张力腿平台丛式立管钻完井作业窗口分析方法

针对张力腿平台(TLP)钻完井过程中丛式立管的作业安全问题,基于HUSE尾流模型和切片分析理论,考虑丛式立管之间的干涉作用,建立了TLP丛式立管系统力学分析模型,确定了TLP丛式立管钻完井作业准则,并提出了TLP丛式立管钻完井作业窗口分析方法及流程。以我国南海某深水油井为例,开展了TLP丛式立管钻完井作业窗口及其影响因素分析,结果表明:TLP丛式立管钻完井作业窗口总体上呈倒锥形,在低流速区域受立管最大弯曲角度限制,在高流速区域受立管最大等效应力限制;钻井液密度对立管钻完井作业窗口的影响较小,顶张力和立管间距对TLP丛式立管系统的钻完井作业窗口具有显著影响,顶张力不足会导致TLP丛式立管在高流速区域无法作业,立管间距设计较小会引起立管碰撞进而导致TLP钻完井作业失败。本文研究成果可为我国南海TLP丛式立管钻完井作业安全管理提供参考。     

TLP平台串行立管系统干涉影响因素分析

TLP平台串行立管系统受力复杂,容易发生干涉,立管干涉的影响因素主要包括立管间距、平台偏移、顶张力、波浪和海流等,确定各因素对立管干涉的影响规律可为TLP平台立管系统设计和作业安全提供支持。为此,建立TLP平台串行立管微分方程,采用ABAQUS软件建立P2P、P2D和D2P(P代表生产立管,D代表钻井立管)串行立管系统有限元模型,制订了评定立管干涉的标准和立管干涉分析流程,分析各因素对串行立管干涉的影响。分析结果表明,立管间距和海流对立管干涉影响较大,立管间距增大发生干涉的可能性变小;串行立管系统主要在50~100 m水深范围内发生干涉,防止立管发生干涉的最小间距不小于4 m;TLP平台偏移对立管的干涉影响很小,顶张力对D2P工况串行立管干涉影响较大,对P2P和P2D工况影响不大,波浪相位角为180°时对串行立管的间隙影响最大,在100 a一遇的海流条件下,建议停止钻井作业。研究成果可为南海TLP平台立管系统设计和作业安全提供技术支持。     

波流作用下的张力腿平台顶张紧式立管干涉分析

顶张紧式立管(TTR)是张力腿平台(TLP)的关键部分之一。TTR之间干涉的风险随着水深的增加而增加,因而立管之间的干涉评估也就变得越来越重要。如果因干涉引起的碰撞力或参与碰撞的能量足够大,则有可能会在立管的某区域产生损伤,降低立管的使用寿命,甚至危及平台的安全。针对某油田开发方案设计工作,对井槽间距的设置以及立管干涉分析进行研究,并对影响立管干涉性能的主要因素开展敏感性分析,为立管的研究及设计提供参考。     

深水钻井隔水管连接作业窗口分析

采用通用组合确定准则和非线性搜索方法研究深水钻井隔水管连接作业窗口,建立隔水管-井口-导管整体有限元分析模型,并以钻井平台偏移值、表面海流流速和伸缩节冲程组合参数形式确定隔水管连接作业窗口。研究表明,隔水管钻井窗口总体上呈倒锥形:表面海流流速较小时(小于1.0 m/s),钻井窗口主要受底部挠性接头转角的影响,顺流方向海流流速增加会增大底部挠性接头转角,减小允许的平台最大偏移值,逆流方向相反;当表面海流流速超过1.0 m/s时,钻井窗口主要受顶部挠性接头转角的影响,此时在逆流方向海流流速增加会显著增大顶部挠性接头转角,导致钻井窗口迅速缩小。隔水管连接非钻井和启动脱离程序窗口主要受导管最大等效应力限制,随海流流速增大向逆流方向偏移。另外,通过对隔水管连接作业窗口影响因素进行分析,可知适当提高顶张力和降低钻井液密度可有效扩展隔水管的钻井窗口。图7表3参13     

深水送入管柱导向系统力学性能及影响因素分析北大核心CSCD

根据深水送入管柱导向下入的作业特点,考虑复杂海洋环境载荷影响及多点约束特征,建立了深水送入管柱-导向环-导向绳的耦合动力学分析模型,并对送入管柱、导向绳的力学性能参数及影响规律开展了研究。以我国南海流花区自营深水井X井为例进行计算分析,结果表明:送入管柱的等效应力自上而下呈现逐渐减小的趋势,X井送入管柱的力学性能满足作业要求;导向系统对送入管柱的横向位移有较强的约束作用,送入管柱顶端和导向环作用区域出现应力突变的现象;导向环数量和导向绳预张力的增加有利于控制送入管柱的横向位移和回接连接器切入角,降低送入管柱的应力水平,提高导向下入过程的安全等级。本文研究成果可为深水送入管柱导向下入的安全作业提供参考。     

深水送入管柱导向系统力学性能及影响因素分析

根据深水送入管柱导向下入的作业特点,考虑复杂海洋环境载荷影响及多点约束特征,建立了深水送入管柱-导向环-导向绳的耦合动力学分析模型,并对送入管柱、导向绳的力学性能参数及影响规律开展了研究。以我国南海流花区自营深水井X井为例进行计算分析,结果表明:送入管柱的等效应力自上而下呈现逐渐减小的趋势,X井送入管柱的力学性能满足作业要求;导向系统对送入管柱的横向位移有较强的约束作用,送入管柱顶端和导向环作用区域出现应力突变的现象;导向环数量和导向绳预张力的增加有利于控制送入管柱的横向位移和回接连接器切入角,降低送入管柱的应力水平,提高导向下入过程的安全等级。本文研究成果可为深水送入管柱导向下入的安全作业提供参考。     

深水水下采油树下放作业窗口研究

深水水下采油树的下放安装作业环境载荷非常复杂,确保采油树的下放作业安全是亟待解决的问题。为此,分析了水下采油树下放作业过程,建立了下放管串力学模型,确定了采油树下放作业准则,建立了采油树下放作业窗口分析方法及流程,并研究了采油树质量、波浪周期、浪向角和水深对采油树下放作业窗口的影响。研究结果表明,在表面流速小于0.85 m/s、波高小于7.2 m的情况下,采油树可实现安全下放;采油树质量增大导致下放作业窗口变小,主要影响作业窗口的最大有效波高;波浪周期在9~11和15~29 s时下放作业窗口较大,不同浪向角下推荐平台艏向与波浪成45°;随着水深的增加采油树下放作业窗口逐渐变小,水深对窗口的最大有效波高影响较大,对最大表面流速影响很小。     

钢悬链线立管S形铺设极限水深

针对南海某气田铺管船正常铺设钢悬链线立管(Steel Catenary Riser, SCR)的作业,基于OrcaFlex数值模拟对立管进行总体动态分析,确定立管可安全作业的阈值环境条件。研究波浪方向、海流速度、立管外径、壁厚等对立管正常铺设作业窗口的影响,进一步分析不同外径、壁厚立管在不同水深下的适用性,确定立管极限安装水深。研究表明,立管作业窗口对浪向较敏感,在随浪条件下进行铺管作业更安全。随着立管外径、壁厚、表面流速增大,波高-周期作业窗口减小,极限铺设水深减小。     

张力腿平台钢桩精就位技术研究

随着我国进军深海油气田的步伐日益加快,深水张力腿平台(TLP)的安装任务日益临近,与传统的导管架平台不同,TLP平台没有类似限定钢桩位置的导管架结构,因此,钢桩的精确就位方式成为了TLP平台安装的关键技术。针对500 m水深油田生产装备TLP自主研发课题,研究了传统的钢桩精就位方案,并结合我国南海海床地质特点,设计了适合我国海洋地质的整体基盘式深水钢桩精就位安装方案。并利用ORCFLEX软件,对钢桩精就位过程中的运动进行了分析,模拟了流速、浪高和波浪周期对钢桩运动的影响,选定了适合钢桩安装的天气窗口参数,为深水TLP平台的进一步研究和开发提供了理论依据和技术储备。     

深水测试管柱作业条件下平台偏移预警界限

针对深水测试作业过程中由于浮式平台偏移造成的管柱安全问题,建立深水测试管柱系统接触非线性有限元分析模型,采用磁性搜索算法研究深水作业平台的偏移预警界限,确定浮式平台的测试作业窗口和管柱脱离的安全作业边界,为深水作业平台的科学定位和撤离决策提供理论依据。研究表明:实例平台在表面海流流速低于0.8 m/s、平台偏移不超过19.4 m的条件下可以完成正常的深水测试作业;挠性接头转角和底部井口弯矩是平台偏移预警界限的主导限制因素;随着海流表面流速的增加,测试作业窗口向逆流方向偏移,当达到一定流速时作业窗口的左侧边界出现拐点,窗口迅速收缩;提高外管提升力有利于增大测试作业窗口,测试作业窗口随着井口倾斜角度的增大逐渐向井口倾斜方向平移,但大小和形状基本不变。     

深水钻井隔水管悬挂窗口确定方法

隔水管悬挂窗口为允许隔水管进行悬挂作业的环境载荷极值条件,钻前形成悬挂窗口对于指导隔水管现场作业至关重要。提出隔水管软、硬悬挂模式作业窗口分析方法,建立隔水管轴向动力分析有限元模型,基于隔水管悬挂作业限制准则,进行不同海况条件下的隔水管悬挂窗口研究。波高周期作业窗口分析表明,隔水管硬悬挂窗口受平台升沉运动与波浪周期共同影响,波浪周期在10~16 s、20~24 s 之间的作业窗口较窄,硬悬挂自存时推荐平台艏向取45°浪向角;隔水管软悬挂窗口主要受伸缩节冲程限制,不同浪向角下的作业窗口基本相同。波浪海流作业窗口分析表明,海流流速越大隔水管悬挂允许的最大波高越小。对比两种悬挂模式下的作业窗口,软悬挂模式较大地扩展了隔水管的悬挂作业窗口。     

平台新增立管“三卡一管”创新安装方案探索

为了在已有平台新增立管,需要将立管卡子安装至导管架指定位置。在平湖油气田已有平台新增立管卡子安装过程中,摒弃传统的单个安装方案,利用平台吊机与卷扬机,大胆采用富有创新性的"三卡一管"安装方案,成功将立管卡子安装至导管架上。采用"三卡一管"方案,不但有效解决了立管卡子安装后的同心度问题,而且不需要作业工程船舶支持,简化了海上作业步骤,极大地提高了海上作业效率,缩短了施工时间,降低了工程费用。     

考虑海底接触的钢悬链式立管静力学行为

基于考虑海底接触的钢悬链式立管(Steel Catenary Riser,SCR)的结构特性,采用考虑管土分离的线性截断模型对p-y曲线进行描述。通过在立管顶端施加固定的水平位移模拟上端浮体的水平漂移,分别研究立管外径、立管壁厚、管内流体介质以及海流流速的变化对立管位移响应以及等效应力的影响。分析结果表明:立管位移响应随着壁厚和内部流体密度的增加呈下降趋势,随着海流流速的增加呈上升趋势,但外径变化对立管位移响应的影响却不显著。触地点处的等效应力发生了剧烈变化,从触地点到悬挂点,立管所受等效应力呈振荡波形,峰值整体呈上升趋势,波峰之间的间距逐渐增大。立管位移响应主要受立管壁厚、内部流体密度以及海流流速的影响,而立管等效应力主要受立管内部流体密度和海流流速的影响。     

非粘接动态柔性立管干涉研究

非粘接动态柔性立管是深水海洋石油开发的重要设备,具备安装简便、可靠性高、抗疲劳性能强等诸多优点。非粘接动态柔性立管由多层非粘结结构形式缠绕而成,其截面刚度较低,在波浪和海流作用下运动幅值较大,因此柔性立管的构型和布置需要特殊研究,以免在极端情况下发生立管之间、立管与锚链之间的碰撞干涉。针对应用于中国南海海域的柔性立管,基于有限元法,采用Huse尾涡模型开展了干涉研究,并就柔性立管弯曲刚度、内部介质和拖曳力系数对干涉间距的敏感性做了分析,得到了对海洋立管工程有参考意义的结论。     

深水立管干涉分析研究

随着立管长度的增加,海洋立管间的干涉风险也在增大,在深水油气田开发的早期就应关注立管干涉问题。立管干涉包含了复杂的物理现象,其中水动力相互作用对于众多立管系统的干涉分析来说不可忽略。该文主要根据DNV—RP—F203规范介绍了基于水动力相互作用的深水立管干涉分析方法,给出了深水立管干涉分析的设计流程,探讨了立管干涉的可接受标准,为深水立管设计分析提供借鉴。     

独立桩导向架平行矩形防沉板的极限承载力研究

打桩作业中,独立桩导向架起到导向与扶正作用,导向架防沉板基础的极限承载力关乎到独立桩安装的精度和作业安全性。针对一种适用于深水打桩作业的独立桩导向架,使用API规范计算了其在不排水抗剪强度随深度线性变化的极限承载力; 基于通用有限元软件Abaqus,针对独立桩导向架所使用的平行矩形防沉板基础,探究了防沉板不同间距与宽长比对其承载力的影响。分析结果表明:竖向承载力随防沉板间距的增加,呈现先增大后减小的趋势; 在间距与防沉板面积一定的情况下,增加防沉板的宽度,竖向承载力先增大后减小,适当的增加防沉板间距和调整防沉板宽长比,有利于提高极限承载力。研究结果对深水独立桩导向架的设计、校核有一定参考意义。     

基于DQM的顶部预张力立管参激振动研究

该文基于微分求积法(DQM),对立管的参激振动问题进行了研究,通过对比数值解与理论解,论证了微分求积法在处理Mathieu方程方面的可靠性;在此基础上对比不同阻尼参数下立管的参激稳定性,得出阻尼越大立管参数稳定性越好,且频率越高,阻尼作用越明显;最后,计算不同管内流速时立管的参激稳定性,得出在特定频段处流速增加会降低立管参数稳定性的结论。该文提出的方法,可以在立管系统的设计阶段评判立管的参激振动特性,并且得出的结论可以对避免立管发生参激失稳提供指导意见。     

在位浮式平台回接钢悬链线立管安装设计

详细介绍在位浮式平台的钢悬链线立管(Steel Catenary Riser,SCR)回接安装的流程、安装分析方法以及分析准则。以某半潜平台为例,对其钢悬链线立管的安装进行静态、动态和疲劳分析,得到安装作业的气候窗和关键状态最长待机时间等重要安装参数。     

极端内波流作用下顶张紧立管干涉响应影响研究

张力腿平台相邻顶张紧立管间的干涉响应是决定水下井口布置和上部浮体结构设计的关键因素。中国南海典型海域极端内波流具有流速大、次数多、周期短和难于预测等特点,是相邻顶张紧立管干涉响应的主要因素。为了评估极端内波流影响,采用三维非线性梁单元结合Huse’s涡流振子模型和"管中管"模型对顶张紧立管间干涉响应进行有限元分析。结果表明:极端内波流、顶部张紧力、涡激振动和浮体偏移距离等因素对顶张紧立管间干涉响应有显著影响。     

J-Lay型深水铺管船作业数值分析

以3 000 m J-Lay型深水铺管船作业为研究对象，建立全耦合数值分析模型。通过准静态分析研究立管敏感性参数变化规律，确定铺管作业时最优立管顶端倾角。考虑剖面流、风和波浪综合作用，对不同工况下铺管作业过程进行数值模拟，对铺管作业过程中立管受力特征、顶端固定点运动状态进行预报和研究。研究表明，立管顶端倾斜角度改变对立管最大弯矩有显著影响，顶端倾角范围宜在80°~85°。在风浪流综合作用下，由于横摇与纵摇运动的耦合作用，横浪和尾斜浪向立管顶端最大弯矩显著增大，在作业过程中应引起关注。