浮式钻井平台升沉运动分析.pdf

2 0 1 1年 第 4 O卷 第 9期第 3 6页 石油 矿 场 机械 OI L F I E LD EQUI PMENT 文 章 编 号 1 0 0l - 3 4 8 2 2 0 1 1 0 9 0 0 3 6 0 3 浮 式钻井平 台升沉运动分析 王维旭 ， 周天明 ， 于兴军 ， 张鹏 宝鸡石油机械有限责任公司 ， 陕西 宝鸡 7 2 1 0 0 2 摘要 浮 式钻 井 平 台 船 在 海上处 于漂浮状 态时 ， 由于风 浪 的作 用会 产 生升 沉 、 摇摆 、 漂移 等 运动 。 重点分 析 了浮式钻 井平 台 船 的升 沉运动特 性并 建立 了运动数 学模 型 ， 阐述 了其 对钻 井船 的影响 ， 找 出 了钻 井船 升 沉与 波高 、 波浪周期 的关 系， 并通 过深 水工程勘 察船 的 工程 实例 对上 述理论进 行 了 验证 ， 为浮 式平 台配套升 沉补偿 装置 的设计提 供依 据 。 关键词 钻 井平 台 ； 波浪 ； 升沉补 偿 器 ； 运动 学 中图分 类号 TE 9 5 1 文献标 识码 A An a l y s i s o f He a v e M o t i o n o f Fl o a t i n g Dr i l l i n g Pl a t f o r m WANG We i X U ， ZHOU Ti a n mi n g。 YU Xi n g j u n。 ZHANG Pe n g B oi u i e l d Ma c h i n e r y Co ． ， L t d． ， B口 o j i 7 2 1 0 0 2 ， C h i n a Abs t r a c t W he n t he Dr i l l i ng Pl a t f o r m f l o a t s on s e a， t he r e a r e s o m e k i nd s O f mo v e me n t s i n du c e d b y t he wa v e， s u c h a s he a ve mo t i on， r o c ki n g a nd f l o a t i n g m o t i on ．The he a v e mo t i o n m f f l oa t i ng d r i l l i ng p l a t f or m u nd e r t he wa v e c o nd i t i o n wa s m a i nl y a na l y z e d a nd t he ma t he ma t i c a l mo de l o f i t wa s e s t a b l i s he d． The i n f l ue nc e of t he he a v e mo t i o n o n t h e Pl a t f or m wa s d e s c r i be d a n d t he r e l a t i on du r i ng t he he a v e mo t i o n， wa ve he i g ht a nd t he wa ve pe r i o d i s e s t a bl i s he d ． At l a s t ， t h e c a l c u l a t i on t he o - r e t i c s o f t h e h e a v e mo t i o n i s v e r i f i e d b y t h e d e e p wa t e r s u r v e y s h i p p r o j e c t ． I t i s a r e f e r e n c e f o r e qu i pp i n g t h e H e a v e Co mpe ns a t i on Eq u i pme nt f o r t he f l o a t i ng Dr i l l i n g Pl a t f o r m． Ke y wo r d s d r i l l i n g pl a t f o r m ； wa v e； he a v e c ompe ns a t i or ； ki ne m a t i c s --卜 ” - 一 ～“- 1 -”- - 卜 ” 一 一一- 4 -” - 一一 “- 4 -”一一 “”一 参 考文 献 1, 1 1 郑晓志， 陈志峰 ， 阮 臣良， 等． 封隔尾管悬挂器 内插 管完 井方案及应用I - J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 6 8 5 8 7 ． [ 2 ] 李维 ， 李黔． 旋转尾管固井套 管扭 曲失稳分析[ J ] ． 石油 矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 6 4 9 5 2 ． [ 3 ] 赵社强 ， 何元东 ， 魏 英杰． 环空压裂 专用悬挂 器研制 与 应用 r J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 4 7 1 7 3 ． I 4 3 马兰荣 ， 郭朝 辉 ， 杨 德凯． 旋转尾管悬 挂器轴 承的研制 及性能试验[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 9 6 7 7 0 ． [ 5 ] 马开华 ， 朱德 武 ， 马兰荣． 国外深井 尾管悬 挂器技术研 究新进展[ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 5 ， 3 3 5 5 2 5 5 ． [ 6 ] 杨桂 通． 弹 塑性 力学 引 论 [ M] ． 北 京 清 华 大学 出 版 “ - ”- - - 4 -“一-- 4- “ 社 ， 2 00 4． [ 7 2 李子丰． 油气井杆管 柱力学 及应 用[ M] ． 北京 石 油工 业 出版 社 ， 2 0 0 8 ． E 8 2刘 占广 ． 卡瓦式封 隔器 在井下 的受力 分析 [ J ] ． 石 油钻 采 工 艺 ， 1 9 9 4， ] 6 5 5 3 5 9 ． [ 9 ] R o a r k R F o r m u l a s f o r s t r e s s a n d s t r a i n I- M] ． N e w Y o r k US A M c Gr a w- Hi l l Bo ok Co mp a ny， 1 97 5 7 3 1 5 4 ． [ 1 0 ] 窦益华 ， 胡安涛 ， 赖茂宏 ， 等． 井下 工具零 件应力分 析 E J ] ． 石油矿场机械 ， 1 9 9 5 ， 2 4 2 3 2 3 6 ． [ 1 1 ] 田炳周． 尾套管悬挂器的结构和使 用F J ] ． 石油矿 场机 械 ， 1 9 8 4， 1 3 2 1 2 1 8 ． 收 稿 日期 2 0 1 1 - 0 3 1 4 基金项 目 国家科技重大专项课题“ 深水工程勘察船及配套技术” 资助项 目 2 0 0 8 Z X 0 5 0 2 7 0 0 4 作者简介 王维； 1 9 7 8 一 ， 男 ， 青海乐都人 ， 工程师 ， 硕 士， 主要从事石油 机械研究 与开发工作 ， E - ma i l q h wa n g we i x u 1 2 6 com。 第 4 O卷第 9 期 王维旭 ， 等 浮式钻井平台升沉运动分析 我 国南 海 和东海 的广 阔海域 有着 丰 富的油气 资 源 ， 初 步估计 南海 的地 质石油 储量 可达 2 ． 3～ 3 ． 0 1 0 t 。南 海 平均 水 深 达 1 2 0 0 m， 田定 式 钻 井 平 台 、 自升式 钻井平 台 已难 以满足深 水 的钻井 要求 ， 目前南 海 油 气 开 发 全 部 采 用 深 水 浮 式 钻 片平 台 船 。由于 浮 式 钻 井 平 台 } 在 海 上处 于 漂 浮 状 态 ， 在风浪 的影 响下 ， 其无法 像 自升式 等钻 井 台一 样保 持完全 固定 。本 文重点 分 析浮式 钻井 平 台 船 在波 浪下 的升沉 运 动 ， 以及 波 浪 对 钻 井船 的升 沉 影 响 ， 主要 目的足计算 出钻 井船 升沉 与时 间 的关 系 ， 找 出钻井船 升沉 的最 大 值 ， 为 升 沉 补偿 装 置 的 没 汁提 供基本参数， 并为平 台配套升沉补偿装置提供选型 参考 。 l 平 台运动分析 浮式 钻井 平 台 船 作 业 时 在 海 上 处 于 漂 浮 状 态 ， 在 风浪 等海洋 环 境 的 作用 下 产 生 升沉 、 摇 摆 、 漂 移等运 动 ； 其 与周 围 海 水组 成 r尤 穷 多个 自巾度 的 流体力 学体 系 ； 它 在波 浪下所 产生 的运 动 ， 简化后 可 以认为具 有进 退 、 横 移 、 升 沉 、 横 摇 、 纵 摇 、 平 摇 等 6 个 自由度 的刚体来 考虑 ， 如 图 1所示 。 图 1 浮 式 钻 井 乎 台 船 的 运 动状 态 这 6种运 动 中 ， 平 摇 对 浮 式船 钻 井 作 业 的影 响 很小 ， 可 以不予 考 虑 ； 纵 摇 和横 摇 通 常 统称 为摇 摆 ， 它 涉及 到浮式钻 井 平 台 的摇 摆 性 ， 主 要 ⋯ 屺套 减 摇 舱或 防摇 摆装置 来解 决 ； 横 移 和进退 属于水 下 移动 ， 影 响到平 台的定 位 ， 主 要 由平 台配 套 的 动 力定 位 或 锚泊定 位 系统进行 解决 ； 升 沉属 于上下 运动 ． 当任 浮 式平 台上 吊起重 物 、 进 行石 油钻 井 或 张 紧 固定 于 海 底 的物 体 例 如钻 井 或采 油 隔 水 管 等 时 ， 由 于船 体 的升沉 运动 ， 将 引起井 架 及 大 钩 悬挂 着 的整 个钻杆 也作周期性的 卜 下运动 ， 将使大钩上 的拉力增加或 减小 ， 并影 响井 底 的钻 压变 化 。钻 压 周 期 性 的 变化 不 利于钻 进 ， 可降低 钻 井质量 及钻 井效 率 ， 而且 在严 重情 况下 ， 将使 钻头 脱离 井底 ， 无法 继续 钻进 。为 了 保证 正常 钻进 ， 提高 钻井 生产 效率 与质量 ， 必须 研究 解决 浮式平 台 船 在 风浪 下 的升沉运 动 问题 。 2平台升沉动力模型 根 据生 产要求 ， 确定 钻 井深度 ， 按 照钻机 的钻 探 能 力 ， 配 备好 钻机 之后 ， 即须设 计 相应 的升沉 补偿装 置 。通过 研究 升沉 运 动 的数 学模 型 ， ‘ 算 确 定 升沉 补偿 装置 的 主要 参 数 ， 然 后 对 其进 行 设 计 或 根据 这 些主要 参 数来选 择升 沉补 偿装 置 。 平 台在水 中所 受 的海 洋 环境 载 荷 有风 力 、 海 流 力 、 波 浪力 等 ， 这些 因素造成 的海 洋波 浪通 常可用 周 期 、 振 幅 、 波 长 3个参 数描述 。 船 体 升 沉 位 移 是 指 平 台 或船 体 随 海 浪起 伏 而 上 、 下运 动 的位 移 ， 它 由波 高 及船 体 或 平 台 的类 型 、 结 构 、 尺 度等 因素 决定 ， 但 它 与波 高是 2个不 同 的概 念 ， 通常 升沉位 移要 比波 高小 得多 。 在 没有 波 浪 时 ， 钻井 船 的 重力 和所 受 的浮力 是 相等 的 ， 所 以在 。 算 中不 考 虑 钻 井船 的重 力 和初 始 浮力 ， 即 ， 如果没 有 波 浪 等对 钻 井 船 的影 响 ， 则 钻 井 船 是不 运动 的 。如果 波 浪 具有 o2 “ 的位 移 ， 则 带 动 钻 井 船产 生 的位移 ， 如 图 2 所 示 ， ＼ f 钻 外 船 ＼ I l I I 钻井 船 Ⅵ 1 图 2 钻井船 平 台 升沉位移 上 卜 运动 假设 浮式平 台 的重 力 为 M ， 吃水 线 处 平 台与 海 水 接触 面积 为 s， 由牛 顿 运 动定 律 可 得 船 体 升 沉 运 动 的 基 本 方 程 忽 略 船 体 与 波 浪 相 互 运 动 的 阻 力 ， 即 ～ M pV g4 - p Sg 五 一 a d - M 1 式 中 ， p为 海水 密度 ， k t ／ m。 ； V 为排 水 体 积 ， m。 ； g为 重 力加速 度 ， 9 ． 8 m／ s ； k为 阻尼 系数 ； 、 ． 2 7 分别 代 表平 台 甲板 和水 面在 相对 坐标 系 中的高 度 。 通 常 ， 波浪 的运动 及 波高采 用实 际测 定数据 ， 经 石 油矿 场 机械 2 0 1 1 年 9月 过统计 发现 可近 似地认 为平 台运动 以及波 浪均 为正 弦波 ， 则 和 z可写 作 z 如 “ 。 2 式 中 ， 。 和 Y 。 为 没有 波 浪 时船 体 的静 态 位 置 ； z和 为动态运动的合成幅度。 式 1 动态部 分可 以表示 为 p Sg y-- x ∞志 ～ 一 M ∞ 3 式 中 ， 一 为波 浪圆频 率 。 式 3 中 ／ ⋯ p Sg 2 k c 2 4 如果 船体满 足 条 件 p S g 。 I 意 ， 则 衰 减 系数可被 忽略 ， 即 ， 计算 中不考虑船 体 与波浪相 互运 动的阻尼 系数 。并且 在计算 中也没有考虑船体尺 寸 、 波浪 波长等 因素 。简化 的升沉 公式 为 。 ； ≈ 盎二 ㈦ 3 工程实例计算 3 0 0 0 r l l 深 水工 程勘察 船 是 中海 油 服为 满 足 国 内海 洋深水 地质 勘 察 、 海洋 水 合 物取 样 的工作 需 要 而 开发 的工程项 目 ， 其 钻井 及 取 样 提升 系 统 由宝 鸡 石 油机 械 有 限 责任 公 司进 行 设 计 制造 ， 是 我 国第 l 条深 水勘 察用 的工 程船 ， 安装 有 减摇 装 置 和 动力 定 位 系统 ， 用 于解 决 摇摆 及 漂 移 问题 。钻 井 系 统配 有 游车型升沉补偿装置， 用于解决船体升沉对钻井作 业 的影响 。宝鸡 石油机 械有 限责任 公 司在配套 升沉 补偿 装置 时 ， 对船 体 的升沉 进行 了理论计算 ， 并按 照 计算结果进行钻井系统升沉补偿装置的配套设计 。 深水 工程勘 察船基 本参 数为 勘 察船质 量 约 1 ． 2 8 1 O k g 船 长 L o 1 0 5 m 吃 水线处 平 台与海 水接触 面积 S 约 2 4 0 0 m 勘察 船 作 业 的 环 境 参 数 南 海 3 0 0 0 1 1 1 水 深 为 最大波高 z ⋯ 3 1 2 2 周期 T 9 S 海 水密度 p 1 0 3 0 k g ／ m。 由式 5 ， 并结合勘察船 自身物理参数 ， 可以得 到勘察船船体升沉与波浪周期的关 系曲线， 如图 3 所示 。 依据上述计算可得 ， 船体升沉最大值 Y 一 2 ． 3 8 l n ， 在最大波高 z ⋯ 一3 m处 ； 船体升沉的周期 与波 浪周期 相 同 。 量 惶 波 浪 周 期／ s 图 3 波高 、 船体升沉与波浪的关系 4 结 语 本 文介绍 了浮式 钻井平 台 船 在海 上漂 浮状态 及 风浪影 响下 的各 种运 动 ， 重 点 分 析 浮式 钻 井平 台 船 的升沉运动以及波浪对钻井船 的升沉影响 ， 建 立了钻井船在波浪下的升沉动力模 型， 简化钻井船 及作 业环 境 的若 干 边 界参 数 后 ， 提 出 了一 种 浮 式平 台升沉 运动 的简易 算 法 ， 非 常适 合 钻 井船 配 套 设计 升沉 补偿 装置 时 的参 数计算 。并 通过深 水工程 勘察 船的工程实例得到 了船体 的升沉参数 ， 找 出了勘察 船在设计海况下的升沉最大值 ， 为升沉补偿装置的 设计 配套 提供 了依据 。 参考文献 E 1 ] 廖 谟 圣． 海 洋 石 油 开 发 [ M] ． 北 京 中 国 石 化 出 版 社 ， 2 0 0 6 ． E 2 ] 方化灿． 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 ． [ 3 ] 王维旭 ， 弓英明 ， 赖笑辉 ， 等． 海洋钻井 绞车补偿 系统技 术分析[ J ] ． 石油矿场机 械， 2 0 1 0 ， 3 9 1 2 1 8 2 0 ． [ 4 ] 王维旭 ， 于兴军 ， 贾秉彦 ， 等． 被动式钻柱升沉 补偿 装置 气液控制系统的原理 [ J ] ． 石油 矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 2 3 0 3 3． [ 5 ] 张彦廷 ， 刘振东 ， 姜浩 ， 等． 浮式钻井平 台升沉 补偿 系 统主动力研究[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 4 1 - 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