基于隔水管受力分析的深水钻井平台防台风措施优选

宋　宇　杨　进　何　藜　李　佳　殷启帅（中国石油大学（北京）石油工程教育重点实验室，北京　102249）

基于隔水管受力分析的深水钻井平台防台风措施优选

宋宇杨进何藜李佳殷启帅
（中国石油大学（北京）石油工程教育重点实验室，北京102249）

针对深水平台作业中遭遇台风平台需要优选紧急避航路线的问题，利用有限元分析方法建立了隔水管拖航过程的力学模型，简化波浪和海流作用，得到了软、硬悬挂隔水管长度与许用最大速度关系，制定了深水钻井平台3种防台措施，并给出平台与台风最不利位置计算模型，以某浮式钻井平台紧急防台为例优选防台措施。力学分析表明：隔水管的最大应力和最大弯矩位置出现在近海面处；浮块数量增加，隔水管顶部最大转角会限制平台的最大航速；隔水管较短的情况硬悬挂方式有更快的航速，反之，软悬挂方式最大许用航速大。防台措施表明：根据最不利位置计算模型，可以快速计算出符合的防台位置和防台措施，根据安全和再作业等情况优选出最佳航行路线。

深水钻井；隔水管；受力分析；台风预防

遭遇超出浮式钻井平台自存能力的强台风时，为免受台风中心或中心外围暴风区影响而致使装备发生破坏，钻井船应采取避航方式躲避台风。深水钻井过程中，因隔水管与海底井口相连，隔水管的回收作业极大地增加了深水钻井平台防台的复杂性。本文以深水钻井平台在隔水管下放后的钻井作业中防台问题作为研究对象，考虑隔水管的两种悬挂模式，分别建立不回收隔水管拖航避台、原地回收隔水管再紧急避台、在防台航行中回收隔水管3种计算模型，分析3种防台模型的适用范围，并推荐紧急防台方案，为平台防台撤离提供技术参考［1］。

1　理论模型及力学分析

1.1理论方程

拖航过程中隔水管受力主要包括横向载荷与轴向载荷。波浪载荷与海流载荷共同作用引起横向载荷，轴向载荷主要是自重、浮力及顶部张力产生。假设平台航行状态下环境载荷和隔水管弯曲变形均沿水平方向，此时隔水管动态分析微分方程为［2-3］

波浪与海流的联合作用非常复杂，不能简单地计算再进行叠加，通常采用修正形式的Morison方程近似计算作用于隔水管的波流联合作用力［4］

式中，f为隔水管柱单位长度的海流载荷，包括拖拽力和惯性力，前者是由于水质点的水平速度引起，后者是由于水质点水平加速度引起，kN；C为阻力系数；ρ为海水密度，g/cm3；D为隔水管柱直径，m；u为管柱轴线处水质点的水平方向速度，随水深变化，m/s；du/dt为管柱轴线处水质点的水平加速度，m/s2。

隔水管轴向力分布规律如图1所示。对于海流速度的处理依据文献［5］，海流速度按直线分布

图1　隔水管应力分布示意图

1.2隔水管受力分析

隔水管作为典型薄壁构件，忽略横向应力剪应力、浮式钻井装置在二阶波浪力作用下的低频运动和隔水管随机震动，同时认为在下部隔水管总成脱开的情况下隔水管未开放系统，忽略环向应力（不会发生挤毁），认为在自重与外载荷作用下处于应力平衡状态，属小应变大变形问题，按照强度理论进行强度校核。

采用有限元分析方法［6-7］，选用PIPE16单元，分别建立软、硬2种悬挂方式下隔水管应力模型，分析不同位置处应力关系。表1是隔水管基本参数。

表1　隔水管与环境载荷参数

几何非线性分析对软、硬悬挂方式隔水管应力分布的影响如图2，对隔水管弯矩分布的影响如图3。应力最大值点和弯矩最大值点都同时出现在水面以下35 m、40 m，最大应力为306 MPa、337 MPa，最大弯矩为8.1 kN·m、8.3 kN·m。套管的最大弯矩和最大复合应力几乎同时出现，且都出现在海面以下近海面处［8-9］。

图2　硬、软悬挂不同位置处应力

图3　软、硬悬挂不同位置处弯矩

1.3失效准则

若隔水管硬悬挂在钻井平台上实施撤离，则应注意钻井船高速行驶时可能导致隔水管顶端出现大应力而发生屈服；若隔水管软悬挂在钻井平台上实施撤离，则应注意钻井平台高速行驶时可能导致隔水管与月池发生碰撞［10］。

非作业模式下，硬悬挂隔水管最大许用应力为材料屈服强度的0.8倍［11］。对屈服强度为660 MPa的套管，最大许用应力σmax为441 MPa。

软悬挂撤离时，隔水管最大许用转角为10°［12］。得出1 000 m、2 000 m、3 000 m裸单根转角最大许用速度分别为4.4 m/s、6.2 m/s、7.7 m/s；包裹直径1.13 m浮块，浮块长度按照隔水管全长的60%计算，转角最大许用速度vθmax分别为1.4 m/s、2.0 m/s、2.4 m/s。

海洋环境载荷对隔水管的强度影响十分显著，随着波浪、海流载荷的增大，隔水管柱的变形和应力快速增加，在不同的载荷（海流速度）的作用下，不同长度管柱、是否包袱浮块、浮块尺寸等对结果影响非常大。采用有限元分析模型，分别建立不同管长隔水管裸单根和装有浮块（参数见表1）2种情况下速度与最大应力关系，随管长增加，限制速度的主要因素从最大转角变为最大屈服应力。无论采用何种悬挂方式最大速度均应小于材料安全屈服应力。

2　防台风措施

求台风与平台的可能最不利位置方法分4步。第1步，根据海流速度、流向、台风预测路径（图4），查得不同管长不同悬挂方式下允许最大速度，建立坐标系，海流方向与x轴夹角为φ，确定航向与流向之间夹角θ，计算此防台措施在该方向上的最大许用平台航速vB，先回收隔水管再进行拖航的方法不需进行此计算。

图4　最近遭遇距离

第2步，根据相对运动法则，利用速度三角形法求得台风的相对运动速度

图4中直线LR为台风中心相对运动路线，过B0

作相对运动直线LR的垂线L0，B0L0即为此种航向上未来船-台的最近遭遇距离，根据台风危险等级划定合理的危险区域E，计算公式

第3步，根据t=R/|vR|，求得最短距离所需时间，带入公式（6），求得距离最近时台风中心和平台位置。

第4步，综合考虑最短距离和良好避台位置，分别确定3种防台措施平台不同航向的最近遭遇距离，结合再作业情况、隔水管疲劳损坏情况等进行优选。

3　实例计算

基本数据：隔水管外径 508 mm，壁厚25.4 mm，材料80#钢，长度1 000 m，屈服强度550 MPa，弹性模量206.8 GPa，泊松比0.3；若上部接头采用软悬挂，抗弯刚度12.5 kN·m/（°），最大转角10°，若上部接头采用硬悬挂方式最大张力440 MPa台风速度矢量是vA=12i+5j（ km/h），台风中心和船体位置分别为A（00，0）和B（02 000，1 000），台风为1年1遇，海流速度矢量v流=3.7i（ km/h），悬挂隔水管2 000 m。

3.1隔水管回收作业中航行

假设隔水管回收速度70 m/h，平台航速和隔水管回收时间成非线性关系，分别计算与海流夹角，θ=［0°，45°，180°］，采用牛顿迭代法。

采用硬悬挂方式下，vr= –4.3×10–3×（2000–70t）+16，采用软悬挂方式下，vr=1.4×10–3×（2000–70t）+3.816，两种方式最近遭遇距离见表1。。

3.2不回收航行

软、硬悬挂2 000 m隔水管的最大需用速度分别为vr硬=6.55 （km/h）、vr软=7.2 （km/h）。

采用软硬悬挂方式下，分别计算与海流夹角θ=［0°，45°，180°］，最近遭遇距离，见表2。

表2　不回收航行时采用硬、软悬挂方式下不同海流角下最近遭遇距离

3.3回收作业结束后航行

假设隔水管回收速度70 m/h，平台航行速度7节（12.96 km/h），2 000 m隔水管的全部回收需要28.57 h，此时台风中心坐标（428.57，0）。分别计算与海流方向夹角θ=［0°，45°，180°］，最近遭遇距离见表3。

表3　回收作业结束后采用软悬挂方式下不同海流角下最近遭遇距离

对3种不同措施的最短遭遇距离进行对比，台风影响区域为阴影E，则阴影外的区域为安全区域，同时坚持尽量远离台风的原则进行措施优选。

4　结论

（1）随着波流载荷的增大，隔水管的应力显著增加，隔水管的最大应力和最大弯矩位置出现在近海面处。

（2）随着浮块的增加，隔水管顶部最大转角会限制平台的最大航速；隔水管较短硬悬挂方式有更快的拖航速度，反之，软悬挂方式拖航速度快。

（3）根据避台措施的最不利位置计算模型，可以快速计算出符合的避台位置和避台措施，根据安全和再作业等情况优选出的避台措施和航行路线，为安全和后续作业提供可靠依据。

［1］刘秀全，陈国明，畅元江，等.台风条件下深水钻井隔水管触底事故分析及对策［J］.石油勘探与开发，2013，40（6）：738-742.

［2］幸雪松，闫伟，邓金根，等.深水流速剖面对隔水管横向载荷的影响［J］.石油工程建设，2012，28（4）：8-10.

［3］张炜，高德利，范春英.钻井隔水管挤毁分析［J］.钻采工艺，2010，33（4）：74-76，140.

［4］周俊昌.海洋深水钻井隔水管系统分析［D］.成都：西南石油学院，2001.

［5］马驰，董艳秋，杨丽婷.海洋平台张力腿在两种边界条件下的涡激非线性振动的比较研究［J］.船舶力学，2000，4（1）：56-65.

［6］王金峰，张静，张廷廷，等.基于abaqus的深水钻柱变形分析［J］.辽宁化工，2012，41（10）：1071-1072，1098.

［7］苏堪华，管志川，刘继林.深水水上防喷器钻井系统高压套管隔水管强度分析［J］.钻采工艺，2013，36（2）：80-83，10.

［8］刘彩虹，杨进，曹式敬，等.海洋深水钻井隔水管力学特性分析［J］.石油钻采工艺，2008，30（2）：28-31.

［9］李中，杨进，曹式敬，等.深海水域钻井隔水管力学特性分析［J］.石油钻采工艺，2007，29（1）：19-21，118.

［10］高沣，高玉平，张啸斐，等.海洋钻井隔水管悬挂状态下轴向动力特性比对研究［J］.中国造船，2014，8（2）：114-121.

［11］赵焕宝，侯晓东雷广进，等.深水钻井隔水管疲劳试验载荷分析［J］.石油矿场机械，2013，42（2）：32-35.

［12］畅元江，陈国明，孙友义，等.深水钻井隔水管的准静态非线性分析［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2008，32（3）：114-118.

（修改稿收到日期2014-12-31）

〔编辑薛改珍〕

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

国家自然科学基金“海洋深水浅层钻井关键技术基础理论研究”（编号：51434009）；“深水钻井表层导管喷射钻进机理研究”（编号：51274223）。

宋宇，1987年生。现主要从事海洋石油工程技术研究工作，在读博士。电话：18610929029。E-mail：504169887@qq.com。

2014-11-30）

引用格式：宋宇，杨进，何藜，等. 基于隔水管受力分析的深水钻井平台防台风措施优选［J］.石油钻采工艺，2015，37（1）：147-150.