基于OrcaFlex水下采油樹鋼絲繩下放作業窗口研究

張 崇，孟文波，任冠龍，唐咸弟，趙蘇文，關清濤，趙維青，李新妍

(1. 中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057;2．中海油能源發展股份有限公司 工程技術深水鉆采技術公司，廣東 湛江 524057)

在海上油田，水下采油樹有多種下放安裝方式，其中，鉆桿安裝法和鋼絲纜繩安裝法作為2種傳統安裝方法，廣泛應用于我國水下采油樹的下放安裝。鋼絲纜繩法一般是利用供應船將水下裝備運至安裝地點，在工程船或起重駁船上將水下裝備通過鋼絲纜繩直接連于船舶的吊機、船尾的A字架或絞車等，然后再利用鋼絲纜繩緩慢下放至安裝位置。相對于鉆桿安裝方式，鋼絲繩法由于借助工程船下放，穩定性較差。且鋼絲繩存在易偏移、軸向共振以及下放至飛濺區的波浪砰擊問題。對安裝作業時的風浪流條件要求更高，可進行作業的窗口更窄。因此，研究水下采油樹的鋼絲繩下放安裝作業窗口，從而提高水下采油樹的安裝效率是我國函待解決的重要工程問題。

J.R.F.Moreira等[1]分析了采油樹在水中下放時鉆桿的應力、橫向位移和變形情況，分析結果證明用鉆桿下放采油樹具有穩定高效的優勢。林秀娟等[2]建立了深水采油樹下放過程中鉆桿有限元分析模型，對不同影響因素下鉆桿的位移、偏移角、和彎矩進行分析。龔銘煊等[3]基于有限元法建立了水下采油樹鉆桿下放分析模型，針對不同邊界和載荷情況對下放鉆桿的運動響應進行了研究。鞠少棟等[4]針對隔水管軸向動力分析，提出了懸掛模式下隔水管的作業窗口分析方法，確定了隔水管懸掛作業極限條件，得出了不同風浪流條件下的隔水管懸掛作業窗口。梁海青[5]基于莫里森方程對鋼絲繩安裝法和纖維繩安裝法進行對比，研究了海流作用引起的水下采油樹橫向偏移和纜繩拉伸長度。脫浩虎等[6]針對1 500 m深水采油樹下放安裝問題，基于OrcaFlex有限元軟件分析了不同風浪流等條件下水下采油樹下放過程中鉆桿的運動響應和力學性能。王瑩瑩等[7]基于小變形理論，建立了下放安裝采油樹的有限元模型，研究了不同環境因素下鉆桿的橫向偏移和彎矩等運動。張偉國等[8]應用OrcaFlex分別建立了水下采油樹鉆桿下放和鋼絲繩下放系統仿真模型，研究了下放過程中鉆桿和鋼絲繩的應力及彎矩變化以及水下采油樹偏移等；宋強等[9]分析了不同采油樹參數，海況環境條件以及鉆桿下放的速度及水深等條件對水下采油樹的影響。

目前，除宋強對鉆桿下放作業窗口的研究，國內外學者[10-11]基本局限在水下采油樹下放的技術施工方面的問題，針對水下采油樹鋼絲繩下放作業窗口的研究尚屬空白。因此，本文針對東方1-1氣田水下采油樹鋼絲繩法安裝項目，確立了采油樹下放作業窗口分析方法，基于OrcaFlex建立了水下采油樹鋼絲繩下放分析模型，確定了下放窗口極限邊界條件。應用正交分析法分析了采油樹下放的主要敏感性因素，最后建立了水下采油樹鋼絲繩下放作業窗口。研究成果可為東方1-1氣田水下采油樹的鋼絲繩法安裝作業提供一定的指導。

1 鋼絲繩下放分析

根據現有的研究纜繩動力學的數值分析方法來看，水下纜索的建模可以分為2類：連續法和離散法。離散模型是對纜繩進行空間離散，或視為多自由度彈簧-質量系統，水下采油樹下放過程可分為入水前、通過飛濺區和完全入水3個階段。由于鋼絲繩具有較大的柔性和撓性，在入水階段纜繩系統可能產生張緊-松弛的現象，受到較大的突變載荷，會縮短鋼絲繩的使用壽命，適合建立離散模型。水下采油樹鋼絲繩下放過程受力分析模型如圖1所示。

圖1 水下采油樹鋼絲繩下放過程受力分析模型

通過對鋼絲繩受力分析模型的力學分析可知，作用在纜繩系統上的載荷為重力、浮力、波浪力、海流力和張緊力。

1) 風載荷。

風載荷隨時間不斷變化，但在風速恒定時，作用在平面和曲面上的理論風壓是空氣的動能函數，可用數學關系式表示：

(1)

總風力F表示為：

F=KKzpoAs

(2)

(3)

式中：v為風速，m/s；F為風載荷，N；g為重力加速度，m/s2；K為風載荷形狀系數；po為基本風壓，Pa；AS為結構物受風面積，m2；α為風壓系數，取0.613 N·s2/m4；Ks為海上高壓高度變化系數，按規范取1.0；W為空氣重度，kN/m2；vt為設計風速，m/s。

2) 波流載荷。

在計算鋼絲繩這類物體直徑與波長的比值為小量的小尺度的結構物時，通常采用Morison公式。波浪力的公式為：

(4)

式中：CD為拖曳力系數；v為流體的相對速度；d為流作用的有效直徑；a為水質點的加速度；ρ為海水的密度；Cm為慣性力系數；Va為結構加速度。

在工程實際中，通常將海流視為定常流，海流力隨時間的變化不大，也就是說同一垂線處拖曳力并不隨水深而改變。目前，通常按下列公式近似計算海流力的大小，假設波浪、海流的速度矢量分別為u和uc，夾角為φ，其拖曳力矢量為：

(5)

波浪與海流的聯合作用非常復雜，通常采用修正形式的Morison方程近似計算作用于鋼絲繩的波流聯合作用力[12]：

(6)

式中：ǔN為鉆桿法向速度，m/s。

3) 工程船升沉運動。

鋼絲繩頂部與工程船絞車相連接，其頂部垂向位移受工程船升沉運動影響：

x(L)=Asin(6.28t/Tp)

(7)

式中：L為鋼絲繩長度，m；t為時間，s；A為工程船升沉運動幅值，m；Tp為工程船升沉運動周期，s。

2 OrcaFlex仿真建模

2.1 基本工況環境條件

對于水下采油樹所受載荷，風載荷的比例高達15%。在粘性阻力系數和迎風面積一定的情況下，風速是影響風載荷的關鍵因素，風參數如表1所示。

表1 風參數

在OrcaFlex僅設置水面流速和海底流速即可自動形成連續流速域，海流參數設置如表2。

表2 海流參數

我國海域浪高普遍較大，100 a重現期內的浪高已達13.4 m以上，但是由于浪高對船舶的運動影響較大，對于無有效補償系統的船舶來講，超過浪高6.3 m(一年一遇)以上不會進行下放安裝作業，波浪參數如表3所示。

表3 波浪參數

2.2 水下采油樹鋼絲繩下放仿真系統建模

2.2.1 船體建模

對于采油樹安裝船，需要有升沉補償系統以及定位能力，選用海洋石油708工程船作為安裝船，其最大吊機能力為135 t(吊車出廠后已有近10 a，按照原來的90%考慮)，甲板承載質量10 t/m2，滿足運輸和起吊采油樹的能力要求。水下采油樹采用舷側位置進行下放，在OrcaFlex軟件中建立了如圖2簡化船體模型。

圖2 安裝船簡化模型

2.2.2 鋼絲繩建模

OrcaFlex中使用Line模型可以模擬鉆桿及繩索，它提供3種類型分別為Homogeneous pipe、Equivalent line和General，其中Homogeneous pipe用于模擬均質管線，Equsivalent line主要用于模擬多層復合管結構，General則用于除這2種之外的其他類型管線，因此選取General作為鋼絲繩的類型。鋼絲繩參數設置如表4所示。

表4 鋼絲繩參數

2.2.3 水下采油樹結構建模

OrcaFlex中提供2種結構物模型，一個是Buoys(包括6D和3D兩種)，另一個是Shape模型。由于Shape模型主要用于模擬一些特定的物體，例如障礙物、月池等，其中的Drawing shapes類型也僅是用于視圖展現，不具備任何屬性，所以此次建模時對于采油樹樹體和下放工具均選擇Buoy中的6D Buoys模擬，底座、閥體等采用Elastic solid進行模擬，表5為水下采油樹各部分質量及尺寸。將鋼絲繩一端與工程船的絞車相連，另一端連接采油樹下放工具，建立如圖3水下采油樹下放系統仿真模型。

表5 水下采油樹各部分質量及尺寸

圖3 水下采油樹下放系統仿真模型

3 鋼絲繩法下放作業窗口

3.1 確定準則及分析流程

海洋石油708船吊機吊裝范圍及對應吊裝質量如圖4，吊機在半徑10 m范圍內，最大吊裝質量為150 t。吊機在半徑15 m范圍內，最大吊裝質量為100 t。吊機在半徑21 m范圍內，最大吊裝質量為70 t。

圖4 708船吊機作業范圍及吊裝質量

水下采油樹通過鋼絲繩下放時，為防止出現纜繩松弛現象，導致采油樹側翻，鋼絲繩的有效張力不得為0。采油樹下放作業窗口計算準則為：

1) 鋼絲繩最大張力不超過海洋石油708船吊車吊裝能力(吊車出廠后已有近10 a，按照原來的90%考慮)。

2) 水下采油樹最大縱向位移不超過10、15、21 m。

3) 水下采油樹最大傾斜角度要小于90°。

4) 鋼絲繩所受的有效張力不為0。

不同作業要求下采油樹下放作業窗口確定準則，如表6所示。

表6 不同作業要求下采油樹下放作業窗口確定準則

水下采油樹下放作業窗口是指水下采油樹下放作業極限工況的組合，即計算不同工況組合條件下鋼絲繩的受力以及采油樹的運動響應，并判斷是否符合窗口限制準則，最終得出下放作業的極限工況組合，繪制下放作業窗口。建立的水下采油樹下放作業窗口確定流程如圖5所示。

3.2 正交試驗設計

通常情況下，在安裝過程中整個系統會受到多個因素的影響，如果只是單一分析1個影響因素的影響，很難全面掌握鋼絲繩受力以及水下采油樹運動響應。為此需要通過正交試驗來全面的研究影響因素的影響強弱情況，選擇更顯著的影響因素來建立水下采油樹下放安裝作業窗口。采用正交試驗法制定的四因素四變量的試驗設置如表7所示。

圖5 水下采油樹下放作業窗口確定流程

表7 試驗的設計因素與水平

采用正交L16(44)進行正交試驗的設計方案如表8所示。

表8 正交試驗的設計方案

續表8

3.3 OrcaFlex軟件數據計算結果

將表7中的參數按組輸入OrcaFlex有限元模型，進行了16次計算，得到結果如表9所示。

表9 仿真得到的數據

3.4 敏感性參數極差分析

采用極差分析法分析鋼絲繩最大有效張力的結果如表10所示。可以看出，影響鋼絲繩最大有效張力的因素由強到弱的排序為：波浪方向角>下放速度>浪高>流速。

表10 鋼絲繩最大有效張力極差分析數據

水下采油樹最大縱向位移的影響因素強弱的極差分析結果如表11所示，可以看出，影響水下采油樹最大縱向位移的因素強弱排序為：流速>波浪方向角>浪高>下放速度。

表11 水下采油樹最大縱向位移極差分析數據

水下采油樹最大傾斜角度影響因素強弱的極差分析結果如表12所示。可以看出，影響水下采油樹最大傾斜角的因素的強弱排序為：波浪方向角>浪高>下放速度>流速。

表12 水下采油樹最大傾斜角度極差分析數據

由正交試驗分析的結果可知，影響鋼絲繩最大有效張力、水下采油樹最大縱向位移以及安裝姿態主要參數是波浪方向角、流速和浪高。

3.5 鋼絲繩下放作業窗口的建立

通過變換第3.4節得到的主要影響參數數值，得到不同海況條件組合下的水下采油樹鋼絲繩下放仿真分析結果。將結果與第3.1節確定的水下采油樹下放作業窗口計算準則進行對比，得到了波浪方向角0、45、90、135和180°的下放作業窗口，如圖6～10所示，安全區域表示可下放采油樹的海況條件范圍。總結不同波浪方向的下放作業窗數據如表13所示。

圖6 波浪方向角0°時鋼絲繩下放作業窗口

圖7 波浪方向角45°時鋼絲繩下放作業窗口

圖8 波浪方向角90°時鋼絲繩下放作業窗口

圖9 波浪方向角135°時鋼絲繩下放作業窗口

圖10 波浪方向角180°時鋼絲繩下放作業窗口

表13 下放作業窗口中不同波浪方向角對應的數據

由圖6～10和表13可以得到：不同波浪方向角下放作業窗口的最大流速基本相同，大約都為1.09 m/s，最大浪高有所不同。當波浪方向角為0°時，下放作業窗口的最大浪高為11.1 m，此時下放作業窗口中的安全區域面積最大；當波浪方向角為45°時，下放作業窗口的最大浪高為5.3 m；當波浪方向角為90°時，下放作業窗口的最大浪高為5.6 m；當波浪方向角為135°時，下放作業窗口的最大浪高為5.06 m，此時下放作業窗口中的安全區域面積最小；當波浪方向角為180°時，下放作業窗口的最大浪高為9.5m。當波浪方向角為0°或者180°時，水下采油樹的最大縱向距離影響很小，而當波浪方向角為45、90和135°，水下采油樹的縱向距離為10 m時的浪高分別為2.78 、3.05和2.4 m，水下采油樹的縱向距離為15 m時的浪高分別為3.97、4.45 和3.99 m。當波浪方向角為0°或者180°時，對水下采油樹的最大縱向距離影響很小，OrcaFlex仿真得到的采油樹的縱向位移為0，造成窗口偏大，但結果過于理想，不適用于工程實際應用。且由于實際下放時，海況方向并不可控。

通過對波浪方向角為0、45、90、135和180°的下放作業窗口進行安全區域的交集組合成，滿足不同波浪方向角下的水下采油樹鋼絲繩法安裝作業窗口，如圖11所示。當浪高在[5.06 m，0 m]，流速為[0 m/s，1.09 m/s]的封閉區域(安全作業區域)內，適用于東方1-1氣田73 m水深水下采油樹下放安裝作業。

圖11 水下采油樹鋼絲繩法下放作業窗口

4 結論

1) 本文針對東方1-1氣田水下采油樹鋼絲繩法安裝項目，確定了采油樹下放作業窗口分析方法，建立了水下采油樹鋼絲繩下放作業OrcaFlex模型，確立了采油樹下放窗口極限邊界條件，并應用正交分析法判斷了采油樹下放的敏感性因素強弱，最后得到了水下采油樹鋼絲繩下放作業窗口。

2) 通過OrcaFlex軟件仿真正交試驗分析，進行OrcaFlex軟件模擬仿真分析，定量得出影響鋼絲繩最大有效張力、水下采油樹最大縱向位移以及安裝姿態主要參數是波浪方向角、流速和浪高。

3) 不同波浪方向角下放作業窗口的最大流速基本相同，大約都為1.09 m/s。當波浪方向角為0°時，下放作業窗口的最大浪高為11.1 m；當波浪方向角為45°時，下放作業窗口的最大浪高為5.3m；當波浪方向角為90°時，下放作業窗口的最大浪高為5.6 m；當波浪方向角為135°時，下放作業窗口的最大浪高為5.06 m；當波浪方向角為180°時，下放作業窗口的最大浪高為9.5 m。

4) 將不同波浪方向下的窗口計算結果取交集得出，當浪高在[5.06 m，0 m]，流速為[0 m/s，1.09 m/s]的封閉區域(安全作業區域)內，適合于東方1-1氣田73 m水深水下采油樹下放安裝作業。