支持平臺(tái)鉆井包跨接式軟管分析計(jì)算

王安義，王維旭，張?jiān)椋w　濤，汪靖享

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

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支持平臺(tái)鉆井包跨接式軟管分析計(jì)算

王安義1，2，王維旭1，2，張?jiān)?，趙濤1，汪靖享1，2

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

根據(jù)支持平臺(tái)輔助鉆井技術(shù)的作業(yè)特點(diǎn)，研究支持平臺(tái)與鉆井包之間的跨接軟管，運(yùn)用懸鏈線方程并結(jié)合具體工程實(shí)際，計(jì)算其弧長(zhǎng)、弧垂以及端部連接張力。為支持平臺(tái)與鉆井包之間跨接軟管的設(shè)計(jì)選型以及端部連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論支撐，也可用于指導(dǎo)海上大跨度高空跨接軟管設(shè)計(jì)、安裝和施工。

支持平臺(tái)；鉆機(jī)；跨接軟管；計(jì)算

支持平臺(tái)輔助鉆井技術(shù)始于20世紀(jì)中期，是一種新的鉆井方式，正常作業(yè)時(shí)需要支持平臺(tái)輔助鉆井單元(TADU)和井口平臺(tái)(Wellhead Platform)共同協(xié)作完成鉆井任務(wù)，如圖1。支持平臺(tái)輔助鉆井單元(TADU)由支持平臺(tái)(Tender Support Vessel 簡(jiǎn)稱：TSV)和鉆井包(Mast Equipment Package 簡(jiǎn)稱：MEP)組成，為固定式平臺(tái)和浮式平臺(tái)(SPAR、TLP)等井口平臺(tái)提供鉆井作業(yè)裝備。支持平臺(tái)輔助鉆井單元(TADU)上封固有用于井口平臺(tái)鉆井作業(yè)的鉆井包(MEP)，還裝載有鉆井作業(yè)所需的全套輔助設(shè)施，例如發(fā)電機(jī)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(shí)具備存儲(chǔ)、封固和運(yùn)輸模塊化鉆井包所需的空間和相關(guān)設(shè)施，并提供工作人員的生活設(shè)施。鉆井作業(yè)前將裝載有鉆井包(MEP)的支持平臺(tái)(TSV)靠近井口平臺(tái)，將鉆井包(MEP)各模塊通過(guò)支持平臺(tái)吊機(jī)吊運(yùn)至井口平臺(tái)并完成鉆井包(MEP)的組裝。鉆井作業(yè)過(guò)程中支持平臺(tái)(TSV)為井口平臺(tái)上的鉆井包(MEP)提供動(dòng)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(yè)效果圖

支持平臺(tái)(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(zhì)，其可靠性對(duì)鉆井包正常鉆井作業(yè)非常重要。因此，研究平臺(tái)間跨接軟管的力學(xué)行為、長(zhǎng)度對(duì)支持平臺(tái)與鉆井包之間跨接軟管的設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有重要意義[3-5]。

1　理論分析與計(jì)算

支持平臺(tái)與鉆井包之間跨接軟管設(shè)計(jì)計(jì)算涉及的因素很多，不僅與懸掛點(diǎn)間距、高差有關(guān)，還與軟管中流動(dòng)的介質(zhì)(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(huán)境條件(風(fēng)載、波浪參數(shù))有關(guān)，其計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。

1.1跨接軟管的懸鏈線方程

跨接在支持平臺(tái)與鉆井包之間的軟管將形成1條懸鏈線。跨接軟管設(shè)計(jì)的計(jì)算主要是該懸鏈線的弧長(zhǎng)、弧垂以及端部連接張力的計(jì)算。分析跨接軟管曲線的性質(zhì)，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(diǎn)，另一端懸掛于支持平臺(tái)B點(diǎn)。

可以推導(dǎo)出跨接于兩懸掛點(diǎn)A、B間的懸鏈線方程的一般形式為[6]：

(1)

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

推導(dǎo)懸鏈線的一般形式，假設(shè)以跨接軟管的最低點(diǎn)O點(diǎn)為原點(diǎn)，那么有下述初始條件：當(dāng)x=0時(shí)，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(shù)代入懸鏈線方程的一般形式中，求得以最低點(diǎn)O點(diǎn)為原點(diǎn)的懸鏈線方程：

(2)

注：當(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)選在其他點(diǎn)(不是假設(shè)的最低點(diǎn)O點(diǎn)處)時(shí)，那么懸鏈線方程的常數(shù)項(xiàng)有所不同，可以得到不同表達(dá)形式的公式。

1.2跨接軟管的弧長(zhǎng)計(jì)算

以懸鏈線方程來(lái)計(jì)算跨接軟管的弧長(zhǎng)。設(shè)最低點(diǎn)O點(diǎn)至跨接軟管上任一點(diǎn)的曲線弧長(zhǎng)用Lx表示，由懸鏈線方程和弧長(zhǎng)公式可以得到跨接軟管的弧長(zhǎng)為：

(3)

式中：l為跨接軟管的檔距，即兩個(gè)懸掛點(diǎn)之間的距離，m。

將式(3)中的雙曲正弦函數(shù)項(xiàng)展開(kāi)，取前兩項(xiàng)做近似計(jì)算，則懸鏈線形態(tài)的跨接軟管弧長(zhǎng)公式化簡(jiǎn)為：

(4)

1.3跨接軟管弧垂計(jì)算[7]

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

fx=yB-yx=

(5)

式中：yB為懸掛點(diǎn)B點(diǎn)的縱坐標(biāo)；yx為跨接軟管上任意一點(diǎn)的縱坐標(biāo)；fx為跨接軟管上任意一點(diǎn)的弧垂，即這一點(diǎn)與懸掛點(diǎn)B點(diǎn)的縱坐標(biāo)的差值。

當(dāng)x=0時(shí)，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(shù)展開(kāi)，取前兩項(xiàng)做近似計(jì)算，則兩端等高的跨接軟管的最大弧垂公式化簡(jiǎn)為：

(7)

兩端不等高的跨接軟管的最大弧垂公式化簡(jiǎn)為：

(8)

1.4跨接軟管及跨接點(diǎn)的張力

由圖1可推導(dǎo)出跨接軟管上任意一點(diǎn)的張力為：

TPsinθ=λgl

(9)

TPconθ=T0

(10)

(11)

(12)

式中：TP為點(diǎn)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(diǎn)處的張力分別為：

(13)

(14)

2　跨接軟管設(shè)計(jì)分析實(shí)例

2.1設(shè)計(jì)背景

支持平臺(tái)(TSV)與井口平臺(tái)(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(tái)主甲板距海平面高度25.8 m，支持平臺(tái)主甲板距海平面高度16.2 m，兩平臺(tái)之間共有14根跨接軟管，如圖3～4所示。自支持平臺(tái)向井口平臺(tái)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(bǔ)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(zhǎng)度計(jì)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(zhǔn)確的軟管端部連接張力，需計(jì)算出跨接的軟管長(zhǎng)度。下面以101.6 mm(4英寸)高壓泥漿軟管為例計(jì)算其長(zhǎng)度。

已知支持平臺(tái)與井口平臺(tái)上部甲板間距離為31.15 m，即檔距l(xiāng)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(yùn)用式(4)可計(jì)算出跨接軟管的弧長(zhǎng)為52 m。

2.3跨接軟管距海平面高度計(jì)算

根據(jù)實(shí)際作業(yè)工況要求，除了304.8 mm(12英寸)泥漿回流軟管的最低點(diǎn)可以處于海平面以下外，其余跨接軟管的最低點(diǎn)需處在海平面以上，因此需準(zhǔn)確計(jì)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(tái)主甲板距海平面高度25.8 m，支持平臺(tái)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(diǎn)B點(diǎn))，進(jìn)而得出跨接軟管最低點(diǎn)距海平面的高度為2.31 m。

2.4跨接軟管端部連接張力計(jì)算

在計(jì)算跨接軟管自身張力的同時(shí)，為了設(shè)計(jì)出滿足跨接軟管端部連接的結(jié)構(gòu)，而需要計(jì)算出跨接點(diǎn)A、B處的張力大小。因此，運(yùn)用式(13)可計(jì)算出MEP端跨接點(diǎn)A處高壓泥漿軟管(2根)的張力TA=47.68 kN，同時(shí)可計(jì)算出A點(diǎn)張力TA與x軸所成夾角θ=68.63°，其值可用于指導(dǎo)MEP端與跨接軟管連接的彎頭的設(shè)計(jì)選型；同理可運(yùn)用該公式計(jì)算出TSV端跨接點(diǎn)B處的相應(yīng)張力和夾角大小分別為29.67 kN和52.68°，指導(dǎo)TSV端跨接點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及軟管連接彎頭設(shè)計(jì)選型。

3　結(jié)論

1)針對(duì)支持平臺(tái)輔助鉆井技術(shù)的作業(yè)特點(diǎn)，結(jié)合支持平臺(tái)與鉆井包間跨接軟管的實(shí)際工況，給出了跨接式軟管的弧長(zhǎng)、弧垂以及跨接點(diǎn)的張力計(jì)算式。

2)結(jié)合跨接軟管的具體參數(shù)，運(yùn)用懸鏈線方程及相應(yīng)的計(jì)算式，計(jì)算出了跨接軟管長(zhǎng)度、弧垂、跨接點(diǎn)張力以及夾角。其計(jì)算結(jié)果已用于支持平臺(tái)與鉆井包間跨接軟管的設(shè)計(jì)及跨接點(diǎn)處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可滿足工程實(shí)際要求。

3)本文中的分析方法和計(jì)算結(jié)果可用于指導(dǎo)海上大跨度高空跨接軟管設(shè)計(jì)、安裝和施工。

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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(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“深水油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)與裝備”項(xiàng)目“深水鉆機(jī)與鉆柱自動(dòng)化處理關(guān)鍵技術(shù)研究”(2012AA09A203)

王安義(1983-)，男，湖南岳陽(yáng)人，工程師，碩士，2010年畢業(yè)于西南石油大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，從事海洋油氣鉆機(jī)及其相關(guān)產(chǎn)品的研究設(shè)計(jì)工作，E-mail:wanganyi03031530@sina.com。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.006