基于OrcaFlex的水下采油樹鉆桿下放影響因素敏感性分析

黃 熠 ，王爾鈞 ，張 崇，孟文波，同武軍，趙維青，趙蘇文，段明付

(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(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深水鉆采技術(shù)公司，廣東 湛江524057)

自從海洋油氣開采提升到國家戰(zhàn)略，各油田公司紛紛加大在海洋的油氣開采力度。水下采油樹是水下生產(chǎn)系統(tǒng)進行海洋油氣開采的關(guān)鍵裝備，在石油開采中扮演者不可替代的作用[1-3]，其具有質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，多變的海況給下放安裝帶來極大的挑戰(zhàn)[4]。

鋼絲繩直接吊裝和鉆桿下放安裝是水下采油樹的主要安裝方法，目前已有很多高校和研究人員對水下采油樹的安裝進行了相關(guān)研究。周美珍等[5]基于平臺月池安裝，并對平臺偏移、采油樹質(zhì)量、環(huán)境參數(shù)、鉆桿參數(shù)等因素展開對水下采油樹不同安裝階段進行分析研究；歐陽賽賽等[6]建立了三維流固耦合計算模型，研究了淺水采油樹鉆桿下放過程的應(yīng)力情況和橫向偏移響應(yīng)；脫浩虎等[7]基于水動力學(xué)軟件OrcaFlex建立了水下采油樹鉆桿下放的分析模型，研究了環(huán)境因素對下放過程動態(tài)響應(yīng)的影響；張偉國等[8]基于鋼絲纜繩和鉆桿2種下放方案的特點，研究了這2種下放安裝方法下入500 m水深，水下采油樹運動響應(yīng)情況與鉆桿受力分布情況，同時研究了環(huán)境因素對2種下放安裝方法的敏感度；湯建冬等[9]基于材料力學(xué)小變形梁理論構(gòu)建采油樹鉆桿下放模型，采用有限差分法數(shù)值求解，并與OrcaFlex軟件計算結(jié)果展開對比驗證研究；Thomas等[10]詳細分析了水下采油樹的下放安裝工藝；R.VOSS等[11]詳細闡述了水下采油樹的安裝工藝，并記錄下放過程的相關(guān)技術(shù)問題。王瑩瑩等[12]利用OrcaFlex水動力學(xué)軟件研究了不同環(huán)境下1 500 m水深水下管匯安裝工藝過程中鉆桿的受力情況，計算得到鉆桿頂端部分屬于危險部分；顧純巍等[13]研究了不同影響因素對水下應(yīng)急封井裝置下入過程中鋼絲纜繩最大受力和裝置運動響應(yīng)的影響。

由此可見，水下采油樹的鉆桿下放受力極為復(fù)雜，為了解決水下采油樹鉆桿下放過程中出現(xiàn)的技術(shù)問題，以及下放安裝過程中鉆桿的相關(guān)受力問題，筆者基于OrcaFlex水動力學(xué)軟件進行數(shù)值仿真，針對東方1-1氣田海域水深73 m，開展水下采油樹下放過程影響因素敏感性分析。研究結(jié)果將對水下采油樹的下放安裝起到一定的參考作用。

1 鉆桿下放受力模型分析

水下采油樹鉆桿下放過程主要分為5個階段。第1階段為裝船固定階段，第2個階段為提升操作階段，第3個階段為穿越飛濺區(qū)階段，第4個階段為深水下放階段，第5個為與井口對接階段。不同階段所受載荷和邊界條件不同，本文主要對水下采油樹鉆桿下放過程環(huán)境影響展開研究，因此選擇第4階段研究。目前對于鉆桿下放海洋裝備動力學(xué)研究主要利用材料力學(xué)小變形梁理論和有限元分析方法[14]。

建模時做如下假設(shè)：

1) 鉆桿的材料為均勻各向同性的。

2) 環(huán)境參數(shù)的運動與平臺及鉆桿的運動在同1個平面內(nèi)。

3) 鉆桿受外力變形屬于小變形。

水下采油樹鉆桿下放過程受力分析模型如圖1所示。

圖1 水下采油樹鉆桿下放過程受力分析模型

由鉆桿的受力分析模型可知，鉆桿主要受到海流力、波浪力、重力、浮力、張緊力和彎矩等載荷，將受力變形后的鉆桿劃分為n個微分單元，由挪威船級社DNV RP-C205規(guī)范[15]可計算鉆桿第i個微分單元所受水動力載荷Fi和采油樹所受水動力Fc。

(1)

(2)

式中：i=1，3，…，n；ρ為海水密度，kg/m3；Cd為鉆桿水平拖曳力系數(shù)；CD為采油樹水平拖曳力系數(shù)；CM1為鉆桿慣性力系數(shù)；CM2為采油樹性力系數(shù)；d為鉆桿外徑，m；vi為第i個微分單元處的海流流速，m/s；μ為波浪引起的水質(zhì)點速度，m/s；Ap為采油樹水平拖曳力面積，m2；H為纜繩微分單元的高度，m；V為水下采油樹的排水體積，m3。

鉆桿微分單元的自重力Gi可表示為：

Gi=ωg·dx

(3)

式中：ω為線密度，kg/m。

微分段的力學(xué)微分方程可表示為：

(4)

Ti=Fxicosθ+Fyisinθ

(5)

Fxi=(Gc-Ff)+ω(n-i)dx·g

(6)

(7)

式中：EI為鉆桿的抗彎剛度，N/m2；Ti為軸向張力，N；θ為鉆桿微元與豎直方向的夾角，rad；Gc采油樹為采油樹產(chǎn)生的重力，N；Ff為水下采油樹的浮力，N。

2 水下采油樹鉆桿下放仿真分析

水下采油樹主要由采油樹下放工具、本體、閥組和框架等組成。基于半潛式平臺模型參數(shù)，利用OrcaFlex軟件進行繪制，該平臺的水動力學(xué)參數(shù)主要由RAO算子決定，水下采油樹的本體和下放工具利用6D buoy浮體建模，框架和相關(guān)閥組利用Shape中的Elastic solid進行建模，再將不同部分連接。水下采油樹下放安裝耦合系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 水下采油樹下放安裝耦合系統(tǒng)模型

2.1 環(huán)境參數(shù)的設(shè)定

本文主要研究東方1-1氣田的風(fēng)、浪、流等環(huán)境參數(shù)對水下采油樹鉆桿下放安裝過程中的受力和運動響應(yīng)問題，所以空氣、海面、海床等選取默認。

2.1.1 風(fēng)參數(shù)

對于水下采油樹所受環(huán)境載荷，風(fēng)載荷的比例占15%。在黏性阻力系數(shù)和迎風(fēng)面積一定的情況下，風(fēng)速是影響風(fēng)載荷的關(guān)鍵因素。東方1-1氣田風(fēng)參數(shù)如表1所示。

表1 東方1-1氣田風(fēng)參數(shù)

2.1.2 浪參數(shù)

表2 東方1-1氣田波浪參數(shù)

2.1.3 海流參數(shù)

由于流速數(shù)據(jù)很少，因此OrcaFlex軟件通過在Environment中設(shè)置表層流速和海床流速，使用軟件自帶的Power Law方法形成0～73 m連續(xù)不同深度流速曲線圖，具體海流參數(shù)如表3所示。

表3 東方1-1氣田海流參數(shù)

2.2 鉆桿建模

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(zhì)管線，Equsivalent line主要用于模擬多層復(fù)合管結(jié)構(gòu)，General則用于除這2種之外的其他類型管線，因此選取General作為鉆桿的類型。鉆桿參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 鉆桿參數(shù)

3 基于OrcaFlex的水下采油樹鉆桿下放安裝敏感性參數(shù)仿真研究

3.1 風(fēng)速對鉆桿受力和水下采油樹運動響應(yīng)的影響

由表1知，重現(xiàn)期1 a時平均風(fēng)速為28.4 m/s， 重現(xiàn)期10 a年時平均風(fēng)速為41.0m/s，重現(xiàn)期50 a平均風(fēng)速為50.3 m/s，重現(xiàn)期100 a平均風(fēng)速為54.2 m/s。風(fēng)主要是直接作用于鉆井平臺和引起海水的波動，對采油樹的下放造成不可忽視的安全問題，因此展開了對風(fēng)速這個單一因素的研究。不同風(fēng)速影響下的鉆桿受力狀態(tài)和采油樹運動響應(yīng)計算結(jié)果如表5所示。

表5 不同風(fēng)速的影響數(shù)據(jù)

鉆桿所受到應(yīng)力和彎矩極值同樣是分布在鉆桿的頂端位置，不同風(fēng)速對鉆桿的Von Mises應(yīng)力以及彎矩(包括x、y方向彎矩)影響總體較小，其中鉆桿的上端點的應(yīng)力以及彎矩隨風(fēng)速增大而增大，鉆桿的下端點的Von Mises應(yīng)力受風(fēng)速影響較小，彎矩值為0。

不同風(fēng)速對水下采油樹在x、y方向的偏移量和傾斜角度影響較小，主要是因為直接作用在水下采油樹上的載荷只有海流載荷，風(fēng)載荷只能作用于鉆井平臺，通過與鉆桿之間的耦合作用，間接影響水下采油樹。采油樹在下放過程中最大的偏斜角度在9°左右。

3.2 海流流速對鉆桿受力和水下采油樹運動響應(yīng)的影響

海流是制約水下結(jié)構(gòu)物下放的重要因素，其大小變化莫測，但一般海面流速都在0.50～2.04 m/s，2.04 m/s已是百年一遇，故不再對更大的流速進行討論。本文選擇了1.09 m/s(一年一遇)、1.46 m/s(十年一遇)、1.86 m/s(五十年一遇)和2.04 m/s(百年一遇)4種流速。海流主要是作用在鉆桿和采油樹上，這會給鉆桿造成一個很大的彎矩，影響到鉆桿的正常使用。通常，鉆桿的最大彎矩出現(xiàn)在鉆臺處，所以研究海流對鉆桿受力的影響尤為必要，其他環(huán)境條件，浪高選擇1 a一遇的情況，浪高6.3 m，周期為8 s；風(fēng)速選擇1 a一遇的平均風(fēng)速28.4 m/s。不同海流流速影響下的鉆桿受力狀態(tài)和采油樹運動響應(yīng)計算結(jié)果如圖3～8所示。

大數(shù)據(jù)時代給管理會計工作帶來的不止是機遇也有更大的挑戰(zhàn)，新時代的特點就是機會與挑戰(zhàn)并存。所以，企業(yè)一定要對此加強重視，要緊跟時代潮流，牢牢抓住機遇，整合分析自身的問題，并且結(jié)合實際情況對癥下藥，充分利用大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢為企業(yè)的發(fā)展謀求更多機遇。

圖3 不同流速下鉆桿的Von Mises應(yīng)力

圖4 不同流速下鉆桿的總彎矩

圖5 不同流速下鉆桿的不同方向彎矩

從圖3～8可以看出，在表層流速從1.09 m/s到2.04 m/s增大的過程中，鉆桿頂端受到的彎矩大小隨著海流的增大而增大，說明不同流速對鉆桿受到的有效張力影響較大。同時，采油樹的偏移也隨著海流流速的增加而不斷增加。

隨著海流流速的增大，對鉆桿的Von Mises應(yīng)力以及彎矩(包括x、y方向彎矩)影響較大，同時也能看出鉆桿受到的最大Von Mises應(yīng)力和彎矩均位于鉆桿頂端處，百年一遇海流流速時鉆桿頂端最大Von Mises應(yīng)力為818.38 MPa (小于鉆桿(S135)的屈服極限930 MP)，最大彎矩為315.68 kN·m，x方向最大彎矩為223.07 kN·m和y方向最大彎矩為223.37 kN·m。

圖6 不同流速下的偏移曲線

圖7 不同流速下采油樹在x、y方向上最大偏移量

圖8 不同流速下采油樹的傾斜角度

在采油樹經(jīng)過飛濺區(qū)時，隨著海流流速的增大，采油樹的x、y方向偏移量以及傾斜角也增大，且影響較大。

在百年一遇的海況下采油樹在飛濺區(qū)的x、y方向偏移量以及傾斜角有最大值，分別為9.7 m 、13.2 m和16.4°。

采油樹在接近井口時，采油樹的傾斜角變化較小，x、y方向偏移量隨著鉆桿下放長度的增加而緩慢增加。

3.3 浪高對鉆桿受力和水下采油樹運動響應(yīng)的影響

浪高是采油樹下放過程不可忽視的因素，海浪的波動會引起鉆井平臺的上下浮動以及左右擺動，這就要求平臺具有一定的升沉補償能力，會形成1個飛濺區(qū)域，給采油樹的底部形成較大的沖擊作用力，同時會間接地影響鉆桿的受力情況，也會引起采油樹更大的傾斜。不同浪高影響下的鉆桿受力狀態(tài)和采油樹運動響應(yīng)計算結(jié)果如圖9～13所示。

從圖9～10可以看出，隨著波浪高度的增大，鉆桿頂端的Von Mises應(yīng)力和彎矩(包括x、y方向彎矩)均增加，說明浪高對鉆桿Von Mises應(yīng)力和彎矩影響較大；當浪高為百年一遇(13.4 m)時，鉆桿上下端點的最大Von Mises應(yīng)力分別為482.9 MPa、56.6 MPa;鉆桿的最大彎矩為175.5 kN·m，其中x方向彎矩為129.5 kN·m，y方向彎矩為134.8 kN·m。

圖9 不同浪高下鉆桿的Von Mises應(yīng)力

圖10 不同浪高下鉆桿上端點的彎矩

從圖11～13可以看出，隨著波浪高度的增大，在采油樹經(jīng)過飛濺區(qū)時，采油樹的x、y方向最大偏移量以及最大傾斜角也增大，且影響較大。

圖11 不同浪高下采油樹的偏移量

圖12 不同浪高下采油樹的偏移極值

圖13 不同浪高下采油樹的傾斜角

在百年一遇的浪高情況下，采油樹的x方向偏移為8.9 m，y方向偏移為9.9 m，采油樹的傾斜角為15.2°。

在接近井口時，采油樹的傾斜角以及偏移量變化較小，偏移量(x、y方向)隨著鉆桿下放長度的增加而緩慢增加。但采油樹在水中的波動幅度隨著浪高的增加而增大。

3.4 方向角對鉆桿受力和水下采油樹運動響應(yīng)影響

鉆井平臺由于結(jié)構(gòu)等的原因，在不同的海況方向會產(chǎn)生不同的運動，從而間接的影響水下采油樹的下放，不同海況方向影響下的鉆桿受力狀態(tài)和采油樹運動響應(yīng)如圖14～17所示。

從圖14～15可以看出，在不同的海況方向激勵下，鉆桿上端點的Von Mises應(yīng)力受海況方向的影響較大。當海況方向為0°到180 °方向上時影響相對較小，45°到135°方向上時影響相對較大，其中0°方向有最小值258.8 MPa，135°有最大值552.9 MPa；海況方向?qū)︺@桿的下端點的影響較小，在45°有最大值80.5 MPa。鉆桿的上下端點的彎矩變化趨勢相同，其總彎矩值變化不大，但依然在45°到135°方向有較大值，在0°到180°方向有較小值，可能與采油樹的迎流面積相關(guān)。

圖15 不同海況方向下鉆桿的上端點彎矩極值

從圖16～17可以看出，在不同的海況方向激勵下，采油樹經(jīng)過飛濺區(qū)時，海況方向?qū)A斜角的影響較大，海況方向為180°時采油樹有最大傾斜角度值14.0°；在接近井口時，海況的方向?qū)Σ捎蜆涞膬A斜角影響較小。

圖16 不同海況方向下采油樹的傾斜角

圖17 不同海況方向下采油樹的偏移

采油樹的偏移量受海況方向的影響較大，x方向在0°海況方向有最大偏移值5.91 m，y方向在90°海況方向有最大偏移值5.93 m。

3.5 水下采油樹敏感性參數(shù)分析

水下采油樹下放安裝耦合系統(tǒng)，在不同環(huán)境因素的影響下，展現(xiàn)出不同運動規(guī)律和特性[16-17]。水下采油樹鉆桿下放過程影響因素眾多，其中多變的海況是影響其安全下放的一個重要因素，為此對構(gòu)成海況的單一因素，風(fēng)速、海流流速、浪高和方向角進行逐一研究，基于對水下采油樹下放過程穩(wěn)定性的影響程度不同，對參數(shù)敏感性進行打分評價。水下采油樹安裝穩(wěn)定性的參數(shù)敏感性分析如表5所示。浪高對采油樹安裝穩(wěn)定性的影響最大，其次是流速，方向角的影響較小，風(fēng)速對采油樹安裝穩(wěn)定性的影響最小，其影響大小排序為浪高>海流流速>方向角>風(fēng)速。

表5 水下采油樹敏感性參數(shù)分析

4 結(jié)論

1) 基于海工軟件OrcaFlex建立平臺-鉆桿-水下采油樹多體下放系統(tǒng)仿真模型，同時對水下采油樹采用鉆桿下放進行模擬仿真。研究了水下采油樹在下放過程中橫向位移以及傾斜角度的變化情況，同時也采用了鋼絲繩下放中一樣的控制變量法，模擬分析了風(fēng)速、流速、浪高以及海況方向等不同因素對水下采油樹下放安裝過程中的影響。

2) 鉆桿所受到的Von Mises應(yīng)力以及彎矩都主要集中在鉆桿上部靠近鉆桿頂端處，在鉆桿與采油樹連接處存在較小應(yīng)力，沒有彎矩集中。應(yīng)當避免在過大海浪、海流等海況下進行采油樹下放作業(yè)，否則會造成鉆桿的彎曲變形。

3) 在敏感性參數(shù)分析方面，風(fēng)速對下放過程中鉆桿受力、彎矩以及水下采油樹的運動響應(yīng)影響很??；海流流速、浪高、海況的方向?qū)ζ溆绊戄^大，其影響大小排序為浪高>海流流速>方向角>風(fēng)速，其中海流流速和浪高都是正影響。