深水鉆井隔水管系統(tǒng)工程設(shè)計與分析軟件系統(tǒng)開發(fā)＊

王榮耀 陳國明 暢元江 許亮斌

（1.中海油研究總院； 2.中國石油大學(xué)（華東）海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心）

深水鉆井隔水管系統(tǒng)工程設(shè)計與分析軟件系統(tǒng)開發(fā)＊

王榮耀1，2陳國明2暢元江2許亮斌1

（1.中海油研究總院； 2.中國石油大學(xué)（華東）海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心）

針對深水鉆井隔水管系統(tǒng)專用分析軟件缺乏的現(xiàn)狀，開發(fā)出了一套具備深水鉆井隔水管系統(tǒng)力學(xué)分析和工程設(shè)計功能的軟件系統(tǒng)，可實現(xiàn)隔水管系統(tǒng)的靜態(tài)分析、模態(tài)分析、動態(tài)分析和疲勞分析，以及隔水管系統(tǒng)的頂張力優(yōu)化設(shè)計和浮力塊配置優(yōu)化設(shè)計。該軟件系統(tǒng)采用模塊化的編程方法，主體部分采用VC＋＋實現(xiàn)，核心求解器采用MATLAB設(shè)計，其成功開發(fā)為深水鉆井隔水管系統(tǒng)的設(shè)計和分析提供了一個有效的工具。實例分析表明，該軟件系統(tǒng)的計算精度滿足工程應(yīng)用需要。

深水鉆井 隔水管系統(tǒng) 力學(xué)分析 工程設(shè)計 軟件系統(tǒng)

深水鉆井隔水管系統(tǒng)的正確使用關(guān)系到鉆井作業(yè)的順利完成甚至整個鉆井平臺的安全。隨著海洋鉆井向深水進軍，隔水管的長度增加，海況也變得惡劣和復(fù)雜[1]。在這種情況下，使用專門的軟件系統(tǒng)對隔水管系統(tǒng)進行分析和設(shè)計，對于減少鉆井過程中隔水管系統(tǒng)失效的概率意義重大。針對深水鉆井隔水管系統(tǒng)專用分析軟件缺乏的現(xiàn)狀，為了方便工程應(yīng)用，在系統(tǒng)開展深水鉆井隔水管應(yīng)用技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于Windows系統(tǒng)的深水鉆井隔水管系統(tǒng)工程設(shè)計與分析軟件系統(tǒng)（DD Riser）。該軟件系統(tǒng)以VC＋＋和MATLAB為開發(fā)平臺，基于有限元理論設(shè)計求解器，可用于深水鉆井隔水管系統(tǒng)的靜態(tài)分析、模態(tài)分析、動態(tài)分析和疲勞分析等；此外，該軟件系統(tǒng)還具備頂張力優(yōu)化設(shè)計和浮力塊配置優(yōu)化設(shè)計功能，可為深水鉆井隔水管系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 軟件系統(tǒng)模塊劃分和工作流程

1.1 模塊劃分

DD Riser軟件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫管理模塊、前處理模塊、模型文件生成模塊、靜力分析求解模塊、模態(tài)分析求解模塊、動力分析求解模塊、疲勞分析求解模塊、后處理模塊、最佳頂張力計算模塊和隔水管配置優(yōu)化分析模塊等，其中數(shù)據(jù)庫管理模塊、前處理模塊和后處理模塊又可進一步劃分為不同的子模塊。DD Riser軟件系統(tǒng)的模塊組成如圖1所示。

圖1 DD Riser軟件系統(tǒng)的模塊組成

以上模塊中，靜力分析求解模塊、模態(tài)分析求解模塊、動力分析求解模塊、疲勞分析求解模塊以及網(wǎng)格劃分模塊采用MATLAB語言實現(xiàn)，并封裝成獨立的可執(zhí)行程序供其他模塊調(diào)用，其余模塊均采用VC＋＋語言實現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫管理模塊功能較為獨立，因此將其封裝成單獨的可執(zhí)行程序。前處理模塊、后處理模塊和隔水管設(shè)計優(yōu)化模塊等封裝在主程序內(nèi)。各大模塊之間通過數(shù)據(jù)庫、配置文件和數(shù)據(jù)文件傳遞控制信號和數(shù)據(jù)，確保了各個模塊的獨立性，實現(xiàn)了各個模塊的有效封裝，同時也減少了系統(tǒng)升級和調(diào)試的工作量。

1.2 工作流程

DD Riser軟件系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的編程方法，根據(jù)功能需要劃分各個模塊。圖2為DD Riser軟件系統(tǒng)的工作流程。

圖2 DD Riser軟件系統(tǒng)的工作流程

2 軟件系統(tǒng)的主要功能

2.1 隔水管系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理

數(shù)據(jù)庫管理模塊既是存儲隔水管系統(tǒng)信息的倉庫，也是隔水管配置設(shè)計的基礎(chǔ)。DD Riser軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理模塊共包含3個重要的數(shù)據(jù)庫：隔水管系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫、隔水管單根數(shù)據(jù)庫和隔水管配置數(shù)據(jù)庫。隔水管系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫是隔水管系統(tǒng)信息的倉庫，具有較強的通用性和獨立性，其功能是為用戶的設(shè)計、分析提供必要的參數(shù)和信息；隔水管單根數(shù)據(jù)庫包含力學(xué)分析和工程設(shè)計過程中所用到的單根基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；隔水管配置數(shù)據(jù)庫主要存儲隔水管單根類型、單根數(shù)目以及隔水管的配置數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)庫都配有相應(yīng)的管理模塊，負責數(shù)據(jù)庫的查詢、修改和增刪等管理。

2.2 隔水管系統(tǒng)靜態(tài)分析

靜力分析求解器采用切線剛度矩陣和牛頓迭代法很好地解決了隔水管系統(tǒng)的大變形非線性問題。靜力分析求解器在被調(diào)用后，先從配置文件讀取用戶設(shè)定的分析參數(shù)，再從模型文件讀取網(wǎng)格信息，然后迭代求解大變形非線性方程，求解完成后生成靜態(tài)分析數(shù)據(jù)文件和靜態(tài)結(jié)果日志文件。

2.3 隔水管系統(tǒng)模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率與振型。模態(tài)分析模塊通過求解模態(tài)方程獲得模態(tài)頻率和振型。為了考慮張力對模態(tài)的影響，模態(tài)分析所用的剛度矩陣通過靜態(tài)分析求解模塊獲得。

2.4 隔水管系統(tǒng)動態(tài)分析

隔水管動態(tài)響應(yīng)分析方法包括3種：時域規(guī)則波分析（時域確定性分析）、時域不規(guī)則波分析（時域隨機振動分析）和頻域分析[2]。時域隨機振動分析方法能夠綜合考慮拖曳力的非線性、海流與隔水管的相對運動以及波浪力的影響，得到更為合理的計算結(jié)果。DD Riser軟件系統(tǒng)采用時域分析設(shè)計隔水管系統(tǒng)的非線性動力求解算法，可進行隔水管系統(tǒng)的時域規(guī)則波分析和時域不規(guī)則波分析。該動態(tài)分析求解器能同時考慮波浪和鉆井船的RAO運動對隔水管系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的影響。

2.5 隔水管系統(tǒng)疲勞分析

疲勞分析模塊可以根據(jù)動態(tài)分析得出的應(yīng)力結(jié)果，依據(jù)Miner線性損傷理論，采用S－N曲線法和雨流計數(shù)法計算隔水管系統(tǒng)的疲勞損傷，對隔水管系統(tǒng)的疲勞可靠度或壽命進行評估[3]。

2.6 隔水管頂張力優(yōu)化設(shè)計

基于API RP 16Q規(guī)范[4]的頂張力理論算法和底部殘余張力的頂張力確定方法來計算隔水管系統(tǒng)的最佳頂張力。在計算頂張力之前須進行隔水管配置的設(shè)計與選擇，以確定隔水管整體的濕重。計算出的最佳頂張力值可以在隔水管浮力塊配置優(yōu)化分析時作為頂張力默認值。

2.7 隔水管系統(tǒng)配置優(yōu)化分析

隔水管配置優(yōu)化分析模塊允許用戶對指定的一組浮力塊配置進行比較分析，以確定最佳的隔水管配置。該模塊以靜態(tài)分析的結(jié)果為依據(jù)，對伸縮節(jié)沖程、撓性接頭轉(zhuǎn)角和隔水管的最大等效應(yīng)力等重要的作業(yè)限制參數(shù)進行對比，用戶可以根據(jù)當前的作業(yè)極限來確定哪些配置符合作業(yè)要求，并從中尋找一個最佳的配置。

3 軟件系統(tǒng)特點及與國外軟件比較

DD Riser軟件系統(tǒng)的主要特點包括：

（1）軟件允許用戶自己定義隔水管單根參數(shù)，支持的單根包括裸單根、浮力單根、伸縮節(jié)、水下隔水套管總成和防噴器等，涉及的參數(shù)有單根的幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，用戶還可根據(jù)目標井位設(shè)計隔水管配置，操作簡單、方便；

（2）軟件根據(jù)用戶設(shè)定的配置建立隔水管系統(tǒng)有限元模型，所建模型可適應(yīng)不同水深、壁厚、泥漿密度、浮力塊配置、流剖面和波浪的要求，具有較高的精度；

（3）靜態(tài)分析求解器考慮了隔水管的大變形非線性，可進行波流耦合分析，能夠給出隔水管變形、彎矩、彎曲應(yīng)力、等效應(yīng)力和撓性接頭轉(zhuǎn)角等多種輸出結(jié)果；

（4）采用時域動態(tài)分析方法，支持規(guī)則波和不規(guī)則波，能同時考慮波浪和鉆井船的RAO運動對隔水管系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的影響；

（5）具備隔水管系統(tǒng)頂張力優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)配置設(shè)計和優(yōu)化分析的能力，對隔水管系統(tǒng)的參數(shù)選取和配置設(shè)計具有指導(dǎo)意義；

（6）軟件自行設(shè)計求解器，可脫離第三方軟件獨立運行，程序小巧，安裝運行方便，采用模塊化設(shè)計方法，更新和升級簡單。

DD Riser軟件系統(tǒng)與部分國外隔水管系統(tǒng)分析軟件主要功能的對比情況見表1。

從表1可以看出，DD Riser不僅具備目前國外隔水管系統(tǒng)主流分析軟件靜態(tài)分析、動態(tài)分析和疲勞分析等常用功能，還具備適用于深水鉆井隔水管系統(tǒng)的頂張力設(shè)計、系統(tǒng)配置設(shè)計和優(yōu)化的功能。另外，表1中所列舉的某些軟件并非隔水管系統(tǒng)的專用軟件，其特點是程序體積大、界面復(fù)雜、用戶上手時間長、建模分析過程繁瑣。從軟件使用的難易程度上來說，隔水管專用分析軟件的優(yōu)勢很明顯，這也是開發(fā)DD Riser軟件系統(tǒng)的原因之一。

表1 DD Riser軟件系統(tǒng)與國外隔水管系統(tǒng)分析軟件的比較

4 實例分析

針對隔水管系統(tǒng)在墨西哥灣海域1500 m水深應(yīng)用情況進行實例分析，隔水管配置采用中間浮力單根，上下裸單根的自定義配置，隔水管流剖面選用文獻[11]中所用的墨西哥灣海域1500 m水深一年一遇流剖面，分析所采用的基本參數(shù)見表2。

表2 墨西哥灣海域1500 m水深隔水管系統(tǒng)分析所采用的基本參數(shù)

利用本文開發(fā)的DD Riser與目前常用的ABAQUS軟件對表2所述工況進行分析，得到的靜態(tài)分析的部分結(jié)果如圖3、4所示。由圖3和圖4可以看出，DD Riser的計算結(jié)果與ABAQUS的計算結(jié)果吻合良好，二者的計算結(jié)果曲線形狀規(guī)律一致，

在數(shù)值上相差也不大，說明本文開發(fā)的DD Riser軟件系統(tǒng)是可行的，其計算精度滿足工程應(yīng)用需要。

5 結(jié)論

（1）針對深水鉆井隔水管系統(tǒng)專用分析軟件缺乏的現(xiàn)狀，開發(fā)出了一套深水鉆井隔水管系統(tǒng)工程設(shè)計與分析軟件系統(tǒng)（DD Riser）。該軟件系統(tǒng)以近年來國內(nèi)外在隔水管系統(tǒng)仿真分析和工程設(shè)計領(lǐng)域所取得的研究成果為基礎(chǔ)，采用模塊化的設(shè)計思路，以科學(xué)計算軟件MATLAB設(shè)計求解器，通過VC＋＋開發(fā)用戶界面，實現(xiàn)了二者優(yōu)勢的結(jié)合。

（2）軟件著力解決了隔水管系統(tǒng)的大變形、波流耦合、時域不規(guī)則波分析等難題；具備隔水管系統(tǒng)頂張力優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)配置設(shè)計和優(yōu)化分析的能力，對隔水管系統(tǒng)的參數(shù)選取和配置設(shè)計，尤其是對南海海域臺風頻繁的特殊環(huán)境下的鉆井作業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。

（3）通過與同類軟件的比較和實例分析，結(jié)果表明DD Riser軟件系統(tǒng)具有較高的模型精度和較寬的適用范圍。

[1] 陳國明，暢元江，孫友義，等.面向南海的深水鉆井隔水管關(guān)鍵技術(shù)研究[C]∥中國科協(xié)青年科學(xué)家論壇“南海深海油氣田開發(fā)的關(guān)鍵工程與基礎(chǔ)科學(xué)問題”.北京：中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會，2008.

[2] CONNOLLY J T，WYBRO P G.Riser analysis methods：comparison with measured field data[C].Texas，Offshore Technology Conference，1984：217－225.

[3] 孫友義，陳國明.超深水鉆井系統(tǒng)隔水管波致疲勞研究[J].石油學(xué)報，2009，29（3）：146－151.

[4] API.RP 16Q，Design selection operation and maintenance of marine drilling riser system[S].Washington DC，USA：American Petroleum Institute，1993.

[5] SONG Ruxin.Riser analytical tools[R].Tianjing：Technip Offshore Inc，2004：5－7.

[6] Global Maritime Technical Services.Riser dyn manual[EB/OL].http：∥www.globalmaritime.com.

[7] PRINCIPIA.Deeplines TM－Global analysis of risers，moorings and flowlines[EB/OL].http：∥www.principia.fr/expertise－fields－software－products－deeplines－126.html.

[8] MCS KENNY.Deepriser[EB/OL].http：∥www.mcskenny.com.

[9] Orcina Ltd.Orca Flex manual[EB/OL].http：∥www.orcina.com/software Products/Documentation/orcaFlex.pdf.

[10] Stress Engineering Services.Drilling riser analysis－SES has you to vered[EB/OL].http：∥www.stress.com.

[11] 暢元江.深水鉆井隔水管設(shè)計方法及其應(yīng)用研究[D].山東東營：中國石油大學(xué)（華東），2008：98.

The development of design and analysis software for deepwater drilling riser system

Wang Rongyao1，2Chen Guoming2Chang Yuanjiang2Xu Liangbin1
（1.CNOOC Research Institute，Beijing，100027；2.Centre for Offshore Engineering and Safety Technology，China University of Petroleum，Shandong，257061）

Due to lack of special analysis software for deepwater drilling riser system currently，the software with mechanical analysis and engineering design functions for deepwater drilling riser system has been developed to deal with static analysis，modal analysis，dynamic analysis and fatigue analysis of the riser system as well as the top tension and buoy placement optimizations.The modular programming method is used in development of the software system.The main part of the software is developed by VC＋＋ while the solver is designed by MATLAB.The software will provide an effective tool for design and analysis of deepwater drilling riser system.The case calculation has shown that the precision of the software can meet the requirements of the engineering application.

deep water drilling；riser system；mechanical analysis；engineering design；software system

＊國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2006AA09A106－4）部分研究成果。

王榮耀，男，2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事深水鉆井技術(shù)與裝備、計算機輔助工程與仿真技術(shù)等方面的研究。地址：北京市東城區(qū)東直門外小街6號海油大廈（郵編：100027）。

2010－09－20改回日期：2011－06－27

（編輯：夏立軍）