浮力块对深水钻井隔水管安装过程性能的影响.pdf

2 0 1 5年第 4 3卷第 7期 石 油机械 CHI NA PE TR0L EUM MACHI NERY 海 洋石 油装 备 浮 力块对深水钻 井隔水 管安装 过程性 能的影 响 王宴滨 高德利 房 军 中国石油大学 北京石油工程教育部重点实验室 摘要 建立了带浮力块深水钻井隔水管安装过程力学分析模型，采用 A B A Q U S有限元软件对 带浮力块 的深水钻井隔水管在安装过程 中的静态力学性能进行分析，研究 了浮力块配置方案、浮 力系数、浮力块长度和浮力块外径对隔水管横 向变形及应力的影响。研究结果表 明，深水钻井隔 水管安装过程 中危险截面始终位于隔水管与浮式钻井设备连接处 ；浮力块 与隔水管裸单根宜采取 交错布置的方案；隔水管安装过程 中产生的横 向变形与危 险截面处 的应力均随浮力系数 、浮力块 长度与浮力块外径的增大而增大；超过一定水深后隔水管 Mi s e s 等效应力随水深增加呈线性减小。 关键词浮力块；深水钻井；隔水管；安装过程；纵横弯 曲；水平变形；危险截面；Mi s e s 应力 中图分类号 T E 9 5 1 文献标识码A d o i 1 0 ． 1 6 0 8 2 ／ j ． c n k i ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 1 0 I n flue nc e o f Buo y a nc y M o du l e s o n M e c h a ni c a l Pr o pe r t y o f De e p wa t e r Dr i l l i n g Ri s e r I ns t a l l a t i o n W a n g Y a n b i n Ga o De l i F a n g J u n MO E K e y L a b o r a t o r y o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g i n C h i n a U n i v e r s i t y o fP e t r o le u m B e lti n g Ab s t r a c t A mo de l h a s b e e n b u i l t f o r me c h a n i c a l a na l y s i s o n v e r t i c a l a n d h o r i z o n t a l b e n d i n g d e f o r ma t i o n o f d e e p w a t e r d r i l l i n g r i s e r e q u i p p e d w i t h a b u o y a n c y m o d u l e i n t h e i n s t a l l a t i o n a n d A B A Q U S fi n i t e e l e m e n t s o f t w a r e h a s b e e n u s e d t o a n a l y z e s t a t i c me c h a n i c a l p r o p e rt y o f d e e p w a t e r d ri l l i n g ri s e r e q u i p p e d wi t h a b u o y a n c y mo d u l e i n t h e i n s t a l l a t i o n， i n o r de r t o s t u d y i n flu e n c e s o f b uo y a n c y mo d u l e c o n fig u r a t i o n， b u o y a n c y c o e ffi c i e n t ， b u o y a n c y mo d u l e l e n g t h a n d b uo y a n c y mo d u l e OD o n l a t e r a l d e f o r ma t i o n a n d s t r e s s o f t h e d ril l i n g r i s e r ．S t u d y r e s u l t s s h o w t h a t ， da n g e r o us s e c t i o n i s a l wa y s a t t h e c o n n e c t i o n be t we e n t h e r i s e r a n d t h e flo a t i n g d r i l l i n g e q u i p me n t du rin g i n s t a l l a t i o n o f t h e de e p wa t e r d ril l i n g ris e r ；t h e b u o y a n c y mo d u l e a n d s i ng l e b a r e r i s e r s h o u l d a d o p t s t a g g e r e d l a y o u t ； l a t e r a l d e f o rm a t i o n o f t h e r i s e r d urin g i n s t a l l a t i o n a n d s t r e s s o n t he d a ng e r o u s s e c t i o n i n c r e a s e wi t h bu o y a n c y c o e ffi c i e n t ， b u o y a n c y mo d u l e l e n g t h a n d b uo y a n c y mo d u l e OD ；Mi s e s e q u i v a l e n t s t r e s s o f t h e r i s e r d e c r e a s e s l i n e a r l y wi t h wa t e r d e pt h i n c r e a s i n g a f t e r e x c e e d i n g a c e r t a i n wa t e r d e p t h． Ke y wor ds b uo y a n c y mo du l e；d e e p wa t e r d r i l l i n g；ris e r ；i n s t a l l a t i o n p r o c e s s ； v e rti c a l a n d h o riz o n t a l b e n- d i ng；h o riz o n t a l d e f o rm a t i o n；d a n g e r o u s s e c t i o n；Mi s e s s t r e s s 0 引 言 浮力块是钻井隔水管必不可少的组成部分 ，其 作用是 提供分 布式 浮力 ，减小 隔水 管管 串的湿 重 ，降低隔水管张力器的张力 ，同时改善隔水管的 力学性能 - 6 ] 。浮力块配置不仅会对安装完成后隔 水管的力学性能产生影响，更会对安装过程 中隔水 管的力学性能及安装作业产生影响 ，但有关浮力块 对深水钻井隔水管安装过程力学性能影响的分析还 未见文献报道 。许亮斌等 给出了合理配置隔水 管浮力块 的基本原则和主要流程 ，并以深水钻井隔 水管硬悬挂模式为基础给出了确定合理浮力 系数 的 方法 ，并且对带浮力块的深水钻井 隔水管的静态性 基金项 目国家 自然科 学基金创新研究群体项 目 “ 复杂油气井优化设计 与钻完井控制基础研究” 5 1 2 2 1 0 0 3 。 一 5 0一 石 油机械 2 0 1 5年第 4 3卷第7期 越大。当浮力系数为 9 6 ． 8 4 ％ ，隔水管下放到泥线 处时 ，L MR P ／ B O P S处 隔 水 管 的 水 平 变 形 约 为 1 1 6 ． 4 m，约为无浮力块下此位移的 2 ． 2倍。从图 5 可以看出，浮力系数对深水钻井隔水管安装过程的 应力分布影响主要体现在水面，随着浮力系数的增 大，隔水管与浮式钻井设备连接处的 M i s e s 等效应 力逐渐增大，并且此位置为整个 隔水管的危险截面， 随着水深的增加，隔水管的应力大致呈线性减小。 3 影响 因素讨论 3 ． 1 相 同直径 不 同长度 选取浮力块直径为 1 ． 3 5 m，长度 f 分别为 2 5 、 5 0 、7 5 、1 0 0和 1 2 5 m及无浮力块等 6种情况进行 研究 ，浮力块采用交错布置方案 ，得到的隔水管水 平变形及应力分布分别如图6与图 7所示 。 图6浮力块长度 对隔水管水平变形的影 响 F i g ． 6 I n fl u e n c e o f b u o y a n c y mo d u l e l e n g t h o n h o riz o nt a l d e f o r ma t i o n o f t he r i s e r 图7 浮力块 长度 对隔水管 Mi s e s 等效应力的影响 F i g ． 7 I n fl u e n c e o f b u o y a n c y mo d u l e l e n g t h o n Mi s e s s t r e s s o f t h e ris e r 从 图6与图7可以看出，随着浮力块长度的增 大，安装过程中隔水管的水平变形越大，并且初始 配置的浮力块越接近海 面，隔水管 的水平 变形越 大。不 同浮力块长度下隔水管危险截面均位于隔水 管与浮式钻井设备连接处 ，且浮力块长度越长 ，隔 水管危险截面处的 Mi s e s 等效应力越大 ，超过一定 水深后浮力块长度对 Mi s e s 等效应力影响不大 ，应 力随水深增加大致呈线性减小 。 3 ． 2 相 同长 度不 同直径 选取浮力块长度为5 0 m，直径 D分别为 1 ． 0 2 、 1 ． 1 2 、1 ． 2 2 、1 ． 3 2和 1 ． 3 5 1 T I 及无浮力块等 6种情 况进行研究 ，浮力块采用交错布置方案，得到的隔 水管水平变形及应力分布分别如图 8与图9所示。 图 8 浮 力块外径对 隔水管水平 变形的影响 Fi g ． 8 I n flu e nc e o f b uo ya nc y mo d u l e OD o n h o riz o n t a l d e f o r ma t i o n o f t h e r s e r 图 9 浮 力块外径对 隔水管 Mi s e s 等效应力的影响 F i g ． 9 I n fl u e n c e o f b u o y a n c y mo d u l e OD o n Mi s e s s t r e s s o f t h e r i s e r 从图 8与图 9可以看出，随着浮力块外径的增 大 ，安装过程中隔水管的水平变形越大 ，不同浮力 块外径下隔水管危险截面均位于隔水管与浮式钻井 设备连接处 ，且浮力块外径越大 ，隔水管危险截面 处的 M i s e s 等效应力越大 ，超过一定水深后浮力块 外径对 Mi s e s 等效应力影响不大 ，应力随水深增加 大 致呈线 性减 小 。 4 结 论 建立 了带浮力块深水钻井隔水管安装过程纵横 弯 曲变形 力学 模 型 ， 采 用A B A Q U S 有 限元 软件 对 下转第 6 0页