套装式井架在TLP平台的动态适应性分析

杨向前，杨 鹏，郑清华，贾俊梁

（1.中海油研究总院，北京100027；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002）

套装式井架在TLP平台的动态适应性分析

杨向前1，杨 鹏2，郑清华1，贾俊梁2

（1.中海油研究总院，北京100027；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002）

TLP海洋钻井平台的升沉运动和摇摆运动会对井架产生动态载荷，影响井架的安全性能。为了保证钻井作业的安全，以流花油田为例，在作业工况（风速为36 m／s）、2种风暴工况（风速分别是51.5 m／s，55.4 m／s）条件下，采用ANSYS软件分析了5 000 m套装井架的强度和稳定性能。分析结果表明，当考虑TLP平台附加的动载荷时，按照AISC（335-89）规定的校核公式对井架各单元进行校核，强度和稳定性的综合校核值已接近校核系数的极限值，存在安全隐患。因此，对于TLP平台上的钻井套装井架，在结构件选型设计时必须对局部结构进行加强，并进行严格的安全评估。

TLP；井架；动态载荷；分析

随着海洋石油开发逐步迈向深水，对深水适用性极高的TLP钻井平台得到了极大的发展。TLP是1种典型的顺应式平台，其动力特性介于导管架平台和半潜式平台之间。在各种海洋环境外部作用力下，TLP平台传递给其上部设备的加速度可以达到重力加速度的20%［1］，这种作用以动态载荷的形式施加于平台上部设备，从而对设备的安全性提出了更高的要求，其设计标准不仅要满足静强度要求，还要满足动力特性要求［2］。井架作为海洋钻井平台必不可少的设施，由于其纵向尺度较大，在动态载荷作用下会首当其冲。为了保证TLP钻井平台生产作业的安全性，本文以流花油田TLP项目为例，利用ANSYS有限元软件对安装于TLP上的5 000 m套装井架进行了力学分析。

1 模型建立及计算

1.1 遵循的规范及井架钢材选型

在分析计算中，井架的强度和稳定性设计计算、井架钢材性能和选型以及计算结果校核分别需要遵循的标准及规范：

API 4F（第4版），钻井和修井井架、底座。

GB／T 1591—2008，低合金高强度结构钢。

AISC（335-89），钢结构设计。

井架材料选用Q345，根据GB／T 1591—2008《低合金高强度结构钢》，井架材料的力学性能如表1所示。

表1 Q345钢材的力学性能参数

1.2 井架模型建立

在利用ANSYS软件对井架建模时，按照井架实际的结构分为6段进行建模，建立的模型如图1所示。

1.3 井架作业危险工况组合

连接TLP平台与海底的刚性筋腱始终处于受拉状态，平台的浮力由平台重力和张力筋腱的拉力平衡，平台处于“浮力富余”状态［3］，其动力特性主要由横荡和纵荡控制，其他自由度方向的加速度基本可以忽略。因此，在考虑动态载荷时主要考虑横荡和纵荡加速度。设计风载考虑了2种情况：参考CCS规定和参考邻近的陆丰7-2油田设计风速。具体载荷工况组合如表2。

图1 井架模型及单元编号

1.4 井架单元校核方法

完成有限元计算后，利用ANSYS后处理模块，按照AISC（335-89）规定校核公式，对井架各单元进行校核。AISC（335-89）规定的校核公式综合了强度校核和稳定性校核，是构件承载能力的综合判定，具体的校核公式如下：

1） 轴心受压和受弯组合应力校核公式

表2 井架作业危险工况组合

2） 轴心受拉和受弯组合应力校核公式

式（1）～（4）中：fa为计算得到的由于轴向受压引起的轴向压应力，Pa；Fa为只受轴向压力时的许用轴向压应力，Pa；Cm为无量纲系数；fb为计算得到的由于弯曲引起的轴向压应力，Pa；Fb为只受弯矩作用时的许用轴向压应力，Pa；Fe为欧拉应力除以1个安全系数，Pa；Fy为屈服应力，Pa；下标x和y分别代表不同的轴向。

另外，根据API Spec 4F的规定，对于风暴工况校核系数增加1／3。

1.5 计算结果

计算结果显示，井架中最危险的单元（ENUM）是8单元和9单元，位于井架“基段”与“下段”的连接处，如图2所示，这与实际情况完全相符。

2 结果分析

2.1 有动载和无动载情况下各工况单元最大校核值对比

各工况下单元最大校核值如表3，可以看出：操作工况下有动载作用比无动载作用的最大校核值增加了0.144（校核系数的14.4%）；风速为51.5m／s的风暴工况下有动载作用比无动载作用，最大校核值增加了0.1（校核系数的7.5%）；风速为55.4m／s的风暴工况下有动载作用比无动载作用的最大校核值增加了0.209（校核系数的15.7%）。可以看出TLP平台的动态作用对套装井架产生了明显的影响。

图2 各工况对应的最危险单元

表3 各工况下单元最大校核值

2.2 有动载和无动载情况下各工况单元校核值对比

为了更全面地分析动态作用对井架不同单元的影响程度，对比了3组工况有动载作用和无动载作用下校核值较大的单元校核结果。

1） 操作工况 36 m／s风速（参考CCS）。

对比了校核值较大的16组单元的校核结果，如图3所示。通过对比得出：有动载作用比无动载作用的单元校核值增加了0.046～0.155（校核系数的5%～16%），当量应力增加了9.246～31.155 MPa。另外，在有动载作用时，单元8的校核值达到了0.957，单元9的校核值达到了0.921，已经非常接近于校核系数极限，对于结构的安全性需要慎重考虑。

图3 操作工况单元校核结果对比

2） 风暴工况之一 51.5 m／s风速（参考CCS）。

对比了校核值较大的13组单元的校核结果，如图4所示。通过对比得出：有动载作用比无动载作用的单元校核值增加了0.142～0.478（校核系数的11%～36%），当量应力增加了28.542～96.078 MPa。另外，在有动载作用时，单元8的校核值达到了1.165，单元9的校核值达到了1.232，已经非常接近于校核系数极限，对于结构的安全性需要慎重考虑。

图4 51.5 m／s风速风暴工况单元校核结果对比

3） 风暴工况之二 55.4 m／s风速（参考陆丰7-2）。

对比了校核值较大的9组单元的校核结果，如图5所示。通过对比得出：有动载作用比无动载作用的单元校核值增加了0.097～0.423（校核系数的7%～32%），当量应力增加了19.497～85.023 MPa。另外，在有动载作用时，单元8的校核值达到了1.26，单元9的校核值达到了1.263，单元5的校核值达到了1.189，已经非常接近于校核系数极限，对于结构的安全性需要慎重考虑。

图5 55.4 m／s风速风暴工况单元校核结果对比

3 结论

1） 通过对井架在动态载荷作用下的模拟计算得出，TLP平台的动态作用对井架的强度和稳定性有重要影响，受动态载荷作用，套装井架单元的校核值有了明显的增加，部分单元的校核值已经接近校核系数的极限。

2） 在实际生产作业中，不能简单地将固定平台模块钻机直接搬到TLP平台使用，必须考虑增加钻机套装井架的强度，或改进井架的结构，使其能承受平台的动态载荷作用。

［1］ Bob Smith，Greg Carter，Ray Koon.Mini-TLP plus dynamic rig kit allows more flexibility on Prince Project［J］.Offshore，2001，61（12）：36-40.

［2］ 高学仕，汪炳贵，王栋，等.HJJ450／45-T型海洋井架动力特性分析［J］.石油矿场机械，2009，38（5）：38-41.

［3］ 谷家扬，吕海宁，杨建民.张力腿平台在随机波浪中的耦合运动响应研究［J］.船舶力学，2013，17（8）：887-900.

Dynamic Adaptability Analysis of Vertical Assembly Derrick on TLP

YANG Xiang-qian1，YANG Peng2，ZHENG Qing-hua1，JIA Jun-liang2
（1.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China；2.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China）

The heave and swing of TLP will generate dynamic load on the derrick，thus affecting the safety performance of the derrick.In order to guarantee the safety of drilling operation，taking Liuhua oilfield as an example，an analysis on strength and stability of a 5000m vertical assembly derrick has been done.The analysis has been finished with ANSYS，under operation condition（wind speed 36 m／s）and two extreme conditions（wind speed 51.5 m／s and 55.4 m／s）.Analysis results show that when considering additional dynamic load of TLP，there will be safety risks for the unity check values of some elements of the derrick are very closed to 1.0 in accordance with the check formulas in AISC（335-89）regulation.So for TLP drilling derrick，the local strengthen and rigorous safety assessment must be done during structure type selection design.

TLP；derrick；dynamic load；analysis

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.019

1001-3482（2014）12-0077-05

2014-07-30

杨向前（1970-），男，陕西户县人，硕士研究生，主要从事海洋石油钻机及修井机的技术发展规划、方案论证、新技术研究，E-mail：yangxq15＠cnooc.com.cn。