顶张紧立管安装分析方法研究

夏日长，李 旭，杨 琥

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

张力腿平台(TLP)干树系统是如今深水油气开发中较为经济的开发方式之一。TLP设计关键之一为顶张紧立管(TTR)设计。TTR通常是由一系列的钢管在顶部通过张紧设施与TLP连接，底部与固定于井口上的应力节点等连接的立管结构形式[1]。TTR的安装过程与普通外输立管不同，通过TLP自身钻井设备，在钻台完成接长并逐根下放，最终完成与水下井口的连接。TTR安装过程中在波浪、海流以及TLP耦合运动的影响下，会发生较大偏移，引起与其他已存在立管的干涉及自身强度问题。为保证TTR的顺利安装，需要使用立管安装导向臂并进行必要的干涉分析及强度分析，确定导向臂的布置数量和平台绞车的能力，并为选择合适的气候窗提供依据。

TTR在国际海洋工程界已经有一定的理论研究和实践经验，而国内目前对于深水立管(包括TTR)仍然处于研究阶段，未在国内海域进行实际工程检验。本文以南海深水TLP设计项目为依托，对TTR安装过程进行分析，确定导向系统能力，基于安装分析结果对业界常用系统的绞车能力、导向杆长度与导向臂选型等进行设计论证与定量分析，并对比了不同安装气候窗下的导向系统能力。

1 TTR安装流程介绍

钻井立管及生产立管完井状态的主要安装流程包括安装导向绳、起吊应力管段、防喷器(BOP)短节连接、立管与井口头连接、钻井立管系统压力测试及张紧器与张力管段连接。其中在立管张力转换之前由TLP井架及钻杆悬挂立管管段提供安装张力，安装分析主要针对第一根标准管段入水到整体立管底部与井口头连接这个过程。

2 TTR安装分析

TTR立管系统主要包含井口区设备、张紧器系统、立管管体、立管导向系统和水下井口系统，涉及到安装分析的主要有立管管体和立管导向系统。

TTR安装分析研究的目的主要是确定TTR安装所需要的合适气候窗和合理的导向系统布置，以适应TTR立管安装过程，确保TTR立管在安装过程中满足以下要求：

安装时与周围的其他立管不发生干涉；立管应力水平满足规范要求；立管安装角度满足施工误差要求。

2.1 分析原理

TTR安装分析基于立管从TLP平台连接至海平面井口头的整个过程，在安装过程中立管自身强度、与周边立管是否产生干涉以及立管底部安装角度偏差是安装分析的主要控制项。安装计算分析采用有限元软件进行模拟，施加环境荷载和功能荷载，合理设置边界条件和有限元网格划分，分别依据规范API RP 2RD[2]对TTR安装过程的强度和DNV-RP-F203[3]对TTR安装过程中的干涉计算结果进行校核评估。

2.2 有限元模型

使用通用大型有限元软件ABAQUS[4]建立TTR立管模型，选用3D梁单元进行计算分析，确保计算的可靠性。

根据TTR的整体结构形式自下向上建立不同管段属性梁单元，在张力环位置建立4根张紧器弹簧单元，一端与钻井立管张力环位置使用铰接单元耦合，另一端使用边界条件与张力腿平台耦合。防喷器及伸缩节内外套筒同样等效为梁单元，其中伸缩节内套筒的轴向刚度选取较小值以模拟其运动伸缩，导向臂和TTR采用共点方式耦合。

为保证模型关键点的计算精度，对单元的网格划分需要特殊考虑，在张紧器、应力节点等应力突变位置需要加大单元网格密度。

导向臂是TTR立管导向系统的组成部分，是立管安装的重要构件，合理布置导向臂是TTR安装的基本前提。

导向臂主要有3种类型：刚性导向臂、柔性导向臂和刚性连接导向臂，分别如图1～3所示。刚性导向臂限制能力强，可承受拉力和压力；柔性导向臂只能承受拉力；刚性连接导向臂一般用在最底端和基盘连接，可承受拉力和压力。3种导向臂的合理布置能保证立管安装的安全，也能保证安装流程的最优化，减少海上施工工程量。

图1 刚性导向臂Fig.1 Rigid guide arm

图2 柔性导向臂Fig.2 Flexible guide arm

图3 刚性连接导向臂Fig.3 Rigid tieback guide arm

2.3 安装分析工况

TTR安装分析需使得立管在安装的不同状态中管道应力、位置参数等满足相关技术要求，因此需要选择合理的计算工况。

2.3.1 立管安装工况

TTR立管在安装过程中是逐步进入到水中的，可以选取几个典型状态[5]进行立管的相关计算分析，如：立管刚进入海水中;立管一半进入海水中；立管完全进入海水中并与基盘进行连接。

实际计算可根据设计的不同阶段以及计算结果的趋势进行立管安装工况的合理增减，保证安装计算分析的可靠性。

在安装钻井立管的过程中，上下游都是生产立管；在安装生产立管的过程中，上游是生产立管，下游可能是生产立管或钻井立管。

由于钻井立管的刚度比较大，位移相对较小，因此在计算分析中考虑生产立管会更加保守，减少计算工况和计算工作量。

2.3.2 导向臂位置工况

导向臂的合理放置也是TTR立管安装经济、可靠的重要因素。根据水深、管道尺寸、井口区布置等相关信息进行导向臂的初步设置，如：在立管中部设置1个刚性导向臂；在立管中部设置3个柔性导向臂；在立管中部设置1个刚性导向臂和2个柔性臂；在立管中部设置2个刚性导向臂和1个柔性臂。

在布置导向臂的过程中也可以适当调整导向绳的张力，再根据计算分析的结果调整导向臂的数量、位置等相关参数，使导向臂的布置最优化。

3 分析结果

以南中国海海域TLP平台为例，对TTR进行安装分析。使用的数据如表1所示。

表1 计算参数

TTR立管安装分析的主要结果是立管应力和立管是否发生干涉。

表2给出典型TTR安装分析的结果，从中可以看出TTR立管的应力许用值(UC值)[2，6]都小于1，在允许范围内。但是相邻的立管在部分工况下发生干涉，图4给出了立管干涉[3，7]的分析结果。从相关计算结果可以看出需要调整导向臂的位置、导向绳的张力等来重新试算，直至计算结果满足要求。

图3 安装分析干涉结果Fig.3 Interference results in installation analysis

此外，在相关计算结果满足要求后，还需要提取导向臂位置的荷载供后续设计和设备采办使用，如表3所示。

表2 安装分析结果

表3 导向臂载荷

4 结 语

研究表明，深水TTR立管安装对气候要求很高，需要选择合理的定期气候窗，并给出不同的工况和合理的导向臂布置，才能最终确保TTR立管安装的可行性和经济性。本文的设计经验可为未来类似的工程项目提供借鉴。

[1] 中海石油研究中心. 深水立管选型报告[R]. 2011.

[2] American Petroleum Institure. API RP 2RD. Design of risers for floating production systems (FPSs) and tension-leg platforms (TLPs) [S]. 2009.

[3] DNV-RP-F203. Riser interference [S]. 2009.

[4] 曹金凤，石亦平. ABAQUS有限元软件常见问题解答[M].北京： 机械工业出版社，2009.

[5] Westlake A, Quinn R, Critical aspects to the design and installation of top tension riser [C]. OMAE,2007:29637.

[6] American Petroleum Institure. API-RP-2A. Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design[S]. 2000.

[7] Huse E.Interaction in deep-sea riser array[C]. OTC, 1993:7237.