管柱的橫向偏移具有良好的約束作用。此外，由于導(dǎo)向繩的剛度較小，導(dǎo)向繩在水中的橫向偏移被導(dǎo)向環(huán)分為3段斜率不同的連續(xù)直線。送入管柱與導(dǎo)向繩在海底附近相交，說明該實(shí)例井可以實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)設(shè)備與水下井口的準(zhǔn)確對接，導(dǎo)向系統(tǒng)具有良好的效果。

由圖4b可知，導(dǎo)向繩的等效應(yīng)力自上而下呈現(xiàn)線性減小的趨勢，由于導(dǎo)向繩拉力和自身重力的影響，導(dǎo)向繩頂端應(yīng)力值最大為619 MPa，該井導(dǎo)向下入作業(yè)過程中導(dǎo)向繩的強(qiáng)度滿足API Spec 9A鋼絲繩規(guī)范要求；送入管柱的等效應(yīng)力整體上呈現(xiàn)自上而下逐漸減小的趨勢，由于甲板的約束作用和飛濺區(qū)海況的影響，送入管柱頂部承受的彎矩較大，應(yīng)力最大值為113.43 MPa，小于送入管柱的屈服強(qiáng)度 552.00 MPa，管柱不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞。在水下100 m和200 m 導(dǎo)向環(huán)的布置位置送入管柱應(yīng)力出現(xiàn)極大值，說明導(dǎo)向系統(tǒng)的布置對于送入管柱的強(qiáng)度分布規(guī)律具有一定影響。此外，回接連接器的切入角是決定送入管柱能否實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對接的關(guān)鍵參數(shù)，該井中回接連接器切入角小于4°是確保送入管柱安全導(dǎo)向下入的限制標(biāo)準(zhǔn)，而切入角計(jì)算結(jié)果的最大值為1.87°，滿足1.5倍安全系數(shù)的要求，因此該井送入管柱導(dǎo)向下入過程中的回接連接器切入角滿足作業(yè)要求。

圖4 南海流花X井送入管柱與導(dǎo)向繩分析結(jié)果Fig.4 Analysis results of landing strings and guide rope of Well X in the Liuhua block in the South China Sea

3 影響因素分析

導(dǎo)向下入過程中送入管柱的力學(xué)參數(shù)受到海洋條件、管柱配置等諸多因素的影響，導(dǎo)向環(huán)和導(dǎo)向繩作為導(dǎo)向系統(tǒng)中比較重要的特征設(shè)備，其數(shù)量和預(yù)張力是相對容易控制的作業(yè)參數(shù)。因此，本文選取導(dǎo)向環(huán)數(shù)量和導(dǎo)向繩預(yù)張力2個(gè)參數(shù)進(jìn)行影響因素分析。

3.1 導(dǎo)向環(huán)數(shù)量

以本文分析實(shí)例為基礎(chǔ)模型，分別選取不同數(shù)量的導(dǎo)向環(huán)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5a可知，在導(dǎo)向環(huán)對應(yīng)位置出現(xiàn)送入管柱應(yīng)力的極大值，隨著導(dǎo)向環(huán)數(shù)量的增加，送入管柱等效應(yīng)力出現(xiàn)極大值的數(shù)目也逐漸增加，但送入管柱等效應(yīng)力的極大值有所降低。由圖5b可知，在導(dǎo)向環(huán)對應(yīng)位置導(dǎo)向繩的橫向位移出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨著導(dǎo)向環(huán)數(shù)量的增加，導(dǎo)向繩位移呈現(xiàn)的線性區(qū)間數(shù)目也逐漸增加。由圖5c可知，隨著導(dǎo)向環(huán)數(shù)量的增加，送入管柱的最大橫向位移由3.395 m減小至2.613 m，導(dǎo)向環(huán)數(shù)量由1個(gè)增加為2個(gè)時(shí)送入管柱的最大橫向位移降低幅度比較明顯，導(dǎo)向環(huán)數(shù)量繼續(xù)增加時(shí)最大橫向位移降低幅度有所減小，說明適當(dāng)增加導(dǎo)向環(huán)數(shù)量可有效控制送入管柱的最大橫向位移，降低管柱與鄰近管柱碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。由圖5d可知，隨著導(dǎo)向環(huán)數(shù)量的增加，回接連接器切入角度由2.301°減小至1.103°，導(dǎo)向環(huán)數(shù)量由1個(gè)增加至3個(gè)時(shí),回接連接器切入角降低幅度明顯，導(dǎo)向環(huán)數(shù)量繼續(xù)增加時(shí)切入角度降低幅度較小，說明增加導(dǎo)向環(huán)數(shù)量可顯著降低回接連接器的切入角度?？紤]導(dǎo)向環(huán)數(shù)量增加的作業(yè)時(shí)效，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，建議X井導(dǎo)向環(huán)數(shù)目布置為2個(gè)時(shí)最優(yōu)，2個(gè)導(dǎo)向環(huán)可對送入管柱有較強(qiáng)的約束作用，將回接連接器的切入角度控制在允許范圍，且有利于提高導(dǎo)向下入作業(yè)的效率，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 本文實(shí)例導(dǎo)向環(huán)數(shù)量影響分析Fig.5 The influence of guide ring number of the study cases in this paper

3.2 導(dǎo)向繩預(yù)張力

以本文分析實(shí)例為基礎(chǔ)模型，分別選取不同大小的導(dǎo)向繩預(yù)張力進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6a可知，導(dǎo)向繩不同預(yù)張力作用下送入管柱的均方根應(yīng)力曲線基本重合，說明導(dǎo)向繩預(yù)張力對于送入管柱的應(yīng)力水平影響較小。由圖6b可知，隨著導(dǎo)向繩預(yù)張力的增加，導(dǎo)向繩橫向偏移逐漸減小，但由于導(dǎo)向環(huán)數(shù)量和位置相同，導(dǎo)向繩位移曲線的線性區(qū)間數(shù)量及拐點(diǎn)位置保持不變。由圖6c可知，隨著導(dǎo)向繩預(yù)張力的增加，送入管柱的最大橫向位移由3.950 m減少至2.676 m，說明增加導(dǎo)向繩預(yù)張力可提高導(dǎo)向繩的約束性能。由圖6d可知，隨著導(dǎo)向繩預(yù)張力的增加，連接器切入角度由2.782°減小至1.697°，但連接器切入角的變化速度隨著導(dǎo)向繩預(yù)張力的增加而有所降低。以回接連接器切入角小于4°為判據(jù)，取1.5倍安全系數(shù)，則計(jì)算實(shí)例中送入管柱導(dǎo)向系統(tǒng)導(dǎo)向繩預(yù)張力最小值為250 kN。此外，當(dāng)預(yù)張力為800 kN時(shí)導(dǎo)向繩最大等效應(yīng)力已達(dá)到928 MPa，繼續(xù)增加導(dǎo)向繩預(yù)張力會(huì)提高平臺負(fù)載、增加作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，因此建議本文分析實(shí)例中導(dǎo)向繩預(yù)張力設(shè)置在250～600 kN的安全范圍內(nèi)。

圖6 本文實(shí)例導(dǎo)向繩預(yù)張力影響分析Fig.6 The influence of guide rope tension of the study cases in this paper

4 結(jié)論

1) 考慮送入管柱、導(dǎo)向環(huán)、導(dǎo)向繩之間的耦合作用，采用多點(diǎn)約束耦合分析方法建立深水送入管柱導(dǎo)向系統(tǒng)耦合分析模型，研究了送入管柱導(dǎo)向下入過程關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)及其規(guī)律，結(jié)果表明導(dǎo)向下入過程中送入管柱等效應(yīng)力整體上呈現(xiàn)自上而下逐漸減小的趨勢，導(dǎo)向系統(tǒng)對管柱的橫向位移和連接器切入角有顯著的影響，送入管柱頂部和導(dǎo)向環(huán)作用區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力突變的現(xiàn)象。

2) 以我國南海流花區(qū)自營井X井為分析案例，開展了導(dǎo)向環(huán)數(shù)量和導(dǎo)向繩預(yù)張力2個(gè)作業(yè)參數(shù)的影響研究，結(jié)果表明：導(dǎo)向環(huán)數(shù)量是導(dǎo)向繩位移曲線拐點(diǎn)數(shù)目的決定因素，導(dǎo)向環(huán)數(shù)量對送入管柱的應(yīng)力水平、橫向位移和回接連接器的切入角具有較為顯著的影響；提高導(dǎo)向繩預(yù)張力可有效限制送入管柱的橫向位移，降低回接連接器的切入角度，但對送入管柱的應(yīng)力水平影響較小。建議該井在工藝時(shí)效允許的情況下，考慮送入管柱的橫向位移和回接連接器的切入角度，將導(dǎo)向系統(tǒng)布置2個(gè)導(dǎo)向環(huán)相對合理；考慮管柱應(yīng)力、橫向偏移、連接切入角等限制因素，依據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場工程經(jīng)驗(yàn)確定導(dǎo)向繩預(yù)張力的安全范圍為250～600 kN。

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