深水钻井隔水管系统工程设计与分析软件系统开发＊

王荣耀 陈国明 畅元江 许亮斌

（1.中海油研究总院； 2.中国石油大学（华东）海洋油气装备与安全技术研究中心）

深水钻井隔水管系统工程设计与分析软件系统开发＊

王荣耀1，2陈国明2畅元江2许亮斌1

（1.中海油研究总院； 2.中国石油大学（华东）海洋油气装备与安全技术研究中心）

针对深水钻井隔水管系统专用分析软件缺乏的现状，开发出了一套具备深水钻井隔水管系统力学分析和工程设计功能的软件系统，可实现隔水管系统的静态分析、模态分析、动态分析和疲劳分析，以及隔水管系统的顶张力优化设计和浮力块配置优化设计。该软件系统采用模块化的编程方法，主体部分采用VC＋＋实现，核心求解器采用MATLAB设计，其成功开发为深水钻井隔水管系统的设计和分析提供了一个有效的工具。实例分析表明，该软件系统的计算精度满足工程应用需要。

深水钻井 隔水管系统 力学分析 工程设计 软件系统

深水钻井隔水管系统的正确使用关系到钻井作业的顺利完成甚至整个钻井平台的安全。随着海洋钻井向深水进军，隔水管的长度增加，海况也变得恶劣和复杂[1]。在这种情况下，使用专门的软件系统对隔水管系统进行分析和设计，对于减少钻井过程中隔水管系统失效的概率意义重大。针对深水钻井隔水管系统专用分析软件缺乏的现状，为了方便工程应用，在系统开展深水钻井隔水管应用技术研究的基础上，开发了基于Windows系统的深水钻井隔水管系统工程设计与分析软件系统（DD Riser）。该软件系统以VC＋＋和MATLAB为开发平台，基于有限元理论设计求解器，可用于深水钻井隔水管系统的静态分析、模态分析、动态分析和疲劳分析等；此外，该软件系统还具备顶张力优化设计和浮力块配置优化设计功能，可为深水钻井隔水管系统的设计提供参考。

1 软件系统模块划分和工作流程

1.1 模块划分

DD Riser软件系统主要包括数据库管理模块、前处理模块、模型文件生成模块、静力分析求解模块、模态分析求解模块、动力分析求解模块、疲劳分析求解模块、后处理模块、最佳顶张力计算模块和隔水管配置优化分析模块等，其中数据库管理模块、前处理模块和后处理模块又可进一步划分为不同的子模块。DD Riser软件系统的模块组成如图1所示。

图1 DD Riser软件系统的模块组成

以上模块中，静力分析求解模块、模态分析求解模块、动力分析求解模块、疲劳分析求解模块以及网格划分模块采用MATLAB语言实现，并封装成独立的可执行程序供其他模块调用，其余模块均采用VC＋＋语言实现。数据库管理模块功能较为独立，因此将其封装成单独的可执行程序。前处理模块、后处理模块和隔水管设计优化模块等封装在主程序内。各大模块之间通过数据库、配置文件和数据文件传递控制信号和数据，确保了各个模块的独立性，实现了各个模块的有效封装，同时也减少了系统升级和调试的工作量。

1.2 工作流程

DD Riser软件系统采用结构化、模块化的编程方法，根据功能需要划分各个模块。图2为DD Riser软件系统的工作流程。

图2 DD Riser软件系统的工作流程

2 软件系统的主要功能

2.1 隔水管系统数据库管理

数据库管理模块既是存储隔水管系统信息的仓库，也是隔水管配置设计的基础。DD Riser软件系统数据库管理模块共包含3个重要的数据库：隔水管系统信息数据库、隔水管单根数据库和隔水管配置数据库。隔水管系统信息数据库是隔水管系统信息的仓库，具有较强的通用性和独立性，其功能是为用户的设计、分析提供必要的参数和信息；隔水管单根数据库包含力学分析和工程设计过程中所用到的单根基础数据；隔水管配置数据库主要存储隔水管单根类型、单根数目以及隔水管的配置数据。每个数据库都配有相应的管理模块，负责数据库的查询、修改和增删等管理。

2.2 隔水管系统静态分析

静力分析求解器采用切线刚度矩阵和牛顿迭代法很好地解决了隔水管系统的大变形非线性问题。静力分析求解器在被调用后，先从配置文件读取用户设定的分析参数，再从模型文件读取网格信息，然后迭代求解大变形非线性方程，求解完成后生成静态分析数据文件和静态结果日志文件。

2.3 隔水管系统模态分析

模态分析用于确定设计结构的振动特性，即结构的固有频率与振型。模态分析模块通过求解模态方程获得模态频率和振型。为了考虑张力对模态的影响，模态分析所用的刚度矩阵通过静态分析求解模块获得。

2.4 隔水管系统动态分析

隔水管动态响应分析方法包括3种：时域规则波分析（时域确定性分析）、时域不规则波分析（时域随机振动分析）和频域分析[2]。时域随机振动分析方法能够综合考虑拖曳力的非线性、海流与隔水管的相对运动以及波浪力的影响，得到更为合理的计算结果。DD Riser软件系统采用时域分析设计隔水管系统的非线性动力求解算法，可进行隔水管系统的时域规则波分析和时域不规则波分析。该动态分析求解器能同时考虑波浪和钻井船的RAO运动对隔水管系统动态响应的影响。

2.5 隔水管系统疲劳分析

疲劳分析模块可以根据动态分析得出的应力结果，依据Miner线性损伤理论，采用S－N曲线法和雨流计数法计算隔水管系统的疲劳损伤，对隔水管系统的疲劳可靠度或寿命进行评估[3]。

2.6 隔水管顶张力优化设计

基于API RP 16Q规范[4]的顶张力理论算法和底部残余张力的顶张力确定方法来计算隔水管系统的最佳顶张力。在计算顶张力之前须进行隔水管配置的设计与选择，以确定隔水管整体的湿重。计算出的最佳顶张力值可以在隔水管浮力块配置优化分析时作为顶张力默认值。

2.7 隔水管系统配置优化分析

隔水管配置优化分析模块允许用户对指定的一组浮力块配置进行比较分析，以确定最佳的隔水管配置。该模块以静态分析的结果为依据，对伸缩节冲程、挠性接头转角和隔水管的最大等效应力等重要的作业限制参数进行对比，用户可以根据当前的作业极限来确定哪些配置符合作业要求，并从中寻找一个最佳的配置。

3 软件系统特点及与国外软件比较

DD Riser软件系统的主要特点包括：

（1）软件允许用户自己定义隔水管单根参数，支持的单根包括裸单根、浮力单根、伸缩节、水下隔水套管总成和防喷器等，涉及的参数有单根的几何参数和力学参数，用户还可根据目标井位设计隔水管配置，操作简单、方便；

（2）软件根据用户设定的配置建立隔水管系统有限元模型，所建模型可适应不同水深、壁厚、泥浆密度、浮力块配置、流剖面和波浪的要求，具有较高的精度；

（3）静态分析求解器考虑了隔水管的大变形非线性，可进行波流耦合分析，能够给出隔水管变形、弯矩、弯曲应力、等效应力和挠性接头转角等多种输出结果；

（4）采用时域动态分析方法，支持规则波和不规则波，能同时考虑波浪和钻井船的RAO运动对隔水管系统动态响应的影响；

（5）具备隔水管系统顶张力优化设计、系统配置设计和优化分析的能力，对隔水管系统的参数选取和配置设计具有指导意义；

（6）软件自行设计求解器，可脱离第三方软件独立运行，程序小巧，安装运行方便，采用模块化设计方法，更新和升级简单。

DD Riser软件系统与部分国外隔水管系统分析软件主要功能的对比情况见表1。

从表1可以看出，DD Riser不仅具备目前国外隔水管系统主流分析软件静态分析、动态分析和疲劳分析等常用功能，还具备适用于深水钻井隔水管系统的顶张力设计、系统配置设计和优化的功能。另外，表1中所列举的某些软件并非隔水管系统的专用软件，其特点是程序体积大、界面复杂、用户上手时间长、建模分析过程繁琐。从软件使用的难易程度上来说，隔水管专用分析软件的优势很明显，这也是开发DD Riser软件系统的原因之一。

表1 DD Riser软件系统与国外隔水管系统分析软件的比较

4 实例分析

针对隔水管系统在墨西哥湾海域1500 m水深应用情况进行实例分析，隔水管配置采用中间浮力单根，上下裸单根的自定义配置，隔水管流剖面选用文献[11]中所用的墨西哥湾海域1500 m水深一年一遇流剖面，分析所采用的基本参数见表2。

表2 墨西哥湾海域1500 m水深隔水管系统分析所采用的基本参数

利用本文开发的DD Riser与目前常用的ABAQUS软件对表2所述工况进行分析，得到的静态分析的部分结果如图3、4所示。由图3和图4可以看出，DD Riser的计算结果与ABAQUS的计算结果吻合良好，二者的计算结果曲线形状规律一致，

在数值上相差也不大，说明本文开发的DD Riser软件系统是可行的，其计算精度满足工程应用需要。

5 结论

（1）针对深水钻井隔水管系统专用分析软件缺乏的现状，开发出了一套深水钻井隔水管系统工程设计与分析软件系统（DD Riser）。该软件系统以近年来国内外在隔水管系统仿真分析和工程设计领域所取得的研究成果为基础，采用模块化的设计思路，以科学计算软件MATLAB设计求解器，通过VC＋＋开发用户界面，实现了二者优势的结合。

（2）软件着力解决了隔水管系统的大变形、波流耦合、时域不规则波分析等难题；具备隔水管系统顶张力优化设计、系统配置设计和优化分析的能力，对隔水管系统的参数选取和配置设计，尤其是对南海海域台风频繁的特殊环境下的钻井作业具有一定的指导意义。

（3）通过与同类软件的比较和实例分析，结果表明DD Riser软件系统具有较高的模型精度和较宽的适用范围。

[1] 陈国明，畅元江，孙友义，等.面向南海的深水钻井隔水管关键技术研究[C]∥中国科协青年科学家论坛“南海深海油气田开发的关键工程与基础科学问题”.北京：中国科学技术协会，2008.

[2] CONNOLLY J T，WYBRO P G.Riser analysis methods：comparison with measured field data[C].Texas，Offshore Technology Conference，1984：217－225.

[3] 孙友义，陈国明.超深水钻井系统隔水管波致疲劳研究[J].石油学报，2009，29（3）：146－151.

[4] API.RP 16Q，Design selection operation and maintenance of marine drilling riser system[S].Washington DC，USA：American Petroleum Institute，1993.

[5] SONG Ruxin.Riser analytical tools[R].Tianjing：Technip Offshore Inc，2004：5－7.

[6] Global Maritime Technical Services.Riser dyn manual[EB/OL].http：∥www.globalmaritime.com.

[7] PRINCIPIA.Deeplines TM－Global analysis of risers，moorings and flowlines[EB/OL].http：∥www.principia.fr/expertise－fields－software－products－deeplines－126.html.

[8] MCS KENNY.Deepriser[EB/OL].http：∥www.mcskenny.com.

[9] Orcina Ltd.Orca Flex manual[EB/OL].http：∥www.orcina.com/software Products/Documentation/orcaFlex.pdf.

[10] Stress Engineering Services.Drilling riser analysis－SES has you to vered[EB/OL].http：∥www.stress.com.

[11] 畅元江.深水钻井隔水管设计方法及其应用研究[D].山东东营：中国石油大学（华东），2008：98.

The development of design and analysis software for deepwater drilling riser system

Wang Rongyao1，2Chen Guoming2Chang Yuanjiang2Xu Liangbin1
（1.CNOOC Research Institute，Beijing，100027；2.Centre for Offshore Engineering and Safety Technology，China University of Petroleum，Shandong，257061）

Due to lack of special analysis software for deepwater drilling riser system currently，the software with mechanical analysis and engineering design functions for deepwater drilling riser system has been developed to deal with static analysis，modal analysis，dynamic analysis and fatigue analysis of the riser system as well as the top tension and buoy placement optimizations.The modular programming method is used in development of the software system.The main part of the software is developed by VC＋＋ while the solver is designed by MATLAB.The software will provide an effective tool for design and analysis of deepwater drilling riser system.The case calculation has shown that the precision of the software can meet the requirements of the engineering application.

deep water drilling；riser system；mechanical analysis；engineering design；software system

＊国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2006AA09A106－4）部分研究成果。

王荣耀，男，2011年毕业于中国石油大学（华东），获硕士学位，现主要从事深水钻井技术与装备、计算机辅助工程与仿真技术等方面的研究。地址：北京市东城区东直门外小街6号海油大厦（邮编：100027）。

2010－09－20改回日期：2011－06－27

（编辑：夏立军）