深水送入管柱导向系统力学性能及影响因素分析*

刘 康 朱敬宇 张慎颜 陈国明 张伟国

(1．中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心 山东青岛 266580； 2．中海石油(中国)有限公司深圳分公司 广东深圳 518067)

油气管柱是深水油气开采系统的关键组成部分，由于海洋环境复杂，油气管柱及相关装备在下放过程中会受到波浪、海流、平台漂移等多种载荷的联合作用而发生横向偏移，若偏移过大则会造成管柱失效或者无法与海底装备对接等严重后果[1]。利用导向装置下放海底装备是一种相对传统且有效的作业方式，可控制送入管柱的横向偏移、减小回接连接器的切入角，从而实现深水送入管柱与海底井口设备的精准对接。然而，随着TLP、Spar等平台的应用，送入管柱的安全性面临新的挑战。

国内外学者针对管柱下放、安装作业等方面已展开相关研究，并取得了一定成果。周俊昌 等[2]研究了深水钻井送入管柱技术及其发展趋势，指出针对送入管柱进行负载力学特性分析具有重要意义；Mike Campbell 等[3]提出了钻井立管下放作业窗口的计算方法；孙友义 等[4]开展了隔水管下放回收作业过程中的轴向动力学研究； Wang等[5]研究了影响下放隔水管变形的环境因素和操作因素；张辉 等[6]研究确定了深水作业管柱纵向振动的最危险截面。管柱下放作业过程中借助导向系统进行辅助安装是一种有效的方式。黄一 等[7]发明了一种实现顶张紧式立管与海底井口准确对接的导向系统；罗俊丰 等[8]研制了一种新型水下防喷器导向系统，并成功应用于陆丰13-2油田。

目前，深水送入管柱导向系统领域的研究相对较少。夏日长 等[9]针对顶张紧立管安装分析方法展开了研究，并对立管强度及导向臂载荷进行了计算；Zhang等[10]研究了在导向环与立管耦合作用下Spar平台的动态响应，并指出立管与导向环的接触力对平台运动影响比较明显；周美珍 等[11]建立了采油树导向安装各阶段的理论力学分析模型，并分析了不同安装阶段下放钻杆的轴力、位移、弯矩等变化情况。但上述研究鲜有涉及深水送入管柱-导向绳耦合系统的力学行为，且分析模型有待完善和提高。本文在前人研究基础上，基于多点约束耦合分析方法，建立深水送入管柱-导向环-导向绳的耦合动力学分析模型，研究送入管柱导向下入过程关键力学参数及其影响规律，相关成果可为送入管柱导向系统的安全作业提供参考。

1 深水送入管柱导向系统耦合分析模型

1.1 工艺分析

导向系统一般由张紧器、导向环、导向绳和水下基盘等设备组成。导向绳从水下井口一直连接到钻井平台，并始终保持张力状态，以引导设备与水下井口的准确对接。在对接过程中，回接连接器切入方向与竖直方向的夹角是确保引导设备与水下井口准确对接的关键限制因素。导向下入是一种相对传统的作业方式，因其具备定位准确、作业成本低、日常操作和维护技术易掌控等优势，在开空钻头、导管、套管、海底防喷器等下入过程中具有良好的适用性。此外，导向下入工艺在Spar和TLP平台等丛式管柱水下设备的下放、安装、定位作业过程中也具有广泛的应用。

目前，较为普遍的导向下入程序包括：① 前期准备工作，包括导向环、导向绳、水下基盘及相关辅助设备的安装与准备；② 送入管柱的运输和起吊，将送入管柱运送至指定位置；③利用吊机将管柱吊起竖立，沿导向系统逐渐下放管柱至水下井口，实现送入管柱与水下井口的对接；④ 送入安装完成后，进行后续的管柱测试与连接等工作。本文主要研究的是送入管柱从开始竖立下放至到达水下井口的过程，送入管柱导向下入现场作业如图1所示，送入管柱上部与钻井平台相连，中间通过导向环、导向绳与导向系统相连，送入管柱沿导向系统逐渐下放，从而实现与井口的准确对接与安装。

图1 送入管柱导向下入现场作业Fig.1 Landing strings in guided running on the operation site

1.2 力学模型

深水送入管柱导向系统结构如图2所示，送入管柱在下放过程中会受到复杂海洋环境载荷以及管柱和导向绳之间耦合作用的影响。建立力学模型时要对深水送入管柱导向系统进行合理简化，并作如下假设：①送入管柱单元为理想圆管；②考虑极端工况，即波浪、海流和送入管柱系统的运动在同一平面内；③导向绳直径较小，因此忽略波浪、海流等海洋环境载荷对导向绳的作用力。

图2 送入管柱导向系统结构Fig.2 The figure of landing strings in guided running

送入管柱导向系统的数学模型是位于竖直平面内的梁在水平载荷作用下变形微分方程[12]，即

(1)

式(1)中：EI为送入管柱的抗弯刚度，N·m2；T为送入管柱的轴向力，N；m为送入管柱的线密度，kg/m；x为水平方向位移，m；y为竖直方向高度，m；F为作用于送入管柱单位长度上的水平作用力，包括海洋环境载荷及与导向绳之间的相互作用力，N；t为时间，s。

对送入管柱进行动态分析时，同时考虑波浪和海流的动载荷以及管柱运动的影响，采用修正的Morision方程[13]求解作用在送入管柱上的水动力载荷fH,即

-vx)|ux-vx|+

(2)

式(2)中：Cd为拖曳力系数，无量纲；ux为波浪引起的水体流速，m/s；vx为海流引起的水体流速，m/s；A为单位长度送入管柱海洋环境载荷的受力面积，m；D为送入管柱的外径，m；ax为海流引起的水体加速度，m/s2；Cm为惯性力系数；ρ为海水密度，kg/m3。

送入管柱和导向绳通过导向环进行连接，导向环可沿着导向绳进行滑移，两者之间的关系采用多点约束进行表征，即以导向环临近位置管柱节点的自由度为标准值，然后令导向环对应位置的导向绳节点与这个标准值建立某种关系，具体方程为

(3)

(4)

式(3)、(4)中：UR为从自由度，即导向环对应位置导向绳节点的自由度，m；UW为主自由度，即导向环临近位置送入管柱的自由度，m；Ci是权系；C0是截距增项，m；X、Y分别为水平方向和垂直方向标识。

1.3 仿真模型

根据管柱力学理论基础，采用ABAQUS建立深水送入管柱导向系统的有限元模型。其中,送入管柱采用ABAQUS中现有的管单元进行模拟;导向绳一般采用钢丝绳，属于柔性结构，采用桁架单元进行模拟。送入管柱顶部随平台一起运动，需要施加位移边界和力边界;而导向绳底部与导向基座固定，采用固定端约束。导向环用来连接导向绳和送入管柱，以限制送入管柱的水平位移，在管柱导向环位置采用通用多点约束来模拟导向绳对管柱的约束作用。在管柱导向下入过程中，送入管柱沿导向环向下滑移，利用Slider模拟送入管柱与导向环的滑移约束作用。多点约束仿真技术定义了主、从节点自由度的耦合关系，与实际工程问题相符，且不需要输入接触刚度和权值，求解过程中自动生成约束，进而节省计算时间，提高仿真效果。

送入管柱导向下入的模拟结果如图3所示，由图3可知，使用导向系统可以一定程度约束管柱的水平位移，更好地实现送入管柱与水下井口的对接。

图3 送入管柱导向下入的模拟结果Fig.3 Simulation results of landing strings in guided running

2 计算实例

2.1 基础数据

以我国南海流花区块自营井X井为例进行计算分析，该井作业水深 340 m，送入管柱外径为0.346 m，壁厚为0.019 m，具体配置如表1所示。导向绳选取公称直径为35 mm的EIP级钢丝绳。由于送入管柱的下入是一个短期内完成的过程，一般是在海况良好的环境条件下进行作业，因此采用该井区一年一遇的实测海况参数，即表面流速为0.99 m/s、海底流速为0.31 m/s；拖曳力系数在水深0～150 m取1.2，水深超过150 m取0.7；惯性力系数为2.0；送入管柱顶部作业平台的平均偏移为 1 m。

表1 南海流花X井送入管柱配置表Table 1 System configuration of landing strings of Well X in the Liuhua block in the South China Sea

2.2 结果分析与讨论

基于上述理论分析与基础数据，在导向系统中部设置2个导向环(分别布置在水下100 m和200 m的位置上)，建立送入管柱-导向环-导向绳的动力学耦合分析模型，令导向绳的预张力为600 kN，送入管柱与导向绳的稳态位移与均方根应力分析结果如图4所示，水深为正时表示海平面以下位置，水深为负时表示海平面以上位置。

由图4a可知，在波流联合作用下送入管柱的横向稳态位移呈现样条曲线形态，送入管柱的横向位移显著减小，并与导向绳保持一致，说明导向环的布置对送入管柱的横向偏移具有良好的约束作用。此外，由于导向绳的刚度较小，导向绳在水中的横向偏移被导向环分为3段斜率不同的连续直线。送入管柱与导向绳在海底附近相交，说明该实例井可以实现引导设备与水下井口的准确对接，导向系统具有良好的效果。

由图4b可知，导向绳的等效应力自上而下呈现线性减小的趋势，由于导向绳拉力和自身重力的影响，导向绳顶端应力值最大为619 MPa，该井导向下入作业过程中导向绳的强度满足API Spec 9A钢丝绳规范要求；送入管柱的等效应力整体上呈现自上而下逐渐减小的趋势，由于甲板的约束作用和飞溅区海况的影响，送入管柱顶部承受的弯矩较大，应力最大值为113.43 MPa，小于送入管柱的屈服强度 552.00 MPa，管柱不会发生强度破坏。在水下100 m和200 m 导向环的布置位置送入管柱应力出现极大值，说明导向系统的布置对于送入管柱的强度分布规律具有一定影响。此外，回接连接器的切入角是决定送入管柱能否实现精准对接的关键参数，该井中回接连接器切入角小于4°是确保送入管柱安全导向下入的限制标准，而切入角计算结果的最大值为1.87°，满足1.5倍安全系数的要求，因此该井送入管柱导向下入过程中的回接连接器切入角满足作业要求。

图4 南海流花X井送入管柱与导向绳分析结果Fig.4 Analysis results of landing strings and guide rope of Well X in the Liuhua block in the South China Sea

3 影响因素分析

导向下入过程中送入管柱的力学参数受到海洋条件、管柱配置等诸多因素的影响，导向环和导向绳作为导向系统中比较重要的特征设备，其数量和预张力是相对容易控制的作业参数。因此，本文选取导向环数量和导向绳预张力2个参数进行影响因素分析。

3.1 导向环数量

以本文分析实例为基础模型，分别选取不同数量的导向环进行对比分析，结果如图5所示。由图5a可知，在导向环对应位置出现送入管柱应力的极大值，随着导向环数量的增加，送入管柱等效应力出现极大值的数目也逐渐增加，但送入管柱等效应力的极大值有所降低。由图5b可知，在导向环对应位置导向绳的横向位移出现拐点，随着导向环数量的增加，导向绳位移呈现的线性区间数目也逐渐增加。由图5c可知，随着导向环数量的增加，送入管柱的最大横向位移由3.395 m减小至2.613 m，导向环数量由1个增加为2个时送入管柱的最大横向位移降低幅度比较明显，导向环数量继续增加时最大横向位移降低幅度有所减小，说明适当增加导向环数量可有效控制送入管柱的最大横向位移，降低管柱与邻近管柱碰撞的风险。由图5d可知，随着导向环数量的增加，回接连接器切入角度由2.301°减小至1.103°，导向环数量由1个增加至3个时,回接连接器切入角降低幅度明显，导向环数量继续增加时切入角度降低幅度较小，说明增加导向环数量可显著降低回接连接器的切入角度。考虑导向环数量增加的作业时效，结合现场实际情况，建议X井导向环数目布置为2个时最优，2个导向环可对送入管柱有较强的约束作用，将回接连接器的切入角度控制在允许范围，且有利于提高导向下入作业的效率，降低作业风险。

图5 本文实例导向环数量影响分析Fig.5 The influence of guide ring number of the study cases in this paper

3.2 导向绳预张力

以本文分析实例为基础模型，分别选取不同大小的导向绳预张力进行对比分析，结果如图6所示。由图6a可知，导向绳不同预张力作用下送入管柱的均方根应力曲线基本重合，说明导向绳预张力对于送入管柱的应力水平影响较小。由图6b可知，随着导向绳预张力的增加，导向绳横向偏移逐渐减小，但由于导向环数量和位置相同，导向绳位移曲线的线性区间数量及拐点位置保持不变。由图6c可知，随着导向绳预张力的增加，送入管柱的最大横向位移由3.950 m减少至2.676 m，说明增加导向绳预张力可提高导向绳的约束性能。由图6d可知，随着导向绳预张力的增加，连接器切入角度由2.782°减小至1.697°，但连接器切入角的变化速度随着导向绳预张力的增加而有所降低。以回接连接器切入角小于4°为判据，取1.5倍安全系数，则计算实例中送入管柱导向系统导向绳预张力最小值为250 kN。此外，当预张力为800 kN时导向绳最大等效应力已达到928 MPa，继续增加导向绳预张力会提高平台负载、增加作业风险，因此建议本文分析实例中导向绳预张力设置在250～600 kN的安全范围内。

图6 本文实例导向绳预张力影响分析Fig.6 The influence of guide rope tension of the study cases in this paper

4 结论

1) 考虑送入管柱、导向环、导向绳之间的耦合作用，采用多点约束耦合分析方法建立深水送入管柱导向系统耦合分析模型，研究了送入管柱导向下入过程关键力学参数及其规律，结果表明导向下入过程中送入管柱等效应力整体上呈现自上而下逐渐减小的趋势，导向系统对管柱的横向位移和连接器切入角有显著的影响，送入管柱顶部和导向环作用区域出现应力突变的现象。

2) 以我国南海流花区自营井X井为分析案例，开展了导向环数量和导向绳预张力2个作业参数的影响研究，结果表明：导向环数量是导向绳位移曲线拐点数目的决定因素，导向环数量对送入管柱的应力水平、横向位移和回接连接器的切入角具有较为显著的影响；提高导向绳预张力可有效限制送入管柱的横向位移，降低回接连接器的切入角度，但对送入管柱的应力水平影响较小。建议该井在工艺时效允许的情况下，考虑送入管柱的横向位移和回接连接器的切入角度，将导向系统布置2个导向环相对合理；考虑管柱应力、横向偏移、连接切入角等限制因素，依据计算结果并结合现场工程经验确定导向绳预张力的安全范围为250～600 kN。

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