支持平台钻井包跨接式软管分析计算.pdf

２０１６年第４５卷第５期第２８页石油矿场机械犗犐犔犉犐犈犔犇犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０１６，４５（５）２８  ３１文章编号１００１  ３４８２（２０１６）０５  ００２８  ０４支持平台钻井包跨接式软管分析计算王安义１，２，王维旭１，２，张元洪１，赵涛１，汪靖享１，２（１．宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡７２１００２；２．国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡７２１００２）摘要根据支持平台辅助钻井技术的作业特点，研究支持平台与钻井包之间的跨接软管，运用悬链线方程并结合具体工程实际，计算其弧长、弧垂以及端部连接张力。为支持平台与钻井包之间跨接软管的设计选型以及端部连接结构的设计提供理论支撑，也可用于指导海上大跨度高空跨接软管设计、安装和施工。关键词支持平台；钻机；跨接软管；计算中图分类号ＴＥ９５１文献标识码Ａ犱狅犻１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１  ３４８２．２０１６．０５．００６犃狀犪犾狔狊犻狊犪狀犱犆犪犾犮狌犾犪狋犻狅狀狅犳犑狌犿狆犲狉犎狅狊犲犳狅狉狋犺犲犜犲狀犱犲狉犛狌狆狆狅狉狋犞犲狊狊犲犾犚犻犵ＷＡＮＧＡｎｙｉ１，２，ＷＡＮＧＷｅｉｘｕ１，２，ＺＨＡＮＧＹｕａｎｈｏｎｇ１，ＺＨＡＯＴａｏ１，ＷＡＮＧＪｉｎｇｘｉａｎｇ１，２（１．犅犪狅犼犻犗犻犾犳犻犲犾犱犕犪犮犺犻狀犲狉狔犆狅．，犔狋犱．，犅犪狅犼犻７２１００２，犆犺犻狀犪；２．犖犪狋犻狅狀犪犾犗犻犾牔犌犪狊犇狉犻犾犾犻狀犵犈狇狌犻狆犿犲狀狋犚犲狊犲犪狉犮犺犆犲狀狋犲狉，犅犪狅犼犻７２１００２，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＴｅｎｄｅｒＳｕｐｐｏｒｔＰｌａｔｆｏｒｍａｕｘｉｌｉａｒｙｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｊｕｍｐｅｒｈｏｓｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅＴｅｎｄｅｒＳｕｐｐｏｒｔＰｌａｔｆｏｒｍａｎｄｔｈｅＭａｓｔＥｑｕｉｐｍｅｎｔＰａｃｋａｇｅａｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ，ａｎｄｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃａｔｅｎａｒｙｅｑｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅｌｅｎｇｔｈ，ｌｉｎｅｓａｇａｎｄｅｎｄｔｅｎｓｉｏｎｏｆｊｕｍｐｅｒｈｏｓｅｓａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｐｒｏ  ｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｔｏｄｅｓｉｇｎｏｆｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｅｎｄｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｊｕｍｐｅｒｈｏｓｅｂｅ  ｔｗｅｅｎｔｈｅＴｅｎｄｅｒＳｕｐｐｏｒｔＰｌａｔｆｏｒｍａｎｄｔｈｅＭａｓｔＥｑｕｉｐｍｅｎｔＰａｃｋａｇｅ，ｃａｎａｌｓｏｂｅｕｓｅｄｔｏｇｕｉｄｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎ，ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｌａｒｇｅ  ｓｐａｎｏｆｆｓｈｏｒｅｊｕｍｐｅｒｈｏｓｅｓ．犓犲狔狑狅狉犱狊ｔｅｎｄｅｒｓｕｐｐｏｒｔｖｅｓｓｅｌ；ｒｉｇ；ｊｕｍｐｅｒｈｏｓｅ；檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ［５］张德胜，施卫东，张华，等．不同湍流模型在轴流泵性能预测中的应用［Ｊ］．农业工程学报，２０１２（１）６６  ７１．［６］韩小林，石岩峰，姚铁，等．用数值模拟研究叶片数变化对轴流泵性能的影响［Ｊ］．水泵技术，２００７（４）１５  １７．［７］韩小林．用数值模拟研究转速变化对喷水推进轴流泵性能的影响［Ｊ］．船海工程，２００８（２）１３４  １３７．［８］刘梅清，李秋玮，白耀华，等．湍流模型在双吸离心泵数值模拟中的适用性分析［Ｊ］．农业机械学报，２０１０（Ｓ１）６  ９．［９］陈颖杰，邓传光，常洪渠，等．欠尺寸稳定器环空流场特性模拟［Ｊ］．西南石油大学学报自然科学版，２０１４（３）１６５  １７２．［１０］陈锋，狄勤丰，袁鹏斌，等．高效岩屑床清除钻杆作用机理［Ｊ］．石油学报，２０１２（２）２９８  ３０３．  收稿日期２０１５  １０  １８基金项目国家高技术研究发展计划（８６３计划） “ 深水油气勘探开发技术与装备” 项目“ 深水钻机与钻柱自动化处理关键技术研究” （２０１２ＡＡ０９Ａ２０３）作者简介王安义（１９８３ ），男，湖南岳阳人，工程师，硕士，２０１０年毕业于西南石油大学工程力学专业，从事海洋油气钻机及其相关产品的研究设计工作，Ｅ  ｍａｉｌｗａｎｇａｎｙｉ０３０３１５３０＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。支持平台辅助钻井技术始于２０世纪中期，是一种新的钻井方式，正常作业时需要支持平台辅助钻井单元（ＴＡＤＵ）和井口平台（ＷｅｌｌｈｅａｄＰｌａｔｆｏｒｍ）共同协作完成钻井任务，如图１。支持平台辅助钻井单元（ＴＡＤＵ）由支持平台（ＴｅｎｄｅｒＳｕｐｐｏｒｔＶｅｓｓｅｌ简称ＴＳＶ）和钻井包（ＭａｓｔＥｑｕｉｐｍｅｎｔＰａｃｋａｇｅ简称ＭＥＰ）组成，为固定式平台和浮式平台（ＳＰＡＲ、ＴＬＰ）等井口平台提供钻井作业装备。支持平台辅助钻井单元（ＴＡＤＵ）上封固有用于井口平台钻井作业的钻井包（ＭＥＰ），还装载有钻井作业所需的全套辅助设施，例如发电机组、泥浆泵组、燃料、淡水、钻杆、套管、钻井泥浆、固井水泥、重晶石等，同时具备存储、封固和运输模块化钻井包所需的空间和相关设施，并提供工作人员的生活设施。钻井作业前将装载有钻井包（ＭＥＰ）的支持平台（ＴＳＶ）靠近井口平台，将钻井包（ＭＥＰ）各模块通过支持平台吊机吊运至井口平台并完成钻井包（ＭＥＰ）的组装。钻井作业过程中支持平台（ＴＳＶ）为井口平台上的钻井包（ＭＥＰ）提供动力、高低压泥浆、海水、淡水、固井水泥、压缩空气等［１  ２］。图１ＴＡＤＵ作业效果图支持平台（ＴＳＶ）与钻井包之间安装有跨接软管（又称脐带软管），用于传输高低压泥浆、压缩空气、海水、淡水、固井水泥、燃油等介质，其可靠性对钻井包正常钻井作业非常重要。因此，研究平台间跨接软管的力学行为、长度对支持平台与钻井包之间跨接软管的设计及应用具有重要意义［３  ５］。１理论分析与计算支持平台与钻井包之间跨接软管设计计算涉及的因素很多，不仅与悬挂点间距、高差有关，还与软管中流动的介质（如压缩空气、海水、淡水、燃油、高低压泥浆、固井水泥等）以及软管所在海洋环境条件（风载、波浪参数）有关，其计算过程复杂。１．１跨接软管的悬链线方程跨接在支持平台与钻井包之间的软管将形成１条悬链线。跨接软管设计的计算主要是该悬链线的弧长、弧垂以及端部连接张力的计算。分析跨接软管曲线的性质，考虑软管的综合比载，悬链线曲线的受力如图２所示。图２跨接软管工作示意已知，跨接软管一端悬挂于钻井包犃点，另一端悬挂于支持平台犅点。可以推导出跨接于两悬挂点犃、犅间的悬链线方程的一般形式为［６］狔＝ σ狅 γｃｈ γ σ狅（狓＋犆１）＋犆２（１）式中犆１、犆２为常数，其具体数值可根据初始条件和边界条件得出； σ狅为水平应力（即跨接软管最低点犗点处的水平应力），ＭＰａ； γ 为跨接软管的比载，Ｎ／（ｍｍｍ２）。推导悬链线的一般形式，假设以跨接软管的最低点犗点为原点，那么有下述初始条件当狓＝０时，狔＝０，并且有狔 ′ ＝ｔａｎα＝０。将以上初始条件代入悬链线方程的一般形式，得到犆１＝０，犆２＝－ σ狅 γ 将犆１、犆２常数代入悬链线方程的一般形式中，求得以最低点犗点为原点的悬链线方程狔＝ σ狅 γ （ｃｈ γ 狓 σ狅－１）（２）注当坐标原点选在其他点（不是假设的最低点犗点处）时，那么悬链线方程的常数项有所不同，可以得到不同表达形式的公式。９２第４５卷第５期王安义，等支持平台钻井包跨接式软管分析计算  １．２跨接软管的弧长计算以悬链线方程来计算跨接软管的弧长。设最低点犗点至跨接软管上任一点的曲线弧长用犔狓表示，由悬链线方程和弧长公式可以得到跨接软管的弧长为犔狓＝ ∫ （ｄ狓）２＋（ｄ狔）槡２＝２ ∫ 犾／２０１＋（狔 ′ ）槡２ｄ狓＝２ ∫ １／２０１＋ｓｈ２γ 狓 σ槡狅ｄ狓＝２ ∫ １／２０ｃｈγ σ狅狓ｄ狓＝２ σ狅 γ ｓｈ γ ２σ狅犾（３）式中犾为跨接软管的档距，即两个悬挂点之间的距离，ｍ。将式（３）中的双曲正弦函数项展开，取前两项做近似计算，则悬链线形态的跨接软管弧长公式化简为犔狓＝２σ狅 γ ｓｈ γ ２σ狅犾＝２σ狅 γ （ γ 犾２σ狅＋１６（ γ 犾２σ狅）３）＝犾＋γ ２犾３２４σ ２狅（４）１．３跨接软管弧垂计算［７］当式（２）中的狓代表跨接软管的档距时，求出的狔即为跨接软管的弧垂。那么曲线上任意一点距最低点犗点的距离为狓，则该点距最低点犗点的弧垂为犳狓＝狔犅－狔狓＝ σ狅 γ （ｃｈ γ 犾 σ狅－１）－ σ狅 γ （ｃｈ γ 狓 σ狅－１）＝ σ狅 γ （ｃｈ γ 犾２σ狅－ｃｈ γ 狓 σ狅）（５）式中狔犅为悬挂点犅点的纵坐标；狔狓为跨接软管上任意一点的纵坐标；犳狓为跨接软管上任意一点的弧垂，即这一点与悬挂点犅点的纵坐标的差值。当狓＝０时，可以得跨接软管的最大弧垂为犳犕＝ σ狅 γ （ｃｈ γ 犾２σ狅－１）（６）将式（６）中的双曲余弦函数展开，取前两项做近似计算，则两端等高的跨接软管的最大弧垂公式化简为犳犕＝ σ狅 γ （ｃｈ γ 犾２σ狅－１）＝ σ狅 γ （１＋ γ ２犾２８σ ２狅－１）＝ γ 犾２８σ狅（７）两端不等高的跨接软管的最大弧垂公式化简为犳犕＝ γ 犾２８σ０ｃｏｓθ （８）１．４跨接软管及跨接点的张力由图１可推导出跨接软管上任意一点的张力为犜犘ｓｉｎθ＝λ 犵犾（９）犜犘ｃｏｎθ＝犜０（１０） θ犃＝ａｒｃｈ２（狔槡犃＋狔槡犅）２犇２狓犃（１１） θ犅＝ａｒｃｈ２（狔槡犃＋狔槡犅）２犇２狓犅（１２）式中犜犘为点犘处的张力，其方向沿切线方向，与狓轴成θ角； λ为软管（含液体）的线密度。犃、犅跨接点处的张力分别为犜犃＝ λ 犵犇２ｃｈ２狓犃（狔槡犅＋狔槡犃）２犇２２（狔槡犅＋狔槡犃）２（１３）犜犅＝ λ 犵犇２ｃｈ２狓犅（狔槡犅＋狔槡犃）２犇２２（狔槡犅＋狔槡犃）２（１４）２跨接软管设计分析实例２．１设计背景支持平台（ＴＳＶ）与井口平台（ＷｅｌｌｈｅａｄＰｌａｔ  ｆｏｒｍ）底部间距为６．５～２８．１ｍ，上部甲板间距为３１．１５ｍ，井口平台主甲板距海平面高度２５．８ｍ，支持平台主甲板距海平面高度１６．２ｍ，两平台之间共有１４根跨接软管，如图３～４所示。自支持平台向井口平台看，从左至右依次为１根直径为３０４．８ｍｍ（１２英寸）的泥浆回流软管，２根直径为１０１．６ｍｍ（４英寸）的高压泥浆软管，２根直径为７６．２ｍｍ（３英寸）的高压水泥软管，１根直径为１０１．６ｍｍ（４英寸）的污物回流软管，１根直径为５０．８ｍｍ（２英寸）的饮用水软管，１根直径为５０．８ｍｍ（２英寸）的燃油软管，１根直径为７６．２ｍｍ（３英寸）的公用空气软管，１根直径为１５２．４ｍｍ（６英寸）的低压流体回流软管，１根直径为１５２．４ｍｍ（６英寸）的消防水软管，１根直径为１５２．４ｍｍ（６英寸）的冷却水软管，１根直径为１５２．４ｍｍ（６英寸）的钻井水软管，１根直径为１５２．４ｍｍ（６英寸）的低压泥浆补给软管。０３石油矿场机械２０１６年５月  图３跨接软管工作平面图图４跨接软管工作立面图２．２跨接软管长度计算由于部分跨接软管直径大，充满液体后的总重力大，因此其连接端部的张力也很大。为了获得准确的软管端部连接张力，需计算出跨接的软管长度。下面以１０１．６ｍｍ（４英寸）高压泥浆软管为例计算其长度。已知支持平台与井口平台上部甲板间距离为３１．１５ｍ，即档距犾为３１．１５ｍ。１０１．６ｍｍ（４英寸）高压泥浆软管中的液体密度为２１６０ｋｇ／ｍ３，运用式（４）可计算出跨接软管的弧长为５２ｍ。２．３跨接软管距海平面高度计算根据实际作业工况要求，除了３０４．８ｍｍ（１２英寸）泥浆回流软管的最低点可以处于海平面以下外，其余跨接软管的最低点需处在海平面以上，因此需准确计算跨接软管的弧垂，从而确定软管距海平面的高度。已知井口平台主甲板距海平面高度２５．８ｍ，支持平台主甲板距海平面高度１６．２ｍ。由式（８）可得出１０１．６ｍｍ（４英寸）高压泥浆软管的最大弧垂为８．６８ｍ（距跨接点Ｂ点），进而得出跨接软管最低点距海平面的高度为２．３１ｍ。２．４跨接软管端部连接张力计算在计算跨接软管自身张力的同时，为了设计出满足跨接软管端部连接的结构，而需要计算出跨接点犃、犅处的张力大小。因此，运用式（１３）可计算出ＭＥＰ端跨接点犃处高压泥浆软管（２根）的张力犜犃＝４７．６８ｋＮ，同时可计算出犃点张力犜犃与狓轴所成夹角θ＝６８．６３，其值可用于指导ＭＥＰ端与跨接软管连接的弯头的设计选型；同理可运用该公式计算出ＴＳＶ端跨接点犅处的相应张力和夹角大小分别为２９．６７ｋＮ和５２．６８，指导ＴＳＶ端跨接点结构设计及软管连接弯头设计选型。３结论１）针对支持平台辅助钻井技术的作业特点，结合支持平台与钻井包间跨接软管的实际工况，给出了跨接式软管的弧长、弧垂以及跨接点的张力计算式。２）结合跨接软管的具体参数，运用悬链线方程及相应的计算式，计算出了跨接软管长度、弧垂、跨接点张力以及夹角。其计算结果已用于支持平台与钻井包间跨接软管的设计及跨接点处结构设计，可满足工程实际要求。３）本文中的分析方法和计算结果可用于指导海上大跨度高空跨接软管设计、安装和施工。参考文献［１］高杭，李平，李鹏飞，等．海洋可搬迁模块钻机可行性研究［Ｊ］．石油矿场机械，２００８，３７（１）２１  ２４．［２］王定亚，丁莉萍．海洋钻井平台技术现状与发展趋势［Ｊ］．石油机械，２０１０（４）７１  ７３．［３］王云庆，赵军凯，彭湘桂，等．渤海曹妃甸油田ＦＰＳＯ  ＳＰＭ跨接软管更换设计与施工［Ｊ］．船海工程，２００８，３７（１）９１  ９４．［４］晏莱，闫斌，孙丕松，等．浮式单点系泊系统中大跨度高空跨接软管安装方法的研究与施工［Ｊ］．石油工程建设，２０１１，３７（２）２０  ２３．［５］王云庆，赵军凯，刘瑜珩，等．水下软刚臂系泊ＦＰＳＯ  ＳＰＭ跨接软管更换［Ｊ］．石油工程建设，２００８，３４（３）１７  １９．［６］王丹，刘家新．一般状态下悬链线方程的应用［Ｊ］．船海工程，２００７，３５（３）２６  ２８．［７］邢富冲．悬链线弛垂度的计算方法［Ｊ］．数学的实践与认识，２００４，３４（１１）９８  １０１．１３第４５卷第５期王安义，等支持平台钻井包跨接式软管分析计算 

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