動(dòng)力定位鉆井作業(yè)裝置漂移分析

王榮耀，盛磊祥，許亮斌，劉秀全

(1.湖南城市學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100027；3.中國(guó)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)

當(dāng)動(dòng)力定位鉆井作業(yè)裝置突然失去動(dòng)力時(shí)，會(huì)在風(fēng)、浪、流的共同作用下發(fā)生漂移(drift-off)，這個(gè)時(shí)候需要借助分析來(lái)確定漂移的極限點(diǎn)，以便平臺(tái)在漂移到極限位置前能夠采取有效措施來(lái)解脫隔水管，保障設(shè)備和人員安全.另外，有時(shí)平臺(tái)動(dòng)力存在但動(dòng)力定位系統(tǒng)失效，平臺(tái)會(huì)在推動(dòng)力作用下偏離井口，發(fā)生驅(qū)離(drive-off)事件.驅(qū)離事件發(fā)生時(shí)，通常需要關(guān)停動(dòng)力定位作業(yè)裝置的推進(jìn)器，將驅(qū)離事件轉(zhuǎn)化為漂移事件來(lái)處理.

我國(guó)南海的海域蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，其中大部分位于深水水域[1].深水鉆完井普遍采用動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)(船)實(shí)施作業(yè)，南海特殊的臺(tái)風(fēng)和內(nèi)波流環(huán)境給動(dòng)力定位鉆井作業(yè)裝置的定位安全性帶來(lái)了挑戰(zhàn).本文基于ISO規(guī)范[2]的一般要求，采用有限元分析方法建立動(dòng)力定位鉆井作業(yè)裝置的漂移分析模型，開(kāi)展動(dòng)力定位鉆井作業(yè)裝置漂移分析，為動(dòng)力定位鉆井作業(yè)裝置漂移事件發(fā)生時(shí)的作業(yè)決策提供指導(dǎo).

1 漂移力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

動(dòng)力定位作業(yè)裝置的漂移力計(jì)算需考慮其在風(fēng)、海流、波浪、阻尼和水動(dòng)力載荷，以及隔水管引起的載荷等作用下的的低頻響應(yīng).其中，隔水管引起的載荷通過(guò)平臺(tái)與隔水管的耦合模型予以考慮；風(fēng)、海流、波浪、阻尼和水動(dòng)力載荷則是單獨(dú)考慮，其作用位置為平臺(tái)重心.

以動(dòng)力定位裝置的重心為原點(diǎn)，在局部坐標(biāo)系中考慮環(huán)境荷載的影響，坐標(biāo)系的定義如圖1所示.動(dòng)力定位作業(yè)裝置的縱蕩(surge)方向定義為局部y坐標(biāo)方向；橫蕩(sway)方向定義為局部z坐標(biāo)方向；實(shí)時(shí)艏向θ以整體坐標(biāo)Y軸的逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?

圖1 坐標(biāo)系定義

根據(jù)其在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)形式，動(dòng)力定位作業(yè)裝置將受到縱蕩方向的作用力Fy、橫蕩方向的作用力Fz和作用于重心的搖艏運(yùn)動(dòng)力矩Mθ/G這3個(gè)自由度的廣義力作用.風(fēng)和海流方向的定義同樣也是以整體坐標(biāo)Y軸逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎c前述動(dòng)力定位作業(yè)裝置實(shí)時(shí)艏向θ的定義類(lèi)似.

1.1 水動(dòng)力載荷

作用于動(dòng)力定位作業(yè)裝置上的水動(dòng)力載荷FHy，F(xiàn)Hz和MHθ/G的計(jì)算表達(dá)式為

其中，F(xiàn)Hy和FHz分別表示作用于動(dòng)力定位作業(yè)裝置y方向和z方向的水曳力；MHθ/G表示作用于動(dòng)力定位作業(yè)裝置幾何中心的水曳力矩；Mayy，Mazz，Maθθ和Mazθ分別表示動(dòng)力定位作業(yè)裝置縱蕩運(yùn)動(dòng)、橫蕩運(yùn)動(dòng)、搖艏運(yùn)動(dòng)和橫蕩-搖艏耦合運(yùn)動(dòng)的附加質(zhì)量；θ表示動(dòng)力定位作業(yè)裝置的實(shí)時(shí)艏向；u′和v′分別表示動(dòng)力定位作業(yè)裝置與海流的相對(duì)速度在局部坐標(biāo)系y和z方向的分量.

1.2 海流載荷

作用于動(dòng)力定位作業(yè)裝置上的海流載荷FCy，F(xiàn)Cz和MCθ/G的計(jì)算表達(dá)式為

其中，F(xiàn)Cy和FCz分別表示作用于動(dòng)力定位作業(yè)裝置y方向和z方向的海流力；MCθ/G表示作用于動(dòng)力定位作業(yè)裝置幾何中心的海流力矩；ρW為海水密度；CCy，CCz和CCθ分別表示當(dāng)前入射方向下動(dòng)力定位作業(yè)裝置縱蕩、橫蕩和搖艏方向的曳力系數(shù)；T為動(dòng)力定位作業(yè)裝置的吃水深度；B為動(dòng)力定位作業(yè)裝置迎流面的寬度；Lbp為動(dòng)力定位作業(yè)裝置首尾垂線之間的距離；uC為海流流速.

1.3 波浪載荷

作用于動(dòng)力定位作業(yè)裝置上的波浪載荷的計(jì)算表達(dá)式為

其中，F(xiàn)DG(t)表示作用于動(dòng)力定位作業(yè)裝置的波浪載荷(FDy，F(xiàn)Dz和MDθ/G)；ak表示波浪譜中第k階波幅值；ωk表示波浪譜中第k階波頻率；φk表示波浪譜中第k階波相位；QTFG表示波浪在當(dāng)前入射方向和頻率下的二次傳遞函數(shù)值.sign(QTFG)表示QTFG的符號(hào)，即當(dāng)QTFG＜0時(shí)，其值為-1；當(dāng)QTFG=0時(shí)，其值為0；當(dāng)QTFG＞0時(shí)，其值為1.

1.4 阻尼載荷

作用于動(dòng)力定位作業(yè)裝置上的阻尼載荷的計(jì)算式可表示為

其中，F(xiàn)By和FBz分別表示作用于動(dòng)力定位作業(yè)裝置y方向和z方向的阻尼力；MBθ/G表示作用于動(dòng)力定位作業(yè)裝置幾何中心的阻尼力矩；Byy，Bzz和Bθθ分別表示動(dòng)力定位作業(yè)裝置縱蕩、橫蕩和搖艏運(yùn)動(dòng)的線性阻尼系數(shù).

1.5 風(fēng)載荷

作用于動(dòng)力定位作業(yè)裝置上的風(fēng)載荷可通過(guò)式(5)進(jìn)行計(jì)算，即

其中，F(xiàn)Wy和FWz分別表示作用于動(dòng)力定位作業(yè)裝置y方向和z方向的風(fēng)力；MWθ/G表示作用于動(dòng)力定位作業(yè)裝置幾何中心的風(fēng)力矩；CWy，CWz和CWθ分別表示在當(dāng)前入射方向下，動(dòng)力定位作業(yè)裝置縱蕩、橫蕩和搖艏方向的風(fēng)載阻尼系數(shù)；ρa(bǔ)表示當(dāng)前環(huán)境條件下的空氣密度；AT和AL分別表示動(dòng)力定位作業(yè)裝置橫蕩和縱蕩方向的迎風(fēng)面積；uW為風(fēng)速.

2 分析流程和分析模型

動(dòng)力定位作業(yè)裝置的漂移分析以動(dòng)力定位作業(yè)裝置-隔水管系統(tǒng)為對(duì)象，其分析流程如圖2所示.需要進(jìn)行的分析計(jì)算包括漂移發(fā)生后的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)分析、弱點(diǎn)位置計(jì)算以及隔水管系統(tǒng)解脫點(diǎn)的確定[3].

圖2 漂移分析流程

漂移分析首先需要進(jìn)行的工作是確定隔水管系統(tǒng)解脫程序啟動(dòng)時(shí)間的判斷準(zhǔn)則，這些準(zhǔn)則包括作用于結(jié)構(gòu)上的載荷是否超出其承載能力，以及管柱的變形是否會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)干涉和碰撞等[4-7]，其具體內(nèi)容如圖3所示.一旦上述因素有一項(xiàng)超出準(zhǔn)則要求，就需要立刻啟動(dòng)隔水管系統(tǒng)的緊急解脫程序，以保護(hù)隔水管系統(tǒng)及動(dòng)力定位作業(yè)裝置的安全.

圖3 漂移過(guò)程中隔水管系統(tǒng)解脫時(shí)間的判斷準(zhǔn)則

建立動(dòng)力定位作業(yè)裝置漂移分析的有限元模型，如圖4所示.考慮鉆井液和海水浮力的影響，采用管單元模擬隔水管，利用非線性彈簧建立土壤模型，導(dǎo)管底部設(shè)置為固定端，并通過(guò)自定義應(yīng)力-應(yīng)變曲線模擬張力器的張力特性.

圖4 分析模型

3 實(shí)例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以我國(guó)南海某深水井為例進(jìn)行實(shí)例分析，該井水深約750 m，采用的隔水管頂部張力為3.56 MN，分析采用的風(fēng)速為18 m/s，海流表面流速為0.88 m/s，波浪采用P-M譜進(jìn)行模擬，有效波高為4.5 m，峰值周期為9.8 s.

漂移分析除需要風(fēng)速、流剖面、波高和波浪周期等數(shù)據(jù)外，還需要用到動(dòng)力定位作業(yè)裝置在不同方向的流系數(shù)、風(fēng)系數(shù)、波浪系數(shù)和附加質(zhì)量等.其中，流系數(shù)和風(fēng)系數(shù)分別如圖5～圖6所示.

圖5 流系數(shù)

圖6 風(fēng)系數(shù)

分析采用動(dòng)力定位作業(yè)裝置為鉆井平臺(tái)，其與分析有關(guān)的主要幾何參數(shù)如表1所示.

表1 平臺(tái)幾何參數(shù)

隔水管系統(tǒng)解脫程序啟動(dòng)時(shí)間的判斷準(zhǔn)則所采用的限制值如下：

1)下?lián)闲越宇^轉(zhuǎn)角限制為6°；

2)伸縮節(jié)沖程限制為8.4 m；

3)張力器活塞桿沖程限制為7.6 m；

4)隔水管系統(tǒng)等效應(yīng)力限制為0.67σy，其中σy為隔水管材料的許用應(yīng)力(文中隔水管采用的材料為X80鋼，其許用應(yīng)力值為552 MPa)；

5)井口和導(dǎo)管彎矩限制為7.12×106N·m.

3.2 漂移分析

計(jì)算得到的漂移曲線如圖7所示.圖7中A為平臺(tái)的漂移時(shí)間-距離曲線，B為隔水管系統(tǒng)緊急解脫點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻和位置.目標(biāo)平臺(tái)EDS執(zhí)行時(shí)間為46 s，假定平臺(tái)從作業(yè)狀態(tài)到EDS啟動(dòng)的準(zhǔn)備時(shí)間為25 s，則由解脫點(diǎn)發(fā)生的時(shí)刻和位置可以推出開(kāi)始啟動(dòng)緊急脫離程序和開(kāi)始準(zhǔn)備緊急脫離程序的時(shí)間和位置.

圖7 平臺(tái)漂移曲線

由圖7可以得出：

1)黃色警戒線(開(kāi)始準(zhǔn)備緊急解脫，圖中標(biāo)注為D

)與漂移初始位置的距離為16 m；

2)紅色警戒線(開(kāi)始啟動(dòng)緊急解脫程序，圖中標(biāo)注為C)與漂移初始位置的距離為30 m；

3)緊急解脫點(diǎn)與漂移開(kāi)始位置的距離為65 m；

4)平臺(tái)漂移至黃色警戒線位置需時(shí)50 s；

5)平臺(tái)漂移至紅色警戒線位置需時(shí)75 s；

6)平臺(tái)從漂移開(kāi)始到完成解脫的時(shí)間間隔為121 s.

在該井現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中，平臺(tái)實(shí)際采用的黃色警戒線與平臺(tái)距離為16 m，紅色警戒線與平臺(tái)距離為32 m，與本文的計(jì)算結(jié)果非常接近，這說(shuō)明本文的計(jì)算方法和模型具有較高的精度，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)有一定的指導(dǎo)意義.

3.3 影響因素分析

隔水管頂部張力是影響隔水管安全的重要因素，也是影響平臺(tái)漂移參數(shù)的重要因素.不同頂部張力下平臺(tái)的漂移參數(shù)見(jiàn)表2.從表2中可看出，頂部張力越大，漂移的應(yīng)急時(shí)間就越短，頂部張力對(duì)平臺(tái)的漂移應(yīng)急時(shí)間有一定影響，但影響不大.

表2 不同頂部張力下平臺(tái)漂移參數(shù)

環(huán)境載荷對(duì)平臺(tái)漂移有著重要影響，不同海流載荷和風(fēng)載荷下平臺(tái)的漂移參數(shù)如表3～表4所示.從表3和表4中可看出，海流流速越大，漂移許可的應(yīng)急時(shí)間就越短；風(fēng)速越大，漂移許可的應(yīng)急時(shí)間也越短.因此，在惡劣的環(huán)境載荷條件下，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需要注意避免平臺(tái)漂移事件的發(fā)生.

表3 不同海流載荷下平臺(tái)漂移參數(shù)

表4 不同風(fēng)載荷下平臺(tái)漂移參數(shù)

4 結(jié)論與建議

1)研究了深水動(dòng)力定位作業(yè)裝置漂移分析方法，并基于有限元方法建立了漂移分析模型.以我國(guó)南海某深水井為例進(jìn)行實(shí)例分析，并用現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中實(shí)際采用的數(shù)據(jù)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明了該分析方法和模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)有一定的指導(dǎo)意義.

2)隔水管頂部張力對(duì)平臺(tái)的漂移應(yīng)急時(shí)間有一定的影響，頂張力越大，漂移的應(yīng)急時(shí)間就越短；環(huán)境載荷對(duì)平臺(tái)漂移有著重要影響，海流流速和風(fēng)速越大，漂移許可的應(yīng)急時(shí)間就越短.因此，在惡劣環(huán)境載荷條件下，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)應(yīng)注意避免平臺(tái)漂移事件的發(fā)生.

3)動(dòng)力定位作業(yè)裝置是深水/超深水鉆井的重要裝備.在惡劣環(huán)境狀況下，該系統(tǒng)失效造成的漂移會(huì)對(duì)深水鉆井隔水管和水下井口造成重要影響.本文的模型和方法為相關(guān)研究提供了技術(shù)手段，可為保障深水鉆井作業(yè)安全提供支持.