基于隔水管受力分析的深水鉆井平臺防臺風措施優選

宋　宇　楊　進　何　藜　李　佳　殷啟帥（中國石油大學（北京）石油工程教育重點實驗室，北京　102249）

基于隔水管受力分析的深水鉆井平臺防臺風措施優選

宋宇楊進何藜李佳殷啟帥
（中國石油大學（北京）石油工程教育重點實驗室，北京102249）

針對深水平臺作業中遭遇臺風平臺需要優選緊急避航路線的問題，利用有限元分析方法建立了隔水管拖航過程的力學模型，簡化波浪和海流作用，得到了軟、硬懸掛隔水管長度與許用最大速度關系，制定了深水鉆井平臺3種防臺措施，并給出平臺與臺風最不利位置計算模型，以某浮式鉆井平臺緊急防臺為例優選防臺措施。力學分析表明：隔水管的最大應力和最大彎矩位置出現在近海面處；浮塊數量增加，隔水管頂部最大轉角會限制平臺的最大航速；隔水管較短的情況硬懸掛方式有更快的航速，反之，軟懸掛方式最大許用航速大。防臺措施表明：根據最不利位置計算模型，可以快速計算出符合的防臺位置和防臺措施，根據安全和再作業等情況優選出最佳航行路線。

深水鉆井；隔水管；受力分析；臺風預防

遭遇超出浮式鉆井平臺自存能力的強臺風時，為免受臺風中心或中心外圍暴風區影響而致使裝備發生破壞，鉆井船應采取避航方式躲避臺風。深水鉆井過程中，因隔水管與海底井口相連，隔水管的回收作業極大地增加了深水鉆井平臺防臺的復雜性。本文以深水鉆井平臺在隔水管下放后的鉆井作業中防臺問題作為研究對象，考慮隔水管的兩種懸掛模式，分別建立不回收隔水管拖航避臺、原地回收隔水管再緊急避臺、在防臺航行中回收隔水管3種計算模型，分析3種防臺模型的適用范圍，并推薦緊急防臺方案，為平臺防臺撤離提供技術參考［1］。

1　理論模型及力學分析

1.1理論方程

拖航過程中隔水管受力主要包括橫向載荷與軸向載荷。波浪載荷與海流載荷共同作用引起橫向載荷，軸向載荷主要是自重、浮力及頂部張力產生。假設平臺航行狀態下環境載荷和隔水管彎曲變形均沿水平方向，此時隔水管動態分析微分方程為［2-3］

波浪與海流的聯合作用非常復雜，不能簡單地計算再進行疊加，通常采用修正形式的Morison方程近似計算作用于隔水管的波流聯合作用力［4］

式中，f為隔水管柱單位長度的海流載荷，包括拖拽力和慣性力，前者是由于水質點的水平速度引起，后者是由于水質點水平加速度引起，kN；C為阻力系數；ρ為海水密度，g/cm3；D為隔水管柱直徑，m；u為管柱軸線處水質點的水平方向速度，隨水深變化，m/s；du/dt為管柱軸線處水質點的水平加速度，m/s2。

隔水管軸向力分布規律如圖1所示。對于海流速度的處理依據文獻［5］，海流速度按直線分布

圖1　隔水管應力分布示意圖

1.2隔水管受力分析

隔水管作為典型薄壁構件，忽略橫向應力剪應力、浮式鉆井裝置在二階波浪力作用下的低頻運動和隔水管隨機震動，同時認為在下部隔水管總成脫開的情況下隔水管未開放系統，忽略環向應力（不會發生擠毀），認為在自重與外載荷作用下處于應力平衡狀態，屬小應變大變形問題，按照強度理論進行強度校核。

采用有限元分析方法［6-7］，選用PIPE16單元，分別建立軟、硬2種懸掛方式下隔水管應力模型，分析不同位置處應力關系。表1是隔水管基本參數。

表1　隔水管與環境載荷參數

幾何非線性分析對軟、硬懸掛方式隔水管應力分布的影響如圖2，對隔水管彎矩分布的影響如圖3。應力最大值點和彎矩最大值點都同時出現在水面以下35 m、40 m，最大應力為306 MPa、337 MPa，最大彎矩為8.1 kN·m、8.3 kN·m。套管的最大彎矩和最大復合應力幾乎同時出現，且都出現在海面以下近海面處［8-9］。

圖2　硬、軟懸掛不同位置處應力

圖3　軟、硬懸掛不同位置處彎矩

1.3失效準則

若隔水管硬懸掛在鉆井平臺上實施撤離，則應注意鉆井船高速行駛時可能導致隔水管頂端出現大應力而發生屈服；若隔水管軟懸掛在鉆井平臺上實施撤離，則應注意鉆井平臺高速行駛時可能導致隔水管與月池發生碰撞［10］。

非作業模式下，硬懸掛隔水管最大許用應力為材料屈服強度的0.8倍［11］。對屈服強度為660 MPa的套管，最大許用應力σmax為441 MPa。

軟懸掛撤離時，隔水管最大許用轉角為10°［12］。得出1 000 m、2 000 m、3 000 m裸單根轉角最大許用速度分別為4.4 m/s、6.2 m/s、7.7 m/s；包裹直徑1.13 m浮塊，浮塊長度按照隔水管全長的60%計算，轉角最大許用速度vθmax分別為1.4 m/s、2.0 m/s、2.4 m/s。

海洋環境載荷對隔水管的強度影響十分顯著，隨著波浪、海流載荷的增大，隔水管柱的變形和應力快速增加，在不同的載荷（海流速度）的作用下，不同長度管柱、是否包袱浮塊、浮塊尺寸等對結果影響非常大。采用有限元分析模型，分別建立不同管長隔水管裸單根和裝有浮塊（參數見表1）2種情況下速度與最大應力關系，隨管長增加，限制速度的主要因素從最大轉角變為最大屈服應力。無論采用何種懸掛方式最大速度均應小于材料安全屈服應力。

2　防臺風措施

求臺風與平臺的可能最不利位置方法分4步。第1步，根據海流速度、流向、臺風預測路徑（圖4），查得不同管長不同懸掛方式下允許最大速度，建立坐標系，海流方向與x軸夾角為φ，確定航向與流向之間夾角θ，計算此防臺措施在該方向上的最大許用平臺航速vB，先回收隔水管再進行拖航的方法不需進行此計算。

圖4　最近遭遇距離

第2步，根據相對運動法則，利用速度三角形法求得臺風的相對運動速度

圖4中直線LR為臺風中心相對運動路線，過B0

作相對運動直線LR的垂線L0，B0L0即為此種航向上未來船-臺的最近遭遇距離，根據臺風危險等級劃定合理的危險區域E，計算公式

第3步，根據t=R/|vR|，求得最短距離所需時間，帶入公式（6），求得距離最近時臺風中心和平臺位置。

第4步，綜合考慮最短距離和良好避臺位置，分別確定3種防臺措施平臺不同航向的最近遭遇距離，結合再作業情況、隔水管疲勞損壞情況等進行優選。

3　實例計算

基本數據：隔水管外徑 508 mm，壁厚25.4 mm，材料80#鋼，長度1 000 m，屈服強度550 MPa，彈性模量206.8 GPa，泊松比0.3；若上部接頭采用軟懸掛，抗彎剛度12.5 kN·m/（°），最大轉角10°，若上部接頭采用硬懸掛方式最大張力440 MPa臺風速度矢量是vA=12i+5j（ km/h），臺風中心和船體位置分別為A（00，0）和B（02 000，1 000），臺風為1年1遇，海流速度矢量v流=3.7i（ km/h），懸掛隔水管2 000 m。

3.1隔水管回收作業中航行

假設隔水管回收速度70 m/h，平臺航速和隔水管回收時間成非線性關系，分別計算與海流夾角，θ=［0°，45°，180°］，采用牛頓迭代法。

采用硬懸掛方式下，vr= –4.3×10–3×（2000–70t）+16，采用軟懸掛方式下，vr=1.4×10–3×（2000–70t）+3.816，兩種方式最近遭遇距離見表1。。

3.2不回收航行

軟、硬懸掛2 000 m隔水管的最大需用速度分別為vr硬=6.55 （km/h）、vr軟=7.2 （km/h）。

采用軟硬懸掛方式下，分別計算與海流夾角θ=［0°，45°，180°］，最近遭遇距離，見表2。

表2　不回收航行時采用硬、軟懸掛方式下不同海流角下最近遭遇距離

3.3回收作業結束后航行

假設隔水管回收速度70 m/h，平臺航行速度7節（12.96 km/h），2 000 m隔水管的全部回收需要28.57 h，此時臺風中心坐標（428.57，0）。分別計算與海流方向夾角θ=［0°，45°，180°］，最近遭遇距離見表3。

表3　回收作業結束后采用軟懸掛方式下不同海流角下最近遭遇距離

對3種不同措施的最短遭遇距離進行對比，臺風影響區域為陰影E，則陰影外的區域為安全區域，同時堅持盡量遠離臺風的原則進行措施優選。

4　結論

（1）隨著波流載荷的增大，隔水管的應力顯著增加，隔水管的最大應力和最大彎矩位置出現在近海面處。

（2）隨著浮塊的增加，隔水管頂部最大轉角會限制平臺的最大航速；隔水管較短硬懸掛方式有更快的拖航速度，反之，軟懸掛方式拖航速度快。

（3）根據避臺措施的最不利位置計算模型，可以快速計算出符合的避臺位置和避臺措施，根據安全和再作業等情況優選出的避臺措施和航行路線，為安全和后續作業提供可靠依據。

［1］劉秀全，陳國明，暢元江，等.臺風條件下深水鉆井隔水管觸底事故分析及對策［J］.石油勘探與開發，2013，40（6）：738-742.

［2］幸雪松，閆偉，鄧金根，等.深水流速剖面對隔水管橫向載荷的影響［J］.石油工程建設，2012，28（4）：8-10.

［3］張煒，高德利，范春英.鉆井隔水管擠毀分析［J］.鉆采工藝，2010，33（4）：74-76，140.

［4］周俊昌.海洋深水鉆井隔水管系統分析［D］.成都：西南石油學院，2001.

［5］馬馳，董艷秋，楊麗婷.海洋平臺張力腿在兩種邊界條件下的渦激非線性振動的比較研究［J］.船舶力學，2000，4（1）：56-65.

［6］王金峰，張靜，張廷廷，等.基于abaqus的深水鉆柱變形分析［J］.遼寧化工，2012，41（10）：1071-1072，1098.

［7］蘇堪華，管志川，劉繼林.深水水上防噴器鉆井系統高壓套管隔水管強度分析［J］.鉆采工藝，2013，36（2）：80-83，10.

［8］劉彩虹，楊進，曹式敬，等.海洋深水鉆井隔水管力學特性分析［J］.石油鉆采工藝，2008，30（2）：28-31.

［9］李中，楊進，曹式敬，等.深海水域鉆井隔水管力學特性分析［J］.石油鉆采工藝，2007，29（1）：19-21，118.

［10］高灃，高玉平，張嘯斐，等.海洋鉆井隔水管懸掛狀態下軸向動力特性比對研究［J］.中國造船，2014，8（2）：114-121.

［11］趙煥寶，侯曉東雷廣進，等.深水鉆井隔水管疲勞試驗載荷分析［J］.石油礦場機械，2013，42（2）：32-35.

［12］暢元江，陳國明，孫友義，等.深水鉆井隔水管的準靜態非線性分析［J］.中國石油大學學報：自然科學版，2008，32（3）：114-118.

（修改稿收到日期2014-12-31）

〔編輯薛改珍〕

Preferred anti-typhoon measures for deepwater drilling platform based on
riser force analysis

SONG Yu, YANG Jin, HE Li, LI Jia, YIN Qishuai
（MOE Key Laboratory for Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

To address the problem that deepwater platform operations have to preferably choose navigation avoidance routes in the case of typhoon, the finite element method is used to build a mechanical model about the towing process of riser in which the roles of waves and currents are simplified. The relation between the lengths of soft and hard suspension risers and the allowable maximum velocity is worked out and three anti-typhoon measures for deepwater drilling platform are developed. The model to calculate the most unfavorable positions of platform in the case of typhoon is provided and the preferred anti-typhoon measures are identified with a floating drilling platform as an example. The mechanical analysis shows that: the positions of riser under the maximum stress and the maximum bending moment appear offshore; when the number of floating blocks is increased, the maximum angle at the top of the riser will limit the maximum navigational speed of the platform; when the riser is short, hard suspension will enable faster speed; otherwise, soft suspension will enable the maximum allowable speed. The anti-typhoon measures suggest that: the computational model based on the most unfavorable positions can quickly calculate the appropriate anti-typhoon position and measures and the preferred navigation route can be selected according to the safety and re-operation.

deepwater drilling; riser; force analysis; anti-typhoon measures

TE58

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0147 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.038

國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究”（編號：51434009）；“深水鉆井表層導管噴射鉆進機理研究”（編號：51274223）。

宋宇，1987年生?，F主要從事海洋石油工程技術研究工作，在讀博士。電話：18610929029。E-mail：504169887@qq.com。

2014-11-30）

引用格式：宋宇，楊進，何藜，等. 基于隔水管受力分析的深水鉆井平臺防臺風措施優選［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：147-150.