台风应急期间深水钻井隔水管悬挂撤离安全分析

对于半潜式钻井平台,常规应对台风的程序是回收所有的钻井隔水管,航离台风路径,但是回收隔水管的作业时间较长,有时无法保证回收所有的隔水管,因此,悬挂隔水管可能无法避免。为保证钻井平台悬挂隔水管航行时隔水管的安全,以悬挂状态下的隔水管为研究对象,考虑隔水管动态张力、弯曲应力、隔水管转角及与月池的空间干涉等因素,利用有限元分析方法建立了悬挂模式下的隔水管轴向动力学模型。利用该模型,以南海某超深水井(水深2 460 m)为例,分析了不同悬挂模式、钻井船撤离航速、航向对隔水管安全性的影响。结果表明:硬悬挂模式下,航速为2 kn时,安全撤离航向为0°~45°;软悬挂模式下,航速为2 kn时,安全撤离航向为0°~90°;同样海况条件下,软悬挂模式允许的钻井船航速比硬悬挂大。这表明软悬挂撤离模式比硬悬挂撤离模式对波流载荷的适应能力要强,悬挂隔水管避台风撤离时,应优先选用软悬挂模式。      

钻井隔水管柔性悬挂系统试验装置设计及仿真研究

半潜式钻井平台隔水管在防台过程中采用硬悬挂和软悬挂均不能完全满足恶劣环境下平台安全撤离要求。根据硬悬挂和软悬挂特点,提出了隔水管柔性悬挂方案,并根据相似原理设计了隔水管柔性悬挂系统试验装置,该试验装置主要包括升沉模拟系统、运动补偿系统和负载等3部分。采用限压补偿法,利用SimulationX软件对隔水管柔性悬挂系统试验装置进行了仿真分析,仿真结果表明:本文设计的隔水管柔性悬挂系统试验装置可以模拟平台升沉、削弱隔水管动载等试验功能;隔水管柔性悬挂装置可以运用有限行程降低负载加速度,证明了隔水管柔性悬挂避台的可行性。本文研究成果为半潜式钻井平台隔水管悬挂避台提供了新思路。     

软悬挂撤离工况深水隔水管动力学特性分析

针对软悬挂紧急撤离工况下深水隔水管振动失效问题,采用有限元法并结合哈密顿变分和虚功原理,建立了软悬挂钻井隔水管三维非线性动力学模型,考虑了纵横向耦合效应、海洋涡激效应以及隔水管的大变形等非线性因素。借助文献试验参数和结果验证了非线性动力学模型的有效性。采用HYSY981钻井平台隔水管现场参数,探究了浮力块布置和台风重现期对紧急撤离工况下软悬挂隔水管非线性振动响应特性的影响规律。研究结果表明:合理布置浮力块可以减小应力和动态轴力,最优浮力块的布置方法可由所建立的理论模型确定;在高流速区中,隔水管的浮力块布置应该减少,且隔水管的最大应力和位移出现在靠近顶部或者底部区域,现场需重点关注此位置处隔水管的安全性;隔水管顺流向位移随着台风重现期的延长而增大,且靠近上端部分的位移变化较大,在撤离过程中应注意避免隔水管上端与月池碰撞。研究结果可为了解撤离工况下软悬挂隔水管振动响应特性提供参考。     

南海超深水井钻井隔水管悬挂模式的环境适应性分析

每年7月至11月为南海海域台风高发期,频繁的台风严重影响了深水钻井作业效率和安全。对于超深水(水深大于1 500 m)钻井,在台风到达井位之前完成井口处理和隔水管回收,时间是一个严峻的挑战,因此一旦遭遇台风,撤离钻井平台须考虑悬挂隔水管的备用方案。以南海某超深水井(水深2 460 m)为例,分析了钻井隔水管硬悬挂和软悬挂模式下影响隔水管安全的主要因素,探讨了各个因素对波浪和海流的适应能力与敏感性。研究结果表明,多数条件下软悬挂隔水管模式对波浪和海流的适应能力更强,硬悬挂模式下隔水管系统的安全性主要受限于应力和挠性接头转角,软悬挂模式下隔水管系统的安全性主要受限于挠性接头转角和伸缩节冲程。上述认识可对深水钻井隔水管系统安装和应急悬挂条件下的作业安全提供参考。     

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。     

基于动载补偿的隔水管柔性悬挂设计

为解决钻井平台避台作业时悬挂隔水管的安全性问题,针对现用的软悬挂与硬悬挂技术各自的局限性并结合二者优势,提出一种设有动载主动补偿功能的新型柔性隔水管悬挂系统方案。在传统的硬悬挂装置的基础上设置运动补偿液压缸和增程系统,利用有限补偿行程最大程度降低隔水管动载;提出位移比例补偿法和加速度削峰法两种补偿方案,并开展了适应性对比研究;建立Simulink仿真模型,进行系统仿真分析。计算分析表明,提出的隔水管柔性悬挂系统方案具有良好的动载补偿功能,其中加速度削峰法优于位移比例补偿法。     

基于张紧器耦合的隔水管作业窗分析

为了研究张紧器与隔水管耦合作用下的自存作业窗及避台撤离时的紧急作业窗,基于隔水管悬挂模式下的横向振动特性,建立了隔水管与张紧器耦合振动动力学模型,采用有限差分法对方程进行了离散,利用边界条件和初始条件通过编程对模型进行求解。研究了海风和张紧器参数对隔水管自存作业窗的影响,分析了平台航速和海流角度对隔水管悬挂撤离时作业窗的影响。分析结果表明:在悬挂工况下,海面风速对隔水管横向振动位移有较大影响,但对隔水管应力影响不大;随着张紧器气瓶压力增大,隔水管横向位移减小,但隔水管应力变大;随着海风和张紧器气瓶压力变大,隔水管自存作业窗减小;平台航速大于0.22 m/s时,随着航速的增大,撤离作业窗海流角度减小。所得结论可为隔水管的悬挂操作提供理论指导。     

基于隔水管受力分析的深水钻井平台防台风措施优选

针对深水平台作业中遭遇台风平台需要优选紧急避航路线的问题,利用有限元分析方法建立了隔水管拖航过程的力学模型,简化波浪和海流作用,得到了软、硬悬挂隔水管长度与许用最大速度关系,制定了深水钻井平台3种防台措施,并给出平台与台风最不利位置计算模型,以某浮式钻井平台紧急防台为例优选防台措施。力学分析表明:隔水管的最大应力和最大弯矩位置出现在近海面处;浮块数量增加,隔水管顶部最大转角会限制平台的最大航速;隔水管较短的情况硬悬挂方式有更快的航速,反之,软悬挂方式最大许用航速大。防台措施表明:根据最不利位置计算模型,可以快速计算出符合的防台位置和防台措施,根据安全和再作业等情况优选出最佳航行路线。     

深水钻井隔水管防台悬挂装置的选型设计

针对目前深水钻井防台时隔水管处理方式存在的作业窗口小、作业模式选择困难、易发生事故等问题,本文提出了将隔水管硬悬挂与软悬挂方案相结合的新方法,既能快速操作,又能缓冲隔水管运动。为了降低新方法中隔水管的加速度,提出并分析了3种控制方案对加速度的补偿效果,结果表明加速度峰值控制方案具有制造安装简单、实施方便等优势。在此基础上针对加速度峰值控制方案中封闭高压系统散热难的问题,提出了采用差动液压缸实现半开式循环散热的方法。本文提出的隔水管加速度峰值控制悬挂方法及其配套的差动散热-主动控制节流装置,具有较好的动载荷补偿能力,可为我国深水钻井防台提供技术支持。     

深水钻井隔水管浮力块配置方法研究

给出了合理配置隔水管浮力块的基本原则和主要流程;以深水钻井隔水管硬悬挂模式为例,对隔水管的轴向运动性能进行了分析,确定了悬挂状态下隔水管的动态张力,在此基础上给出了确定合理浮力系数的方法,并通过实例进行了计算与分析.本文提出的浮力块配置方法及相关研究结论可供工程应用参考.     

基于FPSO运动的多波型立管响应对比

基于最小势能原理建立立管非线性力学模型,应用海洋工程分析软件OrcaFlex进行数值模拟,通过控制变量法分散浮筒的布置位置,建立单波、双波和三波构型立管。考虑浮式生产储泄油装置（Floating Production Storage and Offloading,FPSO）六自由度响应,对比3种构型立管垂向运动及整体von Mises应力分布,通过比较触地点动态位移判断出具有最优运动隔离效果的立管构型。结果表明：考虑浮体响应后浮筒的分散布置有利于立管垂向速度和加速度的平稳过渡;在3种构型中双波构型对重点位置的张力优化效果最佳、抵抗材料发生屈曲变形的能力最强且该构型隔离浮体运动响应的效果最优。     

超深水钻井隔水管设计影响因素

超深水钻井隔水管设计的影响因素主要为环境因素与作业因素,前者主要包括水深、波浪、海流,后者主要包括钻井液密度,脱离后隔水管系统悬挂模式、浮力块分布、涡激抑制设备等.系统总结了超深水钻井隔水管设计影响因素.研究了各因素影响隔水管设计的机理.定性或定量分析了各因素对隔水管设计的影响.研究表明,水深和海流是隔水管设计最显著的影响因素,水深增加导致隔水管材料、结构,配置产生重大变化,海流导致隔水管产生涡激疲劳,并增加隔水管下放与收回的难度.悬挂模式影响隔水管系统的浮力系数和浮力块分布,涡激抑制设备造成隔水管作业困难,钻井液密度影响隔水管的有效张力和底部球铰转角进而影响隔水管系统的稳定性.相关结论可为超深水钻井隔水管设计、配置、作业、管理提供参考.     

海洋钻井隔水管浮力块配置方法

浮力块是钻井隔水管系统的重要部件,能改善钻井隔水管的性能。但是如何配置浮力块,对隔水管张力器的张力、钻井隔水管在海洋深水条件下的应用等都有很大影响。目前国内外对于钻井隔水管浮力块配置方法的研究较少,因此,进一步研究其配置方法很有必要。首先,介绍了目前国内外海洋钻井隔水管浮力块配置的基本经验;然后,以我国南海某海域500 m水深为例,采用ABAQUS有限元软件,讨论了海洋钻井隔水管浮力块的配置方法,拟定了5种浮力块配置方案,并对其进行了详细的计算分析。结果表明:拟定的方案2和方案3为较优方案;与波浪力相比,海流力对隔水管动力学响应特性的影响更大;浮力块安装位置不同,对隔水管横向变形、等效应力、弯矩和底部柔性接头转角等力学响应的影响很大。建议:在适当位置配置厚壁隔水管以降低其局部等效应力;浮力块的安装位置应避开海流流速最大位置;研制钻井隔水管分析系统软件,实现多个有限元软件的联合调用,以提高分析效率和准确性。      

Model test investigation on an innovative lifting system for deepwater riser installation

An S-lay crane barge, named CNOOC 201, has been built for pipe laying in deepwater oil/gas fields in the South China Sea. It is due to be commissioned by the end of the year 2010. A special lifting system is developed to meet the challenge that installing deepwater risers from an S-lay barge is difficult and has not been achieved. The purpose of this paper was to investigate the model test on such an innovative system, which has to be done before field application. By applying the similarity theory, the movement of the S-lay barge is simulated through a six degrees-of-freedom motion platform, and a truncated model riser is utilized for the model testing. The displacement and force boundary conditions at the truncated position of the riser are obtained from the catenary governing equation and become realized by a slideway cart and a loading system designed to control the configuration of the model riser, which presents a similar configuration to a real riser in deepwater. The test results are in very good agreement with theoretical calculations, showing that the active truncated test is applicable for controlling the configuration of the deepwater riser in model testing investigation.