支持平臺鉆井包跨接式軟管分析計算

王安義，王維旭，張元洪，趙　濤，汪靖享

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

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支持平臺鉆井包跨接式軟管分析計算

王安義1，2，王維旭1，2，張元洪1，趙濤1，汪靖享1，2

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

根據支持平臺輔助鉆井技術的作業特點，研究支持平臺與鉆井包之間的跨接軟管，運用懸鏈線方程并結合具體工程實際，計算其弧長、弧垂以及端部連接張力。為支持平臺與鉆井包之間跨接軟管的設計選型以及端部連接結構的設計提供理論支撐，也可用于指導海上大跨度高空跨接軟管設計、安裝和施工。

支持平臺；鉆機；跨接軟管；計算

支持平臺輔助鉆井技術始于20世紀中期，是一種新的鉆井方式，正常作業時需要支持平臺輔助鉆井單元(TADU)和井口平臺(Wellhead Platform)共同協作完成鉆井任務，如圖1。支持平臺輔助鉆井單元(TADU)由支持平臺(Tender Support Vessel 簡稱：TSV)和鉆井包(Mast Equipment Package 簡稱：MEP)組成，為固定式平臺和浮式平臺(SPAR、TLP)等井口平臺提供鉆井作業裝備。支持平臺輔助鉆井單元(TADU)上封固有用于井口平臺鉆井作業的鉆井包(MEP)，還裝載有鉆井作業所需的全套輔助設施，例如發電機組、泥漿泵組、燃料、淡水、鉆桿、套管、鉆井泥漿、固井水泥、重晶石等，同時具備存儲、封固和運輸模塊化鉆井包所需的空間和相關設施，并提供工作人員的生活設施。鉆井作業前將裝載有鉆井包(MEP)的支持平臺(TSV)靠近井口平臺，將鉆井包(MEP)各模塊通過支持平臺吊機吊運至井口平臺并完成鉆井包(MEP)的組裝。鉆井作業過程中支持平臺(TSV)為井口平臺上的鉆井包(MEP)提供動力、高低壓泥漿、海水、淡水、固井水泥、壓縮空氣等[1-2]。

圖1　TADU作業效果圖

支持平臺(TSV)與鉆井包之間安裝有跨接軟管(又稱臍帶軟管)，用于傳輸高低壓泥漿、壓縮空氣、海水、淡水、固井水泥、燃油等介質，其可靠性對鉆井包正常鉆井作業非常重要。因此，研究平臺間跨接軟管的力學行為、長度對支持平臺與鉆井包之間跨接軟管的設計及應用具有重要意義[3-5]。

1　理論分析與計算

支持平臺與鉆井包之間跨接軟管設計計算涉及的因素很多，不僅與懸掛點間距、高差有關，還與軟管中流動的介質(如壓縮空氣、海水、淡水、燃油、高低壓泥漿、固井水泥等)以及軟管所在海洋環境條件(風載、波浪參數)有關，其計算過程復雜。

1.1跨接軟管的懸鏈線方程

跨接在支持平臺與鉆井包之間的軟管將形成1條懸鏈線。跨接軟管設計的計算主要是該懸鏈線的弧長、弧垂以及端部連接張力的計算。分析跨接軟管曲線的性質，考慮軟管的綜合比載，懸鏈線曲線的受力如圖2所示。

圖2　跨接軟管工作示意

已知，跨接軟管一端懸掛于鉆井包A點，另一端懸掛于支持平臺B點。

可以推導出跨接于兩懸掛點A、B間的懸鏈線方程的一般形式為[6]：

(1)

式中：C1、C2為常數，其具體數值可根據初始條件和邊界條件得出；σo為水平應力(即跨接軟管最低點O點處的水平應力)，MPa；γ為跨接軟管的比載，N/(m·mm2)。

推導懸鏈線的一般形式，假設以跨接軟管的最低點O點為原點，那么有下述初始條件：當x=0時，y=0，并且有y′=tanα=0。

將以上初始條件代入懸鏈線方程的一般形式，得到：

將C1、C2常數代入懸鏈線方程的一般形式中，求得以最低點O點為原點的懸鏈線方程：

(2)

注：當坐標原點選在其他點(不是假設的最低點O點處)時，那么懸鏈線方程的常數項有所不同，可以得到不同表達形式的公式。

1.2跨接軟管的弧長計算

以懸鏈線方程來計算跨接軟管的弧長。設最低點O點至跨接軟管上任一點的曲線弧長用Lx表示，由懸鏈線方程和弧長公式可以得到跨接軟管的弧長為：

(3)

式中：l為跨接軟管的檔距，即兩個懸掛點之間的距離，m。

將式(3)中的雙曲正弦函數項展開，取前兩項做近似計算，則懸鏈線形態的跨接軟管弧長公式化簡為：

(4)

1.3跨接軟管弧垂計算[7]

當式(2)中的x代表跨接軟管的檔距時，求出的y即為跨接軟管的弧垂。那么曲線上任意一點距最低點O點的距離為x，則該點距最低點O點的弧垂為：

fx=yB-yx=

(5)

式中：yB為懸掛點B點的縱坐標；yx為跨接軟管上任意一點的縱坐標；fx為跨接軟管上任意一點的弧垂，即這一點與懸掛點B點的縱坐標的差值。

當x=0時，可以得跨接軟管的最大弧垂為：

(6)

將式(6)中的雙曲余弦函數展開，取前兩項做近似計算，則兩端等高的跨接軟管的最大弧垂公式化簡為：

(7)

兩端不等高的跨接軟管的最大弧垂公式化簡為：

(8)

1.4跨接軟管及跨接點的張力

由圖1可推導出跨接軟管上任意一點的張力為：

TPsinθ=λgl

(9)

TPconθ=T0

(10)

(11)

(12)

式中：TP為點P處的張力，其方向沿切線方向，與x軸成θ角；λ為軟管(含液體)的線密度。

A、B跨接點處的張力分別為：

(13)

(14)

2　跨接軟管設計分析實例

2.1設計背景

支持平臺(TSV)與井口平臺(Wellhead Platform)底部間距為6.5～28.1 m，上部甲板間距為31.15 m，井口平臺主甲板距海平面高度25.8 m，支持平臺主甲板距海平面高度16.2 m，兩平臺之間共有14根跨接軟管，如圖3～4所示。自支持平臺向井口平臺看，從左至右依次為：1根直徑為304.8 mm(12英寸)的泥漿回流軟管，2根直徑為101.6 mm(4英寸)的高壓泥漿軟管，2根直徑為76.2 mm(3英寸)的高壓水泥軟管，1根直徑為101.6 mm(4英寸)的污物回流軟管，1根直徑為50.8 mm(2英寸)的飲用水軟管，1根直徑為50.8 mm(2英寸)的燃油軟管，1根直徑為76.2 mm(3英寸)的公用空氣軟管，1根直徑為152.4 mm(6英寸)的低壓流體回流軟管，1根直徑為152.4 mm(6英寸)的消防水軟管，1根直徑為152.4 mm(6英寸)的冷卻水軟管，1根直徑為152.4 mm(6英寸)的鉆井水軟管，1根直徑為152.4 mm(6英寸)的低壓泥漿補給軟管。

圖3　跨接軟管工作平面圖

圖4　跨接軟管工作立面圖

2.2跨接軟管長度計算

由于部分跨接軟管直徑大，充滿液體后的總重力大，因此其連接端部的張力也很大。為了獲得準確的軟管端部連接張力，需計算出跨接的軟管長度。下面以101.6 mm(4英寸)高壓泥漿軟管為例計算其長度。

已知支持平臺與井口平臺上部甲板間距離為31.15 m，即檔距l為31.15 m。101.6 mm(4英寸)高壓泥漿軟管中的液體密度為2 160 kg/m3，運用式(4)可計算出跨接軟管的弧長為52 m。

2.3跨接軟管距海平面高度計算

根據實際作業工況要求，除了304.8 mm(12英寸)泥漿回流軟管的最低點可以處于海平面以下外，其余跨接軟管的最低點需處在海平面以上，因此需準確計算跨接軟管的弧垂，從而確定軟管距海平面的高度。

已知井口平臺主甲板距海平面高度25.8 m，支持平臺主甲板距海平面高度16.2 m。由式(8)可得出101.6 mm(4英寸)高壓泥漿軟管的最大弧垂為8.68 m(距跨接點B點)，進而得出跨接軟管最低點距海平面的高度為2.31 m。

2.4跨接軟管端部連接張力計算

在計算跨接軟管自身張力的同時，為了設計出滿足跨接軟管端部連接的結構，而需要計算出跨接點A、B處的張力大小。因此，運用式(13)可計算出MEP端跨接點A處高壓泥漿軟管(2根)的張力TA=47.68 kN，同時可計算出A點張力TA與x軸所成夾角θ=68.63°，其值可用于指導MEP端與跨接軟管連接的彎頭的設計選型；同理可運用該公式計算出TSV端跨接點B處的相應張力和夾角大小分別為29.67 kN和52.68°，指導TSV端跨接點結構設計及軟管連接彎頭設計選型。

3　結論

1)針對支持平臺輔助鉆井技術的作業特點，結合支持平臺與鉆井包間跨接軟管的實際工況，給出了跨接式軟管的弧長、弧垂以及跨接點的張力計算式。

2)結合跨接軟管的具體參數，運用懸鏈線方程及相應的計算式，計算出了跨接軟管長度、弧垂、跨接點張力以及夾角。其計算結果已用于支持平臺與鉆井包間跨接軟管的設計及跨接點處結構設計，可滿足工程實際要求。

3)本文中的分析方法和計算結果可用于指導海上大跨度高空跨接軟管設計、安裝和施工。

[1]高杭，李平，李鵬飛，等.海洋可搬遷模塊鉆機可行性研究[J].石油礦場機械，2008，37(1)：21-24.

[2]王定亞，丁莉萍.海洋鉆井平臺技術現狀與發展趨勢[J].石油機械，2010(4)：71-73.

[3]王云慶，趙軍凱，彭湘桂，等.渤海曹妃甸油田FPSO-SPM跨接軟管更換設計與施工[J].船海工程，2008，37(1)：91-94.

[4]晏萊，閆斌，孫丕松，等.浮式單點系泊系統中大跨度高空跨接軟管安裝方法的研究與施工[J].石油工程建設，2011，37(2)：20-23.

[5]王云慶，趙軍凱，劉瑜珩，等.水下軟剛臂系泊FPSO-SPM跨接軟管更換[J].石油工程建設，2008，34(3)：17-19.

[6]王丹，劉家新.一般狀態下懸鏈線方程的應用[J].船海工程，2007，35(3)：26-28.

[7]邢富沖.懸鏈線弛垂度的計算方法[J].數學的實踐與認識，2004，34(11)：98-101.

Analysis and Calculation of Jumper Hose for the Tender Support Vessel Rig

WANG Anyi1，2，WANG Weixu1，2，ZHANG Yuanhong1，ZHAO Tao1，WANG Jingxiang1，2

(1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.National Oil & Gas Drilling Equipment Research Center，Baoji 721002，China)

According to the operation characteristics of Tender Support Platform auxiliary drilling technology，the jumper hoses between the Tender Support Platform and the Mast Equipment Package are researched，and combined with engineering application and the catenary equation，the length，line sag and end tension of jumper hoses are calculated.The methods and results can provide theoretical support to design of selection and end connection structure of jumper hose between the Tender Support Platform and the Mast Equipment Package，can also be used to guide the design，installation and construction of large-span offshore jumper hoses.

tender support vessel；rig；jumper hose；calculation

1001-3482(2016)05-0028-04

2015-10-18

國家高技術研究發展計劃(863計劃)“深水油氣勘探開發技術與裝備”項目“深水鉆機與鉆柱自動化處理關鍵技術研究”(2012AA09A203)

王安義(1983-)，男，湖南岳陽人，工程師，碩士，2010年畢業于西南石油大學工程力學專業，從事海洋油氣鉆機及其相關產品的研究設計工作，E-mail:wanganyi03031530@sina.com。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.006