王 騰 王 科

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 山東青島 266580)

鉆井隔水管是連接海底井口與鉆井平臺(tái)的重要部件[1],當(dāng)浮式鉆井平臺(tái)遭遇極端惡劣海況或動(dòng)力定位失效時(shí)，為了保護(hù)平臺(tái)設(shè)備和人員安全、減少對(duì)海洋環(huán)境的破壞、避免隔水管斷裂、保護(hù)水下井口，在來不及回收隔水管的情況下需進(jìn)行隔水管的緊急解脫作業(yè)[2]。隔水管緊急解脫是指底部隔水管總成(LMRP)與防噴器(BOP)解脫，此時(shí)儲(chǔ)存在隔水管系統(tǒng)中的勢(shì)能釋放出來，隔水管向上回彈，有可能會(huì)導(dǎo)致隔水管向上撞擊鉆井平臺(tái)；解脫之后，鉆井液下泄，鉆井液的摩擦效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致隔水管向下延伸一定距離，LMRP有可能會(huì)撞擊BOP造成事故[3]?？刂聘羲芫o急解脫后的回彈是深水鉆井面臨的技術(shù)難題之一，因此建立隔水管回彈響應(yīng)模型，分析不同情況下的隔水管回彈響應(yīng)過程和關(guān)鍵影響因素，對(duì)于保證深水鉆井隔水管系統(tǒng)的作業(yè)安全有重要意義。

張磊 等[4]利用ANSYS軟件將平臺(tái)運(yùn)動(dòng)以動(dòng)邊界形式施加于彈簧單元，分析了隔水管不同張拉力及解脫時(shí)刻的回彈響應(yīng)。Li 等[5]提出了整體流體模型、計(jì)算流體模型等2種回彈后鉆井液下泄力的計(jì)算方法。Lang等[6]介紹了隔水管回彈響應(yīng)分析方法研究的最新進(jìn)展，初步探討了利用有限元軟件進(jìn)行隔水管回彈響應(yīng)分析方法，指出在鉆井船升沉運(yùn)動(dòng)的不同時(shí)刻進(jìn)行緊急脫離隔水管回彈響應(yīng)有很大不同。Arild Gr?nevik[7]利用SIMA/RIFLEX軟件分析了隔水管回彈在500 m和1 500 m水深條件下的回彈響應(yīng)，但沒有將鉆井平臺(tái)與隔水管系統(tǒng)進(jìn)行整體耦合響應(yīng)分析。上述研究雖然從不同方面對(duì)隔水管回彈響應(yīng)進(jìn)行了一定分析研究，但均沒有考慮鉆井平臺(tái)與隔水管系統(tǒng)的整體耦合響應(yīng)。筆者基于整體流體模型得到隔水管解脫后鉆井液下泄力的變化規(guī)律，并通過ANSYS/AQWA External Force Calculation程序?qū)@井液下泄力引入隔水管回彈模型中，結(jié)合上部鉆井平臺(tái)的響應(yīng)進(jìn)行鉆井平臺(tái)與隔水管系統(tǒng)的整體耦合響應(yīng)分析，并以1 500 m深水鉆井隔水管為例，考慮鉆井平臺(tái)響應(yīng)、隔水管張拉力和鉆井液下泄力等關(guān)鍵因素對(duì)緊急解脫隔水管回彈響應(yīng)進(jìn)行仿真分析，以期為深水鉆井緊急解脫隔水管安全作業(yè)提供參考。

1 隔水管回彈響應(yīng)分析模型

1.1 張緊器模型

本文以直接作用式張緊器為研究對(duì)象，該張緊器的工作原理[8]如圖1所示。Yang[9]通過詳細(xì)研究?jī)?chǔ)能器、液壓缸及活塞與活塞桿的工作機(jī)理提出了計(jì)算張拉力與活塞位置的關(guān)系式，即

(1)

式(1)中：T為張拉力，N；T0為預(yù)張力，N；ΔZ為活塞沖程，m；Z0為液缸中的有效長(zhǎng)度，取20 m；γ為15 ℃條件下的絕熱氣體常數(shù)，取1.4[10]。

圖1 直接作用式張緊器系統(tǒng)示意圖[8]

為了在ANSYS/AQWA軟件中用非線性模型模擬張拉力隨沖程的變化規(guī)律，對(duì)式(1)在±10 m范圍內(nèi)的力位移變化曲線進(jìn)行3次多項(xiàng)式擬合(圖2)，并以擬合式(2)為基礎(chǔ)在AQWA軟件中建立非線性張緊器模型。

圖2 張拉力與沖程關(guān)系

3.45×10-4ΔZ3

(2)

1.2 鉆井液下泄模型

當(dāng)隔水管緊急解脫時(shí)，往往沒有足夠的時(shí)間來回收鉆井液，而鉆井液與海水之間的密度差會(huì)造成在隔水管的底部管內(nèi)鉆井液與管外海水之間的壓差較大，因此當(dāng)LMRP與BOP解脫之后，鉆井液從隔水管內(nèi)下泄進(jìn)入海水，對(duì)隔水管的回彈產(chǎn)生重要影響[5]?；谡w分析方法用環(huán)空模型模擬鉆井液，假設(shè)隔水管與鉆柱之間的環(huán)空完全充滿鉆井液，將隔水管中的環(huán)形鉆井液看作一個(gè)整體，當(dāng)鉆井液下泄進(jìn)入海水時(shí)，海水立刻從隔水管上部的充填閥門循環(huán)進(jìn)入隔水管環(huán)空。在時(shí)間t=0時(shí)LMRP與BOP實(shí)現(xiàn)解脫，鉆井液自隔水管下泄進(jìn)入海水中，經(jīng)過一段時(shí)間管內(nèi)外壓差為零，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，環(huán)空模型如圖3所示。

圖3 隔水管環(huán)空模型示意圖

由達(dá)西公式可知，回彈過程中的壓力降可以表示為[7]

(3)

其中

Lz=L0-Ut

U=u0+at

D=d1-d2

由于鉆井液在下泄過程中絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)處于紊流流態(tài)，因此采用了紊流摩阻系數(shù)來計(jì)算管內(nèi)流體的下泄力，摩擦力系數(shù)可從莫迪表[11]中得出，但考慮到流速的不斷變化，摩擦力系數(shù)用Haaland公式計(jì)算[7]，即

(4)

由鉆井液下泄造成的水頭損失可以表示為

(5)

進(jìn)而得到鉆井液的下泄力為

(6)

同理，取海水的摩擦力系數(shù)fw，參照式(6)可以得出管內(nèi)海水對(duì)隔水管的下泄力為

-Lz)

(7)

結(jié)合式(6)、(7)，在鉆井液下泄的每一個(gè)時(shí)間步，在整體流體柱上運(yùn)用牛頓第二定律建立整體流體模型(WFC)的控制方程，即

ρwgAe(L0-Lz)+ρmgAeLz-Fw-Fm-ρwgAeL0-

(8)

1.3 基于ANSYS/AQWA的鉆井平臺(tái)+張緊器+隔水管回彈模型

通過非線性多項(xiàng)式形式的彈簧模擬張緊器， ANSYS/AQWA External Force Calculation二次開發(fā)將下泄力施加在隔水管底部的LMRP上，用來模擬隔水管回彈后的鉆井液下泄的影響，隔水管回彈耦合模型如圖4所示。

圖4 鉆井平臺(tái)與隔水管耦合系統(tǒng)示意圖

2 隔水管回彈響應(yīng)的敏感性分析

假設(shè)水深1 500 m，不規(guī)則波浪有效波高5 m、周期10 s，鉆井平臺(tái)、錨鏈、隔水管系統(tǒng)參數(shù)見表1～3。利用本文建立的緊急解脫隔水管耦合模型進(jìn)行隔水管回彈響應(yīng)的敏感性分析。

表1 鉆井平臺(tái)參數(shù)

表2 錨鏈參數(shù)

表3 隔水管系統(tǒng)配置[4]

2.1 鉆井液下泄力影響分析

隔水管內(nèi)徑0.489 m、鉆柱外徑0.127 m，鉆井液密度分別為1.28、1.60 g/cm3時(shí)鉆井液下泄力隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出，鉆井液密度越大，下泄力越大；鉆井液下泄力在隔水管回彈開始后快速增大，之后緩慢減小。因此，鉆井液密度較大條件下進(jìn)行隔水管解脫作業(yè)時(shí)鉆井液下泄力不可忽視。

圖5 鉆井液下泄力隨時(shí)間變化曲線

當(dāng)頂部張拉力為4.7 MN時(shí)，不同密度鉆井液下泄力作用下LMRP的回彈響應(yīng)曲線如圖6所示。從圖6可以看出，隔水管緊急解脫后，LMRP回彈至最高位置后進(jìn)行垂向振動(dòng)響應(yīng)；鉆井液密度越大，LMRP垂向振動(dòng)振幅越大，當(dāng)鉆井液密度為1.60 g/cm3時(shí)LMRP在隔水管解脫6.1 s后下沉至水深1 491.93 m，距離BOP水深位置1 492 m僅0.07 m，易發(fā)生碰撞。

圖6 鉆井液下泄力對(duì)LMRP位置的影響

2.2 張拉力影響分析

頂部張拉力分別為4.7、5.7、6.7和7.7 MN時(shí)隔水管解脫后LMRP隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出，張拉力為4.7 MN時(shí)LMRP回彈最低水深位置為1 491.69 m，距離海底防噴器[13]僅0.31 m，易導(dǎo)致隔水管觸底；張拉力為7.7 MN時(shí)LMRP回彈最高水深位置為1 487.85 m，易導(dǎo)致隔水管松弛。

圖7 不同張拉力時(shí)LMRP垂向響應(yīng)

頂部張拉力分別為4.7、5.7、6.7和7.7 MN時(shí)隔水管解脫后伸縮節(jié)張力環(huán)位置隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出，張拉力越大，隔水管回彈導(dǎo)致的伸縮節(jié)沖程越大；隔水管解脫后0.29 s伸縮節(jié)開始響應(yīng)，與應(yīng)力波傳遞至1 500 m處的伸縮節(jié)所需要時(shí)間0.293 s相一致，同時(shí)不同張拉力情況下由隔水管重量控制的伸縮節(jié)逐漸穩(wěn)定在9.5 m附近位置，二者間接證明了本文所建模型的準(zhǔn)確性。通過張拉力對(duì)LMRP位移及伸縮節(jié)沖程的影響結(jié)果分析可知，隔水管的張拉力既不能過大使張緊器超出沖程，也不能過小使LMRP觸底。因此，在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中應(yīng)根據(jù)鉆井平臺(tái)所處水深、鉆井液密度、伸縮節(jié)沖程極限值計(jì)算安全的張拉力，以保證發(fā)生緊急解脫作業(yè)時(shí)鉆井平臺(tái)的安全。

圖8 不同張拉力時(shí)伸縮節(jié)的垂向位置

3 結(jié)論

1) 綜合考慮鉆井液下泄力、張拉力等因素影響，利用ANSYS/AQWA建立了隔水管緊急解脫回彈耦合計(jì)算模型，該模型具有較好的計(jì)算準(zhǔn)確性，可用來模擬分析隔水管解脫后的回彈響應(yīng)。

2) 模擬計(jì)算結(jié)果表明：鉆井液密度越大，鉆井液下泄力越大，隔水管解脫后LMRP觸底的可能性越大；張拉力對(duì)LMRP回彈位移和伸縮節(jié)的許用沖程影響較大，張拉力越大，LMRP回彈位移和伸縮節(jié)位移越大。因此，隔水管緊急解脫作業(yè)時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆井平臺(tái)的作業(yè)水深、海況條件、鉆井液密度等條件選擇合適的張拉力，既要防止張拉力過大導(dǎo)致伸縮節(jié)超出沖程撞擊鉆井平臺(tái)，又要防止張拉力過小導(dǎo)致隔水管LMRP撞擊防噴器。

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