极端内波流作用下顶张紧立管干涉响应影响研究

周巍伟，曹　静，张恩勇

(中海油 研究总院，北京 100028)①



o专题研究o

极端内波流作用下顶张紧立管干涉响应影响研究

周巍伟，曹静，张恩勇

(中海油 研究总院，北京 100028)①

摘要：张力腿平台相邻顶张紧立管间的干涉响应是决定水下井口布置和上部浮体结构设计的关键因素。中国南海典型海域极端内波流具有流速大、次数多、周期短和难于预测等特点，是相邻顶张紧立管干涉响应的主要因素。为了评估极端内波流影响，采用三维非线性梁单元结合Huse’s涡流振子模型和“管中管”模型对顶张紧立管间干涉响应进行有限元分析。结果表明：极端内波流、顶部张紧力、涡激振动和浮体偏移距离等因素对顶张紧立管间干涉响应有显著影响。

关键词：顶张紧立管；内波流；尾流模型；有限元

顶张紧立管上部连接浮体，下部连接井口高压井筒等结构，具备采油和钻完井作业能力。顶张紧立管是海洋干式采油关键设备，适用于中等水深和深水张力腿平台，国内外已建成的24座张力腿平台全部采用顶张紧立管完成采油和钻完井工作。

顶张紧立管呈阵列布置，相邻的立管之间有一定距离。立管间距直接决定着水下井口的布置密度和上部浮体结构钻修机的能力，是重要的设计参数。立管间距主要受立管振动最小干涉间距和水下施工作业等因素影响。顶张紧立管在极端海流作用下发生动态响应，产生较大偏移，如果设计不当，相邻的顶张紧立管之间可能发生反复碰撞，造成立管损坏、原油泄露等严重后果。

内波流是中国南海海域特殊的海流载荷，其具有流速大、次数多、周期短[1]和难于预测等特点。根据有关观测资料，极端内波流最快可以在3min之内流速达到3～4节，最多时每天发生约20次。内波流与常规的极端流速分布不一致，具有一定的剪切流的性质。在内波流作用下，立管会发生较大的变形，相邻的立管之间存在发生干涉效应的可能性大幅增加。并且立管在内波流作用下会受涡激振动影响，涡激振动对拖曳力放大的效应使得不同立管段之间的受力放大不一致，这也是立管间发生干涉效应的重要影响因素。

Ryan Koska等[2]就Spar平台的顶张紧立管干涉影响间距开展研究，重点分析了螺旋列板对顶张紧立管响应影响；Wentao Dai等[3]采用Blevin’s尾流模型开展了顶张紧立管的干涉影响；Erling Huse[4]针对张力腿平台顶张紧立管之间的干涉影响开展了数值研究，给出了尾流模型，并提出应考虑拖曳力系数与雷诺数之间的关系。Sherry Xiang等[5]从顶张紧立管之间干涉影响的角度分析了顶张紧立管用于半潜式平台干式采油的可能性。

本文针对中国南海典型海域极端内波流作用下应用于张力腿平台的顶张紧立管之间干涉响应影响开展了研究，采用三维非线性梁单元、“管中管”模型和Huse’s尾流模型开展有限元分析，得到极端内波流下顶张紧立管之间干涉响应影响，并研究了顶部张紧力、涡激振动和浮体偏移距离等因素对立管间干涉响应的影响。研究结果对中国南海海域顶张紧立管设计具有参考意义。

1简述

1.1涡激振动对拖曳力放大系数的影响

立管间净间距主要是受顺流向变形控制，拖曳力系数是决定立管顺流向变形的主要因素。立管在内波流的作用下拖曳力系数受涡激振动的影响会发生放大，其放大幅值为立管的振幅A和直径D之比的函数。拖曳力放大系数采用试验的方法得到。Vandiver等[6]给出的拖曳力放大系数μ的计算方法为：

(1)

(2)

1.2Huse’s尾流模型基本理论

Huse’s 尾流模型如图1所示。vc是上游结构来流速度，vR是下游结构受尾涡影响折减后的来流速度，L和T是上下游结构中心的水平距离和垂直距离。

图1　Huse’s 尾流模型示意

作用在下游结构上的拖曳力采用折减后的流速计算。尾涡区域内流体速度u为：

(3)

峰值涡流速为U0，此时涡流速沿着涡的中心线(y=0)分布。

(4)

涡半宽b是涡中心线到涡速等于峰值涡速1/2点的距离。

(5)

与下游结构一定距离内，式(3)～(5)可直接使用；当与结构距离非常近，涡峰值非常高并且窄，这将导致计算峰值涡速结果错误[4]。为了修正这一限制条件，Huse引入虚拟涡源的概念，用xs替代式(4)和式(5)中x，即：

3.1.4 吸痰深度 对照组应用的确定吸痰管插入深度的方法为长于气管导管端0.5～1 cm，碰到阻力后往上提0.5 cm，再提供负压吸引［13］。这种方法可能会发生组织损伤和炎症反应，吸痰导致的损伤可以引起肉芽组织形成，导致支气管狭窄，肺气肿和肺不张。Ahn等［14］采用深部吸痰法，深部吸痰法可以从吸出的痰液中找到大量的呼吸道黏膜柱状上皮细胞，说明深部吸痰法容易造成组织的损伤。故应用测量法，根据气管插管插入的长度来确定吸痰深度的办法可更有利于减少这些并发症。

xs=xv+x

(6)

在上游结构的中心，涡半宽与结构外径的半宽相等，采用式(5)计算涡源的位置。当x在上游结构的中心时，x=0，式(6)变化为：

xs=xv

(7)

(8)

下游结构折减后的流速为：

vR=vc-u

(9)

下游结构的拖曳力为：

(10)

式中：ρ为流体密度；Dd为Huse’s模型修正后的外径；Cdd为Huse’s模型修正后的拖曳力系数；Cdu为上游立管拖曳力系数。

2南海典型极端内波流作用下顶张力管分析

2.1分析基础

本文研究的目标油田位于中国南海水深约400 m的海域。该油田新建一座张力腿平台，共有生产顶张紧立管10根，用于生产作业；钻井顶张紧立管1根，用于钻完井作业。与墨西哥湾作业模式有所不同，钻井顶张紧立管作业完毕后回收，没有为它设计专门空间“存放”。

中国南海环境条件恶劣，并且在钻完井作业过程中经常发生内波流。中国南海内波流发生频度高、作用时间短，极端内波流最大流速绝对值几乎和百年一遇台风条件下的流速相当，对立管结构造成严重的影响。目标油田的极端内波流流速如图2所示。

图2　中国南海典型海域内波流流速分布

2.2三维有限元模型

选取钻井顶张紧立管为“上游立管”，生产顶张紧立管为“下游立管”，开展立管响应影响研究。钻井立管和生产立管之间的间距为4.5 m。钻井顶张紧立管和生产顶张紧立管均为单套管结构。钻井顶张紧立管内部为钻杆，生产顶张紧立管内部为油管。顶张紧立管的主要结构参数如表1所示。

生产顶张紧立管需考虑外层套管和内部油管的共同作用，需建立等效的有限元梁模型或者“管中管”模型来合理模拟刚度。本文采用三维梁单元和“管中管”模型进行分析，直接模拟双层管作用，可直接得到内外层管的力学结果。

表1　顶张紧立管结构参数

图3　生产立管有限元模型

图4　钻井立管有限元模型

每一根顶张紧立管通过4个张紧器与平台相连。顶张紧立管的张紧器采用非线性弹簧模拟，其弹性刚度是决定立管张紧状态的重要参数，立管的弹性刚度如图5所示。

图5　立管张紧器刚度

2.3涡激振动作用下拖曳力放大系数

立管在来流作用下受涡激振动影响造成立管结构拖曳力系数发生放大，放大系数计算结果如图6～7所示。

3.4立管响应影响分析

生产立管在内波流来流的上方向，钻井立管在生产立管的下流向。在极端内波流作用下，浮体在顺流向偏移25 m，立管会随着浮体的偏移一同偏移。最终生产立管和钻井立管的构型如图8。内波流作用下顶张紧立管间距如图9所示。从图9可知，生产立管和钻井立管最小净间距为0.73 m，立管结构在中上部分受流力作用较大，偏移较大，此段立管发生碰撞风险较大。

图6　生产顶张紧立管拖曳力放大系数

图7　钻井顶张紧立管拖曳力放大系数

DNV RP F203[7]是关于立管间干涉影响分析的权威规范，其采用立管净间距来判定立管间是否发生干涉响应。判断原则是相邻立管之间不发生碰撞，如果立管间净间距大于立管等效直径的2倍，则可认为立管之间不发生干涉影响。立管等效直径采用式(11)计算。

ODeq=0.5·(ODup+ODdown)

(11)

式中：ODeq是等效外径，ODup是上游立管外径，ODdown是下游立管外径。

本例中立管等效直径为0.36 m，最小净间距是等效直径的2.03倍。满足DNV RP F203的要求，可认为立管间在极端内波流作用下不会发生干涉影响。

图8　内波流作用下顶张紧立管偏移

图9　内波流作用下顶张紧立管间距

3敏感因素分析及优化设计

3.1顶张力影响

顶张紧立管的张力状态直接影响其他力学性能。一般认为，较大的顶张力可以更好地限制立管在较大的外部载荷作用下的偏移。但是，较大的顶部张力也会使立管系统的整体刚度变大，立管的固有频率变大，这就要求重新开展涡激振动分析，得到更新后的拖曳力放大系数来评估立管的变形。为了评估顶张力对立管偏移的影响，选取如图10所示的生产立管刚度，3种张紧器张力在张紧器冲程为0时分别为193 760、242 200、 290 640 N，钻井立管保持初始刚度不变。

图10　生产顶张紧立管刚度

由分析结果可知，生产立管处于较大顶部张力的情况下，生产立管与钻井立管之间的最小净间距更大，为0.80 m。生产立管处于初始顶部张力的情况下，生产立管与钻井立管之间的净间距较小，如图9所示，为0.73 m。生产立管处于较小顶部张力的情况下，生产立管与钻井立管之间的净间距更小，为0.19 m。如图11～12所示。

图11　极端内波流作用下生产立管较小顶部张力时立管偏移

图12　极端内波流作用下生产立管较大顶部张力时立管偏移

3.2涡激振动影响

立管在极端内波流作用下会发生涡激振动，对立管拖曳力有放大效果。以初始顶部张力生产立管和钻井立管为例开展涡激振动影响分析，考虑涡激振动和不考虑涡激振动情况下立管偏移净间距结果如图13所示。考虑涡激振动影响立管之间的净间距为0.73 m，不考虑涡激振动影响立管之间的净间距为2.41 m。分析结果显示，涡激振动对立管偏移影响显著，在立管极端响应分析时应重点考虑。

图13　涡激振动作用下顶张紧立管净间距

3.3浮体运动影响

浮体在极端内波流的作用下会发生偏移，与浮体相连的立管张紧器也会随着浮体一起偏移，这将导致张紧器的正冲程变大，立管将处于更加张紧的状态，使得立管抗极端流作用的变形更小。为了评估浮体运动对立管偏移的影响，选取浮体初始偏移距离分别为0、25、35 m进行分析，结果如图14所示。从图14可知，在极端内波流作用下，浮体偏移0、25、35 m时的最小净间距分别为-0.32、0.73、0.82 m。说明浮体的偏移作用对立管之间的间距有一定影响，且浮体受内波流作用偏移越大，立管之间净间距有逐渐增大的趋势。因此，合理选取浮体偏移的设计参数有利于正确开展立管间净间距分析。

4结论

1)中国南海典型海域极端内波流对顶张紧立管响应变形有显著影响，立管间最小净间距为0.73 m，存在立管发生碰撞的风险。

图14　浮体偏移作用下顶张紧立管间净间距

2)张力对顶张紧立管干涉影响显著，较大的顶张力会增加立管系统的刚度，使得立管在极端内波流作用下不易变形，立管之间的净间距更小。

3)涡激振动影响下拖曳力放大系数影响显著，不考虑涡激振动影响的立管净间距是考虑涡激振动影响立管净间距的3倍。

4)浮体运动对立管间净间距有一定影响，随着浮体运动逐渐变大，立管张紧器的张力变大，立管处于更加张紧的状态，立管间净间距有变大的趋势。

参考文献：

[1]蔡树群，何建玲，谢皆烁.近10年来南海孤立内波的研究进展[J].地球科学进展，2011，26(7)：703-710.

[2]Ryan K，Jim K，Mike C，et al.Minimizing Interference bwtween Top Tension Risers for Tension Leg Platforms[C]//OMAE 11182，2013.

[3]Wentao D，Dakshina M，Shutao X.Some Considerations on TTR Wake Interference Analysis[C]//OMAE 24436，2014.

[4]Erling Huse.Interaction in Dee-Sea Arrays[C]//OTC 7237，1993.

[5]Sherry X，Peimin C，Jeff O，et al.Top Tension Riser Interference with Dry-tree Semisubmersible[C]// OMAE 24624，2014.

[6]Kim V.Drag Coefficients of Long Flexible Cylinders[C]// OTC 4490，1983.

[7]Det Norske Veritas.Riser Interference[S].Oslo：Det Norske Veritas，2009.

Study on Interference Effect of Top Tension Riser in the Extreme Soliton Current

ZHOU Weiwei，CAO Jing，ZHANG Enyong

(ResearchInstitute，CNOOC，Beijing100028，China)

Abstract：The interference of adjacent top tension risers in the tensioned leg platform is the key issue in well layout and floater performance design.The extreme soliton in South China Sea is the critical factor for riser structure dynamic interference response as the high current，high frequency，low period and hard forecast.The 3D nonlinear beam element FEM is used to evaluate the riser response in the extreme soliton environment with the Huse’s wake model and pipe-in-pipe model.The results show that the extreme soliton，top tension，vortex induced vibration and floater offset have an important influence on top tension riser interference response.

Keywords：top tension riser；soliton；wake model；FEM

文章编号：1001-3482(2016)06-0001-06

收稿日期：2015-12-21

基金项目：国家科技重大专项子项目 “深水海底管道和立管工程技术”(2011ZX05026-005)

作者简介：周巍伟(1985-)，男，四川广安人，工程师，硕士，主要从事深水立管和海底管道结构工程设计和研究工作，E-mail：zhouww4@cnooc.com.cn。

中图分类号：TE952

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.001