海洋深水钻井隔水管系统动力特性分析.pdf

第 3 1 卷 第 3期 2 0 0 9年 6月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L L I NCP RODUC T 1 0N T EC HNOL OGY V0 1 ． 3l No ． 3 J u n ．2 0 0 9 文章编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 0 9 0 3 0 0 0 1 0 4 海洋深水钻井隔水管系统动力特性分析 刘书杰 谢玉洪 杨 进 谢仁军 张春阳 林海春 彭作 汝 1 ． 中海石 油有限公司北京研究 中心， 北京 1 0 0 0 2 7 ； 2 ． 中海石油 中国 有限公司湛江分公司， 广东湛江5 2 4 0 5 7 3 ． 中国石油大学石油工程教育部重点 实验室 ， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 4 ． 中海石油有限公 司， 北京 1 0 0 0 2 7 摘要海洋钻井隔水管是连接海底井口与钻井船的重要设备， 文中利用描述隔水管运动的四阶非线性偏微分方程， 应用有 限差分法对隔水管的受力情况进行数值分析， 考虑了顶张力和浮力块以及其他因素对隔水管的影响， 并编制了相应的计算软 件。文中所提供的力学分析方法及计算程序具有方法简便、 计算精度高和运算速度快等特点， 能够为深水钻井隔水管设计和校 核提供可靠的理论依据和指导 ， 具有较好的应 用价值。 关键词 钻井隔水管 ；数值模拟 ；动力分析 中图分类号 T E 5 2 文献标识码A Dr i l l i n g r i s e r d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f ma r i n e de e p wa t e r U U S h u j ie ’， X I E Y u h o n g ， Y A N G J i n 3， X I E R e n j u n ， Z H A N G C h u n y a n g ， L IN H a ic h u n 4 ， P E N G Z u 0 r u 4 1 ． C NOO CR e s e a r c hC e n t e r ， B e ij i n g1 0 0 0 2 7 ， C h i n a ； 2 ． Z h a n j i a n gC o ． o fC NOOC , Z a n j i a n g 5 2 4 0 5 7 ， C h i n a ； 3 ． MO EK e yL a b o r a t o r yo fP e t r o l e u m E n g in e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o fP e t r o l e u m ， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 4 ． C h i n a Na t i o n a l O ff s h o r e Oi l C o r p o r a t i o n ， B e ij i n g 1 0 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Offs h o r e d r i l l i n g ris e r s a r e i mp o r t a n t f o r c o n n e c t i n g s e a b e d we l l h e a d a n d d r i l l i n g v e s s e l s ． By u s i n g fou a h o r d e r n o n l i n e a r p a r t i a l d i ff e r e n t i a l e q u a t i o n s for d e s c ri b i n g ri s e r mo v e me n t a n d t h e fi n i t e d i ff e r e n c e me t h o d F D M ， s i mu l a t i o n a n a l y s i s i s c o n d u c t e d o n ri s e r f o r c e s ． Co n s i d e ri n g t h e e ffe c t o f t o p t e n s i o n ， b u o y a n c y b l o c k s a n d o t h e r f a c t o r s o n ris e r , c o r r e s p o n d i n g c a l c u l a t i o n s o f t wa r e i s d e v e l o p e d ． Th e me c h a n i c a l a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n p r o g r a m p u t f o r wa r d i n t h i s p a p e r f e a t u r e i n s i mp l i c i t y , h i g h e ffi c i e n c y a n d h i g h s p e e d o f c a l c u l a t i o n ． T h e y ma y b e we l l a p p l i e d t o d e e p wa t e r d ri l l i n g ris e r d e s i g n a n d v e ri fi c a t i o n ． Ke y wor ds d r i l l i ng ris e r ；n u me ric a l s i mul a t i on ；d y na mi c a na l ys i s 随着深水海域石油天然气资源的勘探开发， 深 水钻井船和石油平台将会大量使用。钻井隔水管是 连接海底井 口与钻井船的重要设备 ⋯。随着海水深 度的增加 ， 隔水管柱的受力状态更加恶劣和复杂， 而 且国内在深水海域 的钻探井数量 比较少 ， 深水钻井 经验也 比较欠缺， 所 以开展深水条件下隔水管力学 分析研究是十分必要的。笔者利用四阶非线性偏微 分方程来对隔水管进行分析， 并应用有限差分法对 隔水管的受力情况进行数值分析是比较方便的一种 方法。 l 隔水管的动力分析模型 ． Dy n a mi c a na l y s i s mo d e l f o r r i s e r s 1 ． 1 基本方程 Ba s i c e q ua t i o n s 根据文献 [ 2 ] 的基本假设 ， 隔水管 的挠 曲微分 方程可以写为 ⋯ M 02 y E，窘一 尸 器一 笔 F z , t 1 式中， 为隔水管和内含物的单位长度的质量分布， 攻 关项 目本研 究为中国海洋石 油总公司科技攻 关深水重点项 目部分研究内容 ， 项 目编号 Z 2 0 0 4 S L T J ． 0 2 8 2 。 作者简介 刘书杰， 1 9 6 6年生。钻采部经理， 主要从事海洋钻完井工程方面研究工作， 高级工程师。E - ma i l l i u s h j c n o o c ．com ． c a 。 2 石油钻采工艺 2 0 0 9年 6月 第 3 1 卷 第 3期 k g ／ m； E I 为抗弯刚度， N m ； P为隔水管柱承受的拉 力 ， N， 其 函数为 P P w； 为隔水管 和内含物 的 单位长度的重量分布， N ／m； F z ， t 为作用于单位 长度管段上的水平方 向的流体动力 ， N ／ m。 1 ． 2 边界的离散处理 Di s c r e t e b o u nd a r y pr o c e s s i ng 下部边界条件与文献 [ 2 ] 相 同， 上部边界条件 加上时间变量 y z ， s t r ’ 1 式中， 为浮式钻井装置在水平方 向的位移 ； 为隔 水管上部球接头的位置。 若球接头的转动刚度 K 不为零时 ， 有 Kr O2 3 7 、一 式中， 0 为转动的角度， 0 二兰 。 A h 2 数值分析 法 Nu m e r i c a l a n a l y s i s 【 ] 2 ． 1 基本方程的离散 Di s c r e t i o n o f b a s i c e q ua tio ns 作用力 F z ， f 按照动载分析， 可写成 脚 譬 叶 一 ㈥ Ou c 雾1 式 中， P 为 海 水 密 度 ， k g ／ m。 ； D为 隔 水 管 外 径 ， m； 为波浪水质点水平分速度 ， m／ s ； C n 为流体 阻力 系数 ， 一般在 0 ． 4 1 ． 6之间 ； c M为惯性力 系数 ， C M I C m ， C m 为附加质量系数， 一般为0 ．9 3 - 2 ．3 0 。 这时若考虑速度 “是周期为 的稳态正弦波产 生 ， 即可用一个正弦稳态解法来求周期相同的y z ， f 值。而两个变量 y 和 也可以调和函数表示为 y z ， f Y o Z e l ， 、 “ z ， f 。 z P r 『 ‘ 5 式中， 水质点的速度 ， 根据深水线性理论可写成 b l o w _ z s 詈 6 - w 6 式中， Z w 为海面坐标 ； H为波高。 根据上述假设 ， 可将 1 简化成微分方程式 E， 一 P 一 d z 7 d z dz L／ r i wci w m y oF o 式 中 c C D 譬D ， 一 1 c D pw Dffi wC M 如果需要考虑海流力 ， 则 C D 譬 。 w c M C D 。 式 中， V 。 为海流速度 ， m／ s 。 为了解式 7 的微分方程式， 计算出相对速度的 平均值 z 8 z - i w y o z l 选用三点中差的差分格式代替一 、 二阶导数项 ， 五点中差的差分格式代替四阶导数项 Yj l Yj 1 2 △h z x h 一 4y J y卜2 Ah 将整个隔水管分成 个微元段 ， 每段长为 △ h ， 得到 即 一 1 个差分方程如下 ， f 4 E I P W 1 _ 2 一 【丽 A h 2 A- ----h ] 8 l _ iw 2mIW C iw Zm ] I丽 丽 一 1 A h ZXh 2A h A h ．Y”j2 l 。 。 I 州 。 产1 ， 2 ， ⋯， - 1 2 ． 2 上部边界条件的处理 Pr o c ess i n g o f u pp e r b o un da r y c o n di tio ns 上部边界条件式可以改写为 9 对于上部边界条件式可作如下考虑 球接头可 视为一个铰支连接 。当球接头的转动 刚度 不为 零时， 如图 2 所示， A B C段被力矩 0 所弯曲， 此 时 的表达式为 k 2 1 Y 一 鬲 1 0 式中， k一K A h 。 Ei 2 ． 3 下部边界条件的处理 Pr o c e s s i n g o f l o we r b o u nd a r y c o nd i tio n s 下部边界条件式可以写成 刘书杰等 海洋深水钻井隔水管系统动力特性分析 3 0 1 1 对于下部边界条件式 4 可作如下考虑 当球 接头的转动刚度 不为零时 ， 如图 1 所示得 。 足 一 1 y 。 1 2 图 1 边 界 条件 F i g ． 1 Bo u n d a r y c o n d i t i o n s 2 ． 4 差分方程组 Diff e r e n c e e q ua t i o n s 由式 8 、 9 、 1 0 、 1 1 和 1 2 构成了一个完整 的差分方程组。这个差分方程组共有 n 3 个方程， 再应用迭代法， 迭代 3 至 8 次即可逐次降低Y的误 差低于 2 ％， 可以解出 从 Y Y o ， 到Y n , Y 的 n 3 个 未知数。求出挠度Y以后， 按照材料力学有关梁的 理论 ， 即可依下式分别求出转角 0 ， 弯矩 和剪力 Q。 转角 0的表达式为 0 O y z ,t 1 3 d z 弯矩 的表达式为 M 一 E 1 0 Z Y Z ． t 1 4 z‘ 剪力 r 的表达式为 一 日 1 5 3 现场实例分析 Ca s e s t u d y 3 ． 1 算例技术参数 Te c hn i c a l p a r a me t e r s 利用本文所建立 的力学模型及相应 的计算软 件 ， 计算 了深水钻井隔水管应力的变化规律 。隔水 管力学基本参数见表 1 ， 其余参数与文献 [ 2 ] 相同。 表 1 隔水管力学基本参数 T a b l e 1 Ba s i s me c h a n i c s p a r a me t e r s o f r i s e r s 参数 数值 参数 数值 钻杆直径 ／ m m 1 2 7 海面处的海流速度 ／ m S - l 海水密度 ／ k g m 。 1 0 3 0 波高， m 2 0 钻井液密度 g m。 1 3 0 0 波周期 ／ s 1 5 钢材密度 ／ k g m。7 8 5 0 初始位移系数 1 ．5 3 ． 2 隔水管应力随时间的动力响应 Dyn a mi c r e s po ns e o f r i s e r s t r e s s t o t h e t i me 随着水深的增加， 动态 因素对钻井隔水管的影 响越来越显著， 主要表现就是隔水管随着时间的变 化其变形、 应力等也随着生产周期性变化， 由于应力 是动力分析最主要的制约因素 ， 因此文中仅 给出应 力的变化规律。图 2是钻井隔水管在海流 、 海浪力 作用下， 应力随时间的动力响应规律。 吕 键 酱 蔚 筐 叫 图 2 隔水管应 力随时间的动力响应 F i g ． 2 Dy n a mi c r e s p o n s e o f r i s e r s t r e s s t o t h e t i me 3 ． 3 顶张力对隔水管应力的影响 Ef f e c t o f t o p t e ns i o n o n r i s e r f o r c e s g 照 酱 箍 世 聋 图 3不 同的顶 张 力 对 隔 水管 应 力 的影 响 F i g ． 3 E ffe c t o f t o p t e n s i o n o n ri s e r f o r c e s 隔水管顶张力对隔水管的受力影响显著， 图 3 的结果反映了在波浪周期为 1 5 S 、 海面处 的海流速 度为 1 ． 0 r n ／ s 、 波浪高度为 2 0 m、 隔水管顶张力分别 为 1 G、 1 ． 1 G、 1 ． 2 G、 1 - 3 G、 1 ． 4 G、 1 ． 5 G G 3 l 9 t ， G 为隔水管有效重度 时， 隔水管的应力随着顶张力的 减小 ， 应力也减小。但是 ， 顶张力太小会导致隔水管 球铰转动的角度过大甚至受压破坏。所以， 对顶张 力系统的要求比较高， 但是一般隔水管的顶张力系 统也提供不了这么大的顶张力 ， 所 以下面进一步讨 论给隔水管加上浮力块后的受力情况。 4 石油钻采工艺2 0 0 9年 6月 第 3 1 卷 第 3 期 3 ． 4 浮力块以及其他因素对隔水管受力的影响 Ef f e c t o f bu o ya n c y bl o c ks a nd o t he r f a c t o r s o n r i s e rf o r c e s 在隔水管上部和中部加 7 6 2 I T I I T I 浮力块 ， 下部加 6 0 9 ． 6 mm浮力块 ， 浮力块的浮力系数为 0 ． 6 l l 2 。在 顶张力系数均为 1 ． 5的情况下 ， 加上浮力块后 ， 隔水 管的有效重度减至 1 5 1 t ， 顶张力减至 2 2 7 t ， 在张力 器所能提供的张力范围内。 如图 4所示 ， 波周期对隔水管产生的影响很大 ， 因为波周期越大波长就越大， 而波速就越小， 引起的 隔水管的最大应力就越小。而波高的影响并不大。 乓 避 酱 箍 世 魁 应 力／ MP a 图4 不同的波周期对隔水管应力的影响 F i g ． 4 Ef f e c t o f d i ff e r e n t wa v e p e ri o d s o n ris e r s t r e s s 要 键 聋 酱 箍 世 应 力 ／ MP a 图 5 不 同的初 始位 移 系数对 隔水管应力的影响 F i g ． 5 E ffe c t o f d i ffe r e nt i n i t i a l d i s p l a c e me n t c o e f fi c i e nts o nris e r s tr e s s 如图5 所示， 初始位移系数对隔水管产生的影 响很大 ， 所以动力定位系统 的好坏决定 了海上钻井 的安全。 表面海流速度对隔水管产生 的影响很小 ， 这是 因为波高为 2 0 m， 波周期为 1 5 s 时 ， 最大波速 为 4 m ／ s 左右 ， 而在南海海域 出现台风时 ， 最大海流速度 达到 1 ．8 m ／ s ， 相比海浪速度还是比较小， 所以它的影 响相对海浪力小一些。 因为浮力块的直径 比较大 ， 使得海流和海浪的 作用力增大 ， 所以应力也有所增大 ， 但是加上浮力块 之后 ， 所需要的张力在张力器所能提供 的张力范 围 内。另外从图 5可以看 出， 在距底部球铰 5 0 0 m处， 由于加 的浮力块尺寸不 同原 因， 应力 有一个拐角。 因此 ， 如果隔水管顶部的张力器系统不能提供足够 的张力 ， 使用浮力块可以改善隔水管的受力状况 。 4 结论 Co n c l u s i o n s 1 建立 了钻井隔水管的动力分析模型 ， 给出了 隔水管动力分析的计算方法。通过现场实例分析表 明在隔水管顶张力对隔水管的受力影响显著 ， 在实际 的钻井作业中隔水管顶部应保持足够的张力 ， 避免隔 水管处于受压状态， 而张力器提供 张力的能力有限。 加上浮力块后 ， 受力情况有所改善。另外 ， 波周期和 初始位移系数对隔水管最大应力的影响较大。 2 文中提供的动力分析方法和计算程序具有方 法简便 、 精确度高和 占机时间少等优点 ， 对设计和校 核隔水管系统具有实际的应用价值 。 3 应用本模拟方法编制 的软件 ， 对硬件设备的 要求不高 ， 可在钻井平 台上用于实时控制， 调节顶张 力的大小， 减少隔水管的偏磨损失， 经济效益十分明 显。 参考文献 Re f e r e n ce s [ 1 ] 方华灿 ． 海洋石油钻采设备理论基础 [ M ]． 北京石 油 工 业 出版社 ． 1 9 8 4 ． F ANG Hu a c a n ． T h e o r e t i c a l b a s i s f o r o f f s h o r e o i l d r i l l i n g a n d p r o d u c t i o n e q u i p me n t【 M J． B e i j i n g P e t r o l e u m I n d u s t r y Pr e s s ， 1 9 8 4． [ 2] 刘彩虹， 杨进， 曹式敬， 等 ． 海洋深水钻井隔水管力学特 性分析 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 0 2 2 8 3 1 ． L I U C a i h o n g ， Y A N G J i n ， C A O S h i j i n g , e t a 1 ． D r i l l i n g ri s e r me c h a n i c a l c h a r a c t e ri s t i c o f ma ri n e d e e p w a t e r[ J ]． 0i 1 Dr i n i n g Pro d u c ti o n T e c h n o l o g y , 2 0 0 8 ． 3 0 2 2 8 - 3 1 ． [ 3] 熊汉桥， 吴竞择 ． 中、 深水条件下隔水管频域动力响应 精确数值分析 [ M]． 中国海洋平台， 1 9 9 6 2 1 0 ． 2 1 3 ． XI ONG Ha n q i a o ． W U J i n g z e ． Ac c u r a t e v a l u e a n a l y s i s o f ma r i n e ri s e r f r e q u e n c y d o ma i n d y n a mi c r e s p o n s e u n d e r wa t e r d e p t h me d i u m- d e e p[ M]． C h i n a O f f s h o r e P l a t f o r m， 1 9 9 6 21 0- 21 3 ． 收稿 日期2 0 0 8 1 2 ． 2 9 [ 编辑薛改珍 ]