深水送入管柱導向系統力學性能及影響因素分析*

劉 康 朱敬宇 張慎顏 陳國明 張偉國

(1．中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術研究中心 山東青島 266580； 2．中海石油(中國)有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067)

油氣管柱是深水油氣開采系統的關鍵組成部分，由于海洋環境復雜，油氣管柱及相關裝備在下放過程中會受到波浪、海流、平臺漂移等多種載荷的聯合作用而發生橫向偏移，若偏移過大則會造成管柱失效或者無法與海底裝備對接等嚴重后果[1]。利用導向裝置下放海底裝備是一種相對傳統且有效的作業方式，可控制送入管柱的橫向偏移、減小回接連接器的切入角，從而實現深水送入管柱與海底井口設備的精準對接。然而，隨著TLP、Spar等平臺的應用，送入管柱的安全性面臨新的挑戰。

國內外學者針對管柱下放、安裝作業等方面已展開相關研究，并取得了一定成果。周俊昌 等[2]研究了深水鉆井送入管柱技術及其發展趨勢，指出針對送入管柱進行負載力學特性分析具有重要意義；Mike Campbell 等[3]提出了鉆井立管下放作業窗口的計算方法；孫友義 等[4]開展了隔水管下放回收作業過程中的軸向動力學研究； Wang等[5]研究了影響下放隔水管變形的環境因素和操作因素；張輝 等[6]研究確定了深水作業管柱縱向振動的最危險截面。管柱下放作業過程中借助導向系統進行輔助安裝是一種有效的方式。黃一 等[7]發明了一種實現頂張緊式立管與海底井口準確對接的導向系統；羅俊豐 等[8]研制了一種新型水下防噴器導向系統，并成功應用于陸豐13-2油田。

目前，深水送入管柱導向系統領域的研究相對較少。夏日長 等[9]針對頂張緊立管安裝分析方法展開了研究，并對立管強度及導向臂載荷進行了計算；Zhang等[10]研究了在導向環與立管耦合作用下Spar平臺的動態響應，并指出立管與導向環的接觸力對平臺運動影響比較明顯；周美珍 等[11]建立了采油樹導向安裝各階段的理論力學分析模型，并分析了不同安裝階段下放鉆桿的軸力、位移、彎矩等變化情況。但上述研究鮮有涉及深水送入管柱-導向繩耦合系統的力學行為，且分析模型有待完善和提高。本文在前人研究基礎上，基于多點約束耦合分析方法，建立深水送入管柱-導向環-導向繩的耦合動力學分析模型，研究送入管柱導向下入過程關鍵力學參數及其影響規律，相關成果可為送入管柱導向系統的安全作業提供參考。

1 深水送入管柱導向系統耦合分析模型

1.1 工藝分析

導向系統一般由張緊器、導向環、導向繩和水下基盤等設備組成。導向繩從水下井口一直連接到鉆井平臺，并始終保持張力狀態，以引導設備與水下井口的準確對接。在對接過程中，回接連接器切入方向與豎直方向的夾角是確保引導設備與水下井口準確對接的關鍵限制因素。導向下入是一種相對傳統的作業方式，因其具備定位準確、作業成本低、日常操作和維護技術易掌控等優勢，在開空鉆頭、導管、套管、海底防噴器等下入過程中具有良好的適用性。此外，導向下入工藝在Spar和TLP平臺等叢式管柱水下設備的下放、安裝、定位作業過程中也具有廣泛的應用。

目前，較為普遍的導向下入程序包括：① 前期準備工作，包括導向環、導向繩、水下基盤及相關輔助設備的安裝與準備；② 送入管柱的運輸和起吊，將送入管柱運送至指定位置；③利用吊機將管柱吊起豎立，沿導向系統逐漸下放管柱至水下井口，實現送入管柱與水下井口的對接；④ 送入安裝完成后，進行后續的管柱測試與連接等工作。本文主要研究的是送入管柱從開始豎立下放至到達水下井口的過程，送入管柱導向下入現場作業如圖1所示，送入管柱上部與鉆井平臺相連，中間通過導向環、導向繩與導向系統相連，送入管柱沿導向系統逐漸下放，從而實現與井口的準確對接與安裝。

圖1 送入管柱導向下入現場作業Fig.1 Landing strings in guided running on the operation site

1.2 力學模型

深水送入管柱導向系統結構如圖2所示，送入管柱在下放過程中會受到復雜海洋環境載荷以及管柱和導向繩之間耦合作用的影響。建立力學模型時要對深水送入管柱導向系統進行合理簡化，并作如下假設：①送入管柱單元為理想圓管；②考慮極端工況，即波浪、海流和送入管柱系統的運動在同一平面內；③導向繩直徑較小，因此忽略波浪、海流等海洋環境載荷對導向繩的作用力。

圖2 送入管柱導向系統結構Fig.2 The figure of landing strings in guided running

送入管柱導向系統的數學模型是位于豎直平面內的梁在水平載荷作用下變形微分方程[12]，即

(1)

式(1)中：EI為送入管柱的抗彎剛度，N·m2；T為送入管柱的軸向力，N；m為送入管柱的線密度，kg/m；x為水平方向位移，m；y為豎直方向高度，m；F為作用于送入管柱單位長度上的水平作用力，包括海洋環境載荷及與導向繩之間的相互作用力，N；t為時間，s。

對送入管柱進行動態分析時，同時考慮波浪和海流的動載荷以及管柱運動的影響，采用修正的Morision方程[13]求解作用在送入管柱上的水動力載荷fH,即

-vx)|ux-vx|+

(2)

式(2)中：Cd為拖曳力系數，無量綱；ux為波浪引起的水體流速，m/s；vx為海流引起的水體流速，m/s；A為單位長度送入管柱海洋環境載荷的受力面積，m；D為送入管柱的外徑，m；ax為海流引起的水體加速度，m/s2；Cm為慣性力系數；ρ為海水密度，kg/m3。

送入管柱和導向繩通過導向環進行連接，導向環可沿著導向繩進行滑移，兩者之間的關系采用多點約束進行表征，即以導向環臨近位置管柱節點的自由度為標準值，然后令導向環對應位置的導向繩節點與這個標準值建立某種關系，具體方程為

(3)

(4)

式(3)、(4)中：UR為從自由度，即導向環對應位置導向繩節點的自由度，m；UW為主自由度，即導向環臨近位置送入管柱的自由度，m；Ci是權系；C0是截距增項，m；X、Y分別為水平方向和垂直方向標識。

1.3 仿真模型

根據管柱力學理論基礎，采用ABAQUS建立深水送入管柱導向系統的有限元模型。其中,送入管柱采用ABAQUS中現有的管單元進行模擬;導向繩一般采用鋼絲繩，屬于柔性結構，采用桁架單元進行模擬。送入管柱頂部隨平臺一起運動，需要施加位移邊界和力邊界;而導向繩底部與導向基座固定，采用固定端約束。導向環用來連接導向繩和送入管柱，以限制送入管柱的水平位移，在管柱導向環位置采用通用多點約束來模擬導向繩對管柱的約束作用。在管柱導向下入過程中，送入管柱沿導向環向下滑移，利用Slider模擬送入管柱與導向環的滑移約束作用。多點約束仿真技術定義了主、從節點自由度的耦合關系，與實際工程問題相符，且不需要輸入接觸剛度和權值，求解過程中自動生成約束，進而節省計算時間，提高仿真效果。

送入管柱導向下入的模擬結果如圖3所示，由圖3可知，使用導向系統可以一定程度約束管柱的水平位移，更好地實現送入管柱與水下井口的對接。

圖3 送入管柱導向下入的模擬結果Fig.3 Simulation results of landing strings in guided running

2 計算實例

2.1 基礎數據

以我國南海流花區塊自營井X井為例進行計算分析，該井作業水深 340 m，送入管柱外徑為0.346 m，壁厚為0.019 m，具體配置如表1所示。導向繩選取公稱直徑為35 mm的EIP級鋼絲繩。由于送入管柱的下入是一個短期內完成的過程，一般是在海況良好的環境條件下進行作業，因此采用該井區一年一遇的實測海況參數，即表面流速為0.99 m/s、海底流速為0.31 m/s；拖曳力系數在水深0～150 m取1.2，水深超過150 m取0.7；慣性力系數為2.0；送入管柱頂部作業平臺的平均偏移為 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 結果分析與討論

基于上述理論分析與基礎數據，在導向系統中部設置2個導向環(分別布置在水下100 m和200 m的位置上)，建立送入管柱-導向環-導向繩的動力學耦合分析模型，令導向繩的預張力為600 kN，送入管柱與導向繩的穩態位移與均方根應力分析結果如圖4所示，水深為正時表示海平面以下位置，水深為負時表示海平面以上位置。

由圖4a可知，在波流聯合作用下送入管柱的橫向穩態位移呈現樣條曲線形態，送入管柱的橫向位移顯著減小，并與導向繩保持一致，說明導向環的布置對送入管柱的橫向偏移具有良好的約束作用。此外，由于導向繩的剛度較小，導向繩在水中的橫向偏移被導向環分為3段斜率不同的連續直線。送入管柱與導向繩在海底附近相交，說明該實例井可以實現引導設備與水下井口的準確對接，導向系統具有良好的效果。

由圖4b可知，導向繩的等效應力自上而下呈現線性減小的趨勢，由于導向繩拉力和自身重力的影響，導向繩頂端應力值最大為619 MPa，該井導向下入作業過程中導向繩的強度滿足API Spec 9A鋼絲繩規范要求；送入管柱的等效應力整體上呈現自上而下逐漸減小的趨勢，由于甲板的約束作用和飛濺區海況的影響，送入管柱頂部承受的彎矩較大，應力最大值為113.43 MPa，小于送入管柱的屈服強度 552.00 MPa，管柱不會發生強度破壞。在水下100 m和200 m 導向環的布置位置送入管柱應力出現極大值，說明導向系統的布置對于送入管柱的強度分布規律具有一定影響。此外，回接連接器的切入角是決定送入管柱能否實現精準對接的關鍵參數，該井中回接連接器切入角小于4°是確保送入管柱安全導向下入的限制標準，而切入角計算結果的最大值為1.87°，滿足1.5倍安全系數的要求，因此該井送入管柱導向下入過程中的回接連接器切入角滿足作業要求。

圖4 南海流花X井送入管柱與導向繩分析結果Fig.4 Analysis results of landing strings and guide rope of Well X in the Liuhua block in the South China Sea

3 影響因素分析

導向下入過程中送入管柱的力學參數受到海洋條件、管柱配置等諸多因素的影響，導向環和導向繩作為導向系統中比較重要的特征設備，其數量和預張力是相對容易控制的作業參數。因此，本文選取導向環數量和導向繩預張力2個參數進行影響因素分析。

3.1 導向環數量

以本文分析實例為基礎模型，分別選取不同數量的導向環進行對比分析，結果如圖5所示。由圖5a可知，在導向環對應位置出現送入管柱應力的極大值，隨著導向環數量的增加，送入管柱等效應力出現極大值的數目也逐漸增加，但送入管柱等效應力的極大值有所降低。由圖5b可知，在導向環對應位置導向繩的橫向位移出現拐點，隨著導向環數量的增加，導向繩位移呈現的線性區間數目也逐漸增加。由圖5c可知，隨著導向環數量的增加，送入管柱的最大橫向位移由3.395 m減小至2.613 m，導向環數量由1個增加為2個時送入管柱的最大橫向位移降低幅度比較明顯，導向環數量繼續增加時最大橫向位移降低幅度有所減小，說明適當增加導向環數量可有效控制送入管柱的最大橫向位移，降低管柱與鄰近管柱碰撞的風險。由圖5d可知，隨著導向環數量的增加，回接連接器切入角度由2.301°減小至1.103°，導向環數量由1個增加至3個時,回接連接器切入角降低幅度明顯，導向環數量繼續增加時切入角度降低幅度較小，說明增加導向環數量可顯著降低回接連接器的切入角度。考慮導向環數量增加的作業時效，結合現場實際情況，建議X井導向環數目布置為2個時最優，2個導向環可對送入管柱有較強的約束作用，將回接連接器的切入角度控制在允許范圍，且有利于提高導向下入作業的效率，降低作業風險。

圖5 本文實例導向環數量影響分析Fig.5 The influence of guide ring number of the study cases in this paper

3.2 導向繩預張力

以本文分析實例為基礎模型，分別選取不同大小的導向繩預張力進行對比分析，結果如圖6所示。由圖6a可知，導向繩不同預張力作用下送入管柱的均方根應力曲線基本重合，說明導向繩預張力對于送入管柱的應力水平影響較小。由圖6b可知，隨著導向繩預張力的增加，導向繩橫向偏移逐漸減小，但由于導向環數量和位置相同，導向繩位移曲線的線性區間數量及拐點位置保持不變。由圖6c可知，隨著導向繩預張力的增加，送入管柱的最大橫向位移由3.950 m減少至2.676 m，說明增加導向繩預張力可提高導向繩的約束性能。由圖6d可知，隨著導向繩預張力的增加，連接器切入角度由2.782°減小至1.697°，但連接器切入角的變化速度隨著導向繩預張力的增加而有所降低。以回接連接器切入角小于4°為判據，取1.5倍安全系數，則計算實例中送入管柱導向系統導向繩預張力最小值為250 kN。此外，當預張力為800 kN時導向繩最大等效應力已達到928 MPa，繼續增加導向繩預張力會提高平臺負載、增加作業風險，因此建議本文分析實例中導向繩預張力設置在250～600 kN的安全范圍內。

圖6 本文實例導向繩預張力影響分析Fig.6 The influence of guide rope tension of the study cases in this paper

4 結論

1) 考慮送入管柱、導向環、導向繩之間的耦合作用，采用多點約束耦合分析方法建立深水送入管柱導向系統耦合分析模型，研究了送入管柱導向下入過程關鍵力學參數及其規律，結果表明導向下入過程中送入管柱等效應力整體上呈現自上而下逐漸減小的趨勢，導向系統對管柱的橫向位移和連接器切入角有顯著的影響，送入管柱頂部和導向環作用區域出現應力突變的現象。

2) 以我國南海流花區自營井X井為分析案例，開展了導向環數量和導向繩預張力2個作業參數的影響研究，結果表明：導向環數量是導向繩位移曲線拐點數目的決定因素，導向環數量對送入管柱的應力水平、橫向位移和回接連接器的切入角具有較為顯著的影響；提高導向繩預張力可有效限制送入管柱的橫向位移，降低回接連接器的切入角度，但對送入管柱的應力水平影響較小。建議該井在工藝時效允許的情況下，考慮送入管柱的橫向位移和回接連接器的切入角度，將導向系統布置2個導向環相對合理；考慮管柱應力、橫向偏移、連接切入角等限制因素，依據計算結果并結合現場工程經驗確定導向繩預張力的安全范圍為250～600 kN。

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