頂張緊立管安裝分析方法研究

夏日長(zhǎng)，李 旭，楊 琥

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

張力腿平臺(tái)(TLP)干樹系統(tǒng)是如今深水油氣開發(fā)中較為經(jīng)濟(jì)的開發(fā)方式之一。TLP設(shè)計(jì)關(guān)鍵之一為頂張緊立管(TTR)設(shè)計(jì)。TTR通常是由一系列的鋼管在頂部通過張緊設(shè)施與TLP連接，底部與固定于井口上的應(yīng)力節(jié)點(diǎn)等連接的立管結(jié)構(gòu)形式[1]。TTR的安裝過程與普通外輸立管不同，通過TLP自身鉆井設(shè)備，在鉆臺(tái)完成接長(zhǎng)并逐根下放，最終完成與水下井口的連接。TTR安裝過程中在波浪、海流以及TLP耦合運(yùn)動(dòng)的影響下，會(huì)發(fā)生較大偏移，引起與其他已存在立管的干涉及自身強(qiáng)度問題。為保證TTR的順利安裝，需要使用立管安裝導(dǎo)向臂并進(jìn)行必要的干涉分析及強(qiáng)度分析，確定導(dǎo)向臂的布置數(shù)量和平臺(tái)絞車的能力，并為選擇合適的氣候窗提供依據(jù)。

TTR在國(guó)際海洋工程界已經(jīng)有一定的理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而國(guó)內(nèi)目前對(duì)于深水立管(包括TTR)仍然處于研究階段，未在國(guó)內(nèi)海域進(jìn)行實(shí)際工程檢驗(yàn)。本文以南海深水TLP設(shè)計(jì)項(xiàng)目為依托，對(duì)TTR安裝過程進(jìn)行分析，確定導(dǎo)向系統(tǒng)能力，基于安裝分析結(jié)果對(duì)業(yè)界常用系統(tǒng)的絞車能力、導(dǎo)向桿長(zhǎng)度與導(dǎo)向臂選型等進(jìn)行設(shè)計(jì)論證與定量分析，并對(duì)比了不同安裝氣候窗下的導(dǎo)向系統(tǒng)能力。

1 TTR安裝流程介紹

鉆井立管及生產(chǎn)立管完井狀態(tài)的主要安裝流程包括安裝導(dǎo)向繩、起吊應(yīng)力管段、防噴器(BOP)短節(jié)連接、立管與井口頭連接、鉆井立管系統(tǒng)壓力測(cè)試及張緊器與張力管段連接。其中在立管張力轉(zhuǎn)換之前由TLP井架及鉆桿懸掛立管管段提供安裝張力，安裝分析主要針對(duì)第一根標(biāo)準(zhǔn)管段入水到整體立管底部與井口頭連接這個(gè)過程。

2 TTR安裝分析

TTR立管系統(tǒng)主要包含井口區(qū)設(shè)備、張緊器系統(tǒng)、立管管體、立管導(dǎo)向系統(tǒng)和水下井口系統(tǒng)，涉及到安裝分析的主要有立管管體和立管導(dǎo)向系統(tǒng)。

TTR安裝分析研究的目的主要是確定TTR安裝所需要的合適氣候窗和合理的導(dǎo)向系統(tǒng)布置，以適應(yīng)TTR立管安裝過程，確保TTR立管在安裝過程中滿足以下要求：

安裝時(shí)與周圍的其他立管不發(fā)生干涉；立管應(yīng)力水平滿足規(guī)范要求；立管安裝角度滿足施工誤差要求。

2.1 分析原理

TTR安裝分析基于立管從TLP平臺(tái)連接至海平面井口頭的整個(gè)過程，在安裝過程中立管自身強(qiáng)度、與周邊立管是否產(chǎn)生干涉以及立管底部安裝角度偏差是安裝分析的主要控制項(xiàng)。安裝計(jì)算分析采用有限元軟件進(jìn)行模擬，施加環(huán)境荷載和功能荷載，合理設(shè)置邊界條件和有限元網(wǎng)格劃分，分別依據(jù)規(guī)范API RP 2RD[2]對(duì)TTR安裝過程的強(qiáng)度和DNV-RP-F203[3]對(duì)TTR安裝過程中的干涉計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核評(píng)估。

2.2 有限元模型

使用通用大型有限元軟件ABAQUS[4]建立TTR立管模型，選用3D梁?jiǎn)卧M(jìn)行計(jì)算分析，確保計(jì)算的可靠性。

根據(jù)TTR的整體結(jié)構(gòu)形式自下向上建立不同管段屬性梁?jiǎn)卧趶埩Νh(huán)位置建立4根張緊器彈簧單元，一端與鉆井立管張力環(huán)位置使用鉸接單元耦合，另一端使用邊界條件與張力腿平臺(tái)耦合。防噴器及伸縮節(jié)內(nèi)外套筒同樣等效為梁?jiǎn)卧渲猩炜s節(jié)內(nèi)套筒的軸向剛度選取較小值以模擬其運(yùn)動(dòng)伸縮，導(dǎo)向臂和TTR采用共點(diǎn)方式耦合。

為保證模型關(guān)鍵點(diǎn)的計(jì)算精度，對(duì)單元的網(wǎng)格劃分需要特殊考慮，在張緊器、應(yīng)力節(jié)點(diǎn)等應(yīng)力突變位置需要加大單元網(wǎng)格密度。

導(dǎo)向臂是TTR立管導(dǎo)向系統(tǒng)的組成部分，是立管安裝的重要構(gòu)件，合理布置導(dǎo)向臂是TTR安裝的基本前提。

導(dǎo)向臂主要有3種類型：剛性導(dǎo)向臂、柔性導(dǎo)向臂和剛性連接導(dǎo)向臂，分別如圖1～3所示。剛性導(dǎo)向臂限制能力強(qiáng)，可承受拉力和壓力；柔性導(dǎo)向臂只能承受拉力；剛性連接導(dǎo)向臂一般用在最底端和基盤連接，可承受拉力和壓力。3種導(dǎo)向臂的合理布置能保證立管安裝的安全，也能保證安裝流程的最優(yōu)化，減少海上施工工程量。

圖1 剛性導(dǎo)向臂Fig.1 Rigid guide arm

圖2 柔性導(dǎo)向臂Fig.2 Flexible guide arm

圖3 剛性連接導(dǎo)向臂Fig.3 Rigid tieback guide arm

2.3 安裝分析工況

TTR安裝分析需使得立管在安裝的不同狀態(tài)中管道應(yīng)力、位置參數(shù)等滿足相關(guān)技術(shù)要求，因此需要選擇合理的計(jì)算工況。

2.3.1 立管安裝工況

TTR立管在安裝過程中是逐步進(jìn)入到水中的，可以選取幾個(gè)典型狀態(tài)[5]進(jìn)行立管的相關(guān)計(jì)算分析，如：立管剛進(jìn)入海水中;立管一半進(jìn)入海水中；立管完全進(jìn)入海水中并與基盤進(jìn)行連接。

實(shí)際計(jì)算可根據(jù)設(shè)計(jì)的不同階段以及計(jì)算結(jié)果的趨勢(shì)進(jìn)行立管安裝工況的合理增減，保證安裝計(jì)算分析的可靠性。

在安裝鉆井立管的過程中，上下游都是生產(chǎn)立管；在安裝生產(chǎn)立管的過程中，上游是生產(chǎn)立管，下游可能是生產(chǎn)立管或鉆井立管。

由于鉆井立管的剛度比較大，位移相對(duì)較小，因此在計(jì)算分析中考慮生產(chǎn)立管會(huì)更加保守，減少計(jì)算工況和計(jì)算工作量。

2.3.2 導(dǎo)向臂位置工況

導(dǎo)向臂的合理放置也是TTR立管安裝經(jīng)濟(jì)、可靠的重要因素。根據(jù)水深、管道尺寸、井口區(qū)布置等相關(guān)信息進(jìn)行導(dǎo)向臂的初步設(shè)置，如：在立管中部設(shè)置1個(gè)剛性導(dǎo)向臂；在立管中部設(shè)置3個(gè)柔性導(dǎo)向臂；在立管中部設(shè)置1個(gè)剛性導(dǎo)向臂和2個(gè)柔性臂；在立管中部設(shè)置2個(gè)剛性導(dǎo)向臂和1個(gè)柔性臂。

在布置導(dǎo)向臂的過程中也可以適當(dāng)調(diào)整導(dǎo)向繩的張力，再根據(jù)計(jì)算分析的結(jié)果調(diào)整導(dǎo)向臂的數(shù)量、位置等相關(guān)參數(shù)，使導(dǎo)向臂的布置最優(yōu)化。

3 分析結(jié)果

以南中國(guó)海海域TLP平臺(tái)為例，對(duì)TTR進(jìn)行安裝分析。使用的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

TTR立管安裝分析的主要結(jié)果是立管應(yīng)力和立管是否發(fā)生干涉。

表2給出典型TTR安裝分析的結(jié)果，從中可以看出TTR立管的應(yīng)力許用值(UC值)[2，6]都小于1，在允許范圍內(nèi)。但是相鄰的立管在部分工況下發(fā)生干涉，圖4給出了立管干涉[3，7]的分析結(jié)果。從相關(guān)計(jì)算結(jié)果可以看出需要調(diào)整導(dǎo)向臂的位置、導(dǎo)向繩的張力等來重新試算，直至計(jì)算結(jié)果滿足要求。

圖3 安裝分析干涉結(jié)果Fig.3 Interference results in installation analysis

此外，在相關(guān)計(jì)算結(jié)果滿足要求后，還需要提取導(dǎo)向臂位置的荷載供后續(xù)設(shè)計(jì)和設(shè)備采辦使用，如表3所示。

表2 安裝分析結(jié)果

表3 導(dǎo)向臂載荷

4 結(jié) 語

研究表明，深水TTR立管安裝對(duì)氣候要求很高，需要選擇合理的定期氣候窗，并給出不同的工況和合理的導(dǎo)向臂布置，才能最終確保TTR立管安裝的可行性和經(jīng)濟(jì)性。本文的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可為未來類似的工程項(xiàng)目提供借鑒。

[1] 中海石油研究中心. 深水立管選型報(bào)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] 曹金鳳，石亦平. ABAQUS有限元軟件常見問題解答[M].北京： 機(jī)械工業(yè)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.