深水鉆井隔水管浮力塊配置方法研究

1、第21卷第1期2009年2月中國海上油氣CHINAOFFSHOREOILANDGASVol.21No.1Feb.2009深水鉆井隔水管浮力塊配置方法研究許亮斌蔣世全姜偉(中海石油研究中心)3摘要;例,對隔水管的軸向運(yùn)動性能進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上給出了確定合理浮力系數(shù)的方法,。本文提出的浮力塊配置方法及相關(guān)關(guān)鍵詞浮力塊配置方法浮力系數(shù)水深大于1000m時(shí),浮力塊是鉆井隔水管必不可少的組成部分。如何合理配置鉆井隔水管的浮力塊是深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)需要解決的主要問題之一。一方面,為了盡可能減小隔水管張力器的張力,需要配置盡可能多的浮力塊;另一方面,在深水條件下如果環(huán)境條件超過連接模式下對安全作業(yè)的限制

2、,則應(yīng)斷開隔水管,以免對水面或水下設(shè)備造成損壞123。因此,要合理控制浮力塊的數(shù)量以滿足隔水管懸掛狀態(tài)安全性的要求,就需要對隔水管浮力塊進(jìn)行優(yōu)化配置。本文主要探討在實(shí)際應(yīng)用中浮力塊的配置方法。區(qū),這樣有助于減小隔水管的橫向載荷,增加懸掛作業(yè)窗口。(4)為了減少安裝防噴器時(shí)下部隔水管的彎曲,以避免防噴器安裝困難,在隔水管的下部應(yīng)該不配置或者少配置浮力塊。112主要流程浮力塊配置的主要流程如圖1所示。主要步驟如下:1深水鉆井隔水管浮力塊配置的基本原則和主要流程111基本原則浮力塊的配置形式一般有兩種4:一是所有的隔水管單根都帶有浮力塊;二是部分隔水管單根不帶浮力塊。浮力塊的優(yōu)化配置應(yīng)該通過反復(fù)的有

3、限元計(jì)算分析來實(shí)現(xiàn)。浮力塊配置的基本原則是:(1)避免在高流速區(qū)域安裝浮力塊,這樣可以減小隔水管的曲率與柔性接頭的轉(zhuǎn)角。(2)帶浮力塊與不帶浮力塊的隔水管單根交錯配置,有助于減少隔水管的渦激振動,從而減少疲勞損傷;采用異型剖面也有助于減小疲勞損傷。(3)帶浮力塊的單根隔水管位置要低于波浪圖1浮力塊配置的主要流程(1)按照基本原則確定隔水管浮力塊初步布置方案;(2)計(jì)算懸掛狀態(tài)下隔水管的動態(tài)張力的安全余量,確定隔水管系統(tǒng)總的浮力系數(shù);3中國海洋石油總公司深水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題“深水鉆井隔水管技術(shù)研究及雙梯度鉆井技術(shù)先導(dǎo)性研究”部分研究成果。52中國海上油氣2009年(3)根據(jù)浮力塊初步布置方案確

4、定隔水管單根的浮力系數(shù)(在實(shí)際應(yīng)用中,為了減少計(jì)算與管理的難度,往往對隔水管按照應(yīng)用水深范圍進(jìn)行分組,此時(shí)只需要確定每組的浮力系數(shù),同一組的浮力系數(shù)相同);(4)由隔水管單根的浮力系數(shù)確定每根(組)隔水管所需要配置的浮力塊數(shù)量(直徑與長度);(5)進(jìn)行校核計(jì)算,分別校核隔水管連接工況的等效應(yīng)力與懸掛工況的動張力安全余量(張力保持在0200kN之間);(6)通過圖1,計(jì)算、迭代優(yōu)化,的浮力塊優(yōu)化配置方案。水鉆井隔水管有硬懸掛和軟懸掛兩種模式,由于硬懸掛模式將導(dǎo)致更大的動態(tài)張力,故以硬懸掛模式為例來說明。懸掛狀態(tài)隔水管模型如圖2所示。假設(shè),帶有下部隔水管總成的懸掛狀態(tài)的隔水管,其截面從上部到底部是

5、均勻的,長度為L,所有影響隔水管軸向m,主管質(zhì)量、輔隔水管下部)為M,在安裝和回收還包括BOP的重量。波浪載荷可以看作規(guī)則波(隨機(jī)波可以看作是規(guī)則波的疊加進(jìn)行處理),鉆井平臺的升沉運(yùn)動可表示為u=u0sint,其中u0為升降運(yùn)動幅值初值,為升沉運(yùn)動周期,t為升降運(yùn)動時(shí)間。2深水鉆井隔水管浮力塊配置方法研究211浮力系數(shù)的確定在設(shè)計(jì)中,需要配置隔水管浮力塊數(shù)量的多少一般由浮力系數(shù)來確定。浮力系數(shù)F的計(jì)算公式如下BM-(1)MPALmiscF=(W+W+W)BM式(1)中:為浮力塊的表觀重量(水中重量,為負(fù)數(shù));WMP為主管表觀重量;WAL為輔助管表觀重量;圖2懸掛狀態(tài)隔水管模型為其他部件表觀重量

6、。浮力系數(shù)決定著浮力塊的設(shè)計(jì)直徑和長度,確定合理的浮力系數(shù)對于隔水管設(shè)計(jì)非常重要。浮力系數(shù)要盡可能的大,這樣可以減少隔水管頂部張力。在懸掛模式中,要求隔水管動態(tài)張力必須是正值,此Wmisc受線性均布阻尼D的隔水管振動滿足如下波動方程22-m2=mcD2t5t5x(2)其解為u=u0Be-jKx時(shí)需要對深水鉆井隔水管進(jìn)行懸掛分析。在惡劣的海況條件下,正常的鉆井作業(yè)無法進(jìn)行,需要將隔水管從底部斷開,使隔水管處于懸掛狀態(tài),此時(shí)需要對處于懸掛狀態(tài)的隔水管的動態(tài)特性進(jìn)行研究,以確保其安全。隔水管處于懸掛狀態(tài)時(shí)可能會出現(xiàn)動態(tài)壓縮,一旦出現(xiàn)嚴(yán)重的動態(tài)壓縮,會導(dǎo)致隔水管的局部屈曲失穩(wěn),增加隔水管的彎曲應(yīng)力,同

7、時(shí)也會增加隔水管上部碰撞月池的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免懸掛狀態(tài)時(shí)隔水管的動態(tài)壓縮,在隔水管設(shè)計(jì)時(shí)需要確定合適的浮力系數(shù)(浮力系數(shù)越大隔水管的軸向動態(tài)振動將越嚴(yán)重),必須對處于懸掛狀態(tài)下的深水鉆井隔水管的力學(xué)性能進(jìn)行分析。目前深+(1-B)ejKxejt(3)式(3)中:B、K均為待定系數(shù)?？紤]隔水管底部邊界條件x=L,則2Mt2+mcLL+BL=0(4)由此確定K(K1+iK2),從而得到u的表達(dá)式為u=u0eK2x+sinhK2xcosK1x+coshK2xsinK1xsint+u0eK2x+coshK2xsinK1x-sinhK2xcosK1cost(5)第21卷第1期許亮斌等:深水鉆井隔水管浮力塊

8、配置方法研究53其張力的分量為2KxT=mcu0sint(K2e2+K2coshK2xcosK1x-K1sinhK2xsinK1x+K2sinhK2xsinK1x+K1coshK2xcosK1x)+(K2eK2x+K2sinhK2xsinK1x+K1coshK2xcosK1x-K2coshK2xcosk1x+K1sinK2xsinK1x)cost(6)為了保證隔水管動態(tài)張力為正值,以避免出現(xiàn)動態(tài)壓縮,隔水管表觀重量Wriser與張力T應(yīng)滿足如下關(guān)系:Tmin=Wriser-|T|>0(10)式中(10):Tmin;|T|為張力動態(tài)Wriser按照下式MPALmiscBMW+W+W)+式(

9、6)中:K1=2c-2-1mc=(WMP+WAL+Wmisc)(1-F)這樣,通過調(diào)整浮力系數(shù)F,可以得到不同的最小張力Tmin,使得Tmin>0。212浮力塊數(shù)量的確定tan2<=c=F1/F3=F2/F3F1=G-(P+1F3=(1-由計(jì)算得到的隔水管單根的浮力系數(shù),可以計(jì)算出浮力塊的浮力,而浮力塊廠家一般可以提供不2K2LN)eF2=Qcos2K1L+Nsin2K1LN)cosh2K2L+Psinh2K2L-GG=Qsin2K1L+Ncos2K1LN=-222同隔水管浮力塊直徑與單位長度浮力塊所能提供浮力的關(guān)系圖表5。根據(jù)實(shí)際需要選擇浮力塊的直徑,查圖表得到單位長度浮力塊所能

10、提供的浮力,然后依據(jù)需要的浮力與單位長度浮力塊所能提供的浮力計(jì)算浮力塊的長度,最后依據(jù)浮力塊的具體規(guī)格,計(jì)算每個隔水管單根上所需要配置的浮力塊數(shù)量。需要指出的是,浮力塊直徑的選取必須考慮鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤開口的直徑,而且浮力塊的直徑必須小于轉(zhuǎn)盤開口直徑;對于同一套隔水管系統(tǒng),浮力塊的直徑盡可能選取一致。在工程實(shí)際中,每根隔水管單根上的浮力塊的數(shù)量要保持一致。因此,浮力塊數(shù)量的確定是一個反復(fù)計(jì)算、優(yōu)化配置的過程。P=D1cos<-D2sin<Q=D1sin<-D2cos<D1=D2=m2<c2<將LMRP(BOP)的阻尼作為等效阻尼考慮(設(shè)),則有等效阻尼為u=u0Bs

11、inAsin3實(shí)例計(jì)算及分析某用于深水鉆井的隔水管,其工作水深2743120m,外徑015334m,壁厚分別為2816、c+coscsint+(7)ccost2514、2212mm,有4根附屬管線,隔水管單根長度241384m。當(dāng)x=L時(shí)L+mc2確定初步的浮力塊配置方案為:位于水面附近飛濺區(qū)1根隔水管和最下端2根隔水管單根不加浮L=0(8)由此可以求得張力的動態(tài)變化分量-sinsint+T=mcu0AcosccBcosc力塊。按照以上方案進(jìn)行隔水管的懸掛分析,分析結(jié)果如圖3所示。由計(jì)算結(jié)果可知,隔水管系統(tǒng)的浮力系數(shù)在90%94%之間。依據(jù)隔水管系統(tǒng)的浮力系數(shù),大致計(jì)算隔水管單根的浮力系數(shù)。按

12、照水深將隔水管分為6組,經(jīng)過估算,其初始浮力系數(shù)分別為93%、cost(9)54中國海上油氣2009年分,對于改善和優(yōu)化隔水管局部性能以保證正常的鉆井作業(yè)方式有著重要作用。本文提出的浮力塊配置方法及相關(guān)研究結(jié)論,可供工程應(yīng)用參考。參考文獻(xiàn)1LIMF,GAULDS.Risersolutionsforultra2deepwaterdevel2opmentsR.10thAnnualOil&GasSymposium.Mum2bai,.Sofnewtechnologiesforopti2indeepwaterC/ImprovedThroughBetterManagementandApplica2

13、圖3tionofTechnology.1997,7.3GUESNONJ,GAILLARDC,RICHARDF.UltradeepwaterdrillingriserdesignandrelativetechnologyJ.Oil&GasSci2enceandTechnology,2002.4許亮斌.深水鉆井隔水管設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)研究R.北京:中國99%、95%、95%、1給出的優(yōu)化流程,隔水管單根的浮力系數(shù),同時(shí)對隔水管的浮力塊配置進(jìn)行校核計(jì)算,得到最后的配置方案如表1所示。表1某深水鉆井隔水管浮力塊配置方案加浮力隔水管隔水管隔水管塊隔水隔水管單根單根單根管單根壁厚空氣中水中數(shù)量(mm)

14、數(shù)量重量重量(根)(根)(kN)(kN)石油大學(xué)(北京),中海石油研究中心,2006.5CUMINGCORPORATION.Estimatingriserbuoyancymodule收稿日期:2008203215改回日期:2008208201水深(m)隔水管單根需浮力塊數(shù)量(個)888888(編輯:葉秋敏)ThemethodforconfigurationofdeepwaterdrillingriserbuoyancymodulesXuLiangbinJiangShiquanJiangWei(CNOOCResearchCenter,Beijing,100027)Abstract:Thebasi

15、cprinciplesandthemainproce2dureforappropriateconfigurationofdrillingriserbuoyancymodulesarepresented.Takinghardhangoffmodelasanexample,theaxialmotionperformanceofdrillingriserisanalyzedandthedy2namictensionofthesuspendedriserisidentified.Basedonthis,themethodtodeterminetheration2albuoyancyfactorisproposedandthecasecalcula2tionandanalysisareperformed.Thebuoyancymoduleconfigurationmethodproposedinthispa2perandtherelatedresearchconclusionscanbe